Warum benötigt ein Netzteil mit Isoliergehäuse und galvanischer Trennung ein geerdetes Netzkabel?

Kürzlich habe ich ein externes IBM-Laptornetzteil gesehen, das aussah wie ein gewöhnlicher Schaltnetzteil (eher klein und leicht für eine Leistung von mehr als 50 Watt) in einem Kunststoffgehäuse, aber mit einem dreiadrigen Kabel (Phase + Neutral + Masse) dazwischen selbst und das Netz.

Es ist eher ungewöhnlich, ein dreiadriges Kabel in Verbindung mit einem Schaltnetzteil aus Kunststoff zu sehen. Normalerweise ist entweder das Gehäuse aus Metall und das Kabel besteht aus drei Drähten oder das Gehäuse aus Kunststoff und das Kabel besteht aus zwei Drähten.

Schaltnetzteile scheinen galvanisch getrennt zu sein . Das Gerät hatte auch ein isolierendes Kunststoffgehäuse, so dass es unmöglich ist, dass ein Netzphasendraht Spannung an die äußere Oberfläche des Gehäuses induziert, sollte es einen Kurzschluss geben.

Was ist der Grund für ein geerdetes Kabel in einem Schaltnetzteil mit einem isolierten Kunststoffgehäuse?

Unten sehen Sie ein typisches Schema eines EMI-Filters für die AC / DC-Stromversorgung.

Sie können sehen, dass die X-Kondensatoren (zwischen Leitung und Neutralleiter) plus die Streuinduktivität der Gleichtaktinduktivität die Differenzrauschunterdrückung und die CM-Drosselinduktivität in Kombination mit den Y-Kondensatoren die Gleichtaktrauschunterdrückung ergeben.

Es würde mich auch nicht wundern, wenn die Ausgangsrückleitung direkt mit Masse verbunden ist.

Schaltnetzteile verwenden einen sogenannten "Sperrwandler" zur Spannungsumwandlung und galvanischen Trennung. Eine Kernkomponente dieses Wandlers ist ein Hochfrequenztransformator.

Praktische Transformatoren haben eine gewisse Streukapazität zwischen Primär- und Sekundärwicklung. Diese Kapazität wirkt sich auf den Schaltvorgang des Wandlers aus. Wenn keine andere Verbindung zwischen Eingang und Ausgang besteht, entsteht eine hochfrequente Spannung zwischen Ausgang und Eingang.

Dies ist aus EMV-Sicht wirklich schlecht. Die Kabel des Power Bricks fungieren nun im Wesentlichen als Antenne, die die durch den Schaltvorgang erzeugte Hochfrequenz überträgt.

Um den Hochfrequenz-Gleichtakt zu unterdrücken, ist es notwendig, Kondensatoren zwischen die Eingangs- und Ausgangsseite der Stromversorgung zu legen, deren Kapazität wesentlich höher ist als die Kapazität im Rücklauftransformator. Dies schließt die Hochfrequenz effektiv kurz und verhindert, dass sie aus dem Gerät austritt.

Wenn wir ein (nicht geerdetes) Netzteil der Klasse 2 entwerfen, haben wir keine andere Wahl, als diese Kondensatoren an den Eingang "Live" und / oder "Neutral" anzuschließen. Da der größte Teil der Welt ungeerdeten Steckdosen keine Polarität aufzwingt, müssen wir davon ausgehen, dass einer oder beide der "aktiven" und "neutralen" Anschlüsse eine gegen Erde sinifikante Spannung haben können, und wir haben normalerweise ein symmetrisches Design wie eine "am wenigsten schlechte Option". Wenn Sie daher die Leistung eines Netzteils der Klasse 2 relativ zur Netzerde mit einem hochohmigen Messgerät messen, sehen Sie normalerweise etwa die Hälfte der Netzspannung.

Das bedeutet, dass wir bei einem Netzteil der Klasse 2 einen schwierigen Kompromiss zwischen Sicherheit und EMV eingehen müssen. Das Vergrößern der Kondensatoren verbessert die EMV, führt aber auch zu einem höheren "Berührungsstrom" (dem Strom, der durch jemanden oder etwas fließt, der den Ausgang des Netzteils und die Netzerde berührt). Dieser Kompromiss wird problematischer, wenn das Netzteil größer wird (und daher die Streukapazität im Transformator größer wird).

Bei einem (geerdeten) Netzteil der Klasse 1 können wir die Netzerde als Barriere zwischen Eingang und Ausgang verwenden, indem wir entweder den Ausgang mit der Netzerde verbinden (wie es bei Tischnetzteilen üblich ist) oder indem wir zwei Kondensatoren verwenden, einen vom Ausgang zur Netzerde und eine von der Netzerde zum Eingang (dies ist, was die meisten Laptop-Power-Bricks tun). Dies vermeidet das Berührungsstromproblem, während weiterhin ein Hochfrequenzpfad zur Steuerung der EMV bereitgestellt wird.

Warum sind Laptop-Netzteile heutzutage von den bekanntesten Anbietern der Klasse 1, als sie es noch nicht waren? Ich weiß es nicht genau, aber ich gehe davon aus, dass es eine Kombination von ist.

1. Selbst Berührungsströme unterhalb der gesetzlichen Grenzwerte können problematisch sein. Manche Menschen reagieren ungewöhnlich empfindlich auf Elektrizität und spüren Strömungen unterhalb der gesetzlichen Grenze. Einige Elektronikgeräte können auch durch Ströme unterhalb der zulässigen Berührungsstromgrenze während des Hotplugs beschädigt werden.
2. Die EMV-Vorschriften wurden im Laufe der Jahre immer strenger.

Ohne Schaltplan ist es schwer zu sagen. Das Erdungskabel wird jedoch höchstwahrscheinlich vom EMI-Filter verwendet. Am wahrscheinlichsten ist ein Balun (Gleichtaktdrossel) am Leistungseingang vorhanden, bevor er an den Rest des Stromkreises weitergeleitet wird. Dadurch wird die Impedanz von Gleichtaktsignalen erhöht, diese werden jedoch ohne irgendeine Last nicht gedämpft. Diese Last ist ein Kondensator, der an jedem der beiden Stromkabel an der Außenseite des Baluns an Masse liegt.

Hatten Sie jemals einen "Kniff", als Sie den Niederspannungsausgang eines modernen Netzteils berührten?
Dies ist ärgerlich und kann Geräte zerstören.
Der Grund dafür ist, dass das in der Frage beschriebene System implementiert, aber nicht ordnungsgemäß verwendet wurde.

Madmangurams Diagramm und Kommentar sollten beachtet werden.

Madmanguram hat eine hervorragende Illustration geliefert.
Beachten Sie, dass der Kommentar zur Ausgangsrückgabe ebenfalls geerdet ist. Dies wird manchmal gemacht und ist eine völlige Katastrophe, wenn die Erdungsleitung nicht geerdet ist, z. B. wenn ein zweiadriges Kabel verwendet wird.

Lokale Masse = Kondensator-Mittelanzapfung befindet sich jetzt auf der Hälfte der Netzspannung, bezogen auf die tatsächliche Masse. dh ungefähr 115 V an einem 230VAC-System. Das gesamte gelieferte Gerät schwimmt mit halber Netzspannung über der Erde. Die zwei Kappen sind typischerweise jeweils 0,001 uF, so dass die Impedanz ab 2 Kappen parallel ist.
Z ~ = 2 / (2.Pi.fc) oder ungefähr 5 Megaohm, was Leckströme von ungefähr 10 bis 20 uA ergibt. Dies hört sich nicht nach viel an, erzeugt aber störende "Bisse" an den Fingern usw. beim Berühren von Vout, während der Körper - aufgrund des Spannungspegels - geerdet ist, und lädt glücklich die Streukapazität auf, um genug Energie zu haben, um Dinge in die Luft zu jagen - was definitiv passiert.

Die Lösung besteht darin, die Erdungsleitung zu erden. ABER

Das Schlimmste ist, wenn die Hersteller den Mittenabgriff mit dem negativen Ausgang verbinden und dann die Verwendung eines Erdungsleiters nicht berücksichtigen. Sie erhalten ein Gerät mit halber Netzspannung und es ist nicht einfach, es zu reparieren. Ein unangenehmes Ergebnis, das ausgeführt werden muss oder eine Erdungsverbindung außerhalb des Netzkabels benötigt.

Ja, der Netzadapter ist vollständig isoliert, aber das Gerät, das von ihm mit Strom versorgt wird, enthält möglicherweise freiliegende leitende Teile, die im Falle einer Fehlfunktion eine gefährliche Spannung führen können. Oder kann aufgrund normaler Leckströme eine niedrige, aber störende Spannung führen. Durch die galvanische Trennung können kapazitive Ableitströme nicht vollständig vermieden werden.

(Eigentlich kann es mit einer geerdeten Abschirmung zwischen den Wicklungen, zB für chirurgische Geräte, aber dies benötigt natürlich das Erdungskabel.)

Ich verstehe nicht, warum andere Antworten dem Innenleben des Schaltnetzteils so viel Aufmerksamkeit schenken. Selbstverständlich ist jedes Design galvanisch getrennt. Vorher ein 50 Hz (US: 60 Hz) Zweiwicklungstransformator. Heutzutage arbeitet der Transformator mit einer viel höheren Frequenz und ist dementsprechend kleiner und leichter, aber das ist nicht der Punkt.

Beachten Sie, dass die Erdungsleitung nur eine optionale Sache ist. Dies nützt nur, wenn eine geerdete Steckdose verwendet wird. Bei einer nicht geerdeten Steckdose geschieht nichts. Nicht geerdete Steckdosen sollten nur dort verwendet werden, wo Sie beim Berühren von Spannung unter Spannung nicht sofort getötet werden, z. B. in einem Wohnzimmer mit Holzboden anstelle eines Betonbodens. Aber heutzutage sehe ich praktisch überall geerdete Steckdosen.

Beachten Sie auch, dass die Steckdosenerde die störende Kleinspannung an Ihrem Gerät möglicherweise nicht vollständig beseitigt. Diese Erdung dient der Sicherheit, um die Sicherung durchzubrennen, bevor Sie einen Stromschlag erleiden, aber nicht, um eine Spannung von null Volt zu gewährleisten. Der Erdungsleitungswiderstand und auch die Induktivität können immer noch signifikant sein. Zum Beispiel habe ich beim Umgang mit dem VGA-Kabel auf den 17-Zoll-CRT-Monitoren oft Spannungskitzeln festgestellt, auch an einer geerdeten Steckdose, wahrscheinlich aufgrund des kapazitiven Lecks der internen 10.000 Volt für die Röhre. (17 Zoll? Diese Monitore waren so groß, teuer und schwer. Jetzt haben wir günstige leichte 23 Zoll, 27 Zoll, UHD, ...)