Por que uma fonte de alimentação com caixa isolante e separação galvânica precisaria de um cabo de alimentação aterrado?

Recentemente, testemunhei uma fonte de alimentação IBM laptor externa que parecia um bloco de energia de modo comutado usual (bastante pequeno e leve para mais de 50 watts) em caixa de plástico, mas tinha um cabo de três fios (fase + neutro + terra) entre em si e na rede.

Ver um cabo de três fios usado com uma fonte comutada de caixa de plástico é bastante incomum. Normalmente, a caixa é de metal e o cabo possui três fios, ou a caixa de plástico e o cabo possui dois fios.

Parece que as fontes de alimentação comutadas têm separação galvânica . Além disso, a unidade possuía caixa de plástico isolante, por isso é impossível que um fio da fase principal induza tensão na superfície externa da caixa, caso haja algum tipo de curto.

Qual o motivo de um cabo aterrado em uma fonte de alimentação comutada com uma caixa de plástico isolada?

Abaixo está um esquema típico de um filtro EMI da fonte de alimentação CA / CC.

Você pode ver que os capacitores X (entre linha e neutro) mais a indutância de vazamento do indutor de modo comum fornecem rejeição de ruído diferencial, e a indutância de estrangulamento CM combinada com os capacitores Y fornece rejeição de ruído de modo comum.

Eu também não ficaria surpreso se o retorno da saída estiver diretamente conectado à terra.

As fontes de alimentação de modo comutado usam o que é conhecido como "conversor flyback" para fornecer conversão de tensão e isolamento galvânico. Um componente central deste conversor é um transformador de alta frequência.

Os transformadores práticos têm alguma capacitância perdida entre os enrolamentos primário e secundário. Essa capacitância interage com a operação de comutação do conversor. Se não houver outra conexão entre entrada e saída, isso resultará em uma tensão de alta frequência entre a saída e a entrada.

Isso é muito ruim do ponto de vista da EMC. Os cabos do bloco de potência agora estão essencialmente atuando como uma antena transmitindo a alta frequência gerada pelo processo de comutação.

Para suprimir o modo comum de alta frequência, é necessário colocar capacitores entre o lado de entrada e saída da fonte de alimentação com uma capacitância substancialmente maior que a capacitância no transformador flyback. Isso reduz efetivamente a alta frequência e evita que ela escape do dispositivo.

Ao projetar um PSU classe 2 (desenterrado), não temos escolha a não ser conectar esses capacitores à entrada "ao vivo" e / ou "neutro". Como a maior parte do mundo não impõe polaridade em soquetes desenterrados, devemos assumir que um ou ambos os terminais "ativo" e "neutro" podem estar em uma tensão significativa em relação à terra e, geralmente, acabamos com um design simétrico. uma "opção menos ruim". É por isso que se você medir a saída de uma fonte de alimentação da classe 2 em relação à rede elétrica com um medidor de alta impedância, normalmente verá cerca de metade da tensão da rede elétrica.

Isso significa que, em um PSU de classe 2, temos uma difícil troca entre segurança e EMC. Aumentar os capacitores melhora a EMC, mas também resulta em uma "corrente de toque" mais alta (a corrente que flui através de alguém ou algo que toca na saída da PSU e da rede elétrica). Essa troca se torna mais problemática à medida que a PSU aumenta (e, portanto, a capacitância perdida no transformador aumenta).

Em uma PSU classe 1 (aterrada), podemos usar o terra principal como uma barreira entre a entrada e a saída, conectando a saída à terra principal (como é comum nas PSUs de mesa) ou usando dois capacitores, um da saída à terra principal e um da rede elétrica à entrada (é o que a maioria dos aparelhos de laptop faz). Isso evita o problema da corrente de toque e ainda fornece um caminho de alta frequência para controlar a EMC.

Então, por que as PSUs de laptop dos principais fornecedores reembolsáveis ​​são da classe 1 hoje em dia quando não eram? (e quando porcaria barata muitas vezes ainda não é) Eu não sei ao certo, mas espero que seja uma combinação de.

1. Mesmo correntes de toque abaixo dos limites legais podem ser problemáticas. Algumas pessoas são extraordinariamente sensíveis à eletricidade e podem sentir correntes abaixo do limite legal. Alguns componentes eletrônicos também podem ser danificados por correntes abaixo do limite da corrente de toque legal durante a conexão a quente.
2. Os regulamentos da EMC ficaram mais rígidos ao longo dos anos.

Sem um esquema, é difícil dizer. No entanto, o fio terra é provavelmente usado pelo filtro EMI. Provavelmente há um balun (afogador no modo comum) na entrada de energia antes de ir para o restante do circuito. Isso aumentará a impedância dos sinais do modo comum, mas isso por si só não os atenuará sem algum tipo de carga. Essa carga será um capacitor para aterrar em cada um dos dois cabos de força no lado externo do balun.

Você já teve um "aperto" ao tocar na saída de baixa tensão de um bloco de energia moderno?
Isso é irritante e potencialmente está destruindo equipamentos.
O motivo é que o sistema descrito na pergunta foi implementado, mas não usado corretamente,

O diagrama e o comentário de Madmanguram devem ser observados.

Madmanguram forneceu uma excelente ilustração.
Observe que o retorno do comentário e da saída também está sendo aterrado. Às vezes, isso é feito e, quando é, é um desastre total quando o fio terra não está aterrado, por exemplo, um cabo de 2 fios é usado.

Aterramento local = a torneira central do capacitor está agora na metade da rede em relação ao aterramento verdadeiro. ou seja, cerca de 115 V em um sistema de 230VAC. Todo o equipamento fornecido flutua a meia-rede acima do solo. As duas tampas são tipicamente 0,001 uF cada, de modo que a impedância é de 2 tampas em paralelo.
Z ~ = 2 / (2.Pi.fc) ou cerca de 5 megaohm, fornecendo correntes de fuga de cerca de 10 a 20 uA. Isso não soa muito, mas produz "mordidas" irritantes nos dedos, etc. ao tocar Vout enquanto o corpo está aterrado - devido ao nível de tensão - e carrega alegremente a capacitância perdida para ter energia suficiente para explodir as coisas - o que definitivamente acontece.

A solução é aterrar o fio terra .. MAS

O pior é quando os fabricantes conectam a torneira central à saída negativa e, em seguida, não levam em consideração o uso de um condutor de terra. Você obtém equipamentos flutuantes pela metade da rede e não há maneira fácil de consertá-lo. Um resultado desagradável que requer a execução ou o uso de uma conexão à terra fora do cabo de alimentação.

Sim, o adaptador de energia está totalmente isolado, mas o dispositivo alimentado por ele pode ter peças condutoras expostas, que podem carregar uma voltagem perigosa em caso de mau funcionamento. Ou pode carregar uma tensão baixa, mas irritante, devido às correntes normais de vazamento. O isolamento galvânico não pode evitar completamente as correntes de fuga capacitivas.

(Na verdade, pode, com uma tela aterrada entre os enrolamentos, por exemplo, para dispositivos cirúrgicos, mas obviamente isso precisa do fio terra.)

Não entendo por que outras respostas prestam tanta atenção ao funcionamento interno do adaptador de energia de modo comutado. Evidentemente, todo projeto apresenta isolamento galvânico. Antes, um transformador de dois enrolamentos de 50 Hz (EUA: 60 Hz). Atualmente, o transformador trabalha com uma frequência muito maior e, portanto, é menor e mais ligante, mas esse não é o ponto.

Observe que o fio terra é apenas uma coisa opcional. Só é bom se estiver usando uma tomada aterrada. Não faz nada em uma tomada não aterrada. As tomadas de parede não aterradas devem ser usadas apenas onde você não será morto instantaneamente ao tocar a tensão ativa, como uma sala de estar com piso de madeira em vez de piso de concreto. Hoje em dia, porém, estou vendo tomadas aterradas praticamente em todo lugar.

Observe também que o aterramento da tomada pode não eliminar completamente a pequena e irritante tensão no seu dispositivo. Esse aterramento é projetado para segurança, para queimar o fusível antes de você ser eletrocutado, mas não para garantir zero volt. A resistência do fio terra e também a indutância ainda podem ser significativas. Por exemplo, muitas vezes experimentei tensões de “cócegas” ao manusear o cabo VGA nos monitores CRT de 17 polegadas, mesmo em uma tomada aterrada, provavelmente devido ao vazamento capacitivo dos 10.000 volts internos para o tubo. (17 polegadas? Esses monitores eram tão grandes, caros e pesados. Agora temos 23 polegadas, 27 polegadas, UHD, ....) leves e baratos