¿Por qué una fuente de alimentación con caja aislante y separación galvánica necesita un cable de alimentación con toma de tierra?

Question

Hace poco vi una fuente de alimentación externa de IBM que parecía un ladrillo de alimentación conmutada normal (bastante pequeño y ligero para su potencia de más de 50 vatios) en una caja de plástico, pero tenía un cable de tres hilos (fase+neutro+tierra) entre él y la red eléctrica.

Ver un cable de tres hilos utilizado con una fuente conmutada de caja de plástico es bastante infrecuente. Normalmente, o bien la caja es de metal y el cable es de tres hilos, o bien la caja es de plástico y el cable es de dos hilos.

Parece que las fuentes de alimentación conmutadas tienen separación galvánica . Además, la unidad tenía una carcasa de plástico aislante, por lo que es imposible que un cable de fase de la red eléctrica induzca tensión en la superficie exterior de la carcasa si se produce algún tipo de cortocircuito.

¿Para qué sirve un cable con toma de tierra en una fuente de alimentación conmutada con caja de plástico aislada?

Answer 1

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

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

Tampoco me extrañaría que el retorno de salida esté conectado directamente a tierra.

Answer 2

Las fuentes de alimentación conmutadas utilizan lo que se conoce como "convertidor flyback" para proporcionar la conversión de tensión y el 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 ninguna otra conexión entre la entrada y la salida, se producirá una tensión de alta frecuencia entre la salida y la entrada.

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

Para suprimir el modo común de alta frecuencia es necesario colocar condensadores entre el lado de entrada y el de salida de la fuente de alimentación con una capacitancia sustancialmente mayor que la del transformador flyback. De este modo, se suprime la alta frecuencia y se evita que salga del dispositivo.

Al diseñar una fuente de alimentación de clase 2 (sin conexión a tierra), no tenemos más remedio que conectar estos condensadores a la entrada "viva" y/o "neutra". Dado que la mayor parte del mundo no impone la polaridad en las tomas de corriente sin conexión a tierra, tenemos que asumir que cualquiera de los terminales "vivo" y "neutro", o ambos, pueden estar a un voltaje significativo con respecto a la tierra, y normalmente acabamos con un diseño simétrico como "opción menos mala". Por eso, si se mide la salida de una fuente de alimentación de clase 2 con respecto a la tierra de la red con un medidor de alta impedancia, normalmente se verá la mitad de la tensión de la red.

Esto significa que en una fuente de alimentación de clase 2 tenemos un difícil equilibrio entre la seguridad y la compatibilidad electromagnética. Si los condensadores son más grandes, se mejora la compatibilidad electromagnética, pero también se produce una mayor "corriente de contacto" (la corriente que fluye a través de alguien o algo que toca la salida de la fuente de alimentación y la tierra de la red). Este compromiso se vuelve más problemático a medida que la fuente de alimentación se hace más grande (y, por lo tanto, la capacitancia perdida en el transformador se hace más grande).

En una fuente de alimentación de clase 1 (conectada a tierra) podemos utilizar la tierra de la red como barrera entre la entrada y la salida, ya sea conectando la salida a la tierra de la red (como es habitual en las fuentes de alimentación de sobremesa) o utilizando dos condensadores, uno de la salida a la tierra de la red y otro de la tierra de la red a la entrada (esto es lo que hacen la mayoría de las fuentes de alimentación para portátiles). Esto evita el problema de la corriente de contacto y proporciona una ruta de alta frecuencia para controlar la EMC.

Entonces, ¿por qué las fuentes de alimentación de los portátiles de los principales proveedores de renombre son hoy en día de clase 1 cuando antes no lo eran? (y cuando la basura barata a menudo todavía no lo es) No lo sé con certeza, pero supongo que es una combinación de.

1. Incluso las corrientes de contacto 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 aparatos electrónicos también pueden resultar dañados por corrientes inferiores al límite legal de corriente de contacto durante la conexión en caliente.
2. La normativa sobre compatibilidad electromagnética se ha hecho más estricta a lo largo de los años.

Answer 3

Sin un esquema es difícil saberlo. Sin embargo, lo más probable es que el cable de tierra sea utilizado por el filtro EMI. 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 mismo no las atenuará sin algún tipo de carga. Esa carga será un condensador a tierra en cada uno de los dos cables de alimentación en el lado exterior del balun.

Answer 4

¿Ha tenido alguna vez un "pellizco" al tocar la salida de baja tensión de una centralita moderna?
Esto es molesto y puede destruir el equipo.
La razón es que el sistema descrito en la pregunta se ha implantado pero no se ha utilizado correctamente,

Hay que tener en cuenta el diagrama y el comentario de Madmanguram.

Madmanguram ha proporcionado una excelente ilustración.
Obsérvese el comentario de que el retorno de salida también está conectado a tierra. Esto se hace a veces y, cuando se hace, 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 toma central del condensador está ahora a la mitad de la red eléctrica respecto a la tierra verdadera, es decir, unos 115 V en un sistema de 230 VAC. Todo el equipo suministrado flota a media red por encima de la tierra. Los dos condensadores suelen ser de 0,001 uF cada uno, por lo que la impedancia es la de 2 condensadores en paralelo.
Z~= 2/(2.Pi.f.c) o unos 5 megaohmios que dan corrientes de fuga de unos 10 a 20 uA. Esto no parece mucho, pero produce molestas "mordeduras" en los dedos, etc., cuando se toca Vout mientras el cuerpo está conectado a tierra - debido al nivel de tensión - y felizmente carga la capacitancia perdida para tener suficiente energía para hacer estallar las cosas - lo que definitivamente sucede.

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

Lo peor es cuando los fabricantes conectan la toma central al negativo de salida y luego no tienen en cuenta el uso de un conductor de tierra. Se obtiene un equipo medio flotante en la red y no hay una manera fácil de solucionarlo. Un resultado desagradable que requiere la ejecución o el uso de una conexión a tierra fuera del cable de alimentación.

Answer 5

Sí, el adaptador de corriente está totalmente aislado, pero el dispositivo que se alimenta de 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 completamente las corrientes de fuga capacitivas.

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

No entiendo por qué en otras respuestas se presta tanta atención al funcionamiento interno del adaptador de corriente conmutado. Evidentemente, todos los diseños cuentan con aislamiento galvánico. Antes, un transformador de dos devanados de 50 Hz (US: 60 Hz). Hoy en día, el transformador trabaja a una frecuencia mucho más alta, y en consecuencia es más pequeño y ligero, pero esa no es la cuestión.

Tenga en cuenta que el cable de tierra es algo opcional. Sólo sirve de algo si se utiliza una toma de corriente con conexión a tierra. No sirve de nada en una toma de corriente sin conexión a tierra. Las tomas de corriente sin conexión a tierra sólo deberían usarse en lugares donde no se muera instantáneamente al tocar la tensión, como una sala de estar con suelo de madera en lugar de hormigón. Pero hoy en día veo tomas de corriente con conexión a tierra prácticamente en todas partes.

Ten en cuenta también que la toma de tierra puede no eliminar por completo la molesta pequeña tensión de tu aparato. Esa tierra está diseñada para la seguridad, para hacer saltar el fusible antes de que te electrocutes, pero no para garantizar cero voltios. La resistencia del cable de tierra, y también la inductancia, pueden seguir siendo significativas. Por ejemplo, a menudo experimenté tensiones de "cosquilleo" al manipular el cable VGA en los monitores CRT de 17 pulgadas, incluso en una toma de corriente con conexión a tierra, probablemente debido a la fuga capacitiva de los 10.000 voltios internos para el tubo. (17 pulgadas? esos monitores eran tan grandes, caros y pesados. Ahora tenemos monitores ligeros y baratos de 23 pulgadas, 27 pulgadas, UHD, .... )