Зачем блоку питания с изолирующим корпусом и гальванической развязкой нужен заземленный шнур питания?

Недавно я был свидетелем внешнего блока питания IBM Laptor, который выглядел как обычный коммутируемый блок питания (довольно маленький и легкий для него мощностью более 50 Вт) в пластиковом корпусе, но имел трехжильный кабель (фаза + нейтраль + земля) между себя и сеть.

Видеть, что трехпроводный кабель используется в пластиковом корпусе с переключением режимов, довольно редко. Обычно корпус либо металлический, а кабель трехжильный, либо корпус пластиковый, а кабель двухжильный.

Похоже, что импульсные источники питания имеют гальваническую развязку . Также у устройства был изолирующий пластиковый корпус, поэтому невозможно, чтобы сетевой фазный провод индуцировал напряжение на внешнюю поверхность корпуса в случае короткого замыкания.

В чем причина заземленного кабеля в импульсном источнике питания в изолированном пластиковом корпусе?

Ниже приведена типовая схема фильтра электромагнитных помех источника питания переменного / постоянного тока.

Вы можете видеть, что X-конденсаторы (между линией и нейтралью) плюс индуктивность рассеяния синфазного индуктора дают подавление дифференциального шума, а индуктивность дросселя CM в сочетании с Y-конденсаторами дает подавление синфазного шума.

Я также не удивлюсь, если выходной сигнал напрямую связан с землей.

Импульсные источники питания используют так называемый «обратный преобразователь» для обеспечения преобразования напряжения и гальванической развязки. Основным компонентом этого преобразователя является высокочастотный трансформатор.

Практические трансформаторы имеют некоторую паразитную емкость между первичной и вторичной обмотками. Эта емкость взаимодействует с операцией переключения преобразователя. Если между входом и выходом нет другого соединения, это приведет к высокочастотному напряжению между выходом и входом.

Это действительно плохо с точки зрения EMC. Кабели от силового блока теперь по существу действуют как антенна, передающая высокую частоту, генерируемую процессом переключения.

Для подавления высокочастотного синфазного режима необходимо размещать конденсаторы между входной и выходной стороной источника питания с емкостью, существенно превышающей емкость в обратном трансформаторе. Это эффективно отключает высокую частоту и предотвращает ее выход из устройства.

При разработке блока питания класса 2 (без заземления) у нас нет другого выбора, кроме как подключить эти конденсаторы к входу «под напряжением» и / или «нейтрали». Поскольку большая часть мира не устанавливает полярность в незаземленных розетках, мы должны предположить, что один или оба из «живых» и «нейтральных» выводов могут находиться под значительным напряжением относительно земли, и мы обычно получаем симметричный дизайн как «наименее плохой вариант». Вот почему, если вы измеряете выходную мощность блока питания класса 2 относительно заземления с помощью измерителя с высоким импедансом, вы обычно видите примерно половину напряжения сети.

Это означает, что для блока питания класса 2 у нас сложный компромисс между безопасностью и ЭМС. Увеличение емкости конденсаторов улучшает ЭМС, но также приводит к более высокому «току прикосновения» (току, который будет протекать через кого-то или что-то, что касается выхода блока питания и заземления). Этот компромисс становится более проблематичным, так как блок питания становится больше (и, следовательно, паразитная емкость в трансформаторе увеличивается).

На блоках питания класса 1 (заземленных) мы можем использовать заземление в качестве барьера между входом и выходом, либо подключив выход к заземлению (как это принято в настольных блоках питания), либо используя два конденсатора, один от выхода к заземлению. и один от сети заземления на вход (это то, что делают большинство блоков питания ноутбука). Это позволяет избежать проблемы тока прикосновения, в то же время обеспечивая высокочастотный тракт для управления ЭМС.

Так почему же ноутбуки от ведущих производителей с хорошей репутацией класса 1 в наше время, когда они раньше не были? (и когда дешевое дерьмо часто все еще не) Я не знаю наверняка, но я ожидаю, что это комбинация.

1. Даже токи прикосновения ниже допустимых пределов могут быть проблематичными. Некоторые люди необычайно чувствительны к электричеству и могут чувствовать токи ниже допустимого предела. Некоторые электронные компоненты также могут быть повреждены при токе ниже допустимого предела тока прикосновения во время горячего подключения.
2. Правила EMC с годами ужесточаются.

Без схемы трудно сказать. Однако заземляющий вывод, скорее всего, используется фильтром электромагнитных помех. Скорее всего, на входе питания есть симметрирующая дроссель (синфазный дроссель) до того, как он перейдет к остальной цепи. Это повысит сопротивление синфазных сигналов, но само по себе не ослабит их без какой-либо нагрузки. Эта нагрузка будет заземлять конденсатор на каждом из двух силовых проводов на внешней стороне симметрирующего устройства.

Вы когда-нибудь испытывали «прикус», когда касались выхода низкого напряжения современного блока питания?
Это раздражает и может разрушить оборудование.
Причина в том, что система, описанная в вопросе, была реализована, но не используется должным образом,

Схема и комментарий Madmanguram должны быть отмечены.

Madmanguram предоставил отличную иллюстрацию.
Обратите внимание, что возвращение вывода комментариев также является обоснованным. Это иногда делается и, когда это так, является полной катастрофой, когда заземляющий провод не заземлен, например, используется 2-проводной шнур.

Локальное заземление = центральный отвод конденсатора теперь находится на половине питающей сети относительно истинного заземления. т.е. около 115 В в системе 230 В переменного тока. Все поставляемое оборудование плавает на половине сети над землей. Две заглушки обычно имеют 0,001 мкФ каждая, поэтому полное сопротивление равно двум заглушкам параллельно.
Z ~ = 2 / (2.Pi.fc) или около 5 МОм, что дает токи утечки от 10 до 20 мкА. Это звучит не так много, но вызывает раздражающие «укусы» на пальцах и т. Д. При касании Vout, когда тело заземлено - из-за уровня напряжения - и счастливо заряжает паразитную емкость, чтобы иметь достаточно энергии, чтобы взорвать вещи - что, безусловно, происходит.

Решение заключается в заземлении заземляющего провода. НО

Хуже всего, когда производители подключают центральный отвод к отрицательному выходу, а затем не учитывают использование заземляющего провода. Вы получаете оборудование с половиной питающей сети, и нет простого способа его починить. Неприятный результат, который требует запуска или использования заземления вне шнура питания.

Да, адаптер питания полностью изолирован, но устройство, питаемое от него, может иметь открытые проводящие части, которые могут нести опасное напряжение в случае неисправности. Или может нести низкое, но раздражающее напряжение из-за нормальных токов утечки. Гальваническая развязка не может полностью избежать емкостных токов утечки.

(На самом деле это может быть с заземленным экраном между обмотками, например, для хирургических устройств, но, очевидно, для этого нужен заземляющий провод.)

Я не понимаю, почему в других ответах так много внимания уделяется внутренней работе адаптера питания с переключением режимов. Очевидно, что каждый дизайн имеет гальваническую развязку. До этого был двухобмоточный трансформатор 50 Гц (США: 60 Гц). В настоящее время трансформатор работает на гораздо более высокой частоте и, соответственно, меньше и светлее, но это не главное.

Обратите внимание, что заземление - это необязательная вещь. Это полезно только при использовании заземленной розетки. Он ничего не делает на незаземленной розетке. Незаземленные розетки следует использовать только там, где вы не будете убиты при прикосновении к напряжению под напряжением, например, в гостиной с деревянным полом вместо бетонного пола. Но сейчас я вижу заземленные розетки практически везде.

Также обратите внимание, что заземление розетки может не полностью устранить раздражающее небольшое напряжение на вашем устройстве. Это заземление предназначено для обеспечения безопасности, чтобы перегореть предохранитель перед тем, как вы получите электрический ток, но не для обеспечения нулевого напряжения. Сопротивление заземляющего провода, а также индуктивность могут быть значительными. Например, я часто испытывал «щекочущие» напряжения при работе с VGA-кабелем на 17-дюймовых ЭЛТ-мониторах, даже на заземленной розетке, вероятно, из-за емкостной утечки из внутреннего 10.000 вольт для трубки. (17 дюймов - эти мониторы были такими большими, дорогими и тяжелыми. Теперь у нас есть дешевые легкие 23 дюйма, 27 дюймов, UHD, ....)