Наши основные пассивные и по своей сути аналоговые компоненты – резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности – настолько концептуально просты и легки в описании, что мы часто не можем полностью сформулировать или оценить многочисленные роли, которые каждый из них может играть в системе или схеме.
Рассмотрим скромный конденсатор с его многочисленными функциями, такими как шунтирование шин питания, удаление постоянной составляющей, фильтрация в энергосистемах, RC-фильтрация и многое другое. Для каждой из этих функций часто требуется конденсатор не только с правильным значением емкости, но и с подходящими материалами, конструкцией и технологией изготовления, соответствующими уникальным требованиям приложения.
В AC/DC приложениях подавления помех используются два специальных класса конденсаторов, называемых X-конденсаторами и Y-конденсаторами, которые используются для фильтрации электромагнитных помех от источников питания переменного тока; их часто называют защитными конденсаторами. Установка этих конденсаторов предписывается как практикой правильного проектирования, так и нормативными стандартами. Обратите внимание, что эти электромагнитные «помехи» сильно отличаются и потенциально более вредны, чем собственный шум сигнала, который просто ухудшает отношение сигнал/шум; здесь мы говорим о сетевом питании.
Основы X- и Y-конденсаторов
X-конденсаторы используются для фильтрации дифференциальных электромагнитных помех, а Y-конденсаторы – для фильтрации синфазных помех путем шунтирования помех от проводов на землю (Рисунок 1).
 |
|
| Рисунок 1. | Правильное включение X- и Y-конденсаторов в цепи переменного тока четко определено и однозначно. |
Конденсаторы X-класса используются для минимизации электромагнитных и радиочастотных помех, которые могут быть вызваны дифференциальными шумами в источнике питания переменного тока, и часто называются «междуфазными» конденсаторами или конденсаторами, «шунтирующими линию». Они устанавливаются между «линией» переменного тока (черный) и «нейтралью» (белый), чтобы свести к минимуму негативные эффекты, связанные с наведенными помехами, скачками напряжения и переходными напряжениями.
Помните, что правильная однофазная линия переменного тока имеет три подключения: фазу, также называемую «горячим» проводом, нейтраль и землю.
Не всякий конденсатор подходящего номинала подходит для выполнения функций X или Y. Конденсаторы класса X должны выдерживать все колебания сети переменного тока, выполняя свою функцию обеспечения чистого сигнала переменного тока в цепи, которая является их нагрузкой. Это может привести к возникновению опасной ситуации, если будет превышено пороговое значение напряжения или мощности конденсатора. Из-за рисков, связанных с такой ситуацией, конденсаторы класса X сконструированы таким образом, чтобы при выходе из строя они замыкались накоротко, что приводит к срабатыванию автоматического выключателя или предохранителя и разрыву цепи питания.
В отличие от них, конденсаторы класса Y часто называют конденсаторами «линия-земля» или «шунт линии». Конденсаторы класса Y устанавливаются между источником переменного тока и землей для борьбы с электромагнитными/ радиочастотными шумами, вызванными синфазными помехами в сети переменного тока.
Их состояние в режиме отказа не такое, как у конденсаторов класса X. Конденсаторы класса Y сконструированы так, чтобы при отказе происходил их разрыв, поскольку замыкание Y-конденсатора может представлять смертельную опасность поражения электрическим током для персонала, использующего защищаемое оборудование. Хотя разрыв при отказе подвергает цепь нагрузки воздействию нефильтрованного переменного напряжения, риск возгорания снижается. Еще раз обратите внимание, что состояние в режиме отказа, предусмотренное для конденсаторов класса Х, противоположно состоянию конденсаторов класса Y.
В типичных системах электропитания переменного тока нужны конденсаторы как X-, так и Y-класса (Рисунок 2).
 |
|
| Рисунок 2. | На этой схеме показано, как использовать оба конденсатора во входной цепи переменного тока. |
Типичные значения емкости этих конденсаторов зависят от специфики применения, текущих уровней напряжения и тока, а также от других факторов. Обычно они варьируются от 20 пФ до 1,000 пФ, но могут быть и больше.
Помимо состояния в режиме отказа и емкости, к этим конденсаторам предъявляется еще множество требований. Существуют также различные стандарты и связанные с ними подклассы (X1, X2, X3 и Y1, Y2, Y3, Y4), которые указывают на возможности защитных конденсаторов и пороговые значения их параметров, при этом наиболее широко используется стандарт IEC 60384-14. Он определяет классификацию безопасности защитных конденсаторов X- и Y-классов в соответствии с различными уровнями «пикового напряжения импульса», предшествующего отказу.
Эти конденсаторы подвергаются строго определенным испытаниям, и для соответствия этим требованиям используются различные технологии. Керамические и пленочные конденсаторы могут использоваться как в приложениях класса X, так и класса Y, но их форм-факторы и индивидуальные характеристики могут сделать один тип более предпочтительным выбором, чем другой в определенных приложениях. Керамические конденсаторы позволяют достичь более высоких значений емкости при меньшем объеме, в то время как пленочные обладают свойством самовосстановления.
Сложности использования этих конденсаторов
Использование этих конденсаторов в реальном оборудовании влечет за собой дополнительные трудности. Помимо стоимости самого компонента, X-конденсатор, используемый в фильтрах подавления помех, необходимо разряжать при отключении сети переменного тока (например, при извлечении сетевого шнура из розетки). Это гарантирует, что избыточное напряжение не «задержится» на сетевом шнуре, что представляет непредвиденную опасность для пользователя, который прикоснется к открытым контактам вилки.
Максимально допустимое время разряда регулируется промышленными стандартами, такими как IEC60950 и IEC60065. Это требование к разряду гарантирует, что любое напряжение высокого уровня, присутствующее на контактах вилки переменного тока, не представляет опасности поражения пользователя электрическим током. Согласно стандартам, напряжение на X-конденсаторе должно снижаться с постоянной времени не более одной секунды.
Как правило, это требование выполняется путем включения резистора параллельно X-конденсатору (иногда называемого «разрядным резистором»). Однако это сопротивление приводит к постоянному рассеиванию мощности, что влияет на энергопотребление в режиме ожидания.
Мощность, рассеиваемая в разрядном резисторе, зависит от емкости X-конденсатора. При напряжении 230 В переменного тока с разрядным резистором, соответствующим требованиям к постоянной времени, этот резистор рассеивает 5.3 милливатта (мВт) на каждые 100 нанофарад (нФ) емкости X-конденсатора. При емкости X-конденсатора 470 нФ на разрядном резисторе будет теряться около 25 мВт.
Мощные микросхемы поддержки
Разумеется, производители микросхем управления питанием увидели в этом дополнительные возможности для своего бизнеса. Они предлагают микросхемы, которые могут быть подключены последовательно с разрядными резисторами, чтобы автоматически разряжать X-конденсатор при отключении сетевого напряжения, отводя энергию от открытой вилки и защищая пользователей оборудования.
Например, компания Texas Instruments предлагает микросхемы UCC28630 и UCC28633 с функцией «Активный разряд X-конденсатора». Эта схема периодически проверяет напряжение на X-конденсаторе, чтобы обнаружить любое возможное наличие постоянного тока, указывающего на отключение сети переменного тока, а затем разряжает X-конденсатор с помощью внутреннего высоковольтного источника тока.
Другой пример – от компании Power Integrations. При подаче переменного напряжения на микросхему разряда X-конденсатора CAP300DG, которая официально называется «микросхема быстрого автоматического разряда X-конденсатора с нулевыми потерями и дополнительным генератором сигнала перехода через ноль», она блокирует протекание тока через разрядные резисторы X-конденсатора, тем самым снижая потери мощности до менее чем 5 мВт (близко к нулю) при 230 В переменного тока. При отключении переменного напряжения CAP300DG автоматически разряжает Х-конденсатор, подключая последовательные разрядные резисторы.
Назначение и необходимость этих X- и Y-конденсаторов понятны, по крайней мере, если вы о них знаете. Но что вы делаете, сталкиваясь с обычным пассивным компонентом, который вы можете идентифицировать, но выполняемую им функцию определить не можете?
