ГлавнаяКонтактыКарта сайта
ЕПОС
О компанииКомпьютерная криминалистикаВосстановление информацииЗащита информацииПроизводство и ITСервисНаши разработки

Расследование инцидентов, компьютерная криминалистика, информационная безопасность

Книжная серия Взгляд на жесткий диск изнутри




Архив статей


15.02.2002
Помехи в сети электропитания

Евгений КРЕЙДИЧ
Начальник производства

Синусоида – это та же прямая,
только сгорбленная жизнью
.

Народный ЕПОС


Вопросы качества электропитания играют важную роль в обеспечении устойчивости работы компьютеров и периферийных устройств и их долголетия. Компьютеры, как и любое электронное оборудование, питающееся от сети переменного тока, подвергаются различным негативным воздействиям со стороны этой питающей сети. Одной из причин, снижающих надёжность работы компьютеров, является ненормированное изменение параметров сети электропитания. Эти изменения параметров сети питания могут быть вызваны как внешними, так и внутренними факторами. К внешним факторам относятся непрогнозируемые изменения нагрузок, порождающие негативные возмущения первичной сети, удары молнии и т.д., а также возможные спецвоздействия. Внутренние факторы – это внутрисистемные помехи.

Среди вышеперечисленных причин, приводящих к изменению выходного напряжения источников питания, а следовательно, к снижению помехоустойчивости различных узлов компьютера, самой трудной является проблема исключения влияния изменения напряжения питающей сети на работу компьютера. К сожалению, в реальных промышленных сетях имеются кратковременные или длительные недопустимые изменения напряжения, называемые сетевыми помехами.

Сетевые помехи можно разделить на две категории: длительные провалы и выбросы напряжения (низкочастотные возмущения) и импульсные помехи (высокочастотные возмущения).

Под низкочастотными возмущениями подразумеваются провалы и выбросы напряжения, длительность которых сравнима с длительностью периода частоты напряжения питающей сети переменного тока или превышает её (рис. 1а). Высокочастотные возмущения представляют собой кратковременные импульсные помехи, накладывающиеся на синусоидальное напряжение первичной сети и искажающие его форму (см. рис. 1б, в). На риc. 1 (г, д) показано напряжение питающей сети при аварийных отключениях, которые можно отнести к длительным провалам.

Реально, на практике, возможны различные сочетания рассмотренных помех.

Рис. 1. Сетевые помехи: а – низкочастотные возмущения; б, в – высокочастотные возмущения; г, д – напряжение питающей сети при аварийных отключениях

Провалы напряжения являются одним из наиболее часто встречающихся типов помех, вызывающих нарушение работы компьютеров (потерю данных или, что ещё хуже, выход из строя отдельных его элементов). Статистически наиболее вероятны для Украины провалы длительностью от 6 до 15 сек (до 50%) и более длительные, от 21 до 30 сек (около 30%), причём глубина наиболее часто встречающихся провалов колеблется от 35% до 100%.

Другим видом опасных помех являются высоковольтные импульсы напряжения. Причиной их возникновения чаще всего являются грозовые разряды, разряды статического электричества, электрическая дуга в коммутационных аппаратах. Иногда источником импульсных высоковольтных помех амплитудой до 1000 В могут быть широко используемые в настоящее время обычные дроссельные люминесцентные лампы.

Качество напряжения питающей сети, определяемое документами ГОСТ 13109-97 и ДСТУ 3466, лучше всего контролировать специальными автоматическими комплексами измерения уровней напряжения. Обычными вольтметрами переменного тока с верхним пределом 500...700 В (как стрелочными, так и цифровыми) можно зафиксировать только длительные провалы напряжения. Иногда, при отсутствии специальной измерительной аппаратуры, для наблюдения периодических импульсных помех используются осциллографы, подключаемые к сети через специальный делитель напряжения.

В зависимости от причины помехообразования электромагнитные помехи можно разделить на внешние и внутренние. К внешним помехам относятся атмосферные, космические и промышленные.

Атмосферные и космические помехи являются следствием естественных процессов, происходящих в природе: грозовых разрядов, солнечной радиации, космических излучений, магнитных бурь и т.п. Наиболее существенные помехи могут возникать при грозовых разрядах, т.к. молния создаёт очень сильное электромагнитное поле, приводящее к значительному изменению напряжения в линиях электропередачи вплоть до нарушения их изоляции.

Для компьютеров особенно опасны промышленные помехи, которые создаются аппаратурой дуговой и контактной сварки, силовой пускорегулирующей аппаратурой, электрооборудованием, электромеханическими устройствами, медицинской аппаратурой и т.п.

Как уже отмечалось, из внешних причин чаще всего встречается недопустимое изменение или кратковременное пропадание входного переменного напряжения промышленной сети питания. Это связано с неустойчивой работой первичной сети или же с нарушением правил эксплуатации электроустановок со стороны потребителей, работающих в нестационарных режимах и питающихся вместе с компьютерами от общей трансформаторной подстанции.

К внешним относятся также помехи, образующиеся в результате электростатических разрядов между пользователем и корпусом компьютера или его периферийных устройств. Электростатический разряд высокого напряжения возникает в сухой среде из-за синтетических покрытий полов и искусственных материалов одежды пользователей.

К внутренним помехам относятся помехи, образуемые самими узлами компьютера, в том числе и блоками питания в стационарных режимах их работы, связанные с тем, что эти устройства включают в себя элементы, узлы и блоки нелинейного преобразования сигналов с широким спектром частот при значительном изменении импульсного напряжения и тока.

Электромагнитные помехи распространяются от источника помех к приёмнику помех двумя способами: кондуктивным (т.е. по проводящим цепям: проводам, металлическим частям корпусов узлов и блоков, паразитным цепям, возникающим при неудачном монтаже) и излучением через пространство. Наиболее существенными являются электромагнитные помехи, проникающие к интегральным схемам компьютера через источники питания и общий заземляющий контур кондуктивным способом по цепям электропитания. Например, высокочастотные помехи первичной сети проникают на выход блоков питания через паразитные межобмоточные ёмкости разделительных трансформаторов, межвитковые ёмкости дросселей фильтров, паразитные цепи монтажа, различные соединительные провода. По этим цепям и по заземляющему контуру циркулируют паразитные токи, которые создают импульсные помехи на выходе и входе блоков питания.

Нужно отметить, что побочные излучения и кондуктивные помехи создают каналы утечки информации, которые могут обрабатываться специальными техническими средствами (аппаратурой перехвата).

Причинами возникновения импульсных помех в узлах и устройствах компьютеров являются: перекрёстные наводки между сигнальными линиями из-за паразитных ёмкостей и индуктивностей; отражения сигналов в сигнальных линиях связи из-за неоднородности и несогласованности нагрузок; паразитные связи между интегральными схемами по цепям электропитания и контурам заземления; наводки от внешних электромагнитных полей.

В частности, источники питания, выполненные по схеме с бестрансформаторным входом, являются источниками интенсивных электромагнитных помех из-за периодических коммутационных процессов, возникающих при переключении транзисторов преобразователей, на диодах высокочастотного выпрямителя и других элементах импульсных БП. В связи с тем, что источники питания служат промежуточным звеном между первичной сетью и узлами компьютеров, к их помехоустойчивости предъявляются жёсткие требования, и они должны обладать свойствами фильтра, т.е. не передавать имеющиеся в сети помехи в нагрузку и, наоборот, из нагрузки в сеть.

Нужно также отметить, что повышение помехоустойчивости, а следовательно, надежности компьютера может быть достигнуто путём уменьшения восприимчивости его узлов, с одной стороны, и уменьшения помехообразования и сферы действия помех, с другой стороны. Наиболее актуальными направлениями в борьбе с высокочастотными помехами в импульсных блоках питания являются:

  • защита от помех в самом электронном оборудовании;
  • оптимальный выбор компонентов блока питания (интегральных схем, силовых транзисторов, диодов, конденсаторов, трансформаторов) и режимов их работы;
  • применение специальных фильтров для снижения помех, схемотехнических решений, снижающих уровень генерируемых помех;
  • экранирование блока питания;
  • заземление, одноточечное заземление, сигнальная, корпусная земля;
  • правильная топология схем блока питания: разделение силовой и управляющей части, грамотное взаимное расположение элементов и узлов.

Экранирование является конструктивным средством ослабления любых излучений. Оно может быть осуществлено применением металлических экранов, напылением проводящего материала на внутреннюю поверхность пластмассовых корпусов, экранированием проводов и практически заключается в локализации электромагнитной энергии, создаваемой источником поля. Однако технические решения с применением сплошного экранирования доступными способами осуществить практически невозможно (например, для БП необходимы отверстия для вентиляции). Точно так же невозможно устранить кондуктивные помехи в проводниках, которые соединяются с внешними источниками, без создания дополнительных условий ослабления помехи на обоих концах кабеля электропитания, сигнальных цепей интерфейса и внутри той части сигнальной цепи, которая может служить антенной для приёма (или излучения) помех.

Для уменьшения сферы действия помех используют помехоподавляющие фильтры, которые по своей сути являются фильтрами низких частот. Они позволяют снизить кондуктивные помехи как от внешних, так и от внутренних источников помех. Фильтр нижних частот уменьшает амплитуду коротких импульсов и растягивает фронт более длительных импульсов. В любом случае высокочастотная часть спектра помехи падает до некритичной величины. Чаще всего используются фильтры типов Г, Т, П и их комбинации. Выбор необходимого типа фильтра зависит от электрических характеристик системы, в которую он устанавливается, требований по эффективности подавления помех, а также требований, определённых конструкцией и условиями эксплуатации. Следует помнить, что действие фильтров эффективно при относительно узкой полосе пропускания и значительном затухании на частоте среза. В этом случае удельные массогабаритные показатели помехоподавляющих фильтров остаются высокими.

Уменьшение интенсивности помехообразования при коммутации напряжения в источниках питания обеспечивается: ограничением зарядных токов конденсаторов и пульсаций выпрямленного постоянного напряжения на конденсаторах фильтра входного выпрямителя блока питания с бестрансформаторным входом, подачей и снятием первичного напряжения с источников питания без коммутации мощности (тока), выбором режимов работы импульсных ключей, особенно времени их закрытия.

В заключение необходимо отметить, что эффективных результатов в борьбе с высокочастотными помехами можно достичь, только используя всю совокупность мер, направленных на снижение высокочастотных пульсаций. В схемотехнике, конструкциях, а также в монтаже источников питания мелочей нет.


Поделиться информацией