Проблема заземления

Ни для кого не секрет, что развитие компьютерной техники происходит крайне быстро. Однако, как говорит народная мудрость, не все, что создано, — полезно! И современная компьютерная техника не исключение. Например, о компьютерной безопасности всерьез мало кто задумывается, а задуматься надо! Но поскольку это очень обширная область как теоретических, так и практических знаний, то нам остается понемногу приоткрывать завесу таинственности в этом вопросе, ну и конечно, знакомить потребителя с последними новостями в таком важном направлении, как компьютерная безопасность.

Итак, рассказ первый.

Наверняка всем известно, для чего на вилках питания практически всей европейской техники третий — заземляющий контакт. Но не слишком ли маловажное значение мы обычно этому уделяем? Попробуем в этой статье развеять густой туман над проблемой заземления.

Итак, откуда все пошло? Все началось очень давно с изучения атмосферного электричества, которое всегда не давало покоя древним жителям планеты. Этим занимались небезызвестный Ломоносов М.В. и многие другие. Этой же насущной для человечества проблемой занимался небезызвестный Франклин, которого по праву считают изобретателем громоотвода. Таким образом, физическое заземление появилось с изобретением громоотвода, который представляет собой длинный металлический штырь, уходящий в небо и надежно соединенный с землей. Как видите, устройство весьма простое, хотя выполняет оно весьма важную функцию. Принцип действия его тоже довольно несложен: мощный электрический заряд, накопленный в атмосфере, через металлический проводник передается земле, имеющей огромную электрическую емкость, которая принимает на себя электрический заряд грозового облака. Но это еще далеко не все горизонты использования заземления. Дома у каждого стоят и мирно работают холодильник, стиральная машина, другие электроприборы, питающиеся от домашней сети питания напряжением 220 вольт и частотой 50 герц. А теперь представьте себе, что внутри стиральной машины или другого электрического устройства произошло короткое замыкание питающего провода на металлический корпус. В этом случае на корпусе устройства появляется сетевое напряжение со всеми вытекающими печальными последствиями. И в такой ситуации грамотное заземление корпуса устройства не позволит этому произойти, отведя на «землю» сетевое напряжение. В производстве это называется защитное заземление. Видите, насколько важна роль заземления для обеспечения безопасности человека. Так случилось, что с самого начала реализации заземления его использовали в основном для обеспечения электробезопасности приборов. Например, в цехах с энергоемкими станками надежное заземление — обязательное условие. Вот такое это полезное изобретение.

Итак, уважаемый потребитель, понимаем ваше недоумение — и правда, рассказ интересный, исторический, но что тут общего с компьютерной техникой, а тем более с современными мониторами? Однако связь есть, и совсем не простая. Но чтобы все встало на свои места, попросим еще минуточку терпения, а мы продолжим рассказ.

В современной электронной технике роль заземления и его частных случаев совсем немаловажна. Известно, что заземленные электронные устройства практически не излучают электромагнитных волн. Это свойство положено в основу построения приемо-передающей радиоаппаратуры, да и любых устройств электронной техники. Которая, при отсутствии различных экранов и заземления, превращается в излучатель электромагнитных колебаний, приводя к появлению различных наводок и эфирных помех. Вот тут как раз и можно закончить наш экскурс в историю и перейти к проблемам насущным.

Монитор как изделие электронной техники состоит из великого множества различных радиоэлементов, образующих функционально законченные блоки. Это прежде всего блоки видеоусилителей, генераторы разверток (вертикальной и горизонтальной), конечно же, блок питания (как правило, импульсный) и другие вспомогательные узлы. Как видите, устройство не из простых. И все бы ничего, если бы вся эта совокупность узлов и блоков не генерировала и излучала электромагнитных волн в широком диапазоне частот, становясь хорошим передатчиком радиоволн. Вот здесь мы подходим к самому важному в нашем рассказе. Любая электронная аппаратура, и мониторы не исключение, излучает в пространство целый букет частот. И на весь этот букет есть нормы, а точнее ГОСТы на уровни этих излучений. Помните, в начале нашего рассказа мы упоминали трехпроводную европейскую сеть питания (фаза-ноль-земля)? Так вот, почти вся компьютерная техника, и мониторы в том числе, предназначены для работы от евросети питания. А теперь вопрос: у кого дома с заземлением все в порядке? Ответ известен — таких счастливцев немного. А что же делать остальным? Тоже известно: включать в обычную двухпроводную сеть! Подавляющее большинство так и делает, избавляя себя от головной боли по поводу заземления. Другая часть пользователей включает в обычную розетку сетевой фильтр «Пилот», а в него уже всю компьютерную технику — благо и розетки там подходящие — европейские. А что произойдет с уровнем электромагнитных полей вокруг мониторов в случае питания от обычной сети питания. Согласно теории он увеличится, поскольку не будет отводиться на «землю» по третьему — заземляющему проводу. А что на практике? Чтобы ответить на этот вопрос в испытательной лаборатории, где обычно проводятся сертификационные испытания средств отображения информации, были проведены специальные исследования по оценке уровней электромагнитных полей мониторов, в различных вариантах их подключения к питающей сети. Это подключение к «евросети» — с заземляющим контактом, к обычной «домашней» сети — без заземления и несколько других вариантов подключения. Но о них позже.

Теперь оценим уровень электромагнитных полей во всех этих случаях. А чтобы не быть голословными, приведем круговые диаграммы измеренных уровней электромагнитных полей вокруг тестируемых мониторов в нескольких случаях подключения. В этих диаграммах монитор или портативный компьютер (ноутбук) установлен в центре системы координат и обращен экраном по оси 0 градусов. Во время испытаний вокруг него снимается картина уровня излучаемых полей. Красным цветом отмечен максимально допустимый уровень напряженности поля.

В рамках этого «большого тестирования» испытывались в различных вариантах подключения мониторы на основе активной ЖК матрицы, классические ЭЛТ-мониторы, а также портативные компьютеры (ноутбуки).

Казалось бы, что тут сложного? И существует-то всего два случая подключения к сети: с «землей» и без. И да, и нет. Для мониторов, предназначенных для подключения к трехпроводной сети (проще говоря, имеющих евровилки) — бесспорно ДА! Однако дело усложняется тем, что некоторые модели ЖК-мониторов имеют внешний блок питания, а он редко когда имеет «европейский» сетевой кабель, а в тех случаях, когда все-таки имеет, все равно электрического контакта с «землей» схема монитора не имеется — в него, как правило, приходят только два провода (цепь питания). Эта же схема включения применима и к портативным компьютерам, поскольку они все имеют внешний блок питания, к тому же их внутренние цепи гораздо сложнее, чем в ЖК-мониторах, поскольку содержат еще и сложные преобразователи питания для ламп подсветки матрицы и зарядки аккумуляторов. Поэтому представляет определенный интерес рассмотрение таких вариантов.

Такие результаты имеются в арсенале испытательного центра в полном объеме, но, чтобы показать их значимость, в данной статье приводятся наиболее характерные случаи. В основном мы будем оценивать напряженность электрической составляющей переменного электромагнитного поля в диапазоне частот 5 Гц — 2 кГц. На приведенных диаграммах красным цветом показан уровень действующей нормы, а синим — измеренная напряженность электрического поля вокруг исследуемого монитора. Тут, естественно, чем дальше от центра диаграммы, тем выше уровень напряженности.

Рис. 1. Напряженность электрического поля. ЭЛТ-монитор, питание от евросети

Итак, случай первый: классический ЭЛТ-монитор работает в идеальных для него условиях, то есть при наличии физического заземления.

Тут, как видно, все в порядке. А теперь тот же самый монитор, но уже в случае его питания от обычной «домашней» сети без заземляющего контакта.

Рис. 2. ЭЛТ-монитор. Питание от двухпроводной сети без заземления

На приведенной диаграмме очень наглядно показано, что практика не отстает от теории, и поле незаземленного монитора вырастает в несколько раз. И это не абстракция, а нормальная практика измерений. При аттестации компьютерных рабочих мест это нормальная ситуация, которая наблюдается при подключении компьютерной техники в двухпроводную сеть питания либо при использовании обычных двухпроводных удлинителей.

Рис. 3. Матричный ЖК-монитор. Питание от евросети

Теперь рассмотрим случай его включения в двухпроводную сеть.

Далее рассмотрим случаи подключения матричного ЖК-монитора со встроенным блоком питания и трехпроводным сетевым кабелем.

Рис. 4. ЖК-монитор. Питание от обычной сети

Как видите, тенденция сохраняется. Приведенные выше случаи — средние, они встречаются чаще всего. Но бывают также и случаи как повышения, так и понижения уровня электромагнитных полей при работе без физического заземления. Это вызывается в основном спецификой схемотехнического проектирования мониторов. В любом случае, что бы не думалось, лучше проконтролировать этот момент. И главное, помните, что даже если при покупке монитора вам покажут его протокол испытаний на соответствие требованиям по электромагнитным полям, эти уровни полей замеряются в «тепличных условиях», то есть при подключении монитора в европейскую сеть. В случае питания его от обычной «домашней» сети без заземления никто не даст вам гарантий, что уровень этих полей не вырастет в несколько раз.

Как же исправить положение тем, кому не повезло с «землей»? В принципе можно попросить электриков провести в квартиру третий — заземляющий — провод от щитка питания и подключить его к европейским розеткам на заземляющий контакт-лепесток, подобно тому, как это обычно делают при подключении стиральных машин. Это один из самых доступных вариантов. Однако хотим предостеречь от типичной ошибки — никогда не заземляйте корпус компьютера или другого электроприбора на трубы и батареи центрального отопления! Во-первых, трубы чаще всего находятся под небольшим потенциалом, это так называемая и хорошо знакомая автолюбителям электрохимическая защита от коррозии. И во-вторых, если кто-то поступит подобно вам и подключит таким образом свои электроприборы, то при ухудшении качества изоляции какого-либо потребителя — все подключенные приборы окажутся под сетевым потенциалом. Зачем вам лишняя головная боль? И еще один момент: при использовании сетевого фильтра «Pilot», при отсутствии заземления, он превращается в хороший излучатель электромагнитных полей вследствие имеющихся в нем незаземленных индуктивно-емкостных контуров.

Теперь перейдем к одной из интереснейших проблем — рассмотрим возможные варианты питания портативных компьютеров (ноутбуков).

Серьезность положения с портативными компьютерами усугубляется тем, что немногие образцы имеют трехпроводной сетевой кабель, соединяющий внешний блок питания с сетевой розеткой. А в этом случае факт отсутствия физического заземления будет, что называется, по определению. А поскольку схемотехника портативного компьютера сложнее, чем у обычного ЖК-монитора, то представляет большой интерес рассмотреть более полную картину его электромагнитных полей во всем частотном диапазоне, принятом для проведения сертификационных испытаний образцов компьютерной техники.

Рис. 5. Ноутбук 1. Питание от встроенных аккумуляторов Рис. 6. Ноутбук 1.
Питание от евросети

Итак, рассмотрим первый ноутбук с возможностью питания от евросети, то есть с наличием трехпроводного европейского кабеля питания.

На рис. 6, как и положено, электрическое поле отводится на землю, и общий уровень напряженности уменьшается. Рассмотрим теперь случай ноутбука, не имеющего возможности электрического контакта с землей.

На рис. 8 наглядно видно, как меняется уровень напряженности электрического поля в случае питания портативного компьютера от сети (даже европейской) при отсутствии физического контакта с землей.

Рис. 7. Ноутбук 2. Питание от встроенных аккумуляторов Рис. 8. Ноутбук 2. Питание от сети

Вот еще один случай ноутбука, конструктивно не имеющего контакта с землей при работе от сети.

Теперь рассмотрим самый интересный случай: все варианты питания ноутбука, имеющего возможность заземления.

Этот случай интересен тем, что даже при наличии у него европейского кабеля питания за неимением евросети включать его приходится в обычную двухпроводную (фаза — ноль) сеть.

На рис. 12 хорошо видно, насколько эффективно использование заземления для ноутбука.

А дальше, в целях продолжения эксперимента, мы пошли на небольшую

Рис. 9. Ноутбук 3. Питание от встроенных аккумуляторов Рис. 10. Ноутбук 3. Питание от сети

хитрость и сымитировали отсутствие заземления при питании ноутбука от сети, отключив в розетке третий заземляющий контакт.

Как видим — физика непреклонна.

Рисунок 13 наглядно демонстрирует довольно распространенный вариант подключения к сети ноутбука, пусть даже имеющего возможность заземления.

Увы, это распространенный случай.

Для получения более полной картины с электромагнитными полями рассмотрим типичный случай напряженности электрического поля в частотном диапазоне 2 кГц — 400 кГц.

Рис. 11. Ноутбук 4. Питание от встроенных аккумуляторов Рис. 12. Ноутбук 4. Питание от евросети

Как видно из приведенных рисунков 14 и 15, никакого криминала тут нет, даже в случае отсутствия заземления — это общий случай, но бывают, конечно, и исключения из правил, но о них, а также о других мерах компьютерной безопасности в другой раз.

Рис. 13. Ноутбук 4. Питание от обычной двухпроводной сети питания Рис. 14. Ноутбук 3. Питание от встроенных аккумуляторов Рис. 15. Ноутбук 3. Питание от сети