Все скоммутированные между собой приборы должны запитываться от одной и той же фазы. Только причины смеха будут разными. В таких странах, как Великобритания, действующими нормами разрешено только однофазное подключение. Причём на расстоянии вытянутых рук может размещаться только электрооборудование, подключённое к одной фазе. Это делается для того, чтобы нельзя было коснуться одновременно двух элементов оборудования с разными фазами. С другой стороны, в Южной Европе я встречал щиты питания на 12 розеток, установленные в рэковых стойках, и при этом каждые четыре розетки были подключены к каждой из трёх фаз. Эти щиты монтировались квалифицированными электриками, которые не могли понять, чего я от них хочу, когда я спрашивал их об этом. Для них это было абсолютно нормальным явлением. Я припоминаю одну свою работу на студии дублирования фильмов во Франции, где многодорожечный магнитофон был запитан от одной фазы, микшерный пульт – от другой, а усилители мощности и блоки эффектов – от третьей. Для того чтобы запитать всю студию от одной фазы, которая должна быть достаточно мощной для питания всей аппаратуры, необходимо было бы перекроить всю систему питания здания, к чему владелец был не готов.
Электрические компании предоставляют трёхфазное питание, потому что это наиболее эффективный способ как производства, так и распределения электроэнергии в больших объёмах. Точно так же, как многоцилиндровый поршневой двигатель лучше и эффективнее одноцилиндрового собрата, так и трёхфазный генератор лучше и эффективнее однофазного, в котором электромагнитное воздействие каждого оборота менее сбалансировано. Если все три фазы сбалансированы по мощности, то для передачи электроэнергии требуется кабель потоньше, так как по нейтральному проводу идут составляющие различных фаз, что меньше нагревает кабель, в отличие от суммарного тока, идущего в одной фазе при нейтральной «обратке». Более эффективные генераторы и система распределения означают меньшие расходы для электрических компаний, и тем самым более дешёвое электричество для потребителей.
Великобритания – богатая индустриально-развитая страна с большим количеством производимой электроэнергии и серьёзным отношением к технике безопасности. Потребление одним домом или квартирой тока в 100 А (по одной фазе) считается вполне нормальным явлением. А вот в Испании, где ощущается нехватка электроэнергии, потребление тока одним домом может быть ограничено 15 А однофазного питания, а многие коммерческие предприятия могут потреблять только 20 А трёхфазного тока. Увеличение потребляемой мощности приведёт к значительным расходам и к крупным наценкам за каждый киловатт-час сверх нормы. Британское требование обеспечить питание от одной фазы для всех взаимосвязанных единиц аудио и/или видео оборудования основывается на том, что из-за разницы потенциалов между фазами в почти 400 В вероятность пробоя изоляции оборудования более высока, чем при использовании одной фазы номинальным напряжением 230 В. Более того, в первом случае последствия нарушения целостности изоляции будут более тяжёлыми. Испанская философия в этом отношении по-моему следует принципу: «Это всё, что мы можем сделать; соглашайтесь или отказывайтесь». Французы объясняют это пресловутой «галльской беззаботностью». В США существует двухфазное питание, получаемое от двух полуобмоток трансформатора, которое даёт по 120 В от каждой половины; каждая такая фаза идёт на один из пары рядом стоящих домов. В международной практике эти вопросы далеки от стандартизации.

Почему только одна фаза?

Научный подход подсказывает необходимость использования однофазного питания. Если бы питание всего студийного оборудования распределялось по трём фазам, то всё было бы нормально, пока все три фазы имели бы чёткую синусоидальную форму при одинаковой силе потребляемого тока. Однако совершенная синусоидальная форма – довольно редкое явление в электрической сети, а студийное оборудование совсем не схоже с тремя сбалансированными обмотками трёхфазного электромотора. Оно не потребляет ток постоянной величины, так как различные приборы постоянно включаются и выключаются (например, двигатели магнитофонов), или изменяется потребляемая мощность (как у большинства усилителей при работе с музыкальным сигналом). Несбалансированность потребляемого тока создаёт гармонические помехи, при этом в общей нейтральной жиле могут генерироваться “блуждающие” токи. Этот вопрос очень подробно освещён в двух книгах, приводимых в библиографии в конце предыдущей главы. Так в книге Дэвиса (1997, стр. 394) говорится: «Таким образом можно сказать… что помехи, создаваемые системой питания, возможно свести к минимуму при использовании только одной питающей фазы для всего электронного оборудования». В книге Гиддингса (1995, стр. 54-56) также сказано: «Другим вопросом в отношении переменного тока является вопрос о количестве фаз, используемых для запитки аудиосистемы. Идеальный ответ – одна, из-за ёмкостной связи между корпусами электронного оборудования и питающей сети. Эта связь вызывает флуктуации на корпусе на частоте сети, которая служит в качестве тактовой частоты для электронного оборудования внутри корпуса … Различное оборудование, подключенное к одной фазе, будет иметь схожую осциллограмму этой тактовой частоты, и флуктуации будут скомпенсированы. Если же различные приборы, запитанные от разных фаз, будут подключены друг к другу, то будет появляться небольшая разница напряжений тактовых частот в связи со сдвигом фаз, которая будет проявляться как обычный шумовой фон и затем усиливаться … Чем чаще сигнал проходит через различные элементы оборудования, запитанные от разных фаз, и чем больше величина усиления, обеспечиваемая этим оборудованием, тем больше проблем возникает».
На протяжении многих лет, я использовал следующий метод распределения фаз для небольших студий: запитывал всю аудиотехнику от одной фазы, все кондиционеры воздуха или электрокалориферы – от другой, а освещение, вентиляцию и т.п. – от третьей фазы. Если одна фаза является более “чистой” или более стабильной, чем другие, она должна быть выбрана для аудиооборудования. Но за этим нужно постоянно следить, так как условия могут изменяться даже в результате каких-либо модификаций в соседнем здании.

Линейные фильтры и стабилизаторы напряжения

Как уже упоминалось в этой главе, стабилизация напряжения питания по входу не даст существенного результата, если внутри системы имеется оборудование, генерирующее электромагнитные помехи. Тем не менее, дополнительная фильтрация питающего напряжения не помешает. Однако проблема в том, что очень большое количество электромагнитных и радиочастотных помех фильтры не в состоянии подавить. В результате они всего лишь сбрасывают даже большее количество жёстких шумов на систему заземления.

На рис.13 показано, как это обычно происходит. Мнение о том, что источники бесперебойного питания обеспечивают абсолютно «чистое» напряжение, очень часто ошибочно. Только внутренние блоки выходного напряжения с обратной связью обеспечивают чистую синусоидальную форму напряжения. Но такие блоки часто должны иметь значительно большую мощность, чем предполагается вначале, иначе даже они могут создать больше проблем, чем разрешить. Они редко имеют достаточно низкое полное сопротивление на выходе, что способствует генерированию шумовых гармоник в результате действия таких явлений, как переходное потребление тока усилителями мощности. Некоторые из этих аппаратов могут вызвать отказ компьютера, если только они не подключены к отдельным компьютерам без какого либо другого запитанного от них оборудования.

Сбалансированное питание

На рис. показано сбалансированное устройство.
Рисунок взят из статьи Мартина Гласбанда (Martin Glassband), автора поправки от 1996 года в Национальный электрический кодекс США (разделы с 530-70 по 530-73). Давно известно, что подача питания на чувствительную аудиоаппаратуру от сбалансированного источника питания может разрешить много проблем, связанных с шумами и отказами техники. Его суть заключается в использовании трансформатора с центральным отводом, который служит в качестве двух источников питания с противоположной полярностью, каждый с напряжением, составляющим половину от общего. Например, питание напряжением 230 В заменяется на питание от трансформатора с центральным заземлённым отводом, с двух половин которого снимается сбалансированное напряжение в 115В. На рис.15 показано, как трудно устранить проблему реактивных токов за счет сбалансирования источников питания.
В некоторых странах питание настенных розеток подобным образом может быть запрещено местным законодательством, которое, как правило, отстаёт от потребностей быстро развивающейся технологии.
В США в конце 80-х годов было признано, что определённые системы высоких технологий настолько чувствительны, что обычные источники электроснабжения ограничивают их технические возможности. В 1996 г. в Национальный Электрический Кодекс США была внесена поправка, дающая возможность запитывать аудио-, видео- и т.п. оборудование от сбалансированных источников при удовлетворении определённых условий. В других странах после соответствующих разъяснений можно убедить местные органы, отвечающие за технику безопасности при эксплуатации электросетей, в необходимости таких систем. Но поскольку эти правила касаются только систем, устанавливаемых в качестве структурного элемента внутри зданий, возможно использование балансировочного трансформатора, как отдельно стоящего аппарата, запитывающего распределительный щит, к которому подключается оборудование. Но такие вещи нельзя делать без консультации с опытным специалистом, так как применение изолирующих трансформаторов может блокировать работу предохранителей-автоматов, которые являются ключевым элементом в обеспечении техники безопасности во многих зданиях.

Сбалансированные источники питания использовались на многих объектах, и достигаемые при этом преимущества были самыми разнообразными. На студиях, где постоянно испытывали трудности с шумами, отмечали снижение взаимных помех на 15 dB. Благодаря способности уничтожать высокочастотные шумы, что практически недостижимо в обычных системах, сокращается дрожание в цифровых цепях, что позволяет получать значительно более “чистые” аудио сигналы. Отмеченное снижение уровня дрожания составляло более 30%. Снижается также эффект ёмкостных помех, которые связаны с тем, что действие электрического поля зависит от величины напряжения. Другими словами, при номинальном напряжении на входе сбалансированной сети питания в 230 В, система будет запитана от напряжения в 115 В (по отношению к земле), в сравнении с 230 В в несбалансированных сетях. Уменьшение в два раза уровня напряжения по отношению к земле тем самым сокращает мощность помех в 22, или в четыре раза. Сбалансированные источники питания могут быть очень эффективными даже в самых неблагоприятных обстоятельствах.
Одна из причин, почему сбалансированные источники питания так подходят для project-студий, состоит в том, что в них обычно нет того сочетания оборудования, которое позволяет обеспечить простоту оптимального звукового согласования, в отличие от полностью профессиональных студий. Оборудование project-студий, как правило, имеет различные уровни сигналов, различные симметричные и несимметричные соединения, а большое количество такого оборудования имеет значительные конструктивные недоработки. Сбалансированные источники питания также очень желательны в связи с тем, что project-студии зачастую размещаются в зданиях, где трудно на практике получить отдельное заземление и питание с низким входным сопротивлением. К тому же эти студии могут располагаться в отдалённых местах – на конце длинного питающего кабеля или на 21-м этаже здания, – где до «качественной земли» трудно добраться. Но всегда помните: никогда не предпринимайте каких-либо модификаций электропитания без помощи квалифицированного электрика. Не рискуйте!

Итог

Хотя подробное описание вопросов создания специального заземления или источника питания не помещается в объём данной книги, я надеюсь, что она, по крайней мере, даёт общее понимание спектра стоящих проблем и способов их решения. Конечно, с моей стороны было бы совершенно безответственно призывать неспециалистов вносить какие-либо поправки в правила по технике безопасности. Любому практически заинтересованному в этом предмете лицу следует обратиться к книгам, упомянутым в библиографии в конце этой главы, после чего они смогут убедиться, насколько эти вопросы сложны и глубоки.
Основная мысль этой главы в том, что не следует ожидать от простой электросети стабильного источника питания без помех и надёжного заземления с низким полным сопротивлением. Компьютеры сбоят по причине проблем с питанием значительно чаще, чем можно себе представить, и программное обеспечение здесь не виновато (хотя оно часто виновато в других). Плохое заземление зачастую вызывает одни помехи, а плохой источник питания – другие. Многие стабилизаторы напряжения не обеспечивают той степени чистоты питания, которую их пользователи хотели бы получить. А многие источники бесперебойного питания вовсе не настолько свободны от сетевых шумов, как думают их владельцы.
Ещё раз хочется отметить, что бытовое и полупрофессиональное оборудование может быть значительно более чувствительным к помехам по сети или системы заземления, чем их полностью профессиональные аналоги. И при этом вероятно именно полупрофессиональное оборудование будет использоваться в наименее оптимальных условиях. Мне действительно хотелось бы написать главу с инструкциями типа: «Если происходит это, делайте то; если происходит то, делайте это». Но боюсь, что это не такой простой вопрос. На что я действительно надеюсь, так это на то, что эта глава даёт понимание сути проблем и разнообразия их проявлений, а также некоторые рекомендации, которые помогут разрешить эти проблемы. Однако необходимо всегда иметь в виду, что доведение до приемлемых параметров «плохой» питающей сети и «плохого» заземления, чтобы выжать всё возможное из полупрофессионального оборудования, может обойтись дороже, чем просто покупка профессионального оборудования, которое более терпимо к характеристикам электропитания.

(c) Филип Ньюэлп