Zasilanie, czyli ważny ale często pomijany problem

2018-10-23
Zasilanie, czyli ważny ale często pomijany problem

Człowiek, który wymyśliłby perpetum mobile nie byłby głodny do końca życia. Oczywiście jeżeli jego wynalazek ujrzałby światło dzienne, no i oczywiście jeżeli jakiś bliźni nie ukradłby go dla zysku przed światową premierą. Na razie jednak skazani jesteśmy na urządzenia zasilane z zewnątrz.

Zasilanie urządzeń to zmora naszych czasów. Pomyślmy bowiem, co stałoby się, gdyby zabrakło na stałe zasilania z sieci napięcia przemiennego? Ludzkość cofnęła by się w jednym momencie do epoki kamienia łupanego. No może przesadziłem, bo jeszcze przez parę godzin działałyby generatory prądotwórcze i urządzenia zasilane bateryjnie, ale czas ten byłby swoistym pożegnaniem z epoką cudów elektroniki. Strach pomyśleć. A swoje rozważanie o zasilaniu rozpocząłem dlatego w tak czarnych kolorach, aby podkreślić wagę tematu. Jeżeli bowiem coś jest ważne, warto nad tym się zastanowić i choć trochę poznać.

Gniazdka typu komputerowego pozwala na przepływ prądu do 10 A.

A więc, jak już ustaliliśmy, wszelkie urządzenia elektryczne i elektroniczne wymagają zasilania. Oczywiście spotykamy się z urządzeniami zasilanymi bateryjnie i takie w dziedzinie audio występują, jednak równie często spotykamy się na każdym kroku z urządzeniami zasilanymi z sieci. Aby rozpocząć rozważania na temat zasilenia sieciowego musimy poznać

UKŁADY SIECIOWE

W budynkach mieszkalnych oraz użyteczności publicznej spotkamy się z układem sieciowym o nazwie TN. Litery tego skrótu można przetłumaczyć jako Terra (ziemia) Neutrum, czyli jest to układ w którym punkt neutralny źródła napięcia jest uziemiony. Występują trzy podukłady sieci TN. Pierwszym podukładem, z którym spotkać możemy się jeszcze w starszych budynkach, jest układ typu TN-C. Jest to nic innego jak układ sieci czteroprzewodowy, czyli trzy przewody fazowe (L1, L2, L3) oraz wspólny przewód neutralno-ochronny (PEN). Dziś, zgodnie z nowymi normami, wykonuje się tylko układy sieciowe pięcioprzewodowe TN-S, gdzie nie występuje wspólny przewód PEN a osobne przewody neutralny (N) oraz ochronny (PE). Dla informacji – występuje jeszcze układ sieciowy TN-C-S, który charakteryzuje się tym, że w układzie TN-C wykonuje się rozdzielenie przewodu PEN na N i PE.

FAZA

Skoro wspomniałem o przewodach fazowych trzeba wyjaśnić w czym rzecz. Przy napięciu stałym występują bieguny zasilania dodatni i ujemny. Przy rozważaniu układów zasilania napięciem przemiennym taki podział nie występuje, zamiast tego operujemy pojęciem przewodu fazowego. Jest to jeden z przewodów w gniazdku znajdujący się pod napięciem 230 V. Drugi z przewodów w gniazdku nazywamy neutralnym i na nim napięcie nie występuje. Dlaczego tak jest? Po prostu – w największym skrócie – przewód neutralny jest „podłączony” do potencjału ziemi i z tego powodu stojąc na niej nie wystąpi na nas spadek napięcia jak np. na żarówce i, mówiąc potocznie, przewód neutralny nas nie „kopnie” (jednak nie radzę tego sprawdzać w domu). Na przewodzie fazowym występuje w stosunku do ziemi pełne napięcie fazowe i dotknięcie takiego przewodu spowodowałoby, że stalibyśmy się obciążeniem dla rozdzielni miejskiej i skończyłoby się to śmiercią albo trwałym kalectwem. 

TRÓJFAZÓWKA

Użyłem terminu napięcie fazowe i od razu pomyślałem, że warto wspomnieć, że dziś w zasadzie prawie każde domostwo ma przyłączoną instalację zasilania trójfazowego. Aby maksymalnie prosto to wytłumaczyć, przyjmijmy że mamy do dyspozycji trzy osobne przewody fazowe i wspólny dla nich przewód neutralny. Mierząc napięcie pomiędzy poszczególnymi fazami a przewodem neutralnym okazało by się, że mamy trzy źródła zasilania 230 V. Napięcie mierzone pomiędzy przewodem fazowym a neutralnym nazywamy napięciem fazowym i dla nas w Polsce i całej Unii Europejskiej wynosi ono 230 V. Jeżeli mierzylibyśmy napięcie pomiędzy fazami sieci trójfazowej, a więc pomiędzy poszczególnymi przewodami fazowymi, okazałoby się, o zgrozo, że panuje tam napięcie około 400 V! To napięcie nazywamy międzyfazowym i przyznam się, że jako mały chłopak miałem bliskie spotkanie z takowym. Przeżyłem dlatego, że odciągnął mnie stojący za mną na szczęście dorosły.

Gniazda trójfazowe, zgodne z dzisiejszymi normami, mają gniazdo ochronne o większej średnicy i są jednoznacznie opisane.

Posiadanie sieci napięcia trójfazowego daje zwiększone możliwości zasilania. Spotkałem się z zasilaniem np. w blokach mieszkalnych, gdzie znajdowały się trzy mieszkania na klatce schodowej i poszczególne piony mieszkań zasilane były z oddzielnych faz. Jaka była złość, gdy pani Z. wybiła zabezpieczenie pierwszego pionu i – co za tym idzie – nikt w nim nie miał napięcia, a reszta bloku miała. Ale wracając do tematu – istotne jest, aby korzystając z zasilania trójfazowego do jednej fazy podłączać sprzęt audio zaś np. zasilanie systemu oświetleniowego powierzyć innej fazie, gdyż dzięki temu zmniejszymy wpływ zakłóceń na sprzęt audio emitowanych przez sterowniki oświetleniowe. A co jeszcze ważniejsze, jeżeli do gniazda sieci napięcia trójfazowego podłączamy rozdzielnicę elektryczną, musimy być pewni, że jej wtyk przyłączeniowy jest kompatybilny elektrycznie z gniazdem sieci. W innym przypadku może nastąpić sytuacja, gdzie napięcie fazowe znajdzie się np. na obudowie a transformator zasilający w sprzęcie po prostu się spali, bo zasilony został z napięcia międzyfazowego. Oczywiście gniazda trójfazowe, zgodne z dzisiejszymi normami, mają gniazdo ochronne o większej średnicy i są jednoznacznie opisane ale pomysłowość i zaradność ludzka nie zna granic. Oczywiście w większości przypadków spotykać się będziemy z zasilaniem jednofazowym a tutaj pomyłki są rzadkością.

PROBLEMY Z NAPIĘCIEM ZASILAJĄCYM

Obsługując różne imprezy trzeba być przygotowanym na różnorakie awarie pochodzące ze strony zasilania. Trzeba oczywiście umieć sprawdzić czy napięcie w sieci rzeczywiście jest. W tym miejscu muszę wspomnieć, że żadne naprawy układu zasilania danego budynku czy gniazdka sieciowego są niedopuszczalne oraz niebezpieczne nie tylko z powodu możliwości porażenia prądem niedoświadczonego montera, ale również ze strony prawnej. Aby pracować przy naprawie układów sieciowych należy posiadać odpowiednie uprawnienia SEP (Stowarzyszenia Elektryków Polskich), które związane są ze zdaniem przed komisją egzaminu kwalifikacyjnego. Przy pracy w zakresie napięć niskich niezbędne są uprawnienia do 1 kV. Oczywiście, jest gradacja takich uprawnień i można mieć zgodę na eksploatację lub na dozorowanie prac, czy na wykonywanie pomiarów, z których robi się prawomocne sprawozdania zaświadczając, że po naprawie czy wykonaniu nowej instalacji jest ona zgodna z zasadami normy i jest bezpieczna. Jednakowoż bierze się na siebie odpowiedzialność prawną w razie wystąpienia wypadku z tą siecią związanego. Czyli sprawa nie jest błaha i pamiętajmy, nie dajmy wciągnąć się w jakieś dzikie naprawy, bo „pan się przecież na prądzie zna”.

Aczkolwiek to, czy jest napięcie w gniazdku, czy nie, sprawdzić możemy sami. A więc jeśli nie działa wzmacniacz i jego kontrolka zasilania nie świeci (albo procesor, konsoleta czy inne urządzenie podłączone do sieci) pierwsze co powinniśmy zrobić, to sprawdzić zasilanie. Trzeba zaopatrzyć się w sklepie z materiałami elektrycznymi w zwykły próbnik neonowy wyglądający jak przeźroczysty śrubokręt. Za pomocą takiego próbnika sprawdzamy wszystkie styki (dziury i bolce) gniazda. W poprawnie działającym gnieździe wkładając próbnik do jednego styku gniazda neonówka powinna świecić (przewód fazowy) zaś wkładając do drugiego styku nie (przewód neutralny). A co jeżeli neonówka próbnika nie świeci przy żadnym styku, bezpieczniki są dobre a na domiar złego neonówka świeci, gdy dotkniemy obudowy naszego wzmacniacza? Takie sytuacje często występują, gdy instalacja ma wspólny przewód neutralno-ochronny PEN, czyli w budynku jest znana nam sieć typu TN-C i nastąpiło przepalenie w ścianie przewodu neutralnego. Po prostu w takiej sytuacji bolec ochronny gniazda przyłącza się do przewodu PEN i jak nastąpi jego przerwanie napięcie przez zwarty w gnieździe styk ochronny wystawione jest na obudowie. Gorsza sytuacja, gdy przewód przepali się i odetnie grupę gniazd, wtedy na bolcach całej odciętej grupy będzie występować napięcie.

Jeśli neonówka próbnika nie świeci w żadnym styku a na domiar złego neonówka świeci, gdy dotkniemy obudowy naszego wzmacniacza, prawdopodobnie nastąpiło przepalenie w ścianie przewodu neutralnego.

Może zdarzyć się, że załączony sprzęt miga kontrolkami zasilania bądź wyświetlaczami, wybija zabezpieczenia lub dźwięk jest „nie teges”, np. przesterowany, choć wzmacniacz bynajmniej nie jest wysterowany „na maksa”. W takim przypadku niechybnie spotykamy się z sytuacją, gdy nie ma w gniazdach dostatecznej wartości napięcia zasilania – i tak zamiast 230 V mamy np. 190. Powodem może być przeciążenie sieci, a co za tym idzie „zawatowany” bezpiecznik. Może to być również sygnałem złego połączenia w instalacji, co w późniejszym czasie może grozić nawet pożarem instalacji, a następnie całego budynku. Takie za niskie napięcie możemy zmierzyć używając najprostszego multimetru cyfrowego, nawet Made in PRC. Pamiętać należy o tym, że zawsze napięcie mierzymy woltomierzem, zaś prąd amperomierzem. Z racji tego, że nas interesuje napięcie, przełączamy multimetr na woltomierz napięcia przemiennego, zaś zakres pomiarowy woltomierza na co najmniej 230 V lub większy i to w zasadzie wszystko. Odczytujemy pomiar i jesteśmy bogatsi o wiedzę o napięciu zasilającym nasz drogocenny sprzęt.

„ZA TWOIM PRZEWODEM”

Maksymalna wartość prądu płynącego przez przewód elektryczny jest ściśle związana z przekrojem tego przewodu. I w tym miejscu rzecz bardzo ważna – praktycznie musimy wiedzieć jaki pobór prądu mają urządzenia naszego systemu nagłośnieniowego, ponieważ zastosowanie w zasilaniu przedłużaczy o zbyt niskim przekroju przewodów może w najlepszym wypadku skończyć się przerwą w zasilaniu naszych urządzeń.

Jak wpływa przekrój przewodu zasilającego na płynący przez niego prąd zobrazować może przykład, który spotkał mnie na niwie dobrosąsiedzkich stosunków. Pewnego dnia zaczepiła mnie sąsiadka: „Panie Marku, coś śmierdzi mi w domu, jakby „elektryką” paloną. Może pan sprawdzi?”. No i okazało się, że bidulka podłączyła mały ogrzewacz wody o mocy 3 kW przez przedłużacz 2 x 0,5 mm2. Przewód już dogorywał i o mały włos nie nastąpiło zwarcie.

Aby dokładnie dobrać przekrój przewodu do wartości prądu należałoby sięgnąć do tablic, które dokładnie to podają, również w zależności od umieszczenia przewodu, ilości przewodów obok siebie oraz ich izolacji. Ja w tym miejscu pokuszę się o przytoczenie kilku typowych przykładów i zaznaczam, że są to wartości czysto orientacyjne. Przewód o przekroju 3 x 0,5 mm2 w izolacji polwinitowej, czyli najbardziej typowy jaki można kupić w sklepach z materiałami elektrycznymi, wytrzymuje ciągły przepływ prądu około 7 A. Przewód 3 x 1 mm2 pozwoli na przepływ prądu około 12 A, 3 x 1,5 mm2 około 15 A zaś przewód o przekroju 3 x 2,5 mm2 zgodzi się, aby przepływał przez niego prąd o wartości około 21 A. Jak widać jest to kwestia bardzo istotna i idąc dalej tym tropem warto wiedzieć jak wydajna jest instalacja obiektu, który nagłaśniamy, a jeżeli impreza odbywa się w plenerze, to z jakich przedłużaczy korzystamy.

GNIAZDA I WTYKI

Również gniazda i wtyki są projektowane i wykonywane tak, aby były w stanie bezproblemowo przepuścić prąd o odpowiedniej wartości. Posiadając np. wzmacniacz o mocy 5 kW musimy mieć świadomość, że (nawet jeśli będzie on wyposażony w zasilacz impulsowy i będzie pracował w klasie D) jego pobór mocy będzie wynosił co najmniej 21 A, a więc siłą rzeczy nie można zasilać go za pośrednictwem gniazdka typu komputerowego, które w wykonaniu Made in PRC pozwala na przepływ prądu do 10 A. Spotyka się gniazda na płytę, które pozwalają na przepływ prądu przez ich styki nawet 25 A. Wtyczki sieciowe pozwalają na przepływ prądu do 16 A, co spowodowane jest faktem, że trudno znaleźć urządzenie AGD o mocy większej niż 3 kW. Gdy będziemy zmuszeni wykonać przedłużacze w swoim zakresie lub gdy będziemy chcieli takie zakupić musimy sprawdzić, na jaki prąd są przewidziane, aby podczas pracy „on line” nie było niespodzianek.

Jeżeli do gniazda sieci napięcia trójfazowego podłączamy rozdzielnicę elektryczny, musimy być pewni, że jej wtyk przyłączeniowy jest kompatybilny elektrycznie z gniazdem sieci.

W swojej pracy akustyków często możecie zostać zaskoczeni zastosowaniem niejednakowych norm gniazd zasilających. I dlatego warto mieć różne rodzaje przejściówek elektrycznych. Coraz częściej można spotkać się z wtyczkami, które nie dość, że mają na swoim obwodzie różne wycięcia, to jeszcze z boków mają styki dodatkowe przewodu PE. I nie trzeba detektywa, aby domyślić się, że jeżeli są takie wtyki to muszą być i gniazda. Faktycznie, są takie gniazda, a typowa okrągła wyczka sieciowa do takiego gniazda nie wejdzie. Trójfazowe sieci zasilające także wyposażane są w gniazda pozwalające na przepływ prądu o różnej wartości. Spotkać się więc można ze złączami na 16 lub 32 A, które wyposażone są w cztery lub pięć styków. Jak widać, możliwości jest kilka.

Oczywiście tak instalacje, jak i urządzenia elektroniczne wyposażone są w różnego rodzaju wyłączniki zasilania. W obu przypadkach ważna jest tak dopuszczalna wartość prądu, jaki może płynąć przez styki wyłącznika, jak i napięcie pracy wyłącznika. W sprzęcie zdarzyło mi się spotkać niejeden wytopiony styk wyłącznika, a spowodowane to było złym doborem jego parametrów. Jeżeli chodzi o sieci zasilające natrafiłem na przypadek, gdzie rolę wyłącznika głównego całej instalacji sali pełnił wyłącznik do światła w pokoju. Efektem tego zabiegu było kompletne jego wypalenie i przerwa w nagłaśnianej imprezie. Ważne jest, aby przyswoić sobie podstawowe parametry związane z zasilaniem sieciowym, które starałem się tu przybliżyć oraz aby przed „sztuką” dokonać wywiadu z organizatorem w sprawie sieci zasilającej daną salę czy plener. Na pewno zmniejszy to ilość nieprzewidzianych niespodzianek ze strony zasilania.