Come utilizzare i condensatori di sicurezza Classe X e Classe Y

Le alimentazioni isolate fanno uso intenzionale di diverse reti di terra per mantenere separati i domini di potenza. Questo è in parte fatto per sicurezza e in parte per EMC, anche se le due aree sono in qualche modo correlate in certi standard industriali. Per controllare il rumore in questi sistemi, facciamo uso di alcune tecniche importanti come parte del filtraggio EMI. Una di queste tecniche è l'uso dei cosiddetti condensatori di sicurezza, noti anche come condensatori di Classe X e Classe Y.

Questi condensatori non sono speciali o unici. Proprio come un condensatore di disaccoppiamento, il termine “sicurezza” si riferisce alla funzione e al posizionamento del condensatore, non a un tipo specifico di condensatore. La mia missione in questo articolo è rendervi esperti sull'uso di questi condensatori. Facciamoci un tuffo.

Dove sono posizionati i condensatori di sicurezza

Nelle alimentazioni isolate, i condensatori di sicurezza sono posizionati principalmente in due luoghi:

• Come elemento di filtraggio sulla linea di tensione di ingresso
• Come connessione di rete tra terre galvanicamente isolate

Nel primo caso, i condensatori di Classe X e Classe Y sono posizionati nei circuiti di filtro EMI all'inizio di un'alimentazione. Questo potrebbe essere in aggiunta a un induttore di ferrite sul cavo di alimentazione di ingresso, così come induttori in modo comune o differenziale nelle fasi di filtraggio EMI.

Prima di andare oltre, facciamo chiarezza su alcune definizioni. I condensatori di classe X e classe Y sono definiti dalle loro valutazioni di tensione AC come specificato nello standard IEC 60384-14. Nota che questo standard è uno standard basato sulle prestazioni, il che significa che qualsiasi condensatore che soddisfa questi requisiti merita la relativa classificazione X o Y nella tabella sottostante.

La considerazione principale riguardo la selezione di questi condensatori è se possono sopportare un certo valore di picco di tensione. Per i condensatori di Classe Y, la considerazione è anche l'ampiezza della tensione AC. Basandoci su questi punti, possiamo ora vedere dove devono essere posizionati come parte del filtraggio di ingresso.

Posizionamento nelle alimentazioni isolate

Nelle alimentazioni isolate, i condensatori di Classe X e Classe Y sono posizionati per affrontare specifici tipi di rumore. I condensatori di Classe Y sono utilizzati per affrontare il rumore in modo comune utilizzando un punto di shunt comune verso la terra. Ad esempio, quando utilizzati su un ingresso AC di un'alimentazione DC, un condensatore di Classe Y è utilizzato su ciascuna delle connessioni di linea e neutro verso la Terra, come mostrato di seguito. Lo stesso tipo di connessione alla Terra potrebbe essere utilizzato dopo un raddrizzatore a ponte, anche se ciò è molto raro.

I condensatori di Classe X sono utilizzati per filtrare il rumore in modo differenziale allo stesso modo, ma sono connessi tra linea e neutro. Anche questi condensatori sono mostrati di seguito.

L'altra istanza in cui si utilizzerebbe uno di questi condensatori è per collegare i due terreni galvanicamente isolati in un'alimentazione isolata. Normalmente si raccomanda un condensatore di sicurezza di Classe Y per questo, ma potrebbe essere utilizzato anche un condensatore di sicurezza di Classe X. L'idea qui è che la connessione permette alle correnti di rumore ad alta frequenza di passare tra i terreni secondo necessità piuttosto che permettere loro di irradiare la loro energia lontano dal PCB.

Il requisito di capacitanza per questa connessione è che il valore del condensatore di sicurezza deve essere molto maggiore della capacitanza parassita dell'avvolgimento. Questo di solito significa che un condensatore di Classe Y con 1 nF a 1 uF funzionerà, a seconda dell'intervallo di frequenza richiesto per bypassare al lato primario del sistema. Questa connessione di ponte della rete di terra è mostrata di seguito. Notare la posizione dove PGND è definito sul lato di uscita del raddrizzatore a ponte.

Notare la posizione dove PGND è assegnato: è dopo il raddrizzatore a ponte! Questo è molto importante perché stiamo collegando due terreni DC con il condensatore da 2200 pF. Se lo collegassimo al neutro, avremmo alta tensione AC attaccata al condensatore da 2200 pF, il che potrebbe distruggere il condensatore.

Esempio di Condensatori di Classe X e Classe Y

Di seguito sono mostrati alcuni esempi di condensatori che potrebbero soddisfare i requisiti di prestazione IEC 60384-14. Parti come queste sono facili da trovare su Octopart; la migliore strategia è iniziare con una ricerca basata sul requisito di protezione della tensione AC previsto (per la Classe Y) o sul requisito di impulso per la Classe X. Alcuni esempi di condensatori di Classe Y sono mostrati nella tabella.

E cosa dire dei terreni separati nei PCB a segnale misto?

Prima di tutto, darò ai nuovi progettisti là fuori il pezzo di consiglio più importante:

Smettete di dividere la massa in piani analogici e digitali. Creerete più problemi di quanti ne risolverete.

Dovrei probabilmente dire alle persone di continuare a farlo solo perché avranno bisogno di assumere qualcuno come me per risolvere i problemi di EMI risultanti quando i piani sono divisi. Fortunatamente, mi preoccupo più del vostro portafoglio che del mio.

Alimentatori isolati e schede con ASIC isolati come gli ADC includono queste divisioni per motivi molto specifici. Questo non significa che dovreste fare lo stesso nella vostra scheda a segnali misti solo perché contiene un ADC e un MCU. Fareste meglio a utilizzare semplicemente un piano di massa uniforme.

Detto questo, esiste un caso molto specifico di misurazioni di precisione a bassa frequenza con valori SNR bassi che a volte funziona meglio con un piano diviso e un condensatore di sicurezza o un ponte di ferrite che collega le due masse. In quel caso, potete comunque utilizzare un condensatore o una ferrite (o entrambi) per controllare il percorso di ritorno e le correnti di rumore. Se non sapete come o perché farlo, allora non fatelo.

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