¿Qué hace el capacitor Y en un SMPS?

Las fuentes de alimentación de modo conmutado utilizan lo que se conoce como un "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 primario y secundario. Esta capacitancia interactúa con la operación de conmutación del convertidor. Si no hay otra conexión entre la entrada y la salida, esto dará como resultado un voltaje de alta frecuencia entre la salida y la entrada.

Esto es realmente malo desde la perspectiva de EMC. Los cables del bloque de alimentación 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 capacitores entre el lado de entrada y salida de la fuente de alimentación con una capacitancia sustancialmente mayor que la capacitancia en el transformador flyback. Esto corta efectivamente la alta frecuencia y evita que se escape del dispositivo.

Al diseñar una fuente de alimentación de clase 2 (desenterrada), no tenemos más remedio que conectar estos condensadores a la entrada "viva" y/o "neutral". Dado que la mayor parte del mundo no impone la polaridad en los enchufes sin conexión a tierra, debemos suponer que uno o ambos terminales "vivos" y "neutros" pueden tener un voltaje significativo 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 fuente de alimentación de clase 2 en relación con la tierra de la red con un medidor de alta impedancia, normalmente verá alrededor de la mitad del voltaje de la red.

Eso significa que en una fuente de alimentación de clase 2 tenemos un compromiso difícil entre seguridad y EMC. Hacer que los condensadores sean más grandes mejora la EMC, pero también da como resultado una mayor "corriente de contacto" (la corriente que fluirá a través de alguien o algo que toque la salida de la fuente de alimentación y la conexión a tierra). Esta compensación se vuelve más problemática a medida que la fuente de alimentación se hace más grande (y, por lo tanto, la capacitancia parásita en el transformador se hace más grande).

En una PSU de clase 1 (conectada a tierra), podemos usar 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 común en las PSU de PC de escritorio) o usando dos capacitores, uno de la salida a la red. tierra y uno de la tierra de la red eléctrica a la entrada (esto es lo que hacen la mayoría de los ladrillos de alimentación de las computadoras portátiles). Esto evita el problema de la corriente de contacto al mismo tiempo que proporciona una ruta de alta frecuencia para controlar la EMC.

La falla de cortocircuito de estos capacitores sería muy mala. En una fuente de alimentación de clase 1, la falla del capacitor entre la fuente de alimentación 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 conexión a tierra funciona, no debería ser un peligro directo importante para los usuarios. En una fuente de alimentación de clase 2, una falla del capacitor es mucho peor, significaría un riesgo directo y grave para la seguridad del usuario (equivalente a una falla o aislamiento "doble" o "reforzado"). Para evitar riesgos para el usuario, los capacitores deben diseñarse de modo que sea muy poco probable que se produzca un fallo por 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 red activa y la red neutra). Hay dos subtipos principales de "condensador Y", "Y1" e "Y2" (siendo Y1 el tipo de clasificación más alta). En general, los capacitores Y1 se usan en equipos de clase 2, mientras que los capacitores Y2 se usan en equipos de clase 1.

Entonces, ¿ese capacitor entre los lados primario y secundario del SMPS significa que la salida no está aislada? He visto suministros de laboratorio que se pueden conectar en serie para duplicar el voltaje. ¿Cómo hacen eso 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 tienen el mismo terminal de salida conectado a tierra y ponerlas en serie.

Otras fuentes de alimentación solo tienen acoplamiento capacitivo desde la salida a la entrada oa la tierra de la red. Estos se pueden conectar en serie ya que los condensadores bloquean la CC.

En mi experiencia como ingeniero electrónico, he descubierto que muchas fuentes de alimentación profesionales de clase II tienen una fuga de alrededor de 80 V CA a tierra debido a la presencia del condensador Y. El 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 de 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, experimenté una descarga leve pero desagradable de un micrófono debido a la fuga de un SMPS. Mi solución inicial fue eliminar los condensadores Y y colocar una conexión a tierra, pero finalmente construí mi propia fuente de alimentación lineal usando un toroidal. En cuanto a "apilar"

Para responder directamente a la pregunta de OP; el uso de condensadores Y, aunque se ajustaba a la práctica de ingeniería estándar en el pasado, probablemente debería evitarse en los nuevos diseños. Ha surgido una nueva compensación de ingeniería para el uso de condensadores Y en la última década, debido a los requisitos del NEC (Código Eléctrico Nacional de EE. UU.) para el uso de disyuntores GFCI y AFCI. Estos disyuntores están diseñados para dispararse a una corriente de tierra total de 5 mA para todas las salidas de CA en un circuito derivado. Obviamente, permitir 3,5 mA por dispositivo de clase I se suma bastante rápido para un centro de entretenimiento de sala de estar típico o una estación de trabajo de computadora. Si bien los estándares actuales de fugas lo permiten, los OEM reciben cada vez más quejas de los consumidores de que su producto "dispara mi interruptor, quiero que lo arreglen".https://www.fluke.com/en-us/learn/blog/grounding/chasing-ghost-trips-in-gfci-protected-circuits . Los requisitos NEC han aumentado durante la última década, y muchos estados y ciudades recién ahora lo están incorporando por completo. Si bien los dispositivos de clase II (sin una tercera clavija de conexión a tierra en el enchufe de CA) tienen especificaciones de fuga más estrictas, son la solución hacia la que la mayoría de los diseñadores parecen estar avanzando; estos dispositivos pueden cumplir con las especificaciones de EMI sin condensadores Y en absoluto.