IMPORTANTE: Si se utiliza un TVS o un MOV, se DEBE UTILIZAR UN FUSIBLE EN SERIE CON LA LÍNEA CALIENTE . Esto no es opcional. Los MOVs tienden a fallar en cortocircuito, al igual que los diodos TVS. En el caso de que esto ocurra, sus opciones son utilizar un fusible, o provocar un incendio. Los fusibles son la mejor opción.
1. ¿Qué hacen estos condensadores X e Y?
Los condensadores X, junto con sus primos los condensadores Y, se agrupan y se conocen simplemente como "condensadores de seguridad". En su aplicación, que supongo que es de clase II, no tiene conexión a tierra (y por lo tanto tiene una barrera de aislamiento suficiente para calificar como clase II).
La finalidad de los condensadores de seguridad X e Y es más o menos la misma. Ambos están ahí para reducir la cantidad de EMI que se inyecta en la red desde cualquier fuente de alimentación. Como sabes, los condensadores se vuelven menos impeditivos a medida que aumenta la frecuencia, por lo que estos condensadores sirven para acortar eficazmente el ruido de alta frecuencia.
2. ¿Cuál es el problema del ruido?
Siempre se ven presentes en la etapa de entrada de una fuente de alimentación conmutada, pero suelen estar ausentes en las antiguas fuentes de alimentación basadas en transformadores de 60/50 Hz. Los armónicos de conmutación del puente rectificador se disipan en forma de pequeñas corrientes de Foucault y pérdidas de histéresis en todo ese hierro y nunca llegan a cruzar el devanado primario.
Las fuentes de alimentación conmutadas generalmente emplean ondas cuadradas (o intentan acercarse lo más posible a una onda cuadrada) y el contenido armónico de eso por sí solo no es trivial y una gran parte de él puede conducirse sólo a través del acoplamiento capacitivo de los devanados del transformador de la SMPS, nada menos que el núcleo de ferrita. Peor aún, los diodos están directamente en la red, y no hay ningún transformador que pueda mitigar potencialmente los armónicos de los diodos.
3. Una X a través de la red no es la única opción.
Voy a suponer que tienes una salida de 5V totalmente aislada (totalmente flotante), como es común para una fuente de alimentación de clase II de baja potencia.
El problema es que nunca hay nada completamente aislado. Hay capacitancia parásita de todo a todo, y de todo a todo. Probablemente haya más de un voltio de potencial de CA entre cualquier punto de tu cuerpo y la tierra en este mismo momento (suponiendo que estés flotando y no conectado a tierra a través de algo). Por eso se produce un zumbido en los equipos de audio si se toca un conector de entrada con el dedo.
Pues bien, la situación es algo más cutre en el caso de su fuente de alimentación de clase II. ¿Conoces ese pequeño transformador de ferrita? ¿El que tiene dos bobinas conductoras una al lado de la otra? Sí - se van a acoplar capacitivamente, pero la impedancia será bastante alta incluso para el ruido de alta frecuencia. Esto va a convertir todo en el lado secundario aislado en un radiador involuntario. Esto puede o no ser un problema, pero una solución es conectar un condensador Y entre la tierra del primario (la línea neutra en tu caso) y la tierra de salida. Si por alguna razón la polaridad del enchufe se invierte, puedes conectar 2 condensadores Y a la tierra de salida, casi como si fuera tu tierra.
La idea es crear una vía de impedancia mucho más baja para el ruido de alta frecuencia, desviándolo hacia el lado primario en lugar de irradiarlo.
SIN EMBARGO En este caso, hay una consideración de seguridad muy importante: has creado un camino para que la corriente se filtre a través de la barrera de aislamiento, y el potencial será potencialmente peligroso. Debes tener cuidado y asegurarte de que los condensadores Y no tienen un valor tan grande que permita que fluyan niveles peligrosos de corriente de fuga, porque ese flujo podría pasar por una persona/perro/gatito/lo que sea.
4. Vamos, ¿cómo elijo el valor del condensador X?
En realidad, todo se reduce a lo ruidosa que sea tu fuente de alimentación, a la cantidad de ruido de la red eléctrica que quieras que tolere la fuente y al factor de potencia que desees. Sin embargo, el factor de potencia es casi siempre una prioridad menor, ya que la mayoría de los países exigen que se cumplan las normas EMI por encima de todo.
Un condensador X más grande sobrevivirá a los transitorios de sobretensión más elevados, tendrá un efecto más potente sobre el ruido diferencial porque es de menor impedancia para un rango de frecuencia más amplio y, en general, sólo mejorará las cosas en el área de EMI diferencial. El inconveniente es que, al estar a través de la línea, estará constantemente consumiendo una pequeña cantidad de potencia aparente. Por ejemplo, un condensador X de 0,47µF a través de la línea con una entrada de 240VAC a 60Hz (sé que 50Hz sería más común, pero hagamos las cosas en el peor de los casos) consumirá aproximadamente 10W de potencia aparente en todo momento. Si tu SMPS es una fuente de alimentación ATX de 500W, entonces tu factor de potencia es de 0,98. Genial. Sin embargo, si se trata de una fuente de alimentación de 50W para portátiles, el factor de potencia es de 0,8. No es tan bueno. Probablemente querrás elegir algo un poco más pequeño. A medida que los niveles de potencia disminuyen, se hace menos realista conseguir un factor de potencia decente, pero tampoco hay que preocuparse tanto. Estás construyendo una fuente de alimentación de 7,5W. Digamos que consume 10W de potencia real a plena carga. Utilizando un condensador de 0,1µF se obtendría una potencia aparente de 2,2W suponiendo 240V 60Hz. Pero no pasa nada, son sólo 2,2W.
El condensador de tipo X más pequeño que se ve realmente es de 10nF, y pueden llegar a ser tan grandes como varios µF. Creo que 0,1µF es una elección razonable para tu aplicación. Consumirá algo de potencia aparente, pero ésta es del orden de 400mW en Norteamérica. 0,1µF es probablemente un poco más grande de lo que realmente necesita, pero con el ruido, suele ser mejor tener demasiada reducción de ruido que no tener la suficiente. En realidad, siempre es mejor.
Desgraciadamente, no hay una regla rígida y rápida en este caso. Realmente no se puede calcular el valor, porque el valor mínimo se basa en la EMI conducida real y en los niveles que son aceptables para su aplicación. Por otra parte, el valor no suele ser tan crítico. Normalmente lo dimensiono basándome en un factor de potencia razonable (pero no te pongas codicioso - seguro que un factor de potencia de 0,99 después de la entrada suena bastante bien, pero no importa si tu ladrillo falla FCC, etc.) y, citando a Samuel L. Jackson (en Parque Jurásico), "me agarro al culo" y espero que sea suficiente para cumplir con la EMI. Hasta ahora, no ha sido realmente un problema, siempre y cuando hayas tenido en cuenta la EMI al diseñar el resto de la alimentación.
Quizá he tenido suerte, pero hasta ahora me ha funcionado.
Yo añadiría que un segundo condensador X después de la reactancia es la colocación correcta y reducirá aún más el ruido diferencial y ayudará a la reactancia de modo común con el ruido de modo común un poco también. Pero es definitivamente opcional.
5. No has preguntado, pero vamos a hablar de los MOVs frente a los diodos TVS.
Puede utilizar un diodo TVS bidireccional, pero recuerde que su tensión de ruptura tendrá que ser mayor que las posibles condiciones de sobretensión sostenida en la red, y la tensión de pico es lo que importa aquí, por lo que 1,41*250VA = 350V, más un poco de espacio de cabeza saludable. Así que vamos a llamarlo 380V. La cuestión es que la mayoría de las sobretensiones reales que se pueden ver en la línea de CA van a contener algunos julios, y los julios hacen que los diodos TVS estallen como un poste de rascarse de plástico de burbujas en una habitación llena de gatos enfadados. Por supuesto, puedes conseguir unos bastante robustos, pero son bastante caros (más de 2 dólares) para los voltajes que necesitas. E incluso entonces, su tensión de apriete es básicamente la misma que la de un MOV.
Los MOV son preferibles en el lugar en el que has utilizado un TVS. Los MOV se activan en nanosegundos, y cualquier sobretensión que sea lo suficientemente potente como para que la diferencia entre 10 nanosegundos y 30 picosegundos sea realmente importante es probablemente demasiado para que un diodo TVS pueda manejarla de todos modos. Además, por 50 céntimos, puedes conseguir un MOV para una tensión de línea de 250VAC que puede absorber casi 200J - eso es más energía que el impacto de una pelota de béisbol yendo a 100 millas por hora. Permítanme reiterar, por 50 centavos.
Es mejor utilizar un TVS después del puente de diodos, pero antes de la conversión reductora real. Deje que las cosas más fuertes absorban las cosas pesadas, y luego cualquier pequeño pico rápido que lo haga puede ser manejado con seguridad por el diodo TVS.
