Cosa fa il condensatore Y in un SMPS?

Sembra che un SMPS ben progettato abbia un condensatore che collega i piani di massa dei lati primario e secondario del trasformatore, come il condensatore C13 qui . Qual è lo scopo di questo condensatore?

Mi sono fatto capire che è per la soppressione EMI, ma che tipo di EMI sopprime e come? Mi sembra essere l'unica tappa di un circuito aperto e quindi completamente inerte, ma ovviamente mi sbaglio.

Gli alimentatori a modalità commutata utilizzano il cosiddetto "convertitore flyback" per fornire la conversione di tensione e l'isolamento galvanico. Un componente principale di questo convertitore è un trasformatore ad alta frequenza.

I trasformatori pratici hanno una certa capacità parassita tra gli avvolgimenti primario e secondario. Questa capacità interagisce con l'operazione di commutazione del convertitore. Se non vi sono altri collegamenti tra ingresso e uscita, si otterrà una tensione ad alta frequenza tra l'uscita e l'ingresso.

Questo è davvero un male dal punto di vista EMC. I cavi del power brick ora funzionano essenzialmente come un'antenna che trasmette l'alta frequenza generata dal processo di commutazione.

Per sopprimere la modalità comune ad alta frequenza è necessario posizionare i condensatori tra il lato di ingresso e di uscita dell'alimentatore con una capacità sostanzialmente superiore alla capacità nel trasformatore flyback. Ciò riduce efficacemente l'alta frequenza e ne impedisce la fuoriuscita dal dispositivo.

Quando si progetta un alimentatore di classe 2 (scoperto) non abbiamo altra scelta che collegare questi condensatori all'ingresso "live" e / o "neutral". Dato che la maggior parte del mondo non impone la polarità su prese scoperte, dobbiamo supporre che uno o entrambi i terminali "vivo" e "neutro" possano avere una tensione peccaminosa rispetto alla terra e di solito finiamo con un design simmetrico come una "opzione meno negativa". Questo è il motivo per cui se si misura l'uscita di un alimentatore di classe 2 rispetto alla terra della rete con un misuratore di impedenza elevata, di solito si vede circa la metà della tensione di rete.

Ciò significa che su un alimentatore di classe 2 abbiamo un difficile compromesso tra sicurezza ed EMC. L'ampliamento dei condensatori migliora la compatibilità elettromagnetica, ma comporta anche una "corrente di contatto" più elevata (la corrente che fluirà attraverso qualcuno o qualcosa che tocchi l'uscita dell'alimentatore e della terra di rete). Questo compromesso diventa più problematico man mano che la PSU aumenta (e quindi la capacità parassita nel trasformatore aumenta).

Su un alimentatore di classe 1 (collegato a terra) possiamo utilizzare la messa a terra di rete come barriera tra ingresso e uscita collegando l'uscita a terra di rete (come è comune nelle PSU per PC desktop) o utilizzando due condensatori, uno dall'uscita alla rete terra e uno dalla rete di terra all'ingresso (questo è ciò che fanno la maggior parte dei mattoni elettrici del laptop). In questo modo si evita il problema della corrente a sfioramento pur continuando a fornire un percorso ad alta frequenza per controllare EMC.

Un guasto al corto circuito di questi condensatori sarebbe molto grave. In un guasto dell'alimentatore in classe 1 del condensatore tra l'alimentazione di rete e la messa a terra significherebbe un cortocircuito verso terra (equivalente a un guasto dell'isolamento "di base"). Ciò è negativo ma se il sistema di messa a terra è funzionante non dovrebbe costituire un grave pericolo diretto per gli utenti. In un alimentatore di classe 2 un guasto del condensatore è molto peggio, significherebbe un pericolo per la sicurezza diretto e grave per l'utente (equivalente a un guasto o isolamento "doppio" o "rinforzato"). Per prevenire pericoli per l'utente, i condensatori devono essere progettati in modo tale che sia improbabile un guasto al corto circuito.

Quindi condensatori speciali vengono utilizzati per questo scopo. Questi condensatori sono noti come "condensatori a Y" (i condensatori X invece vengono utilizzati tra tensione di rete e neutro di rete). Esistono due sottotipi principali di "Condensatore Y", "Y1" e "Y2" (con Y1 come tipo più elevato). In generale i condensatori Y1 sono utilizzati in apparecchiature di classe 2 mentre i condensatori Y2 sono utilizzati in apparecchiature di classe 1.

Quindi quel condensatore tra i lati primario e secondario dell'SMPS significa che l'uscita non è isolata? Ho visto materiali di laboratorio che possono essere collegati in serie per raddoppiare la tensione. Come fanno a farlo se non è isolato?

Alcuni alimentatori hanno le loro uscite collegate a terra. Ovviamente non è possibile prendere un paio di alimentatori che hanno lo stesso terminale di uscita collegato a terra e metterli in serie.

Altri alimentatori hanno solo un accoppiamento capattivo dall'uscita all'ingresso o alla terra. Questi possono essere collegati in serie poiché i condensatori bloccano CC.

Nella mia esperienza di ingegnere elettronico ho scoperto che molti alimentatori di classe II professionali presentano una dispersione a terra di circa 80 V CA a causa della presenza del condensatore a Y. L'IEEE consente una corrente di dispersione di <85uA per apparecchiature non mediche. Può tuttavia causare problemi con i circuiti audio. Ho visto alcuni casi di ronzio a terra quando un laptop è collegato a un amplificatore audio o quando gli effetti sul palco sono collegati a un PA. Personalmente ho sperimentato uno shock lieve ma spiacevole da un microfono a causa della perdita da un SMPS. La mia soluzione iniziale era quella di rimuovere i condensatori Y e montare una connessione di terra, ma alla fine ho costruito i miei alimentatori lineari usando un toroidale. Per quanto riguarda lo "stacking"

Per rispondere direttamente alla domanda di OP; l'uso di condensatori a Y, pur essendo conforme alle prassi ingegneristiche standard in passato, dovrebbe probabilmente essere evitato nei nuovi progetti. Nell'ultimo decennio è emerso un nuovo compromesso ingegneristico per l'uso dei condensatori Y, dovuto ai requisiti NEC (US National Electric Code) per l'uso degli interruttori GFCI e AFCI. Questi interruttori sono progettati per scattare a una corrente di terra totale di 5 mA per tutte le prese CA su un circuito derivato. Ovviamente, consentire 3,5 mA per dispositivo di classe I si aggiunge abbastanza rapidamente per un tipico centro di intrattenimento o postazione di lavoro in salotto. Mentre gli attuali standard di dispersione lo consentono, gli OEM ricevono sempre più reclami da parte dei consumatori sul fatto che il loro prodotto "fa scattare il mio interruttore, lo voglio riparato"https://www.fluke.com/en-us/learn/blog/grounding/chasing-ghost-trips-in-gfci-protected-circuits . I requisiti NEC sono aumentati nell'ultimo decennio e molti Stati e città lo stanno integrando solo ora. Sebbene i dispositivi di classe II (nessun terzo polo di messa a terra sulla spina CA) abbiano specifiche di dispersione più rigorose, sono la soluzione verso la quale la maggior parte dei progettisti sembra muoversi; questi dispositivi sono in grado di soddisfare le specifiche EMI senza condensatori Y.