Es scheint, dass ein gut konstruiertes SMPS einen Kondensator hat, der die Masseebenen der Primär- und Sekundärseite des Transformators verbindet, wie hier der C13-Kondensator . Wozu dient dieser Kondensator?
Ich habe mich verstehen lassen, dass es für die EMI-Unterdrückung ist, aber welche Art von EMI unterdrückt es und wie? Es scheint mir das einzige Bein eines offenen Stromkreises zu sein und daher völlig träge, aber da liege ich offensichtlich falsch.
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 landen normalerweise bei einem symmetrischen Design als 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 (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 Desktop-PC-Netzteilen üblich ist) oder indem wir zwei Kondensatoren verwenden, einen vom Ausgang zum Netz Erde 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.
Ein Kurzschlussausfall dieser Kondensatoren wäre sehr schlimm. Bei einem Netzteil der Klasse 1 würde ein Ausfall des Kondensators zwischen der Netzversorgung und der Netzerde einen Erdschluss bedeuten (entspricht einem Ausfall der "Basisisolierung"). Das ist schlecht, aber wenn das Erdungssystem funktioniert, sollte es keine größere direkte Gefahr für die Benutzer darstellen. Bei einem Netzteil der Klasse 2 ist ein Ausfall des Kondensators viel schlimmer, es würde ein direktes und ernsthaftes Sicherheitsrisiko für den Benutzer bedeuten (äquivalent zu einem Ausfall oder einer "doppelten" oder "verstärkten" Isolierung). Um Gefahren für den Benutzer zu vermeiden, müssen die Kondensatoren so ausgelegt sein, dass ein Ausfall durch Kurzschluss sehr unwahrscheinlich ist.
Dafür werden spezielle Kondensatoren verwendet. Diese Kondensatoren werden als "Y-Kondensatoren" bezeichnet (X-Kondensatoren hingegen werden zwischen Netzspannung und Netznullleiter verwendet). Es gibt zwei Hauptuntertypen von "Y-Kondensatoren", "Y1" und "Y2" (wobei Y1 der höher bewertete Typ ist). Im Allgemeinen werden Y1-Kondensatoren in Geräten der Klasse 2 verwendet, während Y2-Kondensatoren in Geräten der Klasse 1 verwendet werden.
Bedeutet dieser Kondensator zwischen der Primär- und Sekundärseite des SMPS also, dass der Ausgang nicht isoliert ist? Ich habe Laborgeräte gesehen, die in Reihe geschaltet werden können, um die Spannung zu verdoppeln. Wie machen sie das, wenn es nicht isoliert ist?
Bei einigen Netzteilen sind die Ausgänge fest mit Erde verbunden. Offensichtlich können Sie kein Netzteilpaar nehmen, das denselben Ausgangsanschluss fest mit Erde verbunden hat, und sie in Reihe schalten.
Andere Netzteile haben nur eine kapazitive Kopplung vom Ausgang zum Eingang oder zur Netzerde. Diese können in Reihe geschaltet werden, da Kondensatoren Gleichstrom blockieren.
In meiner Erfahrung als Elektronikingenieur habe ich festgestellt, dass viele professionelle Netzteile der Klasse II aufgrund des Vorhandenseins des Y-Kondensators einen Leckstrom von etwa 80 V AC gegen Masse aufweisen. Die IEE erlaubt einen Ableitstrom von <85uA für nicht-medizinische Geräte. Es kann jedoch Probleme mit Audioschaltkreisen verursachen. Ich habe einige Fälle von Erdschleifenbrummen gesehen, wenn ein Laptop an einen Audioverstärker angeschlossen ist oder wenn Effekte auf der Bühne an eine PA angeschlossen sind. Ich persönlich habe einen leichten, aber unangenehmen Schock von einem Mikrofon aufgrund der Leckage eines SMPS erlebt. Meine ursprüngliche Lösung bestand darin, die Y-Kondensatoren zu entfernen und eine Masseverbindung anzubringen, aber ich baute schließlich meine eigenen linearen Netzteile mit einem Ringkern. Was das "Stapeln" angeht
Um die Frage von OP direkt zu beantworten; Die Verwendung von Y-Kondensatoren, die in der Vergangenheit der Standard-Ingenieurpraxis entsprach, sollte bei neuen Designs wahrscheinlich vermieden werden. Aufgrund der NEC-Anforderungen (US National Electric Code) für die Verwendung von GFCI- und AFCI-Schutzschaltern hat sich in den letzten zehn Jahren ein neuer technischer Kompromiss für die Verwendung von Y-Kondensatoren ergeben. Diese Trennschalter sind so ausgelegt, dass sie bei einem Gesamterdungsstrom von 5 mA für alle Wechselstromsteckdosen in einem Abzweigstromkreis auslösen. Offensichtlich summiert sich das Zulassen von 3,5 mA pro Gerät der Klasse I für ein typisches Wohnzimmer-Entertainment-Center oder eine Computer-Workstation ziemlich schnell. Während die aktuellen Leckagestandards dies zulassen, erhalten OEMs immer mehr Verbraucherbeschwerden, dass ihr Produkt „meinen Leistungsschalter auslöst, ich möchte, dass es repariert wird“.https://www.fluke.com/en-us/learn/blog/grounding/chasing-ghost-trips-in-gfci-protected-circuits . Die NEC-Anforderungen sind in den letzten zehn Jahren gestiegen, und viele Staaten und Städte integrieren sie erst jetzt vollständig. Während Geräte der Klasse II (kein dritter Erdungsstift am AC-Stecker) strengere Ableitspezifikationen haben, sind sie die Lösung, auf die sich die meisten Designer zu bewegen scheinen; Diese Geräte sind in der Lage, die EMI-Spezifikationen ohne jegliche Y-Kondensatoren zu erfüllen.
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KalleMP