ทำไมหน่วยจ่ายไฟที่มีกล่องหุ้มฉนวนและการแยกกัลวานิกจะต้องใช้สายไฟที่มีสายกราวด์?

เมื่อเร็ว ๆ นี้ฉันได้เห็นแหล่งจ่ายไฟภายนอกของ IBM laptor ที่ดูเหมือนอิฐพลังงานแบบสวิตช์โหมดปกติ (ค่อนข้างเล็กและเบาสำหรับกำลังไฟมากกว่า 50 วัตต์) ในกล่องพลาสติก แต่มีสายสามสาย (เฟส + เป็นกลาง + พื้น) ระหว่าง ตัวเองและไฟ

การเห็นสายเคเบิลสามสายที่ใช้กับแหล่งจ่ายไฟสลับโหมดพลาสติกเป็นเรื่องแปลก โดยปกติแล้วตัวเรือนเป็นโลหะและสายเคเบิลมีสามสายหรือกรณีที่เป็นพลาสติกและสายเคเบิลมีสองสาย

ดูเหมือนว่าอุปกรณ์จ่ายไฟในโหมดสวิตช์จะมีการแยกกัลวานิก หน่วยยังมีฉนวนพลาสติกกรณีดังนั้นจึงเป็นไปไม่ได้ที่สายไฟเมนจะทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าบนพื้นผิวด้านนอกของเคสหากมีชนิดสั้น ๆ

อะไรคือเหตุผลของสายเคเบิลที่มีสายกราวด์ในแหล่งจ่ายไฟของโหมดสวิตช์พร้อมเคสพลาสติกหุ้มฉนวน?

ด้านล่างเป็นแผนผังทั่วไปของตัวกรอง EMI ของแหล่งจ่ายไฟ AC / DC

คุณจะเห็นได้ว่าตัวเก็บประจุ X (ระหว่างเส้นและเป็นกลาง) บวกกับตัวเหนี่ยวนำการรั่วไหลของตัวเหนี่ยวนำโหมดร่วมให้การปฏิเสธความแตกต่างของเสียงรบกวนและการเหนี่ยวนำ CM โช้ครวมกับตัวเก็บประจุ Y ให้การปฏิเสธเสียงทั่วไปในโหมด

ฉันจะไม่แปลกใจถ้าผลตอบแทนที่ส่งออกเชื่อมต่อโดยตรงกับโลก

แหล่งจ่ายไฟโหมดสวิตช์ใช้สิ่งที่เรียกว่า "ตัวแปลง flyback" เพื่อให้การแปลงแรงดันไฟฟ้าและการแยกแบบไฟฟ้า ส่วนประกอบหลักของตัวแปลงนี้คือหม้อแปลงความถี่สูง

หม้อแปลงที่ใช้งานจริงมีความจุจรจัดระหว่างขดลวดปฐมภูมิและทุติยภูมิ ความจุนี้โต้ตอบกับการสลับการทำงานของตัวแปลง หากไม่มีการเชื่อมต่ออื่น ๆ ระหว่างอินพุตและเอาต์พุตสิ่งนี้จะส่งผลให้เกิดแรงดันไฟฟ้าความถี่สูงระหว่างเอาต์พุตและอินพุต

สิ่งนี้แย่มากจากมุมมองของ EMC สายเคเบิลจากอิฐกำลังตอนนี้ทำหน้าที่เป็นเสาอากาศส่งความถี่สูงที่สร้างขึ้นโดยกระบวนการสลับ

ในการระงับโหมดทั่วไปที่มีความถี่สูงคือ nessacery เพื่อใส่ตัวเก็บประจุระหว่างอินพุตและเอาต์พุตของแหล่งจ่ายไฟที่มีค่าความจุสูงกว่าความจุในหม้อแปลงฟลายแบ็กอย่างมาก สิ่งนี้จะย่อความถี่สูงอย่างมีประสิทธิภาพและป้องกันไม่ให้มันหลุดออกจากอุปกรณ์

เมื่อทำการออกแบบคลาส 2 (ค้นพบ) PSU เราไม่มีทางเลือกนอกจากเชื่อมต่อตัวเก็บประจุเหล่านี้เข้ากับอินพุต "สด" และ / หรือ "เป็นกลาง" เนื่องจากส่วนใหญ่ของโลกไม่ได้บังคับใช้ขั้วบนซ็อกเก็ตที่ขุดขึ้นมาเราจึงต้องสันนิษฐานว่าขั้วต่อทั้ง "สด" และ "เป็นกลาง" อย่างใดอย่างหนึ่งหรือทั้งสองอาจอยู่ในระดับแรงดันไฟฟ้าที่มีนัยสำคัญเมื่อเทียบกับโลก เป็น "ตัวเลือกที่แย่ที่สุด" นั่นคือเหตุผลที่ถ้าคุณวัดเอาท์พุทของคลาส 2 PSU ที่สัมพันธ์กับสายดินด้วยเครื่องวัดความต้านทานสูงคุณมักจะเห็นประมาณครึ่งหนึ่งของแรงดันไฟ

นั่นหมายถึงคลาส 2 PSU เรามีความยากลำบากระหว่างความปลอดภัยและ EMC การทำให้ตัวเก็บประจุมีขนาดใหญ่ขึ้นปรับปรุง EMC แต่ยังส่งผลให้ "กระแสสัมผัส" สูงขึ้น (กระแสที่ไหลผ่านใครบางคนหรือบางสิ่งที่สัมผัสเอาท์พุทของ PSU และสายดินหลัก) การแลกเปลี่ยนนี้กลายเป็นปัญหามากขึ้นเนื่องจาก PSU มีขนาดใหญ่ขึ้น (และความจุจรจัดในหม้อแปลงจึงใหญ่ขึ้น)

ในคลาส 1 (ต่อสายดิน) PSU เราสามารถใช้ mains earth เป็นกำแพงกั้นระหว่างอินพุตและเอาต์พุตโดยเชื่อมต่อเอาต์พุตกับ mains earth (ตามปกติในเดสก์ท็อป PSUs) หรือโดยใช้ capacitors สองตัวหนึ่งจากเอาท์พุทไปยัง mains earth และหนึ่งจากแหล่งจ่ายไฟหลักไปยังอินพุต (นี่คือสิ่งที่ก้อนอิฐแล็ปท็อปส่วนใหญ่ทำ) สิ่งนี้จะช่วยหลีกเลี่ยงปัญหาการสัมผัสในขณะที่ยังคงมีเส้นทางความถี่สูงเพื่อควบคุม EMC

เหตุใดจึงมี PSU ของแล็ปท็อปจากผู้ขายชั้นนำที่มีชื่อเสียงระดับ 1 ทุกวันนี้เมื่อพวกเขาไม่เคยเป็น (และเมื่ออึถูกมักจะยังไม่) ฉันไม่รู้แน่นอน แต่ฉันคาดหวังว่ามันเป็นการรวมกันของ

1. แม้แต่การสัมผัสกระแสต่ำกว่าขีด จำกัด ทางกฎหมายก็อาจเป็นปัญหาได้ บางคนไวต่อกระแสไฟฟ้าผิดปกติและอาจรู้สึกถึงกระแสต่ำกว่าที่กฎหมายกำหนด อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์บางตัวอาจได้รับความเสียหายจากกระแสต่ำกว่าขีด จำกัด กระแสสัมผัสทางกฎหมายในระหว่างการเสียบปลั๊ก
2. กฎระเบียบของ EMC เข้มงวดขึ้นในช่วงหลายปีที่ผ่านมา

หากไม่มีแผนผังมันก็ยากที่จะบอก อย่างไรก็ตามตะกั่วดินมักถูกใช้โดยตัวกรอง EMI เป็นไปได้มากว่าจะมี balun (โช้คโหมดทั่วไป) ที่อินพุตกำลังไฟก่อนที่จะไปยังส่วนที่เหลือของวงจร สิ่งนี้จะเพิ่มความต้านทานของสัญญาณโหมดทั่วไป แต่โดยตัวมันเองจะไม่ลดทอนสัญญาณเหล่านั้นหากไม่มีการโหลดบางอย่าง การโหลดนั้นจะเป็นตัวเก็บประจุเพื่อกราวด์ทั้งสองกำลังนำไปสู่ด้านนอกของ balun

คุณเคยมี "nip" เมื่อสัมผัสกับแรงดันไฟฟ้าต่ำของชุดพลังงานที่ทันสมัยหรือไม่?
สิ่งนี้น่ารำคาญและอาจทำลายอุปกรณ์ได้
เหตุผลก็คือระบบที่อธิบายในคำถามได้ถูกนำไปใช้ แต่ไม่ได้ใช้อย่างเหมาะสม

ควรสังเกตแผนภาพและความคิดเห็นของ Madmanguram

Madmanguram เป็นตัวอย่างที่ยอดเยี่ยม
โปรดทราบว่าการส่งคืนการแสดงความคิดเห็นอีกครั้งนั้นยังมีการต่อสายดิน บางครั้งจะทำเช่นนี้และเมื่อเป็นก็จะเกิดความหายนะที่สุดเมื่อสายดินไม่ได้ต่อสายดินเช่นใช้สายไฟ 2 เส้น

Local ground = การแตะที่ตัวเก็บประจุตรงกลางขณะนี้อยู่ที่ค่าไฟหลักครึ่งดินจริง เช่นประมาณ 115 V บนระบบ 230VAC อุปกรณ์ที่ให้มาทั้งหมดลอยครึ่งไฟหลักเหนือพื้นดิน โดยทั่วไปแล้วแคปทั้งสองจะมีค่า 0.001 ยูเอฟแต่ละค่าความต้านทานจึงเท่ากับ 2 แคปขนานกัน
Z ~ = 2 / (2.Pi.fc) หรือประมาณ 5 megohm ให้กระแสรั่วประมาณ 10 ถึง 20 uA สิ่งนี้ไม่ได้ฟังดูเหมือนมาก แต่สร้าง "กัด" ที่น่ารำคาญบนนิ้วมือ ฯลฯ เมื่อสัมผัส Vout ขณะที่ร่างกายถูกต่อสายดิน - เนื่องจากระดับแรงดันไฟฟ้า - และชาร์จประจุความจุจรจัดอย่างมีความสุขเพื่อให้มีพลังงานเพียงพอที่จะระเบิดสิ่งต่างๆ

การแก้ปัญหาคือการกราวด์นำพื้นดิน .. แต่

ที่แย่ที่สุดคือเมื่อผู้ผลิตเชื่อมต่อก๊อกน้ำตรงกลางเพื่อเอาท์พุทเป็นลบจากนั้นจึงไม่ตั้งค่าเผื่อการใช้ตัวนำตัวนำไฟฟ้า คุณจะได้อุปกรณ์ที่จ่ายไฟหลักครึ่งหนึ่งและไม่มีวิธีแก้ไขที่ง่าย ผลลัพธ์ที่น่ารังเกียจซึ่งต้องทำงานหรือใช้การเชื่อมต่อภาคพื้นดินด้านนอกสายไฟ

ใช่อะแดปเตอร์ไฟฟ้าถูกแยกอย่างสมบูรณ์ แต่อุปกรณ์ที่ขับเคลื่อนโดยอาจมีการสัมผัสชิ้นส่วนที่อาจมีแรงดันไฟฟ้าที่เป็นอันตรายในกรณีที่ทำงานผิดปกติ หรืออาจมีแรงดันไฟฟ้าต่ำ แต่น่ารำคาญเนื่องจากกระแสไฟฟ้ารั่วปกติ การแยกแบบ Galvanic ไม่สามารถหลีกเลี่ยงกระแสการรั่วไหลของ capacitive ได้อย่างสมบูรณ์

(อันที่จริงมันสามารถมีหน้าจอที่มีสายดินระหว่างขดลวดเช่นสำหรับอุปกรณ์ผ่าตัด แต่เห็นได้ชัดว่านี่ต้องใช้สายดิน)

ฉันไม่เข้าใจว่าทำไมคำตอบอื่น ๆ จึงให้ความสำคัญกับการทำงานภายในของอะแดปเตอร์เพาเวอร์โหมดสวิตช์ เห็นได้ชัดว่าทุกการออกแบบมีการแยกทางไฟฟ้า ก่อนหน้านี้หม้อแปลงแบบขดลวดสอง 50 Hz (US: 60 Hz) ทุกวันนี้หม้อแปลงทำงานได้ที่ความถี่สูงกว่ามากและเล็กกว่าและเบากว่า แต่ก็ไม่ใช่ประเด็น

โปรดทราบว่าสายดินนั้นเป็นเพียงทางเลือก มันจะทำอะไรได้ดีถ้าใช้เต้าเสียบที่มีสายดิน มันไม่ทำอะไรเลยบนเต้ารับที่ไม่มีเหตุผล ควรใช้เต้ารับที่ไม่มีเหตุผลเพื่อป้องกันการสัมผัสถูกแรงดันไฟฟ้าทันทีเช่นห้องนั่งเล่นที่มีพื้นไม้แทนที่จะเป็นพื้นคอนกรีต แต่ทุกวันนี้ฉันเห็นร้านค้าที่มีสายกราวด์แทบทุกที่

โปรดทราบว่าเต้าเสียบโลกอาจไม่กำจัดแรงดันไฟฟ้าขนาดเล็กที่น่ารำคาญในอุปกรณ์ของคุณอย่างสมบูรณ์ พื้นดินนั้นถูกออกแบบมาเพื่อความปลอดภัยเพื่อเป่าฟิวส์ก่อนที่คุณจะถูกไฟฟ้าดูด แต่ไม่ใช่เพื่อรับประกันแรงดันไฟฟ้าศูนย์ ความต้านทานของสายดินและตัวเหนี่ยวนำอาจยังคงมีนัยสำคัญ ตัวอย่างเช่นฉันมักจะมีประสบการณ์ 'กระตุ้น' แรงดันไฟฟ้าเมื่อจัดการสายเคเบิล VGA บนจอมอนิเตอร์ CRT 17 นิ้วแม้กระทั่งที่เต้าเสียบที่มีสายกราวด์อาจเป็นเพราะการรั่วไหลของ capacitive จากภายใน 10.000 โวลต์สำหรับหลอด (17 นิ้ว - จอภาพเหล่านั้นใหญ่มากแพงและหนักตอนนี้เรามีน้ำหนักเบาราคาถูก 23 นิ้ว, 27 นิ้ว, UHD, .... )