Warum sollte ein Netzteil mit Isoliergehäuse und galvanischer Trennung ein geerdetes Netzkabel benötigen?

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

Sie können sehen, dass die X-Kondensatoren (zwischen Leitung und Neutralleiter) plus die Streuinduktivität der Gleichtaktspule die differenzielle Rauschunterdrückung ergeben und die CM-Drossel-Induktivität in Kombination mit den Y-Kondensatoren die Gleichtakt-Rauschunterdrückung ergibt.

Es würde mich auch nicht wundern, wenn der Output Return direkt mit Masse verbunden ist.

Schaltnetzteile verwenden zur Spannungswandlung und galvanischen Trennung einen sogenannten Sperrwandler. Eine Kernkomponente dieses Konverters ist ein Hochfrequenztransformator.

Praktische Transformatoren haben eine gewisse Streukapazität zwischen Primär- und Sekundärwicklung. Diese Kapazität wirkt mit dem Schaltvorgang des Wandlers zusammen. Wenn zwischen Eingang und Ausgang keine andere Verbindung besteht, führt dies zu einer Hochfrequenzspannung zwischen Ausgang und Eingang.

Das ist aus EMV-Sicht wirklich schlecht. Die Kabel vom Powerbrick wirken nun quasi als Antenne, die die durch den Schaltvorgang erzeugte Hochfrequenz weiterleitet.

Um den Hochfrequenz-Gleichtakt zu unterdrücken, ist es notwendig, Kondensatoren zwischen der Eingangs- und Ausgangsseite der Stromversorgung mit einer Kapazität zu platzieren, die wesentlich höher ist als die Kapazität im Zeilenendtransformator. Dadurch wird die Hochfrequenz effektiv kurzgeschlossen und verhindert, dass sie aus dem Gerät entweicht.

Beim Entwerfen eines (nicht geerdeten) Netzteils der Klasse 2 haben wir keine andere Wahl, als diese Kondensatoren an den Eingang "live" und / oder "neutral" anzuschließen. Da der größte Teil der Welt bei ungeerdeten Steckdosen keine Polarität erzwingt, müssen wir davon ausgehen, dass einer oder beide der "stromführenden" und "neutralen" Anschlüsse eine erhebliche Spannung relativ zur Erde haben können, und wir erhalten normalerweise ein symmetrisches Design wie eine „am wenigsten schlechte Option“. Wenn Sie daher den Ausgang 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 haben. Das Vergrößern der Kondensatoren verbessert die EMV, führt aber auch zu einem höheren "Berührungsstrom" (der 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 damit die Streukapazität im Transformator größer wird).

Bei einem Netzteil der Klasse 1 (geerdet) können wir die Netzerde als Barriere zwischen Eingang und Ausgang verwenden, indem wir entweder den Ausgang mit der Netzerde verbinden (wie bei Desktop-Netzteilen üblich) oder indem wir zwei Kondensatoren verwenden, einen vom Ausgang zur Netzerde und eine von der Netzerde zum Eingang (das machen die meisten Laptop-Power-Bricks). Dadurch wird das Problem des Berührungsstroms vermieden, während gleichzeitig ein Hochfrequenzpfad zur Kontrolle der EMV bereitgestellt wird.

Warum also sind Laptop-Netzteile von großen, seriösen Anbietern heutzutage Klasse 1, wenn sie es früher nicht waren? (und wenn billiger Mist oft immer noch nicht ist) Ich weiß es nicht genau, aber ich vermute, es ist eine Kombination aus.

1. Auch Berührungsströme unterhalb der gesetzlichen Grenzwerte können problematisch sein. Manche Menschen reagieren ungewöhnlich empfindlich auf Elektrizität und können Ströme unterhalb der gesetzlichen Grenze spüren. Manche Elektronik kann auch durch Ströme unterhalb der gesetzlichen Berührungsstromgrenze beim Hotplugging beschädigt werden.
2. Die EMV-Vorschriften sind im Laufe der Jahre strenger geworden.

Ohne Schaltplan ist das schwer zu sagen. Die Masseleitung wird jedoch höchstwahrscheinlich vom EMI-Filter verwendet. Höchstwahrscheinlich befindet sich am Stromeingang ein Balun (Gleichtaktdrossel), bevor er zum Rest der Schaltung geht. Dies erhöht die Impedanz von Gleichtaktsignalen, dämpft sie jedoch nicht ohne irgendeine Art von Last. Diese Last ist ein Kondensator gegen Masse an jeder der beiden Stromleitungen auf der Außenseite des Baluns.

Hatten Sie schon einmal einen "Nip" beim Berühren des Niederspannungsausgangs eines modernen Netzteils?
Dies ist ärgerlich und kann möglicherweise 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, wenn es so ist, eine völlige Katastrophe, wenn das Erdungskabel nicht geerdet ist, z. B. ein 2-adriges Kabel verwendet wird.

Lokale Masse = Mittelabgriff des Kondensators ist jetzt auf halbem Netz bezüglich wahrer Masse. dh etwa 115 V bei einem 230-VAC-System. Die gesamte mitgelieferte Ausrüstung schwebt bei halber Spannung über dem Boden. Die beiden Kappen haben normalerweise jeweils 0,001 uF, sodass die Impedanz ab 2 Kappen parallel liegt.
Z~= 2/(2.Pi.fc) oder etwa 5 Megaohm, was Leckströme von etwa 10 bis 20 uA ergibt. Das hört sich nicht nach viel an, erzeugt aber lästige "Bisse" an Fingern usw., wenn Vout berührt wird, während der eigene Körper geerdet ist - aufgrund des Spannungspegels - und lädt fröhlich Streukapazitäten auf, um genug Energie zu haben, um Dinge in die Luft zu jagen - was definitiv passiert.

Die Lösung besteht darin, das Erdungskabel zu erden. ABER

Am schlimmsten ist es, wenn Hersteller den Mittelabgriff mit dem negativen Ausgang verbinden und dann die Verwendung eines Erdungsleiters nicht berücksichtigen. Sie erhalten Geräte mit halbem Netzstrom und keine einfache Möglichkeit, sie zu reparieren. Ein unangenehmes Ergebnis, das außerhalb des Netzkabels laufen oder eine Erdungsverbindung verwenden muss.

Ja, das Netzteil ist vollständig isoliert, aber das damit betriebene Gerät kann freiliegende leitende Teile haben, die im Falle einer Fehlfunktion eine gefährliche Spannung führen können. Oder aufgrund normaler Leckströme eine niedrige, aber störende Spannung führen. Eine galvanische Trennung kann kapazitive Ableitströme nicht vollständig vermeiden.

(Eigentlich geht das mit einem geerdeten Schirm zwischen den Wicklungen, z. B. für chirurgische Geräte, aber dafür braucht man natürlich das Erdungskabel.)

Ich verstehe nicht, warum andere Antworten dem Innenleben des Schaltnetzteils so viel Aufmerksamkeit schenken. Offensichtlich verfügt jedes Design über eine galvanische Trennung. Vorher ein 50 Hz (US: 60 Hz) Zweiwicklungstransformator. Heutzutage arbeitet der Transformator mit einer viel höheren Frequenz und ist dementsprechend kleiner und leichter, aber darum geht es nicht.

Beachten Sie, dass das Erdungskabel nur eine optionale Sache ist. Es nützt nur etwas, wenn eine geerdete Steckdose verwendet wird. An einer ungeerdeten Steckdose tut es nichts. Nicht geerdete Wandsteckdosen sollten nur dort verwendet werden, wo Sie nicht sofort getötet werden, wenn Sie stromführende Spannung berühren, wie z. B. in einem Wohnzimmer mit Holzboden anstelle eines Betonbodens. Aber heutzutage sehe ich praktisch überall geerdete Steckdosen.

Beachten Sie auch, dass die Steckdosenerdung die lästige kleine Spannung an Ihrem Gerät möglicherweise nicht vollständig beseitigt. Diese Erdung dient der Sicherheit, um die Sicherung durchzubrennen, bevor Sie einen Stromschlag bekommen, aber nicht, um Null Volt zu garantieren. Der Erdungswiderstand und auch die Induktivität können immer noch erheblich sein. Zum Beispiel habe ich beim Umgang mit dem VGA-Kabel an den 17-Zoll-CRT-Monitoren oft 'kitzelnde' Spannungen erlebt, selbst an einer geerdeten Steckdose, wahrscheinlich wegen des kapazitiven Lecks von den internen 10.000 Volt für die Röhre. (17 Zoll? Diese Monitore waren so groß, teuer und schwer. Jetzt haben wir billige leichte 23 Zoll, 27 Zoll, UHD, .... )