Dlaczego zasilacz z obudową izolacyjną i separacją galwaniczną potrzebuje uziemionego przewodu zasilającego?

Ostatnio byłem świadkiem zewnętrznego zasilacza laptorowego IBM, który wyglądał jak zwykła cegła zasilana w trybie przełączanym (raczej niewielka i lekka jak na to moc powyżej 50 watów) w plastikowej obudowie, ale miał kabel trójżyłowy (faza + zero + uziemienie) pomiędzy sama i sieć.

Widzenie kabla trójżyłowego używanego z zasilaczem w obudowie z tworzywa sztucznego jest raczej rzadkie. Zwykle obudowa jest wykonana z metalu, a kabel ma trzy druty, lub obudowa z tworzywa sztucznego, a kabel ma dwa druty.

Wygląda na to, że zasilacze impulsowe mają separację galwaniczną . Również jednostka miała izolacyjną plastikową obudowę, więc nie jest możliwe, aby przewód fazowy indukował napięcie na zewnętrznej powierzchni obudowy w przypadku jakiegokolwiek zwarcia.

Jaki jest powód uziemienia kabla w zasilaczu impulsowym z izolowaną plastikową obudową?

Poniżej znajduje się typowy schemat filtra EMI zasilacza AC / DC.

Widać, że kondensatory X (między linią a przewodem neutralnym) plus indukcyjność upływowa cewki indukcyjnej zapewniają tłumienie szumów różnicowych, a indukcyjność dławika CM w połączeniu z kondensatorami Y zapewniają tłumienie szumów wspólnego.

Nie zdziwiłbym się również, gdyby powrót wyjściowy był bezpośrednio podłączony do ziemi.

Zasilacze impulsowe wykorzystują tak zwany „przetwornik flyback”, aby zapewnić konwersję napięcia i izolację galwaniczną. Podstawowym elementem tego przetwornika jest transformator wysokiej częstotliwości.

Praktyczne transformatory mają pewną pojemność błądzącą między uzwojeniem pierwotnym i wtórnym. Ta pojemność oddziałuje z operacją przełączania konwertera. Jeśli nie ma innego połączenia między wejściem a wyjściem, spowoduje to napięcie wysokiej częstotliwości między wyjściem a wejściem.

Jest to naprawdę złe z perspektywy EMC. Kable z klocka zasilającego działają teraz zasadniczo jako antena transmitująca wysoką częstotliwość generowaną przez proces przełączania.

Tłumienie powszechnego trybu wysokiej częstotliwości nie jest konieczne, aby umieścić kondensatory między stroną wejściową i wyjściową zasilacza o pojemności znacznie wyższej niż pojemność w transformatorze flyback. To skutecznie zmniejsza wysokie częstotliwości i zapobiega ucieczce z urządzenia.

Projektując zasilacz klasy 2 (nieuziemiony) nie mamy innego wyjścia, jak podłączyć te kondensatory do wejścia „na żywo” i / lub „neutralne”. Ponieważ większość świata nie wymusza polaryzacji na nieuziemionych gniazdach, musimy założyć, że jedno lub oba z zacisków „pod napięciem” i „neutralne” mogą być pod napięciem w stosunku do ziemi i zwykle uzyskujemy symetryczny układ, ponieważ „najmniej zła opcja”. Dlatego mierząc moc wyjściową zasilacza klasy 2 w stosunku do uziemienia za pomocą miernika o wysokiej impedancji, zwykle zobaczysz około połowy napięcia sieciowego.

Oznacza to, że na zasilaczu klasy 2 mamy trudny kompromis między bezpieczeństwem a EMC. Zwiększenie pojemności kondensatorów poprawia EMC, ale także powoduje większy „prąd dotykowy” (prąd, który przepłynie przez kogoś lub coś, co dotknie wyjścia zasilacza i uziemienia). Ten kompromis staje się bardziej problematyczny, gdy zasilacz staje się większy (a zatem pojemność błądząca w transformatorze staje się większa).

W zasilaczu klasy 1 (z uziemieniem) możemy wykorzystać uziemienie sieciowe jako barierę między wejściem a wyjściem albo przez podłączenie wyjścia do uziemienia sieciowego (jak to jest powszechne w zasilaczach stacjonarnych) lub za pomocą dwóch kondensatorów, jednego od wyjścia do uziemienia sieciowego i jeden od uziemienia sieciowego do wejścia (to właśnie robi większość cegieł zasilających laptopa). Pozwala to uniknąć problemu prądu dotykowego, a jednocześnie zapewnia ścieżkę wysokiej częstotliwości do kontroli EMC.

Dlaczego więc zasilacze do laptopów od głównych dostawców z możliwością naprawy klasy 1 obecnie, kiedy nie były? (a kiedy tanie badziewie często jeszcze nie są) nie wiem na pewno, ale spodziewam się, że to połączenie.

1. Nawet prądy dotykowe poniżej ustawowych limitów mogą być problematyczne. Niektóre osoby są wyjątkowo wrażliwe na elektryczność i mogą odczuwać prądy poniżej ustawowego limitu. Niektóre elementy elektroniczne mogą również zostać uszkodzone przez prądy poniżej ustawowego limitu prądu dotykowego podczas podłączania na gorąco.
2. Przepisy EMC zaostrzyły się na przestrzeni lat.

Bez schematu trudno powiedzieć. Jednak przewód uziemiający jest najprawdopodobniej wykorzystywany przez filtr EMI. Najprawdopodobniej na wejściu mocy znajduje się balun (dławik trybu wspólnego), zanim przejdzie on do reszty obwodu. Zwiększy to impedancję sygnałów w trybie wspólnym, ale samo w sobie nie osłabi ich bez pewnego obciążenia. Obciążeniem tym będzie kondensator uziemiający na każdym z dwóch przewodów zasilających po zewnętrznej stronie baluna.

Czy kiedykolwiek miałeś „szczypanie” podczas dotykania wyjścia niskiego napięcia nowoczesnego zasilacza?
Jest to denerwujące i potencjalnie niszczy sprzęt.
Powodem jest to, że system opisany w pytaniu został wdrożony, ale nie jest właściwie używany,

Należy odnotować diagram i komentarz Madmangurama.

Madmanguram przedstawił doskonałą ilustrację.
Zwróć uwagę, że powrót wyjścia również jest uziemiony. Czasami tak się dzieje, a gdy tak jest, jest to katastrofa, gdy przewód uziemiający nie jest uziemiony, np. Używany jest przewód 2-żyłowy.

Lokalne uziemienie = gwintownik środkowy kondensatora znajduje się teraz w połowie napięcia sieciowego względem prawdziwego uziemienia. tj. około 115 V w systemie 230 V AC. Cały dostarczony sprzęt unosi się w połowie sieci nad ziemią. Każda z dwóch czapek ma zwykle wartość 0,001 uF, więc impedancja jest równa 2 równoległym czapkom.
Z ~ = 2 / (2.Pi.fc) lub około 5 megaomów dających prądy upływowe około 10 do 20 uA. Nie brzmi to zbytnio, ale powoduje irytujące „ugryzienia” palców itp. Podczas dotykania Vout, gdy ciało jest uziemione - z powodu poziomu napięcia - i szczęśliwie ładuje zbłąkaną pojemność, aby mieć wystarczająco dużo energii, aby wysadzić rzeczy - co na pewno się zdarza.

Rozwiązaniem jest uziemienie przewodu uziemiającego .. ALE

Najgorsze jest, gdy producenci podłączają centralny zaczep do wyjścia ujemnego, a następnie nie biorą pod uwagę używania przewodu uziemiającego. Dostajesz sprzęt pływający w połowie sieci i nie ma łatwego sposobu na jego naprawienie. Paskudny wynik, który wymaga uruchomienia lub użycia uziemienia poza przewodem zasilającym.

Tak, zasilacz jest całkowicie izolowany, ale zasilane przez niego urządzenie może mieć odsłonięte części przewodzące, które mogą przewodzić niebezpieczne napięcie w przypadku awarii. Lub może przenosić niskie, ale irytujące napięcie z powodu normalnych prądów upływowych. Izolacja galwaniczna nie może całkowicie uniknąć pojemnościowych prądów upływowych.

(W rzeczywistości może, z uziemionym ekranem między uzwojeniami, np. W przypadku urządzeń chirurgicznych, ale oczywiście wymaga to przewodu uziemiającego.)

Nie rozumiem, dlaczego inne odpowiedzi zwracają tak dużą uwagę na wewnętrzne działanie zasilacza impulsowego. Oczywiście każdy projekt ma izolację galwaniczną. Wcześniej dwuzwojeniowy transformator 50 Hz (USA: 60 Hz). W dzisiejszych czasach transformator pracuje ze znacznie wyższą częstotliwością i jest odpowiednio mniejszy i lżejszy, ale nie o to chodzi.

Należy pamiętać, że przewód uziemienia jest tylko opcjonalną rzeczą. Przydaje się tylko wtedy, gdy używa się uziemionego gniazdka ściennego. Nie działa na nieuziemionym gniazdku ściennym. Nieuziemionych gniazdek ściennych należy używać tylko tam, gdzie nie zostaniesz zabity natychmiast po dotknięciu napięcia pod napięciem, na przykład w salonie z drewnianą podłogą zamiast betonowej podłogi. Ale obecnie widzę uziemione punkty sprzedaży praktycznie wszędzie.

Należy również pamiętać, że uziemienie gniazdka może nie całkowicie wyeliminować irytujące małe napięcie w urządzeniu. Ta ziemia jest zaprojektowana dla bezpieczeństwa, aby przepalić bezpiecznik przed porażeniem prądem, ale nie dla zagwarantowania zerowego napięcia. Rezystancja przewodu uziemienia, a także indukcyjność, mogą być nadal znaczące. Na przykład często doświadczałem „łaskotania” napięcia podczas obsługi kabla VGA na 17-calowych monitorach CRT, nawet na uziemionym gniazdku, prawdopodobnie z powodu upływu pojemnościowego z wewnętrznego 10.000 woltów dla lampy. (17 cali? Te monitory były tak duże, drogie i ciężkie. Teraz mamy tanie lekkie 23-calowe, 27-calowe, UHD, ...)