Wie man Klasse X und Klasse Y Sicherheitskondensatoren verwendet

Isolierte Stromversorgungen nutzen absichtlich verschiedene Erdungsnetze, um Leistungsdomänen voneinander zu trennen. Dies geschieht teilweise aus Sicherheitsgründen und teilweise wegen der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV), obwohl die beiden Bereiche in bestimmten Industriestandards etwas miteinander verbunden sind. Um Störungen in diesen Systemen zu kontrollieren, nutzen wir einige wichtige Techniken als Teil der EMV-Filterung. Eine dieser Techniken ist die Verwendung von sogenannten Sicherheitskondensatoren, auch bekannt als Klasse X und Klasse Y Kondensatoren.

Diese Kondensatoren sind nicht speziell oder einzigartig. Genau wie ein Entkopplungskondensator bezieht sich der Begriff „Sicherheit“ auf die Funktion und Platzierung des Kondensators, nicht auf eine spezifische Art von Kondensator. Meine Mission in diesem Artikel ist es, Sie zu einem Experten für die Verwendung dieser Kondensatoren zu machen. Lassen Sie uns eintauchen.

Wo Sicherheitskondensatoren platziert werden

In isolierten Stromversorgungen werden Sicherheitskondensatoren hauptsächlich an zwei Stellen platziert:

• Als Filterelement an der Eingangsleitungsspannung
• Als Netzverbindung zwischen galvanisch getrennten Erden

Im ersten Fall werden Klasse X und Klasse Y Kondensatoren in EMV-Filterkreisen am Eingang einer Stromversorgung platziert. Dies könnte zusätzlich zu einer Ferritdrossel am Eingangsstromkabel sein, sowie Gleichtakt- oder Differenzialmodus-Drosseln in den EMV-Filterstufen.

Bevor wir weitermachen, lassen Sie uns ein paar Definitionen klären. Klasse X und Klasse Y Kondensatoren werden durch ihre Wechselspannungsbewertungen definiert, wie im IEC 60384-14 Standard festgelegt. Beachten Sie, dass dieser Standard ein leistungsbasierter Standard ist, was bedeutet, dass jeder Kondensator, der diese Anforderungen erfüllt, die relevante X- oder Y-Klassifizierung in der untenstehenden Tabelle verdient.

Die Hauptüberlegung bei der Auswahl dieser Kondensatoren ist, ob sie einen bestimmten Spitzenwert aushalten können. Bei Klasse Y Kondensatoren ist auch die Amplitude der Wechselspannung eine Überlegung. Basierend auf diesen Punkten können wir nun sehen, wo diese als Teil der Eingangsfilterung platziert werden müssen.

Platzierung in isolierten Stromversorgungen

In isolierten Stromversorgungen werden Klasse X- und Klasse Y-Kondensatoren eingesetzt, um spezifische Arten von Störungen zu adressieren. Klasse Y-Kondensatoren werden verwendet, um Gleichtaktstörungen zu adressieren, indem ein gemeinsamer Shuntpunkt zur Erde verwendet wird. Zum Beispiel wird bei der Verwendung an einem AC-Eingang zu einer DC-Stromversorgung ein Klasse Y-Kondensator an jeder der Leitungs- und Neutralverbindungen zur Erde verwendet, wie unten gezeigt. Die gleiche Art der Verbindung zur Erde könnte nach einem Brückengleichrichter verwendet werden, obwohl dies sehr ungewöhnlich ist.

Klasse X-Kondensatoren werden auf die gleiche Weise verwendet, um differentielle Störungen zu filtern, aber sie sind über Leitung und Neutralleiter verbunden. Diese Kondensatoren sind ebenfalls unten dargestellt.

Ein anderer Fall, in dem man einen dieser Kondensatoren verwenden würde, ist die Brücke zwischen den zwei galvanisch isolierten Erden in einer isolierten Stromversorgung. Normalerweise wird hierfür ein Klasse Y-Sicherheitskondensator empfohlen, aber es könnte auch ein Klasse X-Sicherheitskondensator verwendet werden. Die Idee hier ist, dass die Verbindung es Hochfrequenz-Störströmen ermöglicht, bei Bedarf zwischen den Erden zu passieren, anstatt sie ihre Energie von der Leiterplatte weg strahlen zu lassen.

Die Kapazitätsanforderung für diese Verbindung ist, dass der Wert des Sicherheitskondensators viel größer sein muss als die parasitäre Wicklungskapazität. Das bedeutet normalerweise, dass ein Klasse Y-Kondensator mit 1 nF bis 1 uF funktionieren wird, abhängig vom erforderlichen Frequenzbereich, der zum primären Systemteil überbrückt werden muss. Diese Verbindung zur Überbrückung des Erdnetzes wird unten gezeigt. Beachten Sie den Ort, an dem PGND auf der Ausgangsseite des Brückengleichrichters definiert ist.

Beachten Sie den Ort, an dem PGND zugewiesen wird: es ist nach dem Brückengleichrichter! Dies ist sehr wichtig, da wir zwei DC-Erden mit dem 2200 pF Kondensator verbinden. Wenn wir ihn an Neutral anschließen würden, hätten wir hohe AC-Spannung am 2200 pF Kondensator, was den Kondensator zerstören könnte.

Beispiel Klasse X und Klasse Y Kondensatoren

Einige Beispielkondensatoren, die die Leistungsanforderungen der IEC 60384-14 erfüllen könnten, sind unten gezeigt. Teile wie diese sind leicht auf Octopart zu finden; die beste Strategie ist, mit einer Suche basierend auf der erwarteten AC-Spannungsschutzanforderung (für Klasse Y) oder der Pulsanforderung für Klasse X zu beginnen. Einige Beispiele für Klasse Y-Kondensatoren sind in der Tabelle gezeigt.

Was ist mit geteilten Erden bei Mixed-Signal-PCBs?

Zuerst einmal gebe ich den neuen Designern da draußen den wichtigsten Ratschlag:

Hört auf, die Masse in analoge und digitale Ebenen aufzuteilen. Ihr werdet mehr Probleme verursachen, als ihr löst.

Ich sollte den Leuten wahrscheinlich sagen, dass sie es nur deshalb weiterhin tun sollten, weil sie jemanden wie mich anstellen müssen, um die resultierenden EMI-Probleme zu beheben, wenn Ebenen geteilt werden. Glücklicherweise kümmere ich mich mehr um euer Portemonnaie als um meines.

Isolierte Stromversorgungen und Platinen mit isolierten ASICs wie ADCs beinhalten diese Aufteilungen aus sehr spezifischen Gründen. Das bedeutet nicht, dass ihr dasselbe auf eurer Mixed-Signal-Platine tun solltet, nur weil sie einen ADC und einen MCU enthält. Ihr seid besser dran, einfach eine einheitliche Masseebene zu verwenden.

Das heißt, es gibt einen sehr spezifischen Fall von Präzisionsmessungen bei niedriger Frequenz mit niedrigen SNR-Werten, der manchmal besser mit einer geteilten Ebene und einem Sicherheitskondensator oder einem Ferrit funktioniert, der die beiden Massen verbindet. In diesem Fall könnt ihr immer noch einen Kondensator oder Ferrit (oder beides) verwenden, um den Rückweg und die Rauschströme zu steuern. Wenn ihr nicht wisst, wie oder warum ihr das tun solltet, dann tut es nicht.

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