Selección de condensador X para fuente de alimentación SMPS

IMPORTANTE: Si usa un TVS o un MOV, DEBE UTILIZAR UN FUSIBLE EN SERIE CON LA LÍNEA VIVA . Esto no es opcional. Los MOV tienden a fallar en cortocircuito, al igual que los diodos TVS. En caso de que esto ocurra, sus opciones son usar un fusible o iniciar un incendio. Los fusibles son la mejor opción.

1. ¿Qué hacen estos condensadores X e Y?

Los condensadores X, junto con sus primos Y-capacitores, se agrupan y se conocen simplemente como "condensadores de seguridad". En su aplicación, que supongo que es de clase II, no tiene conexión a tierra (y, por lo tanto, tiene una barrera de aislamiento suficiente para calificar como clase II).

El propósito de los condensadores de seguridad X e Y es más o menos el mismo. Ambos están allí para reducir la cantidad de EMI que se inyecta en la red eléctrica por lo que sea que esté haciendo la fuente de alimentación. Como sabe, los condensadores se vuelven menos molestos a medida que aumenta la frecuencia, por lo que estos condensadores sirven para acortar eficazmente el ruido de frecuencia más alta.

2. ¿Cuál es el problema del ruido?

Siempre los ve presentes en la etapa de entrada de una fuente de alimentación conmutada, pero generalmente están ausentes en las fuentes de alimentación más antiguas basadas en transformadores de 60/50 Hz. Todos los armónicos de conmutación del puente rectificador se disipan como pequeñas corrientes de Foucault y pérdidas por histéresis en todo ese hierro y nunca regresan al devanado primario.

Las fuentes de alimentación de modo conmutado generalmente emplean ondas cuadradas (o intentan acercarse lo más posible a una onda cuadrada) y el contenido armónico de eso por sí solo no es trivial y una gran parte puede conducirse solo a través del acoplamiento capacitivo de los devanados del transformador SMPS. , sin embargo, el núcleo de ferrita. Peor aún, los diodos están directamente en la red eléctrica y no hay un transformador que pueda mitigar potencialmente los armónicos del diodo.

3. Una X en la red no es la única opción.

Asumiré que tiene una salida de 5 V completamente aislada (totalmente flotante), como es común para una fuente de alimentación de clase II de baja potencia.

El problema es que nunca nada está completamente aislado. Hay capacitancia parásita de todo a todo, y de todas partes a todas partes. Probablemente haya más de un voltio de potencial de CA entre cualquier punto de su cuerpo y la tierra en este mismo momento (suponiendo que esté flotando y no esté conectado a tierra a través de algo). Esta es la razón por la que se escucha un zumbido en el equipo de audio si toca un conector de entrada con el dedo.

Bueno, la situación es algo peor en el caso de su fuente de alimentación de clase II. ¿Conoces ese pequeño transformador de ferrita? ¿El que tiene dos devanados conductores uno al lado del otro? Sí, se acoplarán de forma capacitiva, pero la impedancia será bastante alta incluso para el ruido de alta frecuencia. Esto va a convertir todo en el lado secundario aislado en un radiador involuntario. Esto puede o no ser un problema, pero una solución es conectar un condensador Y entre la tierra principal (la línea neutral en su caso) y la tierra de salida. Si por alguna razón la polaridad del enchufe se invierte, puede conectar condensadores de 2 Y a la tierra de salida, casi como si fuera su Tierra.

La idea es crear una ruta de impedancia mucho más baja para el ruido de alta frecuencia, desviándolo hacia el lado primario en lugar de radiarlo.

SIN EMBARGO , aquí hay una consideración de seguridad muy importante: ha creado un camino para que la corriente se filtre a través de la barrera de aislamiento, y el potencial será potencialmente peligroso. Debe tener cuidado y asegurarse de que los capacitores Y no tengan un valor tan grande como para permitir que fluyan niveles peligrosos de corriente de fuga, porque ese flujo podría estar atravesando a una persona/perro/gatito/lo que sea.

4. Vamos, ¿cómo elijo el valor del capacitor X?

Realmente todo se reduce a cuán ruidosa es su fuente de alimentación, cuánto ruido de la red eléctrica desea que tolere la fuente y qué tan bueno es el factor de potencia que desea. Sin embargo, el factor de potencia casi siempre tendrá una prioridad más baja, ya que la mayoría de los países requieren que cumpla con los estándares EMI por encima de cualquier otra cosa.

Un condensador X más grande sobrevivirá a transitorios de sobretensión más altos, tendrá un efecto más potente en el ruido diferencial porque tiene una impedancia más baja para un rango de frecuencia más amplio y, en general, solo mejorará las cosas en el área EMI diferencial. El inconveniente es que, al estar al otro lado de la línea, estará constantemente consumiendo una pequeña cantidad de potencia aparente. Por ejemplo, un condensador X de 0,47 µF en la línea con una entrada de 240 VCA a 60 Hz (sé que 50 Hz sería más común, pero hagamos las cosas en el peor de los casos) consumirá aproximadamente 10 W de potencia aparente en todo momento. Si su SMPS es una fuente de alimentación ATX de 500 W, entonces su factor de potencia es 0,98. ¡Gran! Sin embargo, si se trata de un bloque de alimentación de computadora portátil de 50 W, su factor de potencia ahora es 0.8. No tan bien. Probablemente querrás elegir algo un poco más pequeño. A medida que los niveles de potencia disminuyen aún más, se vuelve menos realista lograr un factor de potencia decente, pero tampoco tiene que preocuparse tanto. Estás construyendo una fuente de alimentación de 7,5 W. Digamos que consume 10 W de potencia real a plena carga. El uso de un condensador de 0,1 µF daría como resultado un consumo de energía aparente de 2,2 W asumiendo 240 V 60 Hz. Pero está bien, son solo 2.2W.

El condensador de tipo X más pequeño que realmente ve es de 10 nF, y pueden llegar a ser tan grandes como varios µF. Creo que 0,1 µF es una opción razonable para su aplicación. Consumirá algo de energía aparente, pero esto es del orden de 400 mW en América del Norte. 0,1 µF es probablemente un poco más grande de lo que realmente necesita, pero con el ruido, generalmente es mejor tener demasiada reducción de ruido que no tener suficiente. En realidad, siempre es mejor.

Desafortunadamente, aquí simplemente no hay una regla estricta y rápida. Realmente no puede calcular el valor, porque el valor mínimo se basa en la EMI conducida real y qué niveles son aceptables para su aplicación. Por otro lado, el valor no suele ser tan crítico. Por lo general, lo dimensiono en función de un factor de potencia razonable (pero no se vuelva codicioso; claro, un factor de potencia de .99 después de la entrada suena bastante bien, pero no importa si su ladrillo falla FCC, etc.) y, para citando a Samuel L. Jackson (en Jurassic Park), "me agarro el trasero" y espero que sea suficiente para cumplir con EMI. Hasta ahora, no ha sido realmente un problema, siempre que haya tenido en cuenta a EMI al diseñar el resto del suministro.

Tal vez solo tuve suerte, pero hasta ahora me ha funcionado.

Me gustaría agregar que un segundo capacitor X después del estrangulador es la ubicación correcta y reducirá aún más el ruido diferencial y también ayudará un poco al estrangulador de modo común con el ruido de modo común. Pero definitivamente es opcional.

5. No preguntaste, pero hablemos de diodos MOV y TVS.

PUEDE usar un diodo TVS bidireccional aquí, pero recuerde, su voltaje de ruptura deberá ser más alto que las posibles condiciones de sobrevoltaje sostenido en la red eléctrica, y el voltaje máximo es lo que importa aquí, por lo que 1.41 * 250VA = 350V, más un espacio libre saludable. Así que llamémoslo 380V. La cuestión es que la mayoría de las sobretensiones reales que puede ver en la línea de CA acumularán algunos julios detrás de ellos, y los julios hacen que los diodos TVS exploten como un rascador de plástico de burbujas en una habitación llena de gatos enojados. Claro, puede obtener unos bastante robustos, pero son bastante caros ($ 2 +) en los voltajes que necesita. E incluso entonces, su voltaje de sujeción es básicamente el mismo que el de un MOV.

Se prefieren los MOV en el lugar donde ha usado un TVS. Los MOV se involucran en nanosegundos, y cualquier aumento que sea lo suficientemente poderoso como para marcar la diferencia entre 10 nanosegundos y 30 picosegundos realmente importa es probablemente demasiado para que lo maneje un diodo TVS de todos modos. Además, por 50 centavos, puede obtener un MOV clasificado para un voltaje de línea de 250 V CA que puede absorber casi 200 J; eso es más energía que el impacto de una pelota de béisbol que va a 100 millas por hora. Permítanme reiterar, por 50 centavos.

Es mejor usar un TVS después del puente de diodos, pero antes de la conversión reductora real. Deje que las cosas más robustas absorban las cosas pesadas, y luego el diodo TVS puede manejar de manera segura cualquier pequeño pico rápido que logre pasar.