Parece que un SMPS bien diseñado tiene un capacitor que conecta los planos de tierra de los lados primario y secundario del transformador, como el capacitor C13 aquí . ¿Cuál es el propósito de este condensador?
Me he dejado entender que es para la supresión de EMI, pero ¿qué tipo de EMI suprime y cómo? Me parece que es la única etapa de un circuito abierto y, por lo tanto, completamente inerte, pero obviamente estoy equivocado al respecto.
Las fuentes de alimentación de modo conmutado utilizan lo que se conoce como "convertidor de retorno" para proporcionar conversión de voltaje y aislamiento galvánico. Un componente central de este convertidor es un transformador de alta frecuencia.
Los transformadores prácticos tienen alguna capacitancia parásita entre los devanados primarios y secundarios. Esta capacitancia interactúa con la operación de conmutación del convertidor. Si no hay otra conexión entre la entrada y la salida, se producirá un voltaje de alta frecuencia entre la salida y la entrada.
Esto es realmente malo desde una perspectiva de EMC. Los cables del bloque de energía ahora actúan 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 los lados de entrada y salida de la fuente de alimentación con una capacitancia sustancialmente mayor que la capacitancia en el transformador de retorno. Esto efectivamente reduce la alta frecuencia y evita que se escape del dispositivo.
Al diseñar una PSU de clase 2 (desenterrada) no tenemos más remedio que conectar estos condensadores a la entrada "en vivo" y / o "neutral". Dado que la mayor parte del mundo no impone la polaridad en las tomas desenterradas, debemos suponer que cualquiera de los terminales "en vivo" y "neutro" puede estar a un voltaje sinificante en relación con la tierra y generalmente terminamos con un diseño simétrico como una "opción menos mala". Por eso, si mide la salida de una PSU de clase 2 en relación con la tierra de la red eléctrica con un medidor de alta impedancia, generalmente verá alrededor de la mitad de la tensión de red.
Eso significa que en una PSU de clase 2 tenemos una relación difícil entre la seguridad y la compatibilidad electromagnética. Hacer que los condensadores sean más grandes mejora la compatibilidad electromagnética (EMC), pero también produce una "corriente de contacto" mayor (la corriente que fluirá a través de alguien o algo que toque la salida de la fuente de alimentación y la toma de tierra). Esta compensación se vuelve más problemática a medida que la PSU se hace más grande (y, por lo tanto, la capacitancia parásita en el transformador se hace más grande).
En una PSU de clase 1 (con conexión a tierra), podemos usar la tierra de la red como una barrera entre la entrada y la salida, ya sea conectando la salida a la tierra de la red (como es habitual en las unidades de alimentación de PC de escritorio) o utilizando dos condensadores, uno de los Salida a la toma de tierra y una desde la toma de tierra a la entrada (esto es lo que hacen la mayoría de los ladrillos de alimentación de portátiles) Esto evita el problema de la corriente táctil al tiempo que proporciona una ruta de alta frecuencia para controlar EMC.
El fallo de cortocircuito de estos condensadores sería muy malo. En una PSU de clase 1, la falla del condensador entre la alimentación de la red y la tierra de la red significaría un corto a tierra (equivalente a una falla del aislamiento "básico"). Esto es malo, pero si el sistema de puesta a tierra es funcional, no debería ser un gran peligro directo para los usuarios. En una PSU de clase 2, una falla del condensador es mucho peor, significaría un peligro directo y serio para la seguridad del usuario (equivalente a una falla o un aislamiento "doble" o "reforzado"). Para evitar riesgos para el usuario, los condensadores deben diseñarse de modo que sea improbable que se produzca una falla de cortocircuito.
Por lo tanto, se utilizan condensadores especiales para este propósito. Estos condensadores se conocen como "condensadores Y" (los condensadores X, por otro lado, se utilizan entre la corriente principal y el neutro de la red). Hay dos subtipos principales de "Condensador Y", "Y1" e "Y2" (siendo Y1 el tipo de clasificación más alta). En general, los condensadores Y1 se utilizan en equipos de clase 2, mientras que los condensadores Y2 se utilizan en equipos de clase 1.
Entonces, ¿ese condensador entre los lados primario y secundario de SMPS significa que la salida no está aislada? He visto suministros de laboratorio que se pueden conectar en serie para duplicar el voltaje. ¿Cómo lo hacen si no está aislado?
Algunas fuentes de alimentación tienen sus salidas conectadas a tierra. Obviamente, no puede tomar un par de fuentes de alimentación que tengan el mismo terminal de salida conectado a tierra y ponerlos en serie.
Otras fuentes de alimentación solo tienen acoplamiento capactive desde la salida a la entrada o a la toma de tierra. Estos se pueden conectar en serie ya que los condensadores bloquean DC.
En mi experiencia como ingeniero electrónico, he encontrado que muchas fuentes de alimentación profesionales de clase II tienen una fuga de aproximadamente 80 VCA a tierra debido a la presencia del condensador Y. La IEE permite una corriente de fuga de < 85uA para equipos no médicos. Sin embargo, puede causar problemas con los circuitos de audio. He visto algunos casos de zumbido de bucle a tierra cuando una computadora portátil está conectada a un amplificador de audio o cuando los efectos en el escenario están conectados a un PA. Personalmente, he experimentado una leve pero desagradable descarga de un micrófono debido a la fuga de una SMPS. Mi solución inicial fue quitar los condensadores en Y y ajustar una conexión a tierra, pero finalmente construí mis propias unidades de alimentación lineales utilizando un toroidal. En lo que respecta al "apilamiento", una vez tuve un caso con un carrito médico en un hospital que consta de varios SMPS de grado médico de clase II conectados a varios instrumentos que habían fallado la prueba de contacto de corriente a tierra (más estricta) del hospital debido a la fuga combinada corriente.
Para responder directamente a la pregunta de OP; el uso de condensadores Y, si bien se ajusta a la práctica de ingeniería estándar en el pasado, probablemente debería evitarse en los nuevos diseños. Una nueva compensación de ingeniería para el uso de los condensadores Y ha surgido en la última década, más o menos, debido a los requisitos de NEC (Código Eléctrico Nacional de EE. UU.) Para el uso de interruptores automáticos GFCI y AFCI. Estos disyuntores están diseñados para disparar a una corriente de tierra total de 5 mA para todas las salidas de CA en un circuito derivado. Obviamente, el hecho de permitir 3.5 mA por dispositivo de clase I se agrega bastante rápidamente para un centro de entretenimiento de sala de estar típico o una estación de trabajo con computadora. Si bien los estándares actuales de fugas lo permiten, los OEM están recibiendo cada vez más quejas de los consumidores de que su producto "dispara mi interruptor, quiero que se solucione" enlace . Los requisitos de NEC han aumentado en la última década, y muchos estados y ciudades solo lo están incorporando completamente ahora. Si bien los dispositivos de clase II (sin una tercera clavija de conexión a tierra en el enchufe de CA) tienen especificaciones de fugas más estrictas, son la solución hacia la cual la mayoría de los diseñadores parecen estar avanzando; estos dispositivos pueden cumplir con las especificaciones de EMI sin ningún condensador en Y.
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