¿Por qué una fuente de alimentación con carcasa aislante y separación galvánica necesita un cable de alimentación con conexión a tierra?

Recientemente, presencié una fuente de alimentación externa de IBM Laptor que parecía un bloque de alimentación de modo conmutado habitual (bastante pequeño y liviano para una potencia de más de 50 vatios) en una caja de plástico, pero tenía un cable de tres hilos (fase + neutro + tierra) entre en sí y los principales.

Ver un cable de tres hilos utilizado con una fuente de plástico de modo conmutado es bastante infrecuente. Por lo general, la caja es de metal y el cable tiene tres cables, o la caja es de plástico y el cable tiene dos cables.

Parece que las fuentes de alimentación conmutadas tienen separación galvánica . Además, la unidad tenía una caja de plástico aislante, por lo que es imposible que un cable de fase de la red induzca voltaje en la superficie externa de la caja si hubiera algún tipo de corto.

¿Cuál es la razón de un cable a tierra en una fuente de alimentación de modo conmutado con una caja de plástico aislada?

A continuación se muestra un esquema típico de un filtro EMI de fuente de alimentación CA / CC.

Puede ver que los condensadores X (entre línea y neutro) más la inductancia de fuga del inductor de modo común dan el rechazo de ruido diferencial, y la inductancia de choque CM combinada con los condensadores Y dan el rechazo de ruido de modo común.

Tampoco me sorprendería si el retorno de salida está directamente conectado a tierra.

Las fuentes de alimentación de modo conmutado utilizan lo que se conoce como "convertidor de retorno" para proporcionar conversión de voltaje y aislamiento galvánico. Un componente central de este convertidor es un transformador de alta frecuencia.

Los transformadores prácticos tienen cierta capacitancia parásita entre los devanados primario y secundario. Esta capacitancia interactúa con la operación de conmutación del convertidor. Si no hay otra conexión entre la entrada y la salida, esto dará como resultado un voltaje de alta frecuencia entre la salida y la entrada.

Esto es realmente malo desde una perspectiva EMC. Los cables del bloque de alimentación ahora actúan esencialmente como una antena que transmite la alta frecuencia generada por el proceso de conmutación.

Suprimir el modo común de alta frecuencia es necesario colocar condensadores entre el lado de entrada y salida de la fuente de alimentación con una capacidad sustancialmente mayor que la capacidad en el transformador de retorno. Esto acorta efectivamente la alta frecuencia y evita que se escape del dispositivo.

Al diseñar una fuente de alimentación de clase 2 (desenterrada) no tenemos más remedio que conectar estos condensadores a la entrada "en vivo" y / o "neutral". Dado que la mayor parte del mundo no impone polaridad en los enchufes desenterrados, debemos suponer que cualquiera de los terminales "vivo" y "neutro" pueden tener un voltaje siniestro en relación con la tierra y generalmente terminamos con un diseño simétrico como una "opción menos mala". Es por eso que si mide la salida de una fuente de alimentación de clase 2 en relación con la tierra de la red con un medidor de alta impedancia, generalmente verá alrededor de la mitad del voltaje de la red.

Eso significa que en una fuente de alimentación de clase 2 tenemos un compromiso difícil entre seguridad y EMC. Hacer que los condensadores sean más grandes mejora la EMC, pero también genera una mayor "corriente táctil" (la corriente que fluirá a través de alguien o algo que toque la salida de la fuente de alimentación y la tierra de la red eléctrica). Esta compensación se vuelve más problemática a medida que la fuente de alimentación aumenta (y, por lo tanto, la capacitancia parásita en el transformador aumenta).

En una fuente de alimentación de clase 1 (puesta a tierra) podemos usar la tierra de la red como una barrera entre la entrada y la salida, ya sea conectando la salida a la tierra de la red (como es común en las PSU de escritorio) o usando dos condensadores, uno desde la salida a la tierra de la red y uno desde la tierra de la red hasta la entrada (esto es lo que hacen la mayoría de los ladrillos de alimentación de los portátiles). Esto evita el problema de la corriente táctil mientras proporciona una ruta de alta frecuencia para controlar la EMC.

Entonces, ¿por qué las fuentes de alimentación para computadoras portátiles de los principales proveedores de productos de alta reputación son de clase 1 hoy en día cuando antes no lo eran? (y cuando la basura barata a menudo todavía no lo es) No estoy seguro pero espero que sea una combinación de.

1. Incluso las corrientes táctiles por debajo de los límites legales pueden ser problemáticas. Algunas personas son inusualmente sensibles a la electricidad y pueden sentir corrientes por debajo del límite legal. Algunos componentes electrónicos también pueden dañarse por corrientes por debajo del límite de corriente de contacto legal durante la conexión en caliente.
2. Las regulaciones de EMC se han endurecido con los años.

Sin un esquema es difícil saberlo. Sin embargo, es muy probable que el filtro EMI utilice el cable a tierra. Lo más probable es que haya un balun (estrangulador de modo común) en la entrada de alimentación antes de que vaya al resto del circuito. Esto aumentará la impedancia de las señales de modo común, pero eso por sí solo no las atenuará sin algún tipo de carga. Esa carga será un condensador para conectar a tierra en cada uno de los dos cables de alimentación en el lado externo del balun.

¿Alguna vez ha tenido un "pellizco" al tocar la salida de bajo voltaje de una fuente de alimentación moderna?
Esto es molesto y potencialmente destruye el equipo.
La razón es que el sistema descrito en la pregunta se ha implementado pero no se ha utilizado correctamente,

El diagrama y comentario de Madmanguram deben ser anotados.

Madmanguram ha proporcionado una excelente ilustración.
Tenga en cuenta que el comentario sobre la salida de retorno también está conectado a tierra. Esto A veces se hace y, cuando lo es, es un desastre total cuando el cable de tierra no está conectado a tierra, por ejemplo, se utiliza un cable de 2 hilos.

Tierra local = la derivación central del capacitor está ahora en la mitad de la red eléctrica, tierra verdadera. es decir, aproximadamente 115 V en un sistema de 230 VCA. Todo el equipo suministrado flota a media red por encima del suelo. Las dos tapas son típicamente 0.001 uF cada una, por lo que la impedancia es de 2 tapas en paralelo.
Z ~ = 2 / (2.Pi.fc) o aproximadamente 5 megaohmios que dan corrientes de fuga de aproximadamente 10 a 20 uA. Esto no parece mucho, pero produce molestos "mordiscos" en los dedos, etc. al tocar Vout mientras el cuerpo está conectado a tierra, debido al nivel de voltaje, y felizmente carga capacitancia parásita para tener suficiente energía para hacer estallar las cosas, lo que definitivamente sucede.

La solución es conectar a tierra el cable de conexión a tierra. PERO

Lo peor es cuando los fabricantes conectan la derivación central a la salida negativa y luego no tienen en cuenta el uso de un conductor de tierra. Obtiene medio equipo flotante de red y no hay una manera fácil de arreglarlo. Un resultado desagradable que necesita ejecutarse o usar una conexión a tierra fuera del cable de alimentación.

Sí, el adaptador de corriente está completamente aislado, pero el dispositivo que funciona con él puede tener partes conductoras expuestas, que pueden llevar un voltaje peligroso en caso de mal funcionamiento. O bien, puede llevar un voltaje bajo pero molesto debido a las corrientes de fuga normales. El aislamiento galvánico no puede evitar por completo las corrientes de fuga capacitivas.

(En realidad puede hacerlo, con una pantalla conectada a tierra entre los devanados, por ejemplo, para dispositivos quirúrgicos, pero obviamente esto necesita el cable a tierra).

No entiendo por qué otras respuestas prestan tanta atención al funcionamiento interno del adaptador de corriente de modo conmutado. Evidentemente, cada diseño presenta aislamiento galvánico. Antes, un transformador de dos bobinas de 50 Hz (EE. UU .: 60 Hz). Hoy en día, el transformador funciona a una frecuencia mucho más alta y, en consecuencia, es más pequeño y ligero, pero ese no es el punto.

Tenga en cuenta que la conexión a tierra es solo una cosa opcional. Solo sirve de algo si se usa una toma de corriente con conexión a tierra. No hace nada en una toma de corriente sin conexión a tierra. Las tomas de pared sin conexión a tierra solo se deben usar donde no te maten instantáneamente cuando toques voltaje vivo, como una sala de estar con piso de madera en lugar de piso de concreto. Pero hoy en día estoy viendo salidas a tierra prácticamente en todas partes.

Tenga en cuenta también que la toma de tierra puede no eliminar por completo el molesto voltaje pequeño de su dispositivo. Esa tierra está diseñada para la seguridad, para quemar el fusible antes de electrocutarse, pero no para garantizar cero voltios. La resistencia del cable a tierra, y también la inductancia, aún pueden ser significativas. Por ejemplo, a menudo experimenté voltajes de 'cosquilleo' al manipular el cable VGA en los monitores CRT de 17 pulgadas, incluso en un tomacorriente con conexión a tierra, probablemente debido a la fuga capacitiva de los 10.000 voltios internos para el tubo. (¿17 pulgadas? Esos monitores eran muy grandes, caros y pesados. Ahora tenemos 23 pulgadas, 27 pulgadas, UHD, ...