РадиоЛоцман - Все об электронике

Основы электропитания. Предисловие

Зачем это нужно?

Электричество сейчас используется везде, начиная от детских игрушек и заканчивая космическими аппаратами, поэтому курс, посвященный электропитанию, должен входить в программу базовой подготовки всех без исключения специалистов, работающих с техникой. Но зачем, например, кондитеру знать величину мощности, потребляемой миксером в процессе приготовления крема для торта, или торговому агенту знать тип аккумуляторной батареи в его смартфоне? Не являются ли вопросы электропитания всего лишь «мусорными» знаниями, «засоряющими мозг» понятиями, находящимися от основной работы дальше, чем звезды от Земли?

Вебинар «Новинки и решения Traco для промышленных и отраслевых приложений» (28.10.2021)

К сожалению, именно так думают большинство студентов и, что самое страшное, руководителей университетов, переводя вопросы электропитания в ранг «второстепенных», иногда даже полностью удаляя их из учебной программы. В лучшем случае подобная точка зрения приводит к появлению «однобоких» специалистов, неплохо владеющих профессиональными навыками, но полностью «дремучих» в вопросах электропитания. Но есть еще и худший случай – когда отсутствие у работника (любой отрасли) элементарных понятий об электроустановках приводит к порче дорогой техники, а иногда и ставит под угрозу жизнь и здоровье людей.

Основы электропитания

Особо неприятной неожиданностью стало исключение дисциплин, связанных с электропитанием, из процесса подготовки специалистов в области информационных технологий. Очень часто после изучения специализированных учебных программ создается впечатление, что современные компьютеры и смартфоны не имеют ничего общего с электричеством, а базы данных и Web-сайты существуют сами по себе в виртуальном информационном мире. Конечно, этой ситуации можно найти тысячу объяснений, в том числе и экономических, например, отсутствие денег на привлечение «чужого» специалиста, способного «на пальцах» объяснять вещи, относящиеся больше к физике, чем к ИТ-технологиям. Но если Web-дизайнеры или разработчики баз данных еще как-то смогут продуктивно и качественно работать, не понимая, что такое электричество, то будущие системные администраторы, специалисты в области кибербезопасности, создатели распределенных интеллектуальных автоматизированных систем, например, на основе устройств Интернета вещей, не разбираясь в вопросах электропитания, могут «натворить» (и творят) много бед.

Не самой последней причиной подобной ситуации является отсутствие качественного курса, адаптированного для ИТ-специалистов. К сожалению, большинство учебников по электропитанию и соответствующих учебных программ было разработано еще в 70-х годах прошлого века, а их современные версии чаще всего являются лишь копиями предыдущих изданий с некоторыми изменениями, дополнениями, а иногда – и с ошибками. Поэтому неудивительно, что этот курс часто исключают из программ подготовки просто по причине отсутствия его адекватного варианта. В самом начале своей преподавательской карьеры, будучи еще только ассистентом, я это ощущал практически на каждом занятии. Например, каждый раз, когда я заканчивал построение векторной диаграммы работы трансформатора, тем самым окончательно превращаясь в «ёжика»1), я видел в глазах будущих программистов, системных администраторов или начальников почтовых отделений только отражение вопроса, и так «звенящего» в моей голове: «Зачем ИМ это нужно?»

Каждый раз в начале нового семестра я просматриваю сайты издательств на предмет выхода более-менее толкового учебника по основам электропитания. Но, увидев в очередной новой книге подробное описание выпрямителя с тиристорным управлением, я лишь разочаровано вздыхаю и открываю на компьютере папку с конспектом лекций, созданных по крупицам на основе информации из разных источников и практического опыта, и сажусь корректировать презентации, потому что за последний год в мире что-то опять изменилось.

Значит, настало время исправить эту ситуацию и создать, как минимум, цикл статей, в которых будут систематизированы необходимые знания. Этот цикл будет посвящен лишь основным вопросам, связанным с электропитанием (поэтому он и называется «ОСНОВЫ электропитания») с минимальным количеством специфических подробностей, формул и электрических схем. Тем не менее, после прочтения этого материала, читатель сможет решать две самые важные задачи, возникающие на практике: оценивать (анализировать) текущую ситуацию и принимать решение о дальнейших действиях.

А от людей, не имеющих прямого отношения к энергетике или электронике, большего и не требуется, ведь они должны в первую очередь знать, к каким последствиям может привести их действие (или бездействие) и уметь адекватно оценивать свой уровень знаний (и самоуверенности). Поэтому этот цикл будет актуален для всех технических направлений, особенно – для специалистов в области информационных технологий, в том числе и для системных администраторов, программистов, Web-дизайнеров, разработчиков автоматизированных систем и многих других. Да и «нетехническим» людям тоже не помешает ознакомиться с этими статьями, поскольку электропроводка и бытовая техника («электрические домашние животные») сейчас есть в каждом доме, и, согласно, статистике пожаров и несчастных случаев, незнание элементарных правил обращения с этими предметами может иметь самые печальные последствия.

Но прежде чем перейти к изложению основных материалов, хочу выразить огромную благодарность коллективу журнала «РадиоЛоцман» за поддержку и возможность публикации этих статей.

А нужно ли это?

Книг, посвященных вопросам электропитания, много. И многие читатели, наверняка, зададут вопрос: «Зачем поднимать давно известные и хорошо изученные вопросы?»

Возможно, они правы. Но после общения с современной молодежью я осознал одну вещь. К сожалению, старое поколение радиолюбителей, еще помнящее, как выглядит транзистор КТ315 и умеющее рисовать печатные платы рейсфедером, уходит, а ему на смену приходят люди, выросшие, в лучшем случае, в коммерциализированных кружках по робототехнике, а в худших – на видеоинформационном мусоре из серии «электроника для чайников». Многие из них могут, прочитав инструкцию, собрать из готовых узлов достаточно сложные устройства, но сделать их «с нуля» – от идеи до прототипа – способны единицы. А есть люди, которые верят, что если вставить вилку удлинителя в его розетку, тем самым «замкнув» цепь, и один раз «пнуть» пару электронов, например, с помощью пьезоэлемента от зажигалки, то ток будет протекать бесконечно, выполняя при этом полезную работу.

Молодым специалистам, пока они еще не «скисли», нужно помогать, чтобы они смогли дорасти до высокого уровня, а не бросать в информационный океан, в котором тяжело сориентироваться даже опытному специалисту. Я не буду рассказывать о проблемах современного образования – это больная тема, связанная, в первую очередь, с равнодушием и слепотой всех участников этого процесса. Вот и приходится снова начинать с элементарных вещей, акцентируя внимание на моментах, которые, с одной стороны, очевидны, а с другой – про них, почему-то, мало кто знает. Например, все мои студенты знают слово «мощный», но в моей практике еще не было человека, который бы в начале курса четко понимал, что это скорость передачи энергии.

Поэтому я считаю, что это нужно. Мир изменился

Что будет дальше?

А теперь самое главное. Что же я планирую рассмотреть в этом цикле? Сразу оговорюсь, что приведенный план является рабочим, то есть он может измениться в любой момент. Более того, у читателей журнала «РадиоЛоцман» появляется уникальная возможность самим поучаствовать в этом процессе. Ведь у людей с богатым практическим опытом, а таких, судя по отзывам на мои статьи, посвященные импульсному преобразованию электрической энергии, среди читателей журнала немало, всегда будут замечания относительно написанного материала. Кто-то наверняка вспомнит «самый трудный» вопрос в своей практике, ответ на который приходилось искать самому, а кто-то может до сих пор ищет ответы. Пишите в комментариях на форуме, что бы вы хотели добавить, удалить или рассмотреть более подробно – я всегда рад конструктивным советам. А если найдутся люди, готовые поучаствовать в процессе написания этого цикла каким-то иным способом – я никогда не отказываюсь от сотрудничества.

Я буду стараться писать простым и доступным языком с небольшим оттенком одесского колорита, хотя бы потому, что еще не забыл ощущение легкой паники при чтении некоторых «учебников», когда возникало ощущение, что их не читали даже сами авторы2). Но это не значит, что к рассматриваемым вопросам можно относиться несерьезно – электричество ошибок не прощает.

Надеюсь, что мне хватит сил и времени для того, чтобы закончить начатое.

Рабочий план цикла

  1. Зачем человеку электрическая энергия (энергия и мощность, виды энергии, единицы измерения энергии и мощности, особенности электрической энергии).
     
  2. Почему в розетке высокое напряжение (простейшая система электропитания, роль напряжения и тока, материалы для проводников электрических кабелей).
     
  3. Почему домашние компьютеры могут сгореть в офисе (постоянный и переменный ток, трехфазная система электропитания, особенности домашней и офисной электропроводки, перегрузка нулевого провода при использовании некачественной компьютерной техники, роль корректоров коэффициента мощности).
     
  4. Когда исправная оргтехника может стать причиной гибели людей (опасность электрического тока, особенности фильтров высокочастотных помех, приводящие к появлению напряжения на корпусе компьютера, что произойдет при обрыве заземляющего провода, устройства защиты: заземление и дифференциальные автоматы).
     
  5. Опасные «шутки» электриков (особенности офисной электропроводки, выбор сечения проводов, особенности защитного заземления, почему для компьютерной техники нельзя использовать зануление, специфические особенности удлинителей).
     
  6. Дорогие дешевые компьютерные блоки питания (особенности компьютерных блоков питания, формфакторы, стандарты и требования Energy Star и 80 PLUS, пример расчета энергоптребления компьютерной техники при использовании блоков питания с разным КПД).
     
  7. Как работать при авариях в электросети (источники бесперебойного питания и генераторы, автоматы ввода резерва, особенности аккумуляторных батарей для ИБП, типовые ошибки системных администраторов при выборе ИБП).
     
  8. Почему процессор нельзя подключить напрямую в розетку (особенности потребления энергии аналоговой и цифровой техникой, как потребляет энергию КМОП-логика, от чего зависит энергопотребление процессора, система электропитания процессора и сетевого оборудования).
     
  9. Как питать оборудование постоянным током (напряжения питания оборудования, сетевые адаптеры и блоки питания, типы, стандарты, основные характеристики, источники бесперебойного питания постоянного тока, особенности аккумуляторов).
     
  10. Как обеспечить энергией удаленное оборудование (дистанционное питание, фантомное питание, интерфейсы PoE и USB).
     
  11. Питание от собственных источников энергии (батарейки и аккумуляторы, особенности потребления энергии устройствами Интернета-вещей и маломощными устройствами автоматизации, как проработать 15 лет от одной батарейки).
     
  12. Как получить энергию из ничего (системы сбора энергии окружающей среды, солнечные батареи, ветрогенераторы, микрогидроэлектростанции, термопреобразователи, система электропитания с использованием альтернативных источников энергии).

Сноски

1) В украинском языке эквивалентом слова «электропитание» является «електроживлення». В расписаниях занятий название этой дисциплины обычно сокращается до «ЕЖ». Из-за этого студенты всегда прочно ассоциируют этот предмет и его преподавателей с ёжиками, особенно после знакомства с векторной диаграммой работы трансформатора, очень сильно напоминающей бешеного ежа.

2) Когда я непосредственно познакомился с процессом написания учебной литературы, я понял, что мои подозрения были обоснованы.

Зачем человеку электрическая энергия

Изготовление 1-4 слойных печатных плат за $2

Запись вебинара «Микросхемы для защиты цепей питания: ограничители всплесков напряжения и тока, контроллеры горячей замены, идеальные диоды»
Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя
Фрагменты обсуждения:Полный вариант обсуждения »
  • Поддерживаю автора в желании обучать людей основам электропитания. В своё время бился с электриками не на шутку, когда занимался вопросами внедрения компьютерной техники и развитием ЛВС. Приходилось решать множество проблем связанных с как с самим электропитанием, так и заземлением. Многие специалисты в принципе не понимали зачем всё это нужно. Все знания из этой области приходилось собирать по крупицам из разных источников. Успехов автору, в его нелёгком деле просвещения!
  • Всегда с интересом читаю статьи А. Русу в "РадиоЛоцмане". И судя по предисловию, этот цикл обречён на успех! С нетерпением ждем продолжения... Обращу внимание уважаемого автора на этот дельный учебник: Васильков А.В., Васильков И.А. Источники электропитания. М.: Форум, 2014. — 400 с. Скачать: [URL="https://www.twirpx.org/file/2296805/"]https://www.twirpx.org/file/2296805/[/URL]
  • Этих "студентов" надо бы по Советским учебникам которые для ПТУ были написаны. Мусорных знаний не бывает в принципе. Но если нужен биоробот для решения простых задач тогда конечно.
  • Это интересная тема, которую А. Русу поднял. Особенно в то время, когда все «эмбеддеры», «кодеры» и т.д. Ну и нужно не «с небольшим оттенком одесского колорита», а вполне с соответствующим колоритом - юморные вставки очень впечатываются в мозг, особенно, когда нужно подчеркнуть качественные выводы из рассказанного материала... Жду с интересом.
  • Хороший и нужный цикл. Так как автор писал то позволю ему предложить изменить заголовок цикла на Основы электропитания [B]для всех[/B] Просто обычно "Основы ... (Основы электродинамики и пр.) представляют собой фундаментальные труды (со сложными формулами :) для узкого круга профессионалов. Тут, как я понял, все будет объясняться "на пальцах" (в хорошем смысле этого выражения) и для широких масс.
  • Добрый вечер! Спасибо всем за поддержку. Надеюсь оправдать Ваши ожидания. Первая часть уже написана и отправлена в редакцию. Над остальными частями буду работать. Мне самому этот цикл нужен к сентябрю. К сожалению, учебники, написанные во времена СССР, не были рассчитаны на то, что трансформаторы любой мощности и напряжения можно будет купить в хозяйственном магазине. В том время их нужно было рассчитывать и мотать самому. Да и современных технологий в то время не было, поэтому вариант "Обратно в СССР" уже не пройдет. Добавить в название "для всех" тоже не хочу. Это будет равносильно учебнику "хирургия для чайников". Все таки для освоения курса надо иметь кое-какую базовую подготовку, хотя бы на уровне средней школы. О войне электриков и ИТ-шников знаю не понаслышке. Сам около 10 лет проработал в саппорте. В цикле будут описания реальных баталий, в том числе и тех, из которых меня "выносили на щите". Одесского колорита будет немного. Юмор - опасный инструмент, им нужно уметь пользоваться, иначе можно себе навредить. Самое главное - это Ваши отзывы. Именно они придают силы для дальнейшей работы. Так что, еще раз: "Спасибо всем за поддержку!"
  • Да, и если у кого есть реальные практические истории, например, как после включения в другую розетку сгорело два лазерных принтера и материнская плата (будет в одной из статей) - делитесь ими на форуме. Список вопросов у Вас уже есть, поэтому присылайте. Если они подойдут по тематике, я обязательно включу их в цикл. Практические примеры это очень важно. Именно на основе "разбора полетов" лучше всего усваивается материал.
  • Александр, а Вы сможете в этом цикле среди прочего рассказать "всю правду о синфазных дросселях" и вообще пройтись по теме фильтров [B]синфазных и дифференциальных помех, а также защите ИИП от импульсных перенапряжений[/B]. Поскольку я обратил внимание, что на форумах царит полное заблуждение в некоторых вопросах фильтрации на входах и выходах БП. Люди суют конденсаторы и дроссели куда попало, опираясь на сомнительные схемы измерения того, что фильтруют, зачастую в отсутствие заземления. Вижу, как конденсаторы расходуются вёдрами, но результаты часто сомнительные. А баталии о фильтрах, которые разгораются среди строителей БП для усилителей звуковой частоты - это прямо войны богов из греческих мифов. Будет интересно прочитать "шо Вы имеете сказать о фильтрах" :-) А может, Вы уже писали и я пропустил публикацию. Спасибо!
  • "Электропитание" связано со схемотехникой, что определяет конструктивная особенность используемых ОУ, которым для работы необходим взвешенный источник питания +U и -U без средней точки, которая вводится искусственно и называется "средней точкой" ИП или "земля". Наибольший коэффициент подавления помех будет иметь схема со взвешенным симметричным включением источника сигнала и нагрузки для ОУ. Точнее понять сказанное можно при изучении описания работы конкретного ОУ по разделу измерения коэффициентов подавления помех, в которых показана схема включения ОУ - любое другое включение ОУ, источника усиливаемого сигнала и нагрузки ухудшает заявленные коэффициенты. Ещё одно важное обстоятельство по части включения фильтрующих конденсаторов или дросселей, связанное с физикой их работы: конденсатор и дроссель имеют максимальную "фильтрующую" способность при максимальном напряжении и токе, соответственно; конденсатор работает максимально эффективно при включении между +U и -U без связи его со средней точкой ИП, если таковая имеется. Описанные особенности работы C и L могут быть проверены аналитически путём расчёта пульсаций напряжения и тока при "поглощении" энергии помехи относительно заданной энергии на конденсаторе или дросселе.
  • Как много слов и всё по делу :-) На счёт "фильтрующей" способности и включения ОУ. Вот к поднятой теме, народ различает ОУ не только по замерам, но и на слух :-) Кстати, на видео на платах всё распаяно витой парой, но аудио-шнуры из золота и платины. Как говорит автор на отметке 6.40 "никаких погрешностей" :-) [url]https://youtu.be/nHRA2BkbFtg[/url]
  • Историй полно!. В новостях каждый день. То больница загорится от перегрузки аппаратами ИВЛ, то жилой дом от перегрузки эл. сети. А ведь всего этого можно было бы избежать, если бы каждый человек понимал совместимость нагрузки с возможностью существующей сети, имел бы понятие, что такое плотность тока и т. д.
  • Очень часто даже понимающие люди включают мощное электрооборудование в сеть "на авось" и ненадолго. "Авось" обойдется. Яркий пример - сварочные аппараты в бытовой сети. Да, за пять минут ремонта забора ничего страшного, скорее всего, не произойдет. Но это же перегрузка ! ИМХО, гораздо страшнее плохие контакты в вилках/скрутках/розетках. Вот это действительно работает месяцами и при этом без перегрузок (холодильник, например), но греется часом до пожара ...
  • Работа, за которую взялся [b]Александр Русу[/b], - трудная и чрезвычайно важная! Сложно объяснить трудную тему - легко. Просто объяснить - трудно. Многие всю жизнь живут и считают, что электричество получается из розетки, а человека убивает напряжение. На вопрос - Кто открыл закон Ома? - удивлённо округляют глаза. Это всё шутки, но именно на таких "потребителей электроэнергии", в первую очередь, должна быть рассчитана такая работа. (Это не исключает детализацию материала в интересах специалистов). Особое внимание следует обратить на электробезопасность. Мало кто знает, даже среди специалистов, какие существуют виды заземлений и для чего их используют. (Это применительно к пятому разделу цикла). Хочу пожелать Александру Русу терпения и удачи на этом многотрудном пути!
Полный вариант обсуждения »