Cómo utilizar capacitores de seguridad Clase X y Clase Y

Las fuentes de alimentación aisladas hacen uso intencional de diferentes redes de tierra para mantener los dominios de potencia separados. Esto se hace en parte por seguridad y en parte por EMC, aunque las dos áreas están algo relacionadas en ciertos estándares de la industria. Para controlar el ruido en estos sistemas, hacemos uso de algunas técnicas importantes como parte del filtrado EMI. Una de estas técnicas es el uso de los llamados capacitores de seguridad, también conocidos como capacitores Clase X y Clase Y.

Estos capacitores no son especiales o únicos. Al igual que un capacitor de desacoplamiento, el término “seguridad” se refiere a la función y colocación del capacitor, no a un tipo específico de capacitor. Mi misión en este artículo es hacerte un experto en el uso de estos capacitores. Vamos a profundizar.

Dónde se colocan los capacitores de seguridad

En las fuentes de alimentación aisladas, los capacitores de seguridad se colocan principalmente en dos ubicaciones:

• Como un elemento de filtrado en la línea de voltaje de entrada
• Como una conexión de red entre tierras galvánicamente aisladas

En el primer caso, los capacitores Clase X y Clase Y se colocan en circuitos de filtro EMI en el frente de una fuente de alimentación. Esto podría ser además de un núcleo de ferrita en el cable de alimentación de entrada, así como bobinas de modo común o diferencial en las etapas de filtrado EMI.

Antes de ir más lejos, aclaremos algunas definiciones. Los capacitores clase X y clase Y se definen por sus calificaciones de voltaje AC según lo especificado en la norma IEC 60384-14. Note que esta norma es una norma basada en el rendimiento, lo que significa que cualquier capacitor que satisfaga estos requisitos merece la clasificación X o Y relevante en la tabla a continuación.

La consideración principal respecto a la selección de estos capacitores es si pueden soportar algún valor de voltaje pico objetivo. Para los capacitores Clase Y, la consideración también es la amplitud del voltaje AC. Basándonos en estos puntos, ahora podemos ver dónde deben colocarse como parte del filtrado de entrada.

Colocación en fuentes de alimentación aisladas

En las fuentes de alimentación aisladas, los capacitores de Clase X y Clase Y se colocan para abordar tipos específicos de ruido. Los capacitores de Clase Y se utilizan para abordar el ruido de modo común mediante un punto de derivación común a tierra. Por ejemplo, cuando se usan en una entrada de CA a una fuente de alimentación de CC, se utiliza un capacitor de Clase Y en cada una de las conexiones de línea y neutro a Tierra, como se muestra a continuación. El mismo tipo de conexión a Tierra podría usarse después de un rectificador de puente, aunque esto es muy poco común.

Los capacitores de Clase X se utilizan para filtrar el ruido de modo diferencial de la misma manera, pero están conectados entre línea y neutro. Estos capacitores también se muestran a continuación.

La otra instancia en la que usarías uno de estos capacitores es para unir las dos tierras galvánicamente aisladas en una fuente de alimentación aislada. Normalmente se recomienda un capacitor de seguridad de Clase Y para esto, pero también podría usarse un capacitor de seguridad de Clase X. La idea aquí es que la conexión permite que las corrientes de ruido de alta frecuencia pasen entre las tierras según sea necesario, en lugar de permitirles irradiar su energía lejos del PCB.

El requisito de capacitancia para esta conexión es que el valor del capacitor de seguridad debe ser mucho mayor que la capacitancia parásita de bobinado. Esto generalmente significa que un capacitor de Clase Y con 1 nF a 1 uF funcionará, dependiendo del rango de frecuencia requerido para eludir al lado primario del sistema. Esta conexión de puenteo de red de tierra se muestra a continuación. Note la ubicación donde se define PGND en el lado de salida del rectificador de puente.

Observe la ubicación donde se asigna PGND: ¡es después del rectificador de puente! Esto es muy importante porque estamos conectando dos tierras de CC con el capacitor de 2200 pF. Si lo conectáramos a neutro, tendríamos un alto voltaje de CA conectado al capacitor de 2200 pF, lo que podría destruir el capacitor.

Ejemplo de Capacitores de Clase X y Clase Y

Algunos ejemplos de capacitores que podrían cumplir con los requisitos de rendimiento de la IEC 60384-14 se muestran a continuación. Partes como estas son fáciles de encontrar en Octopart; la mejor estrategia es comenzar con una búsqueda basada en el requisito de protección de voltaje de CA esperado (para Clase Y) o el requisito de pulso para Clase X. Algunos ejemplos de capacitores de Clase Y se muestran en la tabla.

¿Qué pasa con las tierras divididas en PCBs de señales mixtas?

Primero lo primero, daré a los nuevos diseñadores el consejo más importante:

Dejen de dividir la tierra en planos analógicos y digitales. Crearán más problemas de los que resolverán.

Probablemente debería decirles a las personas que sigan haciéndolo solo porque necesitarán contratar a alguien como yo para solucionar los problemas de EMI resultantes cuando los planos están divididos. Afortunadamente, me importa más su bolsillo que el mío.

Las fuentes de alimentación aisladas y las placas con ASICs aislados como los ADCs incluyen estas divisiones por razones muy específicas. Eso no significa que debas hacer lo mismo en tu placa de señal mixta solo porque contiene un ADC y un MCU. Estarás mejor simplemente usando un plano de tierra uniforme.

Dicho esto, hay una instancia muy específica de mediciones de baja frecuencia de precisión con valores de SNR bajos que a veces funciona mejor con un plano dividido y un capacitor de seguridad o un puente de ferrita que une las dos tierras. En ese caso, todavía puedes usar un capacitor o ferrita (o ambos) para controlar el camino de retorno y las corrientes de ruido. Si no sabes cómo o por qué hacer esto, entonces no lo hagas.

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