Como Usar Capacitores de Segurança Classe X e Classe Y

Fontes de alimentação isoladas fazem uso intencional de diferentes redes de terra para manter domínios de energia separados. Isso é feito parcialmente por segurança e parcialmente por EMC, embora as duas áreas estejam de certa forma relacionadas em certos padrões da indústria. Para controlar o ruído nesses sistemas, utilizamos algumas técnicas importantes como parte do filtro EMI. Uma dessas técnicas é o uso dos chamados capacitores de segurança, também conhecidos como capacitores Classe X e Classe Y.

Esses capacitores não são especiais ou únicos. Assim como um capacitor de desacoplamento, o termo “segurança” refere-se à função e colocação do capacitor, não a um tipo específico de capacitor. Minha missão neste artigo é tornar você um especialista no uso desses capacitores. Vamos mergulhar.

Onde os Capacitores de Segurança são Colocados

Em fontes de alimentação isoladas, os capacitores de segurança são colocados principalmente em dois locais:

• Como um elemento de filtragem na linha de tensão de entrada
• Como uma conexão de rede entre terras galvanicamente isoladas

No primeiro caso, os capacitores Classe X e Classe Y são colocados em circuitos de filtro EMI na entrada de uma fonte de alimentação. Isso pode ser além de um núcleo de ferrite no cabo de alimentação de entrada, bem como indutores de modo comum ou diferencial nas etapas de filtragem EMI.

Antes de irmos adiante, vamos esclarecer algumas definições. Os capacitores classe X e classe Y são definidos por suas classificações de tensão AC conforme especificado na norma IEC 60384-14. Note que esta norma é baseada em desempenho, o que significa que qualquer capacitor que atenda a esses requisitos merece a classificação X ou Y relevante na tabela abaixo.

A principal consideração na seleção desses capacitores é se eles podem suportar algum valor de pico de tensão alvo. Para os capacitores Classe Y, a consideração também é a amplitude da tensão AC. Com base nesses pontos, podemos agora ver onde eles devem ser colocados como parte da filtragem de entrada.

Colocação em Fontes de Alimentação Isoladas

Em fontes de alimentação isoladas, capacitores Classe X e Classe Y são colocados para abordar tipos específicos de ruído. Capacitores Classe Y são usados para abordar ruídos de modo comum, utilizando um ponto de derivação comum para a terra. Por exemplo, quando usados na entrada AC de uma fonte de alimentação DC, um capacitor Classe Y é usado em cada uma das conexões de linha e neutro para a Terra, conforme mostrado abaixo. O mesmo tipo de conexão com a Terra poderia ser usado após um retificador de ponte, embora isso seja muito incomum.

Capacitores Classe X são usados para filtrar ruídos de modo diferencial da mesma forma, mas eles são conectados entre linha e neutro. Esses capacitores também são mostrados abaixo.

A outra instância em que você usaria um desses capacitores é para ligar os dois terras galvanicamente isolados em uma fonte de alimentação isolada. Normalmente, um capacitor de segurança Classe Y é recomendado para isso, mas um capacitor de segurança Classe X também poderia ser usado. A ideia aqui é que a conexão permite que correntes de ruído de alta frequência passem entre os terras conforme necessário, em vez de permitir que irradiem sua energia para longe do PCB.

A exigência de capacitância para esta conexão é que o valor do capacitor de segurança deve ser muito maior do que a capacitância parasita de enrolamento. Isso geralmente significa um capacitor Classe Y com 1 nF a 1 uF funcionará, dependendo da faixa de frequência necessária para desviar para o lado primário do sistema. Esta conexão de ponte entre terras é mostrada abaixo. Observe o local onde PGND é definido no lado de saída do retificador de ponte.

Observe o local onde PGND é atribuído: é após o retificador de ponte! Isso é muito importante porque estamos conectando dois terras DC com o capacitor de 2200 pF. Se o conectássemos ao neutro, teríamos alta tensão AC ligada ao capacitor de 2200 pF, o que poderia destruir o capacitor.

Exemplo de Capacitores Classe X e Classe Y

Alguns exemplos de capacitores que podem atender aos requisitos de desempenho da IEC 60384-14 são mostrados abaixo. Peças como essas são fáceis de encontrar no Octopart; a melhor estratégia é começar com uma busca baseada no requisito de proteção de tensão AC esperado (para Classe Y) ou no requisito de pulso para Classe X. Alguns exemplos de capacitores Classe Y são mostrados na tabela.

E Sobre Terras Divididas em PCBs de Sinal Misto?

Antes de mais nada, vou dar aos novos designers por aí o conselho mais importante:

Parem de dividir o terra em planos analógicos e digitais. Vocês criarão mais problemas do que resolverão.

Eu deveria provavelmente dizer às pessoas para continuarem fazendo isso apenas porque elas precisarão contratar alguém como eu para corrigir os problemas de EMI resultantes quando os planos são divididos. Felizmente, eu me importo mais com o seu bolso do que com o meu.

Fontes de alimentação isoladas e placas com ASICs isolados como ADCs incluem essas divisões por razões muito específicas. Isso não significa que você deva fazer o mesmo em sua placa de sinal misto apenas porque ela contém um ADC e um MCU. Você está melhor apenas usando um plano de terra uniforme.

Dito isso, há uma instância muito específica de medições de baixa frequência de precisão com valores de SNR baixos que às vezes funciona melhor com um plano dividido e um capacitor de segurança ou ferrite unindo os dois terras. Nesse caso, você ainda pode usar um capacitor ou ferrite (ou ambos) para controlar o caminho de retorno e as correntes de ruído. Se você não sabe como ou por que fazer isso, então não faça.

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