Perché un alimentatore con custodia isolante e separazione galvanica necessita di un cavo di alimentazione con messa a terra?

Di recente ho assistito a un alimentatore esterno IBM laptor che sembrava un normale mattone a modalità di commutazione (piuttosto piccolo e leggero per oltre 50 watt di potenza) in custodia di plastica ma aveva un cavo a tre fili (fase + neutro + terra) tra se stesso e l'alimentazione.

Vedere un cavo a tre fili utilizzato con un alimentatore a commutazione in custodia di plastica è piuttosto raro. Di solito o la custodia è di metallo e il cavo è a tre fili, oppure la custodia è di plastica e il cavo è a due fili.

Sembra che gli alimentatori switching abbiano una separazione galvanica . Inoltre, l'unità aveva una custodia in plastica isolante, quindi è impossibile che un filo di fase di rete induca tensione sulla superficie esterna della custodia in caso di cortocircuito.

Qual è la ragione di un cavo con messa a terra in un alimentatore a commutazione con custodia in plastica isolata?

Di seguito è riportato uno schema tipico di un filtro EMI per alimentazione CA / CC.

Si può vedere che i condensatori X (tra linea e neutro) più l'induttanza di dispersione dell'induttore di modo comune danno il rifiuto del rumore differenziale e l'induttanza di induttanza CM combinata con i condensatori di Y danno il rifiuto del rumore di modo comune.

Inoltre non sarei sorpreso se il ritorno in uscita è direttamente collegato a terra.

Gli alimentatori a modalità commutata utilizzano il cosiddetto "convertitore flyback" per fornire la conversione di tensione e l'isolamento galvanico. Un componente principale di questo convertitore è un trasformatore ad alta frequenza.

I trasformatori pratici hanno una certa capacità parassita tra gli avvolgimenti primario e secondario. Questa capacità interagisce con l'operazione di commutazione del convertitore. Se non vi sono altri collegamenti tra ingresso e uscita, si otterrà una tensione ad alta frequenza tra l'uscita e l'ingresso.

Questo è davvero un male dal punto di vista EMC. I cavi del power brick ora agiscono essenzialmente come un'antenna che trasmette l'alta frequenza generata dal processo di commutazione.

Per sopprimere la modalità comune ad alta frequenza è necessario mettere condensatori tra il lato di ingresso e di uscita dell'alimentatore con una capacità sostanzialmente superiore alla capacità nel trasformatore flyback. Ciò riduce efficacemente l'alta frequenza e ne impedisce la fuoriuscita dal dispositivo.

Quando si progetta un alimentatore di classe 2 (scoperto) non abbiamo altra scelta se non quella di collegare questi condensatori all'ingresso "live" e / o "neutral". Dal momento che la maggior parte del mondo non impone la polarità su prese scoperte, dobbiamo supporre che uno o entrambi i terminali "vivo" e "neutro" possano essere a una tensione peccaminosa rispetto alla terra e di solito finiamo con un design simmetrico come una "opzione meno negativa". Questo è il motivo per cui se si misura l'uscita di un alimentatore di classe 2 rispetto alla terra di rete con un misuratore di impedenza elevata, di solito si vede circa la metà della tensione di rete.

Ciò significa che su un alimentatore di classe 2 abbiamo un difficile compromesso tra sicurezza ed EMC. L'ampliamento dei condensatori migliora la compatibilità elettromagnetica, ma comporta anche una "corrente di contatto" più elevata (la corrente che fluirà attraverso qualcuno o qualcosa che tocchi l'uscita dell'alimentatore e della terra di rete). Questo compromesso diventa più problematico man mano che la PSU si ingrandisce (e quindi la capacità parassita nel trasformatore aumenta).

Su un alimentatore di classe 1 (collegato a terra) possiamo utilizzare la messa a terra di rete come barriera tra ingresso e uscita collegando l'uscita a terra di rete (come è comune nelle PSU desktop) o utilizzando due condensatori, uno dall'uscita a terra di rete e uno dalla rete di terra all'ingresso (questo è ciò che fanno la maggior parte dei mattoni elettrici del laptop). In questo modo si evita il problema della corrente a sfioramento pur continuando a fornire un percorso ad alta frequenza per controllare EMC.

Allora perché al giorno d'oggi le PSU per laptop dei principali fornitori affidabili si classificano quando non lo erano prima? (e quando le cazzate economiche spesso non lo sono ancora) non lo so per certo ma mi aspetto che sia una combinazione di.

1. Anche toccare correnti al di sotto dei limiti legali può essere problematico. Alcune persone sono insolitamente sensibili all'elettricità e possono sentire correnti al di sotto del limite legale. Alcuni componenti elettronici possono anche essere danneggiati da correnti inferiori al limite di corrente di contatto legale durante il collegamento a caldo.
2. Le normative EMC sono diventate più severe nel corso degli anni.

Senza uno schema è difficile da dire. Tuttavia, il cavo di massa è molto probabilmente utilizzato dal filtro EMI. Molto probabilmente c'è un balun (induttanza di modo comune) sull'ingresso di potenza prima che vada al resto del circuito. Ciò aumenterà l'impedenza dei segnali in modalità comune, ma ciò da solo non li attenuerà senza un qualche tipo di carico. Quel carico sarà un condensatore da mettere a terra su ciascuno dei due cavi di alimentazione sul lato esterno del balun.

Hai mai avuto un "pizzicotto" quando hai toccato l'uscita a bassa tensione di un moderno alimentatore?
Questo è fastidioso e potenzialmente distrugge l'attrezzatura.
Il motivo è che il sistema descritto nella domanda è stato implementato ma non utilizzato correttamente,

Lo schema e il commento di Madmanguram dovrebbero essere annotati.

Madmanguram ha fornito un'illustrazione eccellente.
Si noti che anche il ritorno di ritorno dell'output viene messo a terra. A volte questo viene fatto e, quando lo è, è un vero disastro quando il cavo di terra non è collegato a terra, ad esempio viene utilizzato un cavo a 2 fili.

Terra locale = il rubinetto centrale del condensatore è ora a metà della terra rispetto alla terra reale. cioè circa 115 V su un sistema 230VAC. L'intera attrezzatura fornita galleggia a metà rete fuori terra. I due tappi sono tipicamente 0,001 uF ciascuno, quindi l'impedenza è di 2 tappi in parallelo.
Z ~ = 2 / (2.Pi.fc) o circa 5 megohm che forniscono correnti di dispersione da circa 10 a 20 uA. Questo non suona molto ma produce fastidiosi "morsi" sulle dita ecc. Quando si tocca Vout mentre il proprio corpo è a terra - a causa del livello di tensione - e si carica felicemente di capacità vaganti per avere abbastanza energia per far esplodere le cose - il che sicuramente accade.

La soluzione è di collegare a terra il piombo .. MA

Il peggio è quando i produttori collegano il rubinetto centrale all'uscita negativa e quindi non tengono conto dell'utilizzo di un conduttore di terra. Ottieni mezzi galleggianti a metà e nessun modo semplice per ripararli. Un brutto risultato che deve essere eseguito o utilizzare una connessione di terra al di fuori del cavo di alimentazione.

Sì, l'adattatore di alimentazione è completamente isolato, ma il dispositivo alimentato da esso potrebbe presentare parti conduttrici esposte, che potrebbero trasportare una tensione pericolosa in caso di malfunzionamento. Oppure, può portare una tensione bassa ma fastidiosa a causa delle normali correnti di dispersione. L'isolamento galvanico non può evitare completamente le correnti di dispersione capacitive.

(In realtà può, con uno schermo collegato a terra tra gli avvolgimenti, ad esempio per i dispositivi chirurgici, ma ovviamente questo ha bisogno del filo di terra.)

Non capisco perché altre risposte prestino così tanta attenzione al funzionamento interno dell'adattatore di alimentazione in modalità commutata. Evidentemente, ogni design presenta un isolamento galvanico. Prima, un trasformatore a due avvolgimenti da 50 Hz (US: 60 Hz). Oggi il trasformatore funziona a una frequenza molto più elevata ed è di conseguenza più piccolo e più leggero, ma non è questo il punto.

Si noti che il cavo di massa è solo una cosa opzionale. Funziona solo se si utilizza una presa a muro con messa a terra. Non fa nulla su una presa a muro senza messa a terra. Le prese a muro senza messa a terra devono essere utilizzate solo dove non si verrà uccisi all'istante quando si tocca la tensione in tensione, come un soggiorno con un pavimento in legno anziché un pavimento in cemento. Ma al giorno d'oggi vedo punti vendita praticamente ovunque.

Si noti inoltre che la terra della presa potrebbe non eliminare completamente la fastidiosa piccola tensione sul dispositivo. Quella terra è progettata per la sicurezza, per far saltare il fusibile prima di essere fulminato, ma non per garantire zero volt. La resistenza del filo di terra e anche l'induttanza possono essere ancora significative. Ad esempio, ho spesso sperimentato tensioni "solleticanti" durante la manipolazione del cavo VGA sui monitor CRT da 17 pollici, anche su una presa con messa a terra, probabilmente a causa della perdita capacitiva dai 10.000 volt interni per il tubo. (17 pollici? Quei monitor erano così grandi, costosi e pesanti. Ora abbiamo a buon mercato leggero 23 pollici, 27 pollici, UHD, ....)