Электроснабжение студий

Ведущий научный сотрудник Санкт-Петербургского Универститета  телекоммуникаций, кандидат технических наук, видный специалист по радиовещательным технологиям Михаил Антонович Сергеев (1956-2011) известен и как активный популяризатор технических знаний, автор множества публикаций в профессиональной прессе. Многие годы он был одним из основных авторов журнала "Звукорежиссер" и его научным редактором. Его статьи сохранили актуальность и должны быть доступны тем, кто нуждается в квалифицированной информации. Мы размещаем их здесь в память о замечательном человеке и специалисте и уверены, что они принесут пользу читателям.

Практически все оборудование современной студии электрическое, и оно требует питания. Приборы с автономным питанием в студии – редкость, в основном все включается в розетку переменного тока 220 В.

Существуют нормативные документы, в частности ГОСТ 13109-97, который так и называется: «Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения». Нормы нормами, но вилка-то вставляется не в бумагу. И какими же последствиями грозит ухудшение качества электричества?

Список краток:

1) помехи в сигнальных цепях;

2) перебои в работе оборудования;

3) утеря данных;

4) повреждение оборудования.

Статистика показывает, что большинство неприятностей связано с пунктами 2 и 3. Скачок напряжения в сети – и что-то повисает, что-то сбрасывается, и картинка на экране монитора огорчает. Дело страдает, и сразу возникает мысль про UPS – устройство бесперебойного питания. Что же может UPS, где оно полезно, а где – не очень, как его выбирать и как эксплуатировать?

Звукорежиссеру позволительно не знать ответов на эти вопросы, но при условии, что рядом есть специалист. И только в том случае, когда они говорят на одном языке и понимают друг друга. Что же нужно знать хотя бы для общего образования?

Мощность

Максимальная мощность нагрузки выступает в качестве основного параметра.

Указывается, как правило, полная мощность. Пример: 350 ВА, 525 ВА или 1500 ВА. При номинальном значении выходного напряжения 220 В эти приборы могут отдать ток 1,6, 2,4 и 6,8 А соответственно. И про ток нужно помнить, потому что система защиты (и «пробки» в стиле ретро, и суперсовременные автоматы) отключает потребителей при превышении допустимого значения именно тока.

Выбирать UPS следует с запасом по мощности минимум 30%. Почему? Предположим, что ваше оборудование потребляет 300 ВА. Какой в этом случае потребляется ток, и не сработает ли защита от перегрузки?

Ответ кажется простым. Поделим мощность на напряжение и получим ток: 300/220 = 1,36 А. Верен ли ответ? Вспомним, что напряжение на выходе UPS может изменяться, например от -10% до +5% от номинального или от 198 до 230 В.

При изменении напряжения на входе импульсного блока питания изменяется ток, а мощность остается практически постоянной. Теоретический расчет дает нам оценку: снизилось на 10% напряжение – примерно на те же 10% возрастает ток. В реальной жизни добавляются еще и переходные процессы, вызываемые изменениями потребляемой мощности и напряжения в сети.

Можно, конечно, провести глубокое научное исследование зависимости потребляемого тока и мощности от влияния разных факторов. На практике проще и дешевле взять UPS с запасом 30%.

Напряжение

Входное напряжение

Большинство UPS имеет следующую логику работы. При изменении входного напряжения в пределах от Uмин до Uмакс выходное напряжение стабилизируется путем автоматического переключения отводов автотрансформатора. При выходе напряжения за указанные границы UPS переходит на питание от аккумулятора.

Рис. 1 Зависимость выходного напряжения U_вых от входного U_вх в статическом режиме работы UPS со стабилизацией напряжения

Полезно обратить особое внимание на значения U_мин и U_макс, здесь вас ждут открытия. При снижении напряжения в сети на 20% (до 176 В) UPS переходит на работу от аккумулятора и через 15 минут отключается совсем. В то же время компьютер, включенный непосредственно в сеть, продолжает нормально работать, его блок питания рассчитан на диапазон от 90 до 260 В. Так что вполне возможна парадоксальная ситуация, когда установка UPS ухудшает стабильность работы студии.

Если приходится сталкиваться с существенными систематическими отклонениями напряжения от номинального значения, то есть смысл подумать о покупке стабилизатора напряжения для UPS.

Выходное напряжение

В описании указано: 220 В +5/-10%. Что же это означает? Ответ зависит от формы выходного напряжения, которая далеко не всегда оказывается синусоидальной. Это нетрудно проверить, имея хотя бы минимальные навыки работы с электричеством. Вам потребуются для этого понижающий трансформатор, пара метров двужильного сетевого провода, три резистора и пара разъемов.

Сначала следует убедиться, что у трансформатора первичная обмотка надежно изолирована от вторичной. Если есть сомнения – обратитесь к специалисту! Теперь можно включить трансформатор в сеть и измерить обычным тестером напряжение U2 на вторичной обмотке. Трансформатор пригоден для нашего опыта, если U2 попало в диапазон 2…20 В.

Дальше – совсем просто. Увидеть форму напряжения можно с помощью осциллографа, а при его отсутствии достаточно компьютера со звуковой картой – это имеется в любой студии.

Подавать напряжение с выхода трансформатора непосредственно на вход звуковой карты не следует. Во-первых, можно перегрузить вход и форма напряжения на экране окажется искажена. Во-вторых, остается опасность повредить вход при неаккуратном включении.

Радикально уменьшить риски и понизить напряжение до приемлемого значения позволит простейший делитель на трех резисторах.

Рис. 2 Устройство для анализа формы сетевого напряжения

Следует использовать R1 = R3 сопротивлением в пределах от 4,7 кОм до 15 кОм. Оставшийся резистор выбирается из условия R2 = 0.2хR1/ U2.

Для примера возьмем R1 = R3 = 10 кОм. Пусть напряжение U2 на выходе трансформатора T1 равно 6,3 В, тогда расчетное значениеR2 = 2000/6,3 = 317 Ом, можно взять резистор 300 или 330 Ом.

При таких параметрах напряжение на выходе делителя составит U2×R3(R1 + R2 + R3) = 6,3×300/(10000 + 300 +10000) = 0,093 В или 93 мВ, то есть вполне безопасное для звуковой карты. А ее входная цепь дополнительно защищена резисторами 10 кОм (R1 и R3) от неприятностей.

Подаем сигнал на вход звуковой карты, включаем запись и видим: на синус это совсем не похоже.

Рис. 3 Форма напряжения на выходе UPS

Действующее значение этого напряжения равно именно 220 В, и лампа накаливания будет светить так же ярко, как от синусоидального напряжения. Но все ли приборы будут хорошо работать с таким питанием?

Начнем с того, что неочевидны последствия влияния гармоник напряжения питания на звуковой тракт. Возможно, ухудшение звучания окажется пренебрежимо малым, а возможно – и нет.

Для приборов с импульсными блоками питания изменение формы напряжения обычно не особо значимо. Но есть в студии приборы и с обычными блоками питания: трансформатор, диоды и конденсатор. Уменьшение амплитуды напряжения питания при переходе от синусоидального к прямоугольному напряжению вызовет снижение выпрямленного напряжения в блоке питания. Уменьшится, например, напряжение на анодах ламп, и  не следует ждать в этом случае улучшения звучания, хотя работоспособность и сохраняется.

Некоторые приборы просто отказываются работать при таком прямоугольном питании, чаще всего – вследствие остановки тактового генератора в системе управления. Иногда аппарат сохраняет работоспособность, но становится неуправляемым, потому что гаснет люминесцентный индикатор и не видно информации на дисплее.

Оценить синусоидальность выходного напряжения UPS можно и с помощью обычного тестера.

Большинство тестеров измеряет амплитудное значение напряжения, его легко получить простейшим диодным выпрямителем. А вот шкала тестера градуирована в значениях действующего напряжения с коэффициентом пересчета, верным для синусоидального напряжения, то есть 1,41 – именно во столько раз амплитуда больше действующего значения для напряжения синусоидальной формы. То есть в нашей сети 220 В амплитудное значение напряжения равно 220×1,41 = 310 В.

В случае прямоугольной формы амплитудное значение напряжения равно действующему.

Подключите тестер к выходу UPS и измерьте напряжение на его выходе. Если при работе UPS от аккумулятора тестер показывает напряжение менее 190 В, то нельзя быть уверенным, что все приборы студии будут нормально работать.

Скорость и время

Если ставится задача обеспечить работу студии при аварии сети, то время автономной работы от аккумулятора должно быть больше, чем вероятный перерыв питания. Речь идет о нескольких часах, и решение оказывается недешевым – нужны аккумуляторы огромной емкости. Дешевле применить альтернативные источники энергии: дизельный или бензиновый генератор, питание от бортовой сети автомобиля. UPS в этом случае должен обеспечить возможность переключения на другой источник, то есть достаточно иметь буквально несколько минут автономной работы.

Иногда ставится задача защитить студию от перерывов питания, то есть исключить сбои и потери данных и дать возможность остановить работу и выключить оборудование. Минимальное время – 5 минут, если же в запасе есть 20 минут, то можно спокойно завершать работу.

По умолчанию все приборы в студии подключены на выход UPS и защищены от скачков сети. В реальной жизни приходится чем-то жертвовать, иначе расходы на мощный UPS оказываются обременительными.

Экономить надо с умом. Простой пример – если от UPS отключить ламповые приборы, то время автономной работы существенно увеличивается. Но что делать, если перерыв оказывается длительным? Не все приложения можно корректно закрыть без монитора, и результаты работы будут утеряны. Полезнее подумать об экономном резервном освещении, в противном случае студия может оказаться в полной темноте и будет трудно закончить работу без потерь.

Многие модели UPS переходят на аккумулятор только в том случае, если напряжение в сети вышло за известные границы. Время переключения составляет обычно 1…3 периода частоты 50 Гц, то есть 20…60 мс, и большая часть этого времени уходит на принятие решения – уже пропало напряжение в сети или еще нет.

Действительно, меньше, чем за период колебания, трудно определиться, и большая часть студийного оборудования не успевает заметить перерыв. Если же имеется чувствительное или капризное оборудование, то лучше использовать on-line UPS, в котором не происходит таких переключений.

Акустические свойства

В реальной жизни UPS расположен в студии и звуки, которые он издает, могут помешать работе.

Слышно, как щелкает реле стабилизатора напряжения. Естественно, в том случае, когда стабилизатор имеется и в нем стоят механические, а не бесшумные твердотельные реле.

Слышно, как шумит вентилятор. Особенно голосисты бывают «горизонтальные» модели, рассчитанные на монтаж в серверную стойку и работу при полном отсутствии естественного отвода тепла.

Слышен гул автотрансформатора, его уровень и спектр зависят от нагрузки и напряжения в сети, причем зависят существенно – имейте это в виду.

Если при включении в сеть UPS бесшумен – это еще не все. Полезно заблаговременно убедиться, что при нагреве не увеличится до неприличия шум вентилятора, не защелкают реле и не загудит автотрансформатор при изменении потребляемой мощности или напряжения в сети.

Дополнительные функции и возможности

Производители декларируют наличие в UPS разнообразных фильтров и подавителей помех и прочих кондиционеров питания. Это весомые достоинства, но есть спорные моменты – улучшение одного всегда влияет на другое. В итоге дополнительные элементы фильтров могут отрицательно сказаться на звуке. Единственная функция, от которой не следует отказываться, – это защита от перенапряжения.

Вызывает удивление часто встречающаяся в студиях картина: весьма недешевые приборы включены куда попало. Вы готовы платить сотни тысяч за аппаратуру и экономите десятку на проводе или розетке и пару тысяч рублей на UPS? Поэтому – несколько советов.

Совет 1. Допустима одна вилка и одна розетка в цепи питания, и не следует включать каскадом один удлинитель в другой.

Совет 2. Альтернативный источник энергии в студии не помешает.

Совет 3. Минимальный запас по питанию – 30%.

Совет 4. Нормально, если хотя бы десятая часть бюджета студии уйдет на «вспомогательное» оборудование и аксессуары: здесь и UPS, и провода, и розетки, и стойки…