X-Kondensatorauswahl für SMPS-Stromversorgung

WICHTIG: Wenn Sie einen Fernseher oder einen MOV verwenden, MÜSSEN SIE EINE SICHERUNG IN SERIE MIT DER HOT LINE VERWENDEN . Dies ist nicht optional. MOVs neigen dazu, kurzgeschlossen auszufallen, ebenso wie TVS-Dioden. In diesem Fall haben Sie die Wahl, eine Sicherung zu verwenden oder ein Feuer zu entfachen. Sicherungen sind die bessere Option.

1. Was machen diese X- und Y-Kondensatoren überhaupt?

X-Kondensatoren werden zusammen mit ihren Vettern Y-Kondensatoren zusammen gruppiert und einfach als "Sicherheitskondensatoren" bezeichnet. In Ihrer Anwendung, von der ich annehme, dass sie Klasse II ist, haben Sie keine Erdverbindung (und haben daher eine ausreichende Isolationsbarriere, um als Klasse II zu gelten).

Der Zweck der X- und Y-Sicherheitskondensatoren ist mehr oder weniger derselbe. Sie sind beide da, um die Menge an EMI zu reduzieren, die in das Stromnetz eingespeist wird, unabhängig davon, was das Netzteil tut. Wie Sie wissen, werden Kondensatoren mit zunehmender Frequenz weniger hinderlich, sodass diese Kondensatoren dazu dienen, höherfrequentes Rauschen effektiv zu unterdrücken.

2. Was ist das Besondere an Lärm?

An der Eingangsstufe eines Schaltnetzteils sind sie immer vorhanden, bei älteren transformatorbasierten 60/50-Hz-Netzteilen fehlen sie jedoch im Allgemeinen. Die Schaltharmonischen vom Brückengleichrichter werden alle als winzige Wirbelströme und Hystereseverluste in all dem Eisen abgeführt und gelangen nie zurück in die Primärwicklung.

Schaltnetzteile verwenden im Allgemeinen Rechteckwellen (oder versuchen, einer Rechteckwelle so nahe wie möglich zu kommen), und der harmonische Inhalt davon allein ist nicht trivial, und ein großer Teil davon kann nur durch die kapazitive Kopplung der SMPS-Transformatorwicklungen geleitet werden , immerhin der Ferritkern. Schlimmer noch, die Dioden befinden sich direkt am Netz und es gibt keinen Transformator, der die Oberwellen der Dioden möglicherweise abschwächen könnte.

3. Ein X über Netz ist nicht die einzige Option.

Ich gehe davon aus, dass Sie einen vollständig isolierten (vollständig schwebenden) 5-V-Ausgang haben, wie es für ein Netzteil der Klasse II mit geringer Leistung üblich ist.

Das Problem ist, dass nichts jemals vollständig isoliert ist. Es gibt parasitäre Kapazitäten von allem zu allem und von überall zu überall. In diesem Moment liegt wahrscheinlich über einem Volt Wechselstrompotential zwischen jedem Punkt Ihres Körpers und der Erde (vorausgesetzt, Sie schweben und sind nicht durch etwas geerdet). Aus diesem Grund ertönt bei Audiogeräten ein Brummen, wenn Sie eine Eingangsbuchse mit dem Finger berühren.

Nun, bei Ihrem Klasse-II-Netzteil ist die Situation etwas beschissener. Kennen Sie diesen kleinen Ferrittransformator? Die mit zwei leitfähigen Wicklungen direkt nebeneinander? Ja - sie werden kapazitiv koppeln, aber die Impedanz wird selbst bei hochfrequentem Rauschen ziemlich hoch sein. Dies wird alles auf der isolierten Sekundärseite in einen unbeabsichtigten Strahler verwandeln. Dies kann ein Problem sein oder auch nicht, aber eine Lösung besteht darin, einen Y-Kondensator zwischen der Primärmasse (in Ihrem Fall der Neutralleiter) und der Ausgangsmasse anzuschließen. Wenn aus irgendeinem Grund die Polarität des Steckers umgekehrt werden könnte, können Sie 2 Y-Kondensatoren an die Ausgangsmasse anschließen, fast so, als wäre es Ihre Erde.

Die Idee ist, einen Pfad mit viel niedrigerer Impedanz für hochfrequentes Rauschen zu schaffen, indem es zurück zur Primärseite geleitet wird, anstatt es abzustrahlen.

JEDOCH gibt es hier eine sehr wichtige Sicherheitsüberlegung: Sie haben einen Weg geschaffen, auf dem Strom über die Isolationsbarriere lecken kann, und das Potenzial ist potenziell gefährlich. Sie müssen vorsichtig sein und sicherstellen, dass die Y-Kondensatoren nicht so groß sind, dass gefährliche Leckströme fließen können, da dieser Strom durch eine Person / einen Hund / ein Kätzchen / was auch immer gehen könnte.

4. Komm schon, wie wähle ich diesen X-Kondensatorwert aus?!

Es kommt wirklich nur darauf an, wie laut Ihr Netzteil ist, wie viel Netzrauschen das Netzteil tolerieren soll und wie gut der Leistungsfaktor sein soll. Der Leistungsfaktor hat jedoch fast immer eine geringere Priorität, da die meisten Länder von Ihnen verlangen, dass Sie die EMI-Standards vor allem anderen erfüllen.

Ein größerer X-Kondensator übersteht höhere Stoßspitzen, hat eine stärkere Wirkung auf das Differenzrauschen, da er in einem breiteren Frequenzbereich eine niedrigere Impedanz aufweist, und verbessert im Allgemeinen nur die Dinge im Bereich der Differenzial-EMI. Der Nachteil ist, dass es, wenn es sich über die Linie befindet, ständig eine kleine Menge an Scheinleistung zieht. Zum Beispiel verbraucht ein 0,47-µF-X-Kondensator über die Leitung mit 240-VAC-Eingang bei 60 Hz (ich weiß, dass 50 Hz häufiger vorkommen würden, aber machen wir es im schlimmsten Fall) immer ungefähr 10 W Scheinleistung. Wenn Ihr SMPS ein 500-W-ATX-Netzteil ist, beträgt Ihr Leistungsfaktor 0,98. Großartig! Wenn es sich jedoch um einen 50-W-Laptop-Power-Brick handelt, beträgt Ihr Leistungsfaktor jetzt 0,8. Nicht so gut. Sie werden wahrscheinlich etwas kleiner wählen wollen. Wenn die Leistungspegel weiter abnehmen, Es wird weniger realistisch, einen anständigen Leistungsfaktor zu erreichen, aber Sie müssen sich auch nicht wirklich darum kümmern. Sie bauen ein 7,5-W-Netzteil. Nehmen wir an, es zieht 10 W Wirkleistung unter Volllast. Die Verwendung eines 0,1-µF-Kondensators würde bei 240 V 60 Hz zu einer scheinbaren Leistungsaufnahme von 2,2 W führen. Aber das ist ok, es sind nur 2,2 W.

Der kleinste X-Typ-Kondensator, den Sie wirklich sehen, ist 10 nF, und sie können mehrere µF groß werden. Ich denke, 0,1 µF ist eine vernünftige Wahl für Ihre Anwendung. Sie werden etwas Scheinleistung verbrauchen, aber diese liegt in Nordamerika in der Größenordnung von 400 mW. 0,1 µF ist wahrscheinlich etwas größer als Sie wirklich brauchen, aber bei Rauschen ist es normalerweise besser, zu viel Rauschunterdrückung zu haben als zu wenig. Eigentlich ist es immer besser.

Leider gibt es hier aber keine wirklich feste Regel. Sie können den Wert nicht wirklich berechnen, da der Mindestwert auf der tatsächlich geleiteten EMI und den für Ihre Anwendung akzeptablen Pegeln basiert. Andererseits ist der Wert normalerweise nicht so kritisch. Ich bemesse es normalerweise basierend auf einem angemessenen Leistungsfaktor (aber werde nicht gierig - sicher, ein Leistungsfaktor von 0,99 nach dem Eingang klingt ziemlich süß, aber es spielt keine Rolle, ob dein Ziegel FCC usw. nicht erfüllt) und, bis Zitieren Sie Samuel L. Jackson (in Jurassic Park), ich "halte meinen Hintern fest" und hoffe, dass es ausreicht, um die EMI-Konformität zu erfüllen. Bisher war es kein wirkliches Problem, solange Sie bei der Gestaltung des Rests der Versorgung EMI im Auge behalten haben.

Vielleicht habe ich einfach nur Glück gehabt, aber bisher hat es bei mir funktioniert.

Ich würde hinzufügen, dass ein zweiter X-Kondensator nach der Drossel die richtige Platzierung ist und das Differenzrauschen weiter reduziert und der Gleichtaktdrossel auch ein wenig mit Gleichtaktrauschen hilft. Aber es ist definitiv optional.

5. Sie haben nicht gefragt, aber lassen Sie uns über MOVs vs. TVS-Dioden sprechen.

Sie KÖNNEN hier eine bidirektionale TVS-Diode verwenden, aber denken Sie daran, dass Ihre Durchbruchspannung höher sein muss als potenzielle anhaltende Überspannungsbedingungen am Netz, und die Spitzenspannung ist hier entscheidend, also 1,41 * 250 VA = 350 V plus etwas gesunder Headroom. Nennen wir es also 380V. Die Sache ist die, dass die meisten wirklichen Überspannungen, die Sie vielleicht auf der Wechselstromleitung sehen, einige Joule hinter sich packen werden, und Joule lassen TVS-Dioden wie einen Luftpolster-Kratzbaum in einem Raum voller wütender Katzen platzen. Sicher, Sie können ziemlich kräftige bekommen, aber sie werden ziemlich teuer ($ 2 +) bei den Spannungen, die Sie brauchen. Und selbst dann ist ihre Klemmspannung im Grunde die gleiche wie bei einem MOV.

MOVs werden dort bevorzugt, wo Sie einen Fernseher verwendet haben. MOVs greifen in Nanosekunden ein, und jeder Anstieg, der stark genug ist, um den Unterschied zwischen 10 Nanosekunden und 30 Pikosekunden auszumachen, ist wahrscheinlich ohnehin zu viel für eine TVS-Diode. Plus für 50 Cent erhalten Sie einen MOV mit einer Nennspannung von 250 VAC, der fast 200 J absorbieren kann - das ist mehr Energie als der Aufprall eines Baseballs mit 100 Meilen pro Stunde. Lassen Sie mich wiederholen, für 50 Cent.

Es ist besser, einen TVS nach der Diodenbrücke, aber vor der eigentlichen Tiefsetzwandlung zu verwenden. Lassen Sie kräftigere Dinge das schwere Zeug aufsaugen, und dann können alle winzigen schnellen Spitzen, die durchkommen, sicher von der TVS-Diode gehandhabt werden.