Co robi kondensator Y w SMPS?

Wydaje się, że dobrze zaprojektowany SMPS ma kondensator łączący płaszczyzny uziemienia pierwotnej i wtórnej strony transformatora, taki jak kondensator C13 tutaj . Jaki jest cel tego kondensatora?

Pozwoliłem sobie zrozumieć, że chodzi o tłumienie EMI, ale jaki rodzaj EMI tłumi i jak? Wydaje mi się, że jest to jedyna noga obwodu otwartego, a zatem całkowicie bezwładna, ale oczywiście się mylę.

Zasilacze impulsowe wykorzystują tak zwany „przetwornik flyback”, aby zapewnić konwersję napięcia i izolację galwaniczną. Podstawowym elementem tego przetwornika jest transformator wysokiej częstotliwości.

Praktyczne transformatory mają pewną pojemność błądzącą między uzwojeniem pierwotnym i wtórnym. Ta pojemność oddziałuje z operacją przełączania konwertera. Jeśli nie ma innego połączenia między wejściem a wyjściem, spowoduje to napięcie o wysokiej częstotliwości między wyjściem a wejściem.

Jest to naprawdę złe z perspektywy EMC. Kable z klocka zasilającego działają teraz zasadniczo jako antena transmitująca wysoką częstotliwość generowaną przez proces przełączania.

Aby stłumić wspólny tryb wysokiej częstotliwości, konieczne jest umieszczenie kondensatorów między stroną wejściową i wyjściową zasilacza o pojemności znacznie wyższej niż pojemność w transformatorze flyback. To skutecznie zmniejsza wysokie częstotliwości i zapobiega ucieczce z urządzenia.

Projektując zasilacz klasy 2 (nieuziemiony) nie mamy innego wyjścia, jak podłączyć te kondensatory do wejścia „na żywo” i / lub „neutralne”. Ponieważ większość świata nie wymusza polaryzacji na nieuziemionych gniazdach, musimy założyć, że jedno lub oba z zacisków „pod napięciem” i „neutralne” mogą być pod napięciem w stosunku do ziemi i zwykle uzyskujemy symetryczną konstrukcję, ponieważ „najmniej zła opcja”. Dlatego mierząc moc wyjściową zasilacza klasy 2 w stosunku do uziemienia za pomocą miernika o wysokiej impedancji, zwykle zobaczysz około połowy napięcia sieciowego.

Oznacza to, że na zasilaczu klasy 2 mamy trudny kompromis między bezpieczeństwem a EMC. Zwiększenie pojemności kondensatorów poprawia EMC, ale także powoduje większy „prąd dotykowy” (prąd, który przepłynie przez kogoś lub coś, co dotknie wyjścia zasilacza i uziemienia). Ten kompromis staje się bardziej problematyczny, gdy zasilacz staje się większy (a zatem pojemność błądząca w transformatorze staje się większa).

W zasilaczu klasy 1 (z uziemieniem) możemy wykorzystać uziemienie sieciowe jako barierę między wejściem a wyjściem albo przez podłączenie wyjścia do uziemienia sieciowego (jak to jest typowe w zasilaczach stacjonarnych do komputerów stacjonarnych) lub za pomocą dwóch kondensatorów, jednego od wyjścia do zasilania uziemienie i jeden od uziemienia sieciowego do wejścia (to właśnie robi większość cegieł zasilających laptopa). Pozwala to uniknąć problemu prądu dotykowego, a jednocześnie zapewnia ścieżkę wysokiej częstotliwości do kontroli EMC.

Awaria zwarciowa tych kondensatorów byłaby bardzo zła. W zasilaczu klasy 1 awaria kondensatora między zasilaniem sieciowym a uziemieniem sieci oznaczałaby zwarcie do ziemi (równoważne awarii „podstawowej” izolacji). Jest to złe, ale jeśli system uziemienia działa, nie powinien stanowić większego bezpośredniego zagrożenia dla użytkowników. W zasilaczu klasy 2 awaria kondensatora jest znacznie gorsza, oznaczałoby to bezpośrednie i poważne zagrożenie bezpieczeństwa dla użytkownika (równoważne awarii lub „podwójnej” lub „wzmocnionej” izolacji). Aby zapobiec zagrożeniom dla użytkownika, kondensatory muszą być zaprojektowane w taki sposób, aby awaria zwarcia była bardzo mało prawdopodobna.

W tym celu stosuje się specjalne kondensatory. Kondensatory te są znane jako „kondensatory Y” (z drugiej strony kondensatory X są używane między napięciem sieciowym a neutralnym). Istnieją dwa główne podtypy „kondensatora Y”, „Y1” i „Y2” (przy czym Y1 jest typem o wyższej wartości znamionowej). Ogólnie kondensatory Y1 są używane w sprzęcie klasy 2, a kondensatory Y2 są używane w sprzęcie klasy 1.

Czy ten kondensator między pierwotną i wtórną stroną SMPS oznacza, że ​​wyjście nie jest izolowane? Widziałem materiały laboratoryjne, które można połączyć szeregowo, aby podwoić napięcie. Jak to robią, jeśli nie jest izolowane?

Niektóre zasilacze mają wyjścia podłączone do uziemienia. Oczywiście nie można wziąć pary zasilaczy, które mają ten sam zacisk wyjściowy, podłączony do uziemienia, i połączyć je szeregowo.

Inne zasilacze mają tylko sprzężenie pojemnościowe od wyjścia do wejścia lub do uziemienia. Można je łączyć szeregowo, ponieważ kondensatory blokują prąd stały.

Z mojego doświadczenia jako inżyniera elektronicznego odkryłem, że całkiem sporo profesjonalnych zasilaczy klasy II ma upływ około 80 V prądu przemiennego do ziemi z powodu obecności kondensatora Y. IEE dopuszcza prąd upływu <85uA dla sprzętu niemedycznego. Może to jednak powodować problemy z obwodami audio. Widziałem kilka przypadków szumu w pętli uziemienia, gdy laptop jest podłączony do wzmacniacza audio lub gdy efekty sceniczne są podłączone do PA. Osobiście doświadczyłem łagodnego, ale nieprzyjemnego wstrząsu mikrofonu z powodu wycieku z SMPS. Moje początkowe rozwiązanie polegało na usunięciu kondensatorów Y i podłączeniu uziemienia, ale ostatecznie zbudowałem własny zasilacz liniowy za pomocą toroidu. Jeśli chodzi o „układanie”

Bezpośrednia odpowiedź na pytanie OP; w nowych projektach prawdopodobnie należy unikać stosowania kondensatorów Y, które były zgodne ze standardową praktyką inżynierską w przeszłości. W ostatnim dziesięcioleciu pojawiła się nowa kompromis w zakresie wykorzystania kondensatorów Y, ze względu na wymagania NEC (US National Electric Code) dotyczące stosowania wyłączników automatycznych GFCI i AFCI. Wyłączniki te zostały zaprojektowane do wyzwalania przy prądzie uziemienia 5 mA dla wszystkich gniazd AC w ​​obwodzie odgałęzionym. Oczywiście, zezwalanie na 3,5 mA na urządzenie klasy I dość szybko sumuje się w przypadku typowego centrum rozrywki w salonie lub stacji roboczej. Chociaż pozwalają na to obecne standardy wycieków, producenci OEM otrzymują coraz więcej skarg konsumentów, że ich produkt „potyka się o mój wyłącznik, chcę to naprawić”https://www.fluke.com/en-us/learn/blog/grounding/chasing-ghost-trips-in-gfci-protected-circuits . Wymagania NEC wzrosły w ciągu ostatniej dekady, a wiele stanów i miast dopiero teraz w pełni je uwzględnia. Chociaż urządzenia klasy II (bez trzeciego bolca uziemiającego na wtyczce prądu zmiennego) mają bardziej rygorystyczne specyfikacje upływu, są rozwiązaniem, do którego dąży większość projektantów; urządzenia te są w stanie spełnić specyfikacje EMI bez kondensatorów Y.