Помехи и помехоустойчивость.

Исполнение средств для обработки информации и для автоматизации управления различными объектами, приводит к тому, что в непосредственной близости друг к другу оказываются электронные устройства и мощные агрегаты (двигатели, электромагниты, сварочные машины и т.д.). Поэтому всё большее значение приобретает проблема уменьшения шумов и обеспечение помехоустойчивости электронных устройств. Эта проблема связана не только с ростом внешних помех, расположенных вблизи агрегатов, но и с увеличением внутренних помех. Это взаимное влияние элементов и блоков электронных устройств друг на друга.

Рассмотрим основные источники помех в дискретных устройствах. Дискретные устройства представляют собой сеть соединённых между собой элементов.

Электрическая сеть, соединяющая выход одного элемента (источника сигналов) со входом другого элемента (приёмника сигнала) образуют контур LC, который служит своего рода антенной, преобразующей влияние электрического поля и ЭДС на входе элемента приёмника.

В результате на входе возникает помеха Ип, которая зависит:

1. От площади контура;

2. От скорости электромагнитного потока;

3. От выходного сопротивления элемента источника;

4. От входного сопротивления приёмника.

Помехи, создаваемые электромагнитным полем рассматривают для достаточно удалённых источников, которыми являются сравнительно мощные агрегаты.

Помимо них имеются также источники помех, расположенные в близости от входных цепей элемента. Это соседние проводники, которые имеют с рассматриваемой цепью распределительную индуктивную и емкостную связь. Помехи, обусловленные взаимодействиями через эти связи при передаче сигналов по соседним цепям, называют перекрестными.

Элементы, входящие в состав дискретного устройства, подключаются к общему источнику питания, при этом создаются помехи через общее выходное сопротивление Rп источник питания и сопротивление шин Rш, подводящих питание. Шины, подводящие питание, имеют распределенные параметры:

На следующем рисунке приведена эквивалентная схема шины питания элементов ТТЛ (транзистор транзисторной логики).

Принято считать, что индуктивность проводника, соединяющая выводы питания двух рядом расположенных микросхем составляют 20 нГн, а ёмкость микросхемы между выводом питания и выводом земля равна 30пФ.

На рисунке представлена диаграмма импульсов помех в изображённой выше шине питания.

Падение напряжения на общих для всех элементов сопротивления Rп и Rш изменяет напряжение, подводимое к элементам (приращение напряжения питания от -0,4 до 0,4). Эти приращения напряжения питания с ослаблением передаются на входы элемента и создают помеху.

Наибольшие помехи создаются сопротивлениями участков нулевой шины (земляной), как видно из 1 рис., что падение напряжения изменили и сопротивления Rш1, представляющие собой помеху, действующую в цепи передачей сигнала с выходом элемента Э1 на вход элемента Э2.

Помехоустойчивость логического элемента – есть мера его способности не реагировать на ложные входные сигналы, вызванные электромагнитными наводками на входную цепь перекрёстными помехами и помехами в шинах питания. Так как все типы логических элементов содержат инерционные компоненты, для переключения которых требуется определенная энергия входного сигнала, то запас помехоустойчивости элемента для длительных и кратковременных помех не одинаков.

Компьютеры, как любое электрооборудование, питающееся от сети переменного тока, подвергаются различным негативным воздействиям со стороны этой питающей сети. Стандартным требованием питания сети является напряжение 220В с отклонением -15% - +10%, т.е. 187-242В. При частоте 50+-1Гц.

К основным воздействующим факторам со стороны сети относятся следующие:

1. Высоковольтное импульсное перенапряжение, как результат грозовых разрядов длительностью от долей десятков микросекунд, коммутационных перенапряжений длительностью до десятков и сотен микросекунд. Грозовые перенапряжения могут достигать десятков кВ, коммутационные – единиц кВ;

2. Повышение напряжения сети более чем на 10% от номинала, кратковременные (на несколько периодов) и длительные, вызванные неполадками в сети, например, перекос фаз.

3. Кратковременные провалы в течение нескольких периодов, вызванные подключением мощной нагрузки, и длительные, понижающие напряжение ниже 85% от номинального значения;

4. Пропадание напряжения более, чем на 2 полупериода частоты;

5. Радиочастотные шумы от воздействия мощных радиопередающих и иных устройств, а так же помехи от импульсных блоков питания;

6. Отклонение частоты питания от номинала 50Гц;

7. Гармоничные искажения питающего напряжения, т.е. отклонение формы от синусоидальной.

Степень воздействия питания сети на аппаратуру различна. Они могут приводить к:

Поскольку большинство блоков питания имеют импульсный преобразователь с безтрансформаторным входом, то к отключениям частоты или формы напряжения они почти нечувствительны. Последствия же сбоев по питанию могут быть весьма тяжелыми: выход из строя, потеря данных.

Для защиты от сетевых возмущений применяется ряд комплексных мер:

При правильном подборе параметров варистор может спасти и от длительных перенапряжений сети, например, перекос фаз. В этом случае варистор будет ограничивать напряжение, выделяя значительную мощность, что приводит к его пробою и отключению питания предохранителями токовой защиты. В общем случае одного варистора для полной защиты от перенапряжения недостаточно. Используют два варистора, один – между землёй и нулём, второй – между землёй и фазой. Но исходя из экономии средств, их обычно не устанавливают.

ИБМ различают по классам (режимам работы)

ИБП служит для стабилизации энергоснабжения критических потребителей. Качество электропитания напрямую связано со стабильностью продуктивной работы. ИБП компенсирует перебои электропитания, а так же понижения или повышения напряжения и колебания в электросети. Если необходимо большое время автономной работы, к ИБП подключается генератор.

Существуют три вида ИБП:

Современные ИБП (UPS) имеют в своём составе микроконтроллеры, которые совместно со специализированным программным обеспечением, поставляемым для конкретных моделей, могут представлять широкий спектр услуг в зависимости от возможности интерфейса связи ИБП с системой:

централизованное управление UPS, питающее всё коммуникационное оборудование.

UPS имеет множество параметров. Основные следующие:

Выходная мощность измеряется в вольт-амперах. Она должна быть не меньше, чем сумма мощностей, потребляемых устройствами, которые питаются от данного UPS. Причём надо принимать во внимание не только среднюю потребляемую мощность, но и пиковую мощность. Пиковая мощность иногда превышает среднюю в разы. Во время запуска они могут потреблять пятикратную мощность. Поэтому запрещается питание от UPS.

Число фаз входного и выходного напряжения. Источники небольшой мощности (до единиц кВА) как правило, однофазные. Более мощные могут быть трехфазными. И если их вх. цепи нагружает сеть по схеме дельта, а не звезда, то тем самым решается проблема симметрирования нагрузки фаз перегрузки силового провода. Трёхфазный выход ИБП, предназначенный для питания компьютера и других однофазных потребителей, нужно рассматривать скорее как недостаток, а не как преимущество.

Форма выходного напряжения. В идеале она должна быть синусоидальной. Коэффициент гармонии выходного напряжения у лучших моделей не превышает трех процентов. У простейших моделей генерируется меандр, сглаживаемый фильтром нижних частот.

Порог переключения. Уровень напряжения, при котором происходит переключение на резервное питание. Влияет на срок служба АКБ. Однако, его снижение облегчает режим работы батареи, но ухудшает стабильность входного напряжения.

Время работы от резервного источника зависит от ёмкости, степени заряженности АКБ и величины нагрузки. Это время должно обеспечивать закрытие приложений на защищаемых компьютерах для предотвращения потери данных.

Возможность «холодного запуска». При заряженных батареях, но при отсутствии вх. питания, автоматическое включение невозможно. Если блок не имеет такой возможности, то с ним в критический момент надо идти на запуск в рабочее действие.

ИБП управляются специализированными программами. Возможности этих программных пакетов настолько велики и разнообразны, что для подробного рассказа о программном обеспечении ИБП понадобилась бы отдельная статья. Здесь же скажем, что в силах современного развитого ПО осуществление диагностики и тестирования "источника", автоматическое присваивание имен закрываемым файлам, сбрасывание менее существенной нагрузки для поддержания нагрузки более важной, ведение журнала регистрации событий, быстрая остановка работу ИБП после закрытия системы в целях экономии ресурсов батарей, оповещение о перебоях энергоснабжения по электронной почте или пейджинговой связи, отслеживание состояния окружающей среды, включая стихийные бедствия, и многое другое. Поступаемая информация выводится на экран монитора; как правило, у большинства ПО интуитивно-доступный и дружественный интерфейс. Возможно дистанционное управление ИБП по коммутируемой линии.

У ИБП может быть несколько выходных разъемов батарейного питания, а также высокоамперных разъемов для защиты устройств, не требующих батарейной поддержки от выбросов напряжения и перенапряжения. К первым целесообразно подключать системный блок, монитор, внешние накопители, ко вторым - модем, принтеры, звуковые колонки. При соответствующем ПО с помощью функции сегментации нагрузки (load shedding) все выходные разъемы можно разделить на несколько групп. Например, модель Exide NetUPS SE позволяет таким образом разделить имеющиеся восемь выходных разъемов на три группы, подключив нагрузку различной важности к разным группам. Функция же сегментации нагрузки позволит задать порядок обесточивания групп и, скажем, оставить подключенным только системный блок, значительно продлив его работу.

- Off-line (stand-by);

- Line-Inter-active;

- On-line.

Если в Off-line UPS нагрузка в норме, то, получая питание от сети,

выпрямитель (зарядное устройство) обеспечивает нагрузку аккумуляторной батареи. При пропадании входного напряжения включается инвертор, и нагрузка переключается на него за несколько мс. При восстановлении входного напряжения происходит обратное переключение. К этому классу относится Back UPS фирмы APC.

UPS Line-Inter-active работает аналогично Off-line, но имеют дополнительную возможность ступенчатой стабилизации при длительных проседаниях входного напряжения с помощью буфера (обычно посредством перекоммутации первичных обмоток входного трансформатора). Модели таких ИБП – Smart и Matrix от APC.

On-line UPS

Обладает наилучшими характеристиками. В них нагрузка постоянно получает питание через инвертор. Инвертор получает постоянное напряжение от выпрямителя или аккумуляторной батареи. Схема обеспечивает высокую стабильность питания напряжения как при питании от сети, так и от аккумуляторной батареи. Для данной схемы естественна гальваническая развязка входа и выхода и отсутствие переходных процессов на выходе при переключениях от сети к батарее и наоборот. К этому классу относится модель Prestige фирмы EXIDE.

Для работы в условиях сильных колебаний питания напряжения хорошую защиту обеспечивают ИБП On-line и Line-Inter-active. От класса мощности, ёмкости аккумуляторной батареи (АКБ), определяющей время автономной работы при максимальной нагрузке, в основном зависит цена UPS. При пропадании сетевого напряжения UPS переключается на резервное питание и обычно подаётся звуковой сигнал. Для защиты данных компьютера UPS должен иметь возможность подавать сигнал о предстоящем отключении питания. Сигнал может подаваться аппаратным прерыванием через специальную плату сопряжения, СОМ-порт или встроенный UPS адаптер локальной вычислительной сети. Два последних варианта более универсальны и обеспечивают двунаправленный обмен развернутой управляющей и диагностической информацией. Если питание не восстановилось за время возможной работы АКБ UPS отключается, а его повторное включение возможно вручную или автоматически. АКБ требует периодической «тренировки» - циклов заряда и разряда. Если UPS питает устройство от сети, в котором никогда не пропадает напряжение, то может произойти потеря работоспособности АКБ. Наиболее современные UPS имеют встроенные средства автоматического запуска тестовых и профилактических процедур, при которых нагрузка на некоторое время переключается на питание от батареи. Некоторые модели выполняют эту процедуру от модуля программной поддержки, используемого на защищённом компьютере. В этом случае UPS соединен с компьютером специальным интерфейсным кабелем.