Električna varnost in nevarnost

Velika večina računalniških naprav potrebuje za delovanje elektriko. Nepretrgna oskrba z električno energijo se nam zdi samoumevna, a to iz različnih razlogov ni vselej nujno. Kot so pokazali lanski izpadi električne energije v ZDA, Kanadi in Italiji, lahko dolgotrajni električni mrk prizadene tudi najrazvitejše države, kratkotrajni izpadi pa sploh niso nenavadni. Kako lahko sami poskrbimo za čim bolj nemoteno delovanje naših računalniških naprav?

Nevarno za uporabnika

Ker teče po računalniških napravah električni tok, so te vsaj potencialno tudi nevarne za uporabnike. Večina računalniških naprav potrebuje za svoje delovanje majhne napetosti in majhne tokove, ki človeku niso nevarni. Te nizke napetosti navadno dobimo iz transformatorjev, ki so skriti v ohišju računalniških naprav ali pa so zunanji. Naprave z notranjimi transformatorji so nevarnejše, saj so priključene na omrežno napetost 220 V in je del notranje napeljave pod to napetostjo.

Sicer ni znano, da bi kdo umrl zaradi električnega udara pri delu z računalnikom ali računalniško napravo. Večkrat pa lahko preberemo obvestila izdelovalcev posameznih naprav, ki opozarjajo kupce, da so določene serije izdelkov zaradi napak v proizvodnji nevarne za uporabo. Pri nas se bralci najbrž še spomnijo računalniških zvočnikov, ki jih je uvozilo in jih prodajalo v svoji trgovski mreži podjetje Jerovšek. Zvočniki so bili po sklepu tržnega inšpektorja umaknjeni iz prodaje zaradi "neustrezanja osnovnim varnostnim standardom in predstavljanja smrtne nevarnosti pri normalni uporabi".

Zlato pravilo se glasi: Po notranjosti računalniških naprav brskamo le takrat, ko so izključene iz omrežne napetosti in ko vemo, kaj počnemo.

Sistemi za brezprekinitveno električno napajanje

Preskrba z električno energijo v domovih in podjetjih je nekaj, kar jemljemo na začetku 21. stoletja za samoumevno. Kljub tej samoumevnosti pa tu in tam prihaja do večjih ali manjših motenj v preskrbi. Te motnje lahko razdelimo v več skupin. Najbolj nezaželen je razpad celotnega električnega sistema. Razpadi sistema so sicer sorazmerno redki, prizadenejo pa velika področja z velikim številom uporabnikov. (Tak razpad sistema je lani prizadel veliko področje v severni Ameriki z več deset milijoni prebivalcev). Manj dramatični so izpadi posameznih razdelilnih in transformatorskih postaj. V tretjo skupino sodijo lokalne motnje znotraj stanovanjske hiše, bloka ali podjetja, kjer je oskrba motena samo na določenem delu lokalne električne napeljave. V teh primerih gre praviloma za prekinitev električnega tokokroga, ki jo povzročijo varovalke zaradi prevelikega toka v tokokrogu. Take motnje lahko sami hitro prepoznamo in jih tudi sami odpravimo, vendar bi kot napredni računalniški uporabniki radi več. Želimo, da bi naši računalniki vsaj omejeno časovno obdobje delovali nemoteno tudi takrat, ko se zgodijo zgoraj opisane motnje.

Sistemi brezprekinitvenega napajanja za strežniške farme zasedejo veliko prostora.

Pri delu z računalniki si namreč pogosto ne moremo dovoliti, da bi bilo naše delo izgubljeno zaradi napake pri oskrbi računalnika z električno energijo. Lahko smo skrbniki strežnika, za katerega želimo, da je v vsakem trenutku na voljo odjemalcem. Po drugi strani si tudi pri kaki dolgotrajnejši obdelavi podatkov na samostojni delovni postaji ne moremo predstavljati, da bi šlo v nič nekaj ur dela (primer: obdelava plač v podjetju). V takih primerih moramo uporabiti sistem za brezprekinitveno električno napajanje (Uninterruptible Power Supply, UPS). Moderni sistemi UPS opravljajo poleg osnovne naloge - nepretrganega zagotavljanja električne energije - še dve dodatni opravili. Preprečujejo prevelike odmike amplitude izhodne napetosti od pričakovane vrednosti (tj. 220 ali 230 V v Evropi oziroma 120 V v ZDA) in vzdržujejo stalno frekvenco izmeničnega toka (50 Hz v Evropi, 60 Hz v ZDA). Taki brezprekinitveni napajalniki imajo vgrajeno tehnologijo samodejnega napetostnega krmiljenja (Automatic Voltage Regulation, AVR), ki filtrira "umazano" omrežno napetost ter na izhodu daje napetost s "čistim" sinusnim potekom.

Razdelilnik s prenapetostno zaščito in z vhodom in izhodom za telefonski vod (na sredi).

Naprave UPS delimo v dve skupini. V prvi so naprave, ki pri normalnem delu računalnik oskrbujejo z energijo iz omrežja, pri zaznani motnji pa zelo hitro (v nekaj milisekundah) začnejo pošiljati energijo iz svojega notranjega akumulatorja. Akumulator oddaja tok enosmerne napetosti, zato ga mora pretvornik spremeniti v ustrezni izmenični tok. Take naprave so namenjene predvsem za premostitev kratkotrajnih, nekajminutnih izpadov električne energije. Pri daljših izpadih pa mora sistem za brezprekinitveno napajanje poskrbeti, da računalnik varno dokonča svoje delo in se potem izključi. Naprava UPS je priključena v električno omrežje in na računalnik, ki mu omogoča brezprekinitveno napajanje. UPS stalno spremlja potek omrežne napetosti in če ta pade pod kritično mejo, UPS v nekaj tisočinkah sekunde prevzame oskrbo z energijo.

V drugi skupini so naprave UPS, ki stalno oskrbujejo porabnike (računalnik, monitor) z električno energijo iz akumulatorja, ta pa se vedno znova polni z omrežno napetostjo. Prednost teh naprav je v tem, da ni prehodnega časovnega intervala (ki je sicer zelo kratek) od zaznave motnje do začetka oskrbovanja z elektriko. Zato je njihova oskrba z energijo zelo zanesljiva in stabilna. Ker pa so te naprave dražje od enostavnih naprav iz prve skupine, so seveda precej manj razširjene. Sistemi za brezprekinitveno napajanje so na računalnik priključeni navadno prek zaporedne ali USB povezave (seveda pa tudi z električnim kablom, prek katerega pošiljajo računalniku električni tok).

Ob daljših prekinitvah oskrbe z električno energijo pa tudi klasični brezprekinitveni napajalniki ne zagotavljajo nemotenega dela, saj je čas njihovega delovanja omejen z zmogljivostjo akumulatorja. Tipični čas delovanja je nekaj deset minut. (Da bi zagotovili nemoteno oskrbo tudi pri večurnih prekinitvah delovanja javnega električnega omrežja, moramo uporabiti generatorje električnega toka.) Naprave UPS ločimo predvsem po zmogljivosti (moč, ki jo zagotavljajo) in po trajanju delovanja. Zmogljivost naprav sega od 350 VA pa do več tisoč VA za naprave, ki oskrbujejo več računalnikov v strežniških omarah. Cena naprav narašča z zmogljivostjo.in se giblje od okoli 20.000 tolarjev za najenostavnejše sisteme UPS pa čez 200.000 tolarjev za vgradne sisteme v strežniških okoljih.

Sistem brezprekinitvenega napajanja za domači računalnik.

Prenapetostna zaščita

Za večino domačih uporabnikov, tudi tistih zahtevnejših, nakup sistema UPS ni smiseln. Izpadi električne napetosti so sorazmerno redki, pa tudi računalniške obdelave podatkov, ki jih opravljamo doma, so večinoma kratke. Ob primernem izdelovanju varnostnih kopij podatkov najbrž domači uporabnik le redko izgubi tako količino podatkov, ki bi upravičila izdatek za sistem za brezprekinitveno napajanje. Veliko cenejša in zato bolj smiselna je zaščita pred nepredvidenimi nihanji električne napetosti, ki tudi lahko povzročijo izgubo podatkov, še večkrat pa tudi okvarijo elektronske dele v računalniku. Razdelilniki z vgrajeno prenapetostno zaščito niso dragi in jih lahko kupimo v vsaki bolje založeni računalniški trgovini.

Nevarno za naprave

Verjetnost, da bo uporabnik pri delu z računalniško napravo doživel električni udar, je zelo majhna. Precej verjetneje je, da bo pri nepravilni rabi (sicer drugačne vrste) krajšo potegnila naprava. Ponavadi imamo v mislih statično elektriko, ki se tu in tam nabere na našem telesu, še posebej, če nosimo oblačila iz volne ali sintetike. Če nismo ozemljeni, lahko nakopičeni električni naboj steče z našega telesa in poškoduje ali uniči občutljivo elektronsko napravo, ki jo držimo v rokah. Zato se pred vsakim posegom v notranjost računalnika (vstavljanje pomnilniških kartic ali razširitvenih kartic PCI oziroma AGP) razelektrimo. To najlaže naredimo tako, da se za nekaj sekund dotaknemo kake večje kovinske površine, na primer radiatorja. Nekateri svetujejo nakup in uporabo posebnih kovinskih zapestnic, ki jih povežemo na ozemljeni predmet. Najbrž je taka previdnost odveč, škodi pa ne. Še en nasvet: nikoli ne šarimo po notranjosti prenosnega računalnika, ki je v stanju pripravljenosti.

Pogosteje kakor s statično elektriko lahko računalniške naprave poškodujemo ali uničimo s priključitvijo na napačni transformator. Predstavljajmo si uporabnika, ki ima doma prenosni računalnik, nanj pa želi priključiti tiskalnik in optični bralnik. Poleg tega je računalnik priključen v splet prek domačega brezžičnega omrežja in kabelskega modema. Že taka srednje zahtevna postavitev zahteva pet električnih napajalnikov. Ti so med sabo ponavadi nezdružljivi in dajejo različno izhodno napetost (od 5 V pa vse do 30 V), po drugi strani pa so njihovi priključki za napajanje zelo podobni. Poleg tega napajalniki večinoma niso ustrezno označeni - na njih ne piše, ali so namenjeni za napajanje kabelskega modema ali brezžičnega usmerjevalnika. Zato je najbolje takoj po nakupu vsak napajalnik označiti z nalepko. In če brezžični usmerjevalnik namesto na 5 V priključimo na 15 V, ga bomo skoraj zagotovo pokvarili in si nakopali nepotrebne stroške. Pri morebitni okvari zaradi uporabe napačnega napajalnika nam prodajalec namreč ne bo hotel priznati garancije.

Napetostni sunki v omrežju se lahko pojavijo brez očitnega zunanjega vzroka, udari strele pa so med najpogostejšimi vzroki napetostnih sunkov in okvar v računalniških vezjih. Ko strela udari v električno omrežje, se motnja širi v vse smeri od mesta udara. Amplituda sunka napetosti se zmanjšuje z oddaljenostjo od mesta udara in z gostoto električnega omrežja, zato smo v velikih naseljih bolj varni pred škodljivimi posledicami udarov (razen če smo zelo blizu mesta udara). Napetostni sunki se ne širijo samo po električni napeljavi, temveč po vseh kablih. Zato lahko udari strele povzročijo škodo tudi na napravah v telefonskem omrežju (telefonski aparati, modemi, ADSL) in omrežju kabelske televizije (televizijski aparat, videorekorder, kabelski modem).

Med druge znane vire napetostnih sunkov v domačem električnem omrežju sodijo električno sorazmerno požrešne gospodinjske naprave, ki se pogosto vklapljajo in izklapljajo (npr. hladilnik). Vsak vklop in izklop take naprave povzroči motnjo v časovnem poteku električne napetosti. Če je napetostni sunek previsok, lahko povzroči na občutljivih napravah podobno škodo kakor udar strele.

Časovni potek efektivne električne napetosti na treh mestih v javnem električnem omrežju za obdobje enega tedna. Opazimo lahko velik padec od nazivne napetosti 230 V med obratovalnim časom večine podjetij. V soboto in nedeljo je ta padec precej manjši.

Enostavna in sorazmerno poceni obramba pred napetostnimi sunki je razdelilnik z vgrajeno prenapetostno zaščito. To je kombinirana naprava, ki opravlja vlogo razdelilnika električne napetosti - nanjo lahko priključimo večje število električnih porabnikov - hkrati pa poskrbi, da v napetosti ni škodljivih sunkov. Najenostavnejši način zaščite je preusmerjanje odvečnega toka v ozemljitveno žico. Pri najbolj razširjeni vrsti prenapetostne zaščite za preusmeritev toka poskrbi varistor s kovinskim oksidom (Metal Oxide Varistor, MOV). To je elektronski element, zvezan z ozemljitvenim vodnikom (vzporedno s faznim vodnikom). Sestavljen je iz treh delov: v sredini je kovinski oksid (npr. cinkov oksid, ZnO, s primesmi iz bizmutovih ali antimonovih spojin), na obeh koncih pa je polprevodniški element. Upor polprevodnika se spreminja z napetostjo. Pri nizki napetosti je upor velik, zato varistor prepusti zelo malo toka. Ko pa napetost zrase nad določeno mejo, se upor polprevodnika zelo zmanjša. Zaradi tega steče odvečni tok, ki bi sicer poškodoval elektronsko napravo, skozi varistor v ozemljitveno žico. Če je napetostni sunek prevelik (npr. pri neposrednem udaru strele), prenapetostna zaščita odpove, saj ne zmore odvesti tako velikega toka v ozemljitveno žico.

Drugi način ščitenja pred napetostnimi sunki uporablja prenapetostne plinske odvodnike. Princip njihovega delovanja je podoben kot pri varistorjih. Plini so pri običajnih napetostih slabi prevodniki električnega toka, pri višjih napetostih pa se molekule plinov ionizirajo in tako postane plin dober prevodnik. Skozi prenapetostni plinski odvodnik tako steče odvečni tok v ozemljitveno žico.

Programski vmesnik sistema za brezprekinitveno napajanje.

Pri nakupu razdelilnikov z vgrajeno prenapetostno zaščito moramo preveriti, kakšno zaščito daje določeni model. Poleg števila vtičnic je pomemben podatek, pri kateri električni napetosti bo zaščitni element začel odvajati tok v ozemljitveno žico (npr. 300 V, 400 V, 500 V). Če je ta napetost previsoka, element ne ponuja zadostne zaščite. Zelo pomembna je vrednost električne energije, ki jo zaščitni element lahko absorbira, ne da bi odpovedal. Tipične vrednosti so med 200 in 400 jouli (J). Boljši elementi absorbirajo tudi 600 in več joulov. Paziti moramo, da ima zaščitni element vgrajeno opozorilno lučko, ki kaže stanje varistorja (pri zelo močnih napetostnih sunkih se tudi varistor lahko poškoduje in ga moramo zamenjati). Prav nič ni vredna zaščita, za katero niti ne vemo, ali deluje ali ne. Smiselno je izbrati razdelilnik, ki ima poseben vhod za telefonsko žico. Tako bomo ubili dve ali celo tri muhe na en mah, saj so vrvični telefonski aparati in modemi prav tako tarče napetostnih sunkov med nevihtami.

Slovarček

Električni tok je premikanje nosilcev naboja po električnem tokokrogu. Pri običajnih tokokrogih so nosilci naboja elektroni. Pri polprevodniških elementih (kot so tranzistorji, ki jih je v sodobnih računalniških procesorjih po več deset milijonov) pa slika ni več tako enostavna in nosijo naboj poleg elektronov (negativni naboj) tudi vrzeli (pozitivni naboj). Pozitivno nabiti delci se premikajo v smeri nižje napetosti, negativno nabiti pa v smeri višje napetosti. Enota za merjenje električnega toka je amper (A).

Električna potencialna energija je energija, ki jo porabimo, da poljubni električni naboj pripeljemo z območja zunaj električnega polja na določeno mesto v električnem polju. Električni potencial je kvocient električne potencialne energije in velikosti naboja.

Električna napetost med dvema točkama v električnem tokokrogu je razlika električnih potencialov v teh točkah. Električno napetost U12 med točkama 1 in 2 v električnem tokokrogu lahko definiramo tudi kot kvocient električnega dela Ae, ki ga moramo opraviti, da naboj e premaknemo iz točke 1 v točko 2, ter vrednosti tega naboja.

Enota za merjenje napetosti je volt (V).

Električni upor električnega elementa (R) je definiran kot kvocient električne napetosti med priključkoma tega elementa in električnega toka, ki teče skozi element. Ohmov zakon povezuje tok in napetost v enostavnem porabniku električnega toka.

Za polprevodnike Ohmov zakon ne velja, kljub temu pa lahko zapišemo posplošeno zvezo med tokom in napetostjo, ki spominja na Ohmov zakon.

Vir: Kakovost električne energije v elektroenergetskem sistemu, CD-ROM, Elektroinštitut Milan Vidmar, 2001