El condensador "Y" en una fuente "fly-back" y las EMI

Una de las aplicaciones de los condensadores “Y” es en las fuentes de alimentación conmutadas (FAC), conectados entre el primario y el secundario del transformador de aislamiento (en las FAC “fly-back”), para reducir las emisiones conducidas en modo común hacia la red eléctrica. Para que sea efectivo, este condensador puente debe colocarse en el circuito impreso en una ubicación que minimice la inductancia de las pistas de conexión, utilizando pistas cortas y anchas en serie con el condensador. Para decidir donde conectar este condensador puente de tipo “Y” en la FAC se debe considerar que algunos puntos son buenos y otros son malos.

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Los condensadores “Y” se utilizan en los filtros de red para reducir las interferencias electromagnéticas (EMI) (emisiones conducidas en modo común) y también se usan en las fuentes de alimentación conmutadas (FAC), conectados entre el primario y el secundario del transformador de aislamiento (en las FAC “fly-back”), para reducir las emisiones conducidas en modo común hacia la red eléctrica.

 

Una FAC genera EMI conducidas no deseadas que llegan a la red eléctrica. Las EMI conducidas tienen dos modos: el modo diferencial (MD) entre las líneas de red (L y N) y el modo común (MC) entre una línea (L o N) y tierra. En general, las EMI en modo diferencial son causadas predominantemente por el acoplamiento magnético (VEMI = L di / dt), donde L es la inductancia del bucle parásito por el que circula una corriente de alta velocidad de conmutación di / dt. Por otro lado, las EMI en modo común están relacionadas principalmente con el acoplamiento eléctrico (IEMI = C dv / dt), donde C es la capacidad parásita en modo común que ve el cambio de tensión dv / dt.

 

En la figura 1(a) se muestra el mecanismo mediante el cual se generan las corrientes en modo común en la FAC. Este es el resultado de tener los circuitos de entrada y salida conectados a tierra externamente a la FAC. En este caso, el transistor de conmutación actúa como un generador de EMI al producir una gran dv / dt en el devanado primario del transformador. Esta dv / dt genera una corriente en MC a través de la capacidad parásita entre el primario y el secundario del transformador, que circula hacia la tierra en la salida de la FAC, y luego regresa a la tierra de la entrada. Incluso si el circuito de salida no estuviera conectado a tierra, este bucle todavía podría existir a consecuencia de las capacidades parásitas existentes entre el circuito de salida y la tierra. 

Esta corriente externa en MC puede eliminarse, o al menos minimizarse, haciendo que el bucle interno en la FAC sea más pequeño (menor inductancia), para que la corriente circule por él. Esta minimización del bucle se puede lograr agregando un "condensador puente" tipo “Y” entre la tierra del primario y la tierra del secundario del transformador, como se muestra en la figura 1(b).

 

Se usa un condensador tipo “Y” de seguridad (el mismo tipo de condensador utilizado en el filtro en modo común en los filtros de red), con un valor de 1 nF a 4,7 nF. Para que sea efectivo, este condensador puente debe colocarse en el circuito impreso en una ubicación que minimice la inductancia de las pistas de conexión, utilizando pistas cortas y anchas en serie con el condensador.


Para decidir donde conectar este condensador puente de tipo “Y” en la FAC se debe considerar que algunos puntos son buenos y otros son malos. La gráfica 1 muestra las EMI conducidas medidas en la red en una FAC “fly-back” cuando no se conecta ningún condensador “Y” entre el primario y el secundario del transformador. 

Un condensador “Y” conectado entre los terminales primario y secundario de la FAC es útil para atenuar las EMI en MC. Conectar un condensador “Y” entre los puntos 2 y 4 en la figura 2 puede aumentar las EMI porque el punto 2 está conectado al drenador del MOSFET y durante la conmutación circulará una gran de corriente en alta frecuencia (IEMI = C dv / dt), incrementando las EMI. De manera similar, conectar cualquier condensador “Y” entre los puntos 5 y 3 también es una mala opción para la reducción de las EMI, debido a la acción de la conmutación del diodo D en el secundario. 


Por lo tanto, se deben evitar los puntos 2 y 3 para conectar un condensador “Y” para reducir las EMI. En cambio, conectar un condensador “Y” entre los puntos 1 y 4 (posición 1) reduce las EMI (gráfica 2). Un terminal de este condensador siempre está conectado a masa del secundario (punto 4).

Si un par de diodos del rectificador en puente de entrada de la FAC están conduciendo la corriente desde la red eléctrica, el otro terminal del condensador “Y” está conectado tanto al terminal L como al terminal N de la red, directamente o a través del condensador “Cx”. Uno de los diodos rectificadores sigue conduciendo la corriente de EMI incluso cuando no está conduciendo la corriente de red. 


Por lo tanto, el segundo terminal de este condensador “Y” está conectado al terminal L o al terminal N. Así, en este caso, el condensador “Y” proporciona un camino para desviar parte de la corriente de EMI que circula hacia la red, reduciendo las EMI.

 

Se debe resaltar que, a nivel de corriente continua, los puntos 4 y 6 son un mismo punto. Pero a alta frecuencia, las distancias de conexión son críticas y en las dos posiciones, el condensador “Y” debe conectarse con los terminales lo más cortos que sea posible.


Un condensador “Y” conectado entre los puntos 5 y 6 (posición 2) reduce aún más las EMI (gráfica 3). Observar que la reducción de las EMI es mejor en la gráfica 3 que en la gráfica 2: hay una diferencia de 5 a 10 dBμV.

 

 

Las diferencias entre las dos posiciones son:

 

(a)    La suposición de que, a alta frecuencia, el punto 1 y el punto 5 son el mismo punto debido al condensador Cx de alto valor puede no ser correcta. La inductancia parásita asociada con Cx se vuelve significativa a altas frecuencias. Las gráficas 2 y 3 tienen diferencias en el extremo superior del espectro de frecuencia y confirman la suposición.

(b)  El transformador tiene una capacidad parásita entre los puntos 1 y 4. Al añadir un condensador “Y” en la posición 1 se agrega más capacidad, aumentando el valor de la capacidad parásita del transformador, mientras que al añadir un condensador “Y” en la posición 2 (puntos 5 y 6), se agrega un condensador adicional que demuestra ser más efectivo, al no haber entre los puntos 5 y 6 ninguna capacidad parásita.

 

(c)    La resistencia serie ESR del condensador de tipo “X”,  Cx es en parte la responsable del rizado de la tensión en el punto 1. Si el condensador “Y” se dispone entre los puntos 1 y 4 (posición 1), está siempre conectado al punto 1 (de alto rizado), mientras que si el condensador “Y” se dispone conectado entre los puntos 5 y 6 (posición 2), está siempre conectado al terminal del retorno del primario (punto 5), que no tiene rizado y tiene menos EMI.


El aumento del valor del condensador “Y” reduce las emisiones conducidas. Pero su valor no puede aumentar indefinidamente. El valor del condensador “Y” tiene el límite determinado por la corriente de fuga a tierra. Cualquier corriente de alta frecuencia que circule fuera de la FAC volverá a través de las líneas de entrada de la red, produciendo emisiones conducidas. En la figura 1(b), el condensador “Y” deriva gran parte de la corriente de EMI, manteniendo la mayor parte de la corriente dentro de la FAC, mientras que en la figura 1(a), toda corriente de EMI debe circular fuera de la FAC. En general, cuanto mayor es el valor del condensador “Y”, menor es la magnitud de la EMI que genera la FAC. Pero, cuanto mayor es el valor del condensador “Y”, mayor es la corriente de fuga que fluye a través de la barrera de aislamiento.

 

La corriente de fuga máxima permitida se basa en la clasificación de aislamiento específica de la aplicación. Hay otras razones por las cuales es deseable tener una baja corriente de fuga. Por ejemplo, en productos con envoltura metálica, sus FAC deben cumplir por seguridad con unas especificaciones de corriente de fuga. Esto es para evitar que los usuarios sientan la "corriente táctil" (cosquilleo) cuando sujetan el producto mientras está conectado a la red, especialmente en ambientes húmedos como en un baño lleno de vapor. 

 

La expresión siguiente calcula, por ejemplo, el valor máximo de un condensador “Y” que se puede usar sin exceder los límites de seguridad:

El redondeo al siguiente valor estándar hacia abajo del condensador proporciona un valor de capacidad máxima de 2,7 nF. Eliminar o reducir este valor del condensador “Y” generalmente no es factible, ya que al hacerlo generalmente aumentan las EMI de forma significativa. Valor de VRED(MAX) = VRED(NOM) x 1,1 = 230 x 1,15 = 265V.

El valor de la IFUGA(MAX)  puede variar dependiendo de la norma. Para equipos de tecnología de la información, la norma IEC60950 establece un valor máximo de 0,25 mA para todos los equipos en general. En otras circunstancias, este valor puede variar entre 0,75 mA y 3,5 mA. La norma IEC60601-1 establece un valor máximo de 100mA para equipos médicos.

 

En cada tipo de producto es necesario acudir a su correspondiente norma de seguridad para determinar el valor de su IFUGA(MAX)  de seguridad. Las normas de seguridad también especifican la tensión de aislamiento (por ejemplo, una tensión de aislamiento de 3.000 V en corriente alterna).  Las normas de seguridad garantizan la seguridad humana, evitando que los usuarios se conviertan en parte de la ruta para la corriente a tierra al tocar la salida o la envoltura metálica de la fuente de alimentación.

REFERENCIAS

 

·    Henry W. Ott, Electromagnetic Compatibility engineering, 2009

·    Peter Vaughan, “Designing Low Leakage Current Power Supplies”, Power Integration Inc.

·    Milind M. Jha, Kunj Behari Naik and Shyama P. Das, “Selecting Proper Connection Points for Y-Capacitor to Reduce EMI in SMPS”, ARPN Journal of Engineering      and Applied Sciences”, February 2010

·    Milind M. Jha, Kunj Behari Naik and Shyama P. Das, “Estimation of Optimum Value of Y-Capacitor for Reducing EMI in Switch Mode Power Supplies”, Electrical Power Quality and Utilisation, Number 2, 2009

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