O que o capacitor Y em um SMPS faz?

Parece que um SMPS bem projetado possui um capacitor que conecta os planos de aterramento dos lados primário e secundário do transformador, como o capacitor C13 aqui . Qual é o objetivo deste capacitor?

Eu me deixei entender que é para a supressão de EMI, mas que tipo de EMI suprime e como? Parece-me a única perna de um circuito aberto e, portanto, completamente inerte, mas obviamente estou errado sobre isso.

As fontes de alimentação de modo comutado usam o que é conhecido como "conversor flyback" para fornecer conversão de tensão e isolamento galvânico. Um componente central deste conversor é um transformador de alta frequência.

Os transformadores práticos têm alguma capacitância perdida entre os enrolamentos primário e secundário. Essa capacitância interage com a operação de comutação do conversor. Se não houver outra conexão entre entrada e saída, isso resultará em uma tensão de alta frequência entre a saída e a entrada.

Isso é muito ruim do ponto de vista da EMC. Os cabos do bloco de potência agora estão essencialmente atuando como uma antena transmitindo a alta frequência gerada pelo processo de comutação.

Para suprimir o modo comum de alta frequência, é necessário colocar capacitores entre o lado de entrada e saída da fonte de alimentação com uma capacitância substancialmente maior que a capacitância no transformador flyback. Isso reduz efetivamente a alta frequência e evita que ela escape do dispositivo.

Ao projetar um PSU classe 2 (desenterrado), não temos escolha a não ser conectar esses capacitores à entrada "ao vivo" e / ou "neutro". Como a maior parte do mundo não impõe polaridade em soquetes desenterrados, temos que assumir que um ou ambos os terminais "ativo" e "neutro" podem estar em uma tensão significativa em relação à terra e, geralmente, acabamos com um design simétrico. uma "opção menos ruim". É por isso que se você medir a saída de uma fonte de alimentação da classe 2 em relação à rede elétrica com um medidor de alta impedância, normalmente verá cerca de metade da tensão da rede elétrica.

Isso significa que, em um PSU de classe 2, temos uma difícil troca entre segurança e EMC. Aumentar os capacitores melhora a EMC, mas também resulta em uma "corrente de toque" mais alta (a corrente que fluirá através de alguém ou de algo que toque na saída da PSU e da rede elétrica). Essa troca se torna mais problemática à medida que a PSU aumenta (e, portanto, a capacitância perdida no transformador aumenta).

Em uma PSU classe 1 (aterrada), podemos usar a terra principal como uma barreira entre a entrada e a saída, conectando a saída à terra principal (como é comum nas PSUs de PCs desktop) ou usando dois capacitores, um da saída à rede elétrica terra e uma da rede elétrica à entrada (é o que a maioria dos tijolos de energia do laptop faz). Isso evita o problema da corrente de toque e ainda fornece um caminho de alta frequência para controlar a EMC.

A falha de curto-circuito desses capacitores seria muito ruim. Em uma classe 1 PSU, uma falha no capacitor entre a fonte de alimentação e o terra da rede elétrica significaria um curto para o terra, (equivalente a uma falha do isolamento "básico"). Isso é ruim, mas se o sistema de aterramento estiver funcionando, não deverá ser um grande risco direto para os usuários. Em uma PSU de classe 2, uma falha no capacitor é muito pior, significaria um risco de segurança direto e sério para o usuário (equivalente a uma falha ou isolamento "duplo" ou "reforçado"). Para evitar riscos ao usuário, os capacitores devem ser projetados de forma que a falha de curto-circuito seja muito improvável.

Portanto, capacitores especiais são usados ​​para esse fim. Esses capacitores são conhecidos como "capacitores Y" (capacitores X, por outro lado, são usados ​​entre a rede elétrica viva e a rede neutra). Existem dois subtipos principais de "capacitor Y", "Y1" e "Y2" (com Y1 sendo o tipo de classificação mais alta). Em geral, os capacitores Y1 são usados ​​no equipamento da classe 2, enquanto os capacitores Y2 são usados ​​no equipamento da classe 1.

Então, esse capacitor entre os lados primário e secundário do SMPS significa que a saída não é isolada? Vi suprimentos de laboratório que podem ser conectados em série para dobrar a tensão. Como eles fazem isso se não está isolado?

Algumas fontes de alimentação têm suas saídas conectadas à terra. Obviamente, você não pode pegar um par de fontes de alimentação com o mesmo terminal de saída conectado à terra e colocá-las em série.

Outras fontes de alimentação possuem apenas acoplamento capativo da saída para a entrada ou para a rede elétrica. Eles podem ser conectados em série, pois os capacitores bloqueiam a CC.

Na minha experiência como engenheiro eletrônico, descobri que muitas fontes de alimentação profissionais de classe II têm um vazamento de cerca de 80v CA para o terra devido à presença do capacitor Y. O IEE permite uma corrente de fuga de <85uA para equipamentos não médicos. No entanto, pode causar problemas com os circuitos de áudio. Eu já vi alguns casos de zumbido no loop de terra quando um laptop é conectado a um amplificador de áudio ou quando efeitos no palco são conectados a um PA. Pessoalmente, experimentei um choque leve, mas desagradável, de um microfone devido ao vazamento de um SMPS. Minha solução inicial foi remover os capacitores Y e ajustar uma conexão de aterramento, mas acabei construindo minhas próprias PSUs lineares usando um toroidal. Tanto quanto "empilhamento"

Responder diretamente à pergunta do OP; o uso de capacitores Y, embora esteja em conformidade com as práticas de engenharia padrão do passado, provavelmente deve ser evitado em novos projetos. Uma nova troca de engenharia para o uso de capacitores Y surgiu na última década, devido aos requisitos da NEC (Código Nacional Elétrico Nacional dos EUA) para o uso de disjuntores GFCI e AFCI. Esses disjuntores foram projetados para disparar a uma corrente de terra total de 5 mA para todas as tomadas CA em um circuito derivado. Obviamente, permitir 3,5 mA por dispositivo de classe I aumenta rapidamente para um centro de entretenimento típico da sala de estar ou uma estação de trabalho de computador. Embora os padrões atuais de vazamento permitam isso, os OEMs estão recebendo cada vez mais reclamações dos consumidores de que seu produto "aciona meu disjuntor, eu o quero consertado"https://www.fluke.com/en-us/learn/blog/grounding/chasing-ghost-trips-in-gfci-protected-circuits . Os requisitos da NEC têm aumentado na última década, e muitos estados e cidades só agora estão incorporando totalmente. Embora os dispositivos da classe II (sem um terceiro pino de aterramento no plugue CA) possuam especificações de vazamento mais rigorosas, eles são a solução para a qual os projetistas parecem estar se movendo; esses dispositivos são capazes de atender às especificações EMI sem nenhum capacitor Y.