¿Qué hace el condensador Y en un SMPS?

Parece que un SMPS bien diseñado tiene un condensador que conecta los planos de tierra de los lados primario y secundario del transformador, como el condensador C13 aquí . ¿Cuál es el propósito de este condensador?

Me he hecho entender que es para la supresión de EMI, pero ¿qué tipo de EMI suprime y cómo? Me parece ser el único tramo 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 cierta 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 una perspectiva 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 condensadores entre el lado de entrada y salida de la fuente de alimentación con una capacidad sustancialmente mayor que la capacidad en el transformador de retorno. Esto acorta 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 "en vivo" y / o "neutral". Dado que la mayor parte del mundo no impone polaridad en los enchufes desenterrados, debemos suponer que cualquiera de los terminales "vivo" y "neutro" pueden tener un voltaje siniestro en relación con la tierra y generalmente terminamos con un diseño simétrico como una "opción menos mala". Es por eso que 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, generalmente 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 genera una mayor "corriente táctil" (la corriente que fluirá a través de alguien o algo que toque la salida de la fuente de alimentación y la tierra de la red). Esta compensación se vuelve más problemática a medida que la fuente de alimentación aumenta (y, por lo tanto, la capacitancia parásita en el transformador aumenta).

En una fuente de alimentación de clase 1 (puesta a tierra) podemos usar la tierra de la red eléctrica 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 condensadores, uno desde la salida a la red eléctrica. tierra y uno desde la tierra de la red 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 táctil mientras proporciona una ruta de alta frecuencia para controlar la EMC.

La falla de cortocircuito de estos condensadores sería muy mala. En una fuente de alimentación de clase 1, el fallo del condensador entre la fuente de alimentación y la tierra de la red significaría un corto a tierra (equivalente a una falla de aislamiento "básico"). Esto es malo, pero si el sistema de puesta a tierra funciona, no debería ser un peligro directo importante para los usuarios. En una fuente de alimentación de clase 2, una falla del condensador es mucho peor, significaría un peligro de seguridad directo y grave para el usuario (equivalente a una falla o aislamiento "doble" o "reforzado"). Para evitar riesgos para el usuario, los condensadores deben estar diseñados de modo que sea muy improbable la 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 red eléctrica en vivo y la red neutral). Hay dos subtipos principales de "condensador Y", "Y1" e "Y2" (siendo Y1 el tipo de clasificación más alta). En general, los condensadores Y1 se usan en equipos de clase 2, mientras que los condensadores Y2 se usan en equipos de clase 1.

Entonces, ¿ese condensador 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 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 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 CC.

En mi experiencia como ingeniero electrónico, he encontrado que una gran cantidad de fuentes de alimentación profesionales de clase II tienen una fuga de alrededor de 80v 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 algunas instancias 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, he experimentado un choque leve pero desagradable de un micrófono debido a la fuga de un SMPS. Mi solución inicial fue quitar los condensadores Y y conectar una conexión a tierra, pero finalmente construí mis propias unidades de suministro de energía lineal con un toroidal. En cuanto a "apilamiento"

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 condensadores Y ha surgido en la última década más o menos, debido a los requisitos del NEC (Código Eléctrico Nacional de EE. UU.) Para el uso de interruptores automáticos GFCI y AFCI. Estos interruptores 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 típico centro de entretenimiento de sala o estación de trabajo de computadora. Si bien los estándares de fugas actuales lo permiten, los OEM reciben cada vez más quejas de los consumidores de que su producto "dispara mi interruptor, quiero que se arregle"https://www.fluke.com/en-us/learn/blog/grounding/chasing-ghost-trips-in-gfci-protected-circuits . Los requisitos de NEC han aumentado en la última década, y muchos estados y ciudades solo ahora lo están incorporando por completo. Si bien los dispositivos de clase II (sin una tercera punta de conexión a tierra en el enchufe de CA) tienen especificaciones de fuga más estrictas, son la solución a la que la mayoría de los diseñadores parecen estar avanzando; estos dispositivos pueden cumplir con las especificaciones EMI sin condensadores Y en absoluto.