Základné pasívne a vo svojej podstate analógové komponenty - rezistory, kondenzátory a indukčnosti - sú tak koncepčne jednoduché a ľahko opísateľné, že často nedokážeme úplne vyjadriť alebo oceniť mnohé úlohy, ktoré môžu zohrávať v systéme alebo obvode.

Vezmime si napríklad skromný kondenzátor s jeho mnohými funkciami, ako je obchádzanie napájacieho napätia, blokovanie jednosmerného prúdu, filtrovanie veľkého výkonu, RC filtrovanie a ďalšie. Každá z nich si často vyžaduje kondenzátor nielen so správnou hodnotou, ale aj s vhodnými materiálmi, konštrukciou a výrobou prispôsobenou jedinečným požiadavkám aplikácie.

V aplikáciách AC/DC EMC filtrov existujú dve špeciálne triedy kondenzátorov nazývané X-kondenzátory a Y-kondenzátory, ktoré sa používajú na filtrovanie EMI zo zdrojov striedavého prúdu a často sa spoločne označujú aj ako bezpečnostné kondenzátory. Tieto kondenzátory sú predpísané správnymi konštrukčnými postupmi, ako aj regulačnými normami. Všimnite si, že tento EMI „šum“ je veľmi odlišný a potenciálne škodlivejší ako základný signálový šum, ktorý len zhoršuje SNR, nakoľko tu hovoríme o sieťovom napájaní.

Základy kondenzátorov X a Y

Kondenzátory X sa používajú na filtrovanie EMI v diferenciálnom režime, zatiaľ čo kondenzátory Y sa používajú na filtrovanie EMI v spoločnom režime tým, že prepúšťajú rušenie z vodičov na zem (obrázok 1):

Obrázok 1 Správne umiestnenie kondenzátorov X a Y vzhľadom na striedavé vedenie je presne definované a jednoznačné.

Kondenzátory triedy X sa používajú na potlačenie elektromagnetického (EMI) a rádiofrekvenčného rušenia (RFI), ktoré vzniká v dôsledku diferenciálneho šumu medzi fázovým a neutrálnym vodičom v jednofázovom napájacom obvode striedavého prúdu. Tieto kondenzátory sú navrhnuté pre zapojenie medzi fázový (L) a neutrálny (N) vodič a často sa označujú ako "line-to-line" alebo "across-the-line" kondenzátory.

Ich hlavnou úlohou je obmedziť prenos rušenia späť do elektrickej siete a zároveň znížiť vplyv prepätí a prechodových javov, ktoré môžu byť spôsobené spínaním induktívnych záťaží alebo atmosférickými výbojmi.

Poznámka: V súlade so štandardnou konfiguráciou jednofázového napájania (podľa STN a IEC noriem), má elektrické vedenie tri základné vodiče:

• Fázový vodič (L) – zabezpečuje prívod napätia (označuje sa aj ako „live“ alebo „hot“),
• Neutrálny vodič (N) – slúži ako spätná cesta pre prúd,
• Ochranný vodič (PE) – zemniaci vodič, ktorý zabezpečuje bezpečnosť zariadení a osôb.

Nie každý kondenzátor so zodpovedajúcou kapacitou je vhodný na použitie ako kondenzátor triedy X alebo Y. Kondenzátory triedy X sú navrhnuté tak, aby zvládali všetky bežné výkyvy a zaťaženie v sieti striedavého napájania (AC). Ich úlohou je filtrovanie rušenia medzi fázou a neutrálnym vodičom, čím zabezpečujú čisté napájacie napätie pre pripojené elektrické zariadenie (zaťažovací obvod). Ak dôjde k prekročeniu ich menovitého napätia alebo výkonového limitu, môže vzniknúť nebezpečná situácia.

Z tohto dôvodu sú kondenzátory triedy X konštruované tak, aby pri poruche vytvorili skrat. Tento zámerný spôsob zlyhania spôsobí prerušenie napájania prostredníctvom istiaceho prvku alebo poistky, čím sa predíde ďalšiemu poškodeniu alebo požiaru.

Naopak, kondenzátory triedy Y, označované aj ako „fáza – zem“ alebo „obchádzkové“ kondenzátory, sa zapájajú medzi napájacie vodiče (L a/alebo N) a ochranný vodič (PE). Ich hlavnou úlohou je potlačenie spoločného rušenia (common-mode noise), ktoré vzniká na napájacej sieti.

Ich spôsob poruchy je zásadne odlišný od triedy X. Keďže by skrat kondenzátora triedy Y mohol predstavovať vážne riziko zásahu elektrickým prúdom pre používateľa, sú tieto kondenzátory konštruované tak, aby pri poruche zlyhali v otvorenom stave (prerušenie obvodu). Hoci tým dôjde k strate filtračnej funkcie a prístroj je vystavený nefiltrovanému rušeniu zo siete, riziko požiaru alebo úrazu elektrickým prúdom sa minimalizuje.

Zhrnutie:

• Trieda X: zlyhanie → skrat - ochrana pred požiarom, spustí istič
• Trieda Y: zlyhanie → prerušenie - ochrana pred zásahom elektrickým prúdom

V typickej aplikácii striedavého napájania sú potrebné kondenzátory triedy X aj triedy Y (obrázok 2).

Obrázok 2 Táto schéma znázorňuje použitie oboch typov kondenzátorov vo vstupnom obvode striedavého prúdu.

Typické hodnoty kapacity bezpečnostných kondenzátorov závisia od konkrétneho použitia, úrovne napätia a prúdu, ako aj od ďalších prevádzkových podmienok. Bežné rozsahy sa pohybujú od približne 20 pikofaradov (pF) do 1 000 pF, v niektorých prípadoch aj viac, v závislosti od požiadaviek na filtráciu.

Bezpečnostné kondenzátory podliehajú prísnym normatívnym požiadavkám, ktoré sa netýkajú len ich spôsobu poruchy či hodnoty kapacity. Existujú aj rôzne podtriedy v rámci triedy X a Y, ktoré určujú odolnosť kondenzátora voči impulznému napätiu a ďalšie charakteristiky:

• Trieda X: X1, X2, X3
• Trieda Y: Y1, Y2, Y3, Y4

Tieto podtriedy definujú hraničné hodnoty impulzného napätia (peak voltage pulse), ktoré kondenzátor dokáže krátkodobo zniesť pred zlyhaním. Najčastejšie používaná norma pre tieto komponenty je IEC/EN 60384-14, ktorá špecifikuje klasifikáciu, skúšobné metódy a požiadavky na bezpečnostné kondenzátory tried X a Y. Kondenzátory tried X a Y musia prejsť štandardizovanými skúškami odolnosti a spoľahlivosti, pričom na splnenie týchto požiadaviek sa používajú rôzne technológie výroby:

• Keramické kondenzátory ponúkajú vyššie hodnoty kapacity v menšom objeme, sú preto vhodné tam, kde sú rozmery kritické.
• Fóliové kondenzátory majú prirodzenú samoregeneračnú schopnosť, čo zvyšuje ich spoľahlivosť pri dlhodobej prevádzke, najmä v aplikáciách s častými impulzmi.

Výber konkrétneho typu kondenzátora (keramický vs. fóliový) závisí od požiadaviek danej aplikácie, priestorových možností a očakávanej záťaže.

Dopady použitia bezpečnostných kondenzátorov v praxi

Pri použití bezpečnostných kondenzátorov v reálnych inštaláciách vznikajú ďalšie dôležité súvislosti. Okrem samotnej ceny komponentu je potrebné pri kondenzátoroch triedy X, používaných napríklad vo filtroch elektromagnetickej kompatibility (EMC), zabezpečiť aj ich vybitie po odpojení od siete – napríklad po vytiahnutí napájacieho kábla zo zásuvky. Táto požiadavka existuje preto, aby sa na kolíkoch vidlice nenachádzalo zvyškové vysoké napätie, ktoré by mohlo predstavovať riziko úrazu elektrickým prúdom pre používateľa pri dotyku.

Maximálny povolený čas vybíjania kondenzátora triedy X je upravený normami ako IEC 60950 a IEC 60065 (v niektorých prípadoch nahradené novšou normou IEC 62368-1). Tieto normy vyžadujú, aby napätie na svorkách kondenzátora po odpojení od siete pokleslo pod bezpečnú úroveň do jednej sekundy, t. j. časová konštanta vybíjania nesmie presiahnuť 1 s.

Požiadavka na bezpečné vybitie kondenzátora triedy X sa zvyčajne realizuje pripojením rezistora paralelne ku kondenzátoru, tzv. vybíjacieho rezistora (označovaného aj ako bleeder resistor). Tento prvok zabezpečuje, že po odpojení napájania dôjde k riadenému poklesu napätia na kondenzátore v súlade s normou. Nevýhodou tohto riešenia je, že vybíjací rezistor spôsobuje trvalý odber výkonu, a to aj v pohotovostnom režime zariadenia, čo negatívne ovplyvňuje spotrebu v stand-by režime. Straty výkonu vo vybíjacom rezistore závisia od hodnoty kapacity kondenzátora triedy X. Pri napájacom napätí 230 V AC a odpore, ktorý spĺňa požadovanú časovú konštantu (τ ≤ 1 s), dochádza k nasledujúcim stratám:

• 5,3 mW straty na každý 100 nF kapacity kondenzátora triedy X
• Napríklad pri kapacite 470 nF predstavuje výkonová strata vo vybíjacom rezistore približne 25 mW

Tieto straty môžu byť relevantné najmä pri zariadeniach, ktoré sú neustále pripojené k sieti (napr. spotrebiče v režime stand-by alebo adaptéri), kde sa kladie dôraz na nízku spotrebu v nečinnosti podľa noriem pre ekodizajn.

Podpora zo strany výrobcov integrovaných obvodov

Výrobcovia integrovaných obvodov pre napájacie systémy si uvedomujú potenciál tohto problému a ponúkajú špecializované čipy, ktoré zvyšujú bezpečnosť aj efektivitu. Tieto obvody možno zaradiť do série s vybíjacími (bleeder) rezistormi, pričom automaticky vybíjajú energiu uloženú v X-kondenzátore po odpojení striedavého napätia zo siete. Tým zabraňujú tomu, aby sa zvyškové napätie prenášalo do kolíkov vidlice a predstavovalo riziko pre používateľa.

Príklady riešení:

• Texas Instruments ponúka obvody UCC28630 a UCC28633, ktoré obsahujú funkciu "aktívne vybíjanie X-kondenzátora" (Active X-capacitor Discharge). Tento obvod priebežne monitoruje napätie na kondenzátore triedy X. V prípade, že zistí jednosmerný stav (DC) — čo indikuje odpojenie striedavého napätia — spustí vybíjanie kondenzátora pomocou vnútorného vysokonapäťového zdroja prúdu.
• Power Integrations ponúka riešenie s názvom CAP300DG (CAPZero-3) – ide o integrovaný obvod pre automatické a rýchle vybíjanie X-kondenzátora s minimálnymi stratami, vrátane voliteľného generátora nulového prechodu bez strát (lossless zero-crossing detector). Počas bežnej prevádzky (pri pripojení na sieť) tento čip blokuje prúd cez vybíjacie rezistory, čím znižuje ich straty pod 5 mW (prakticky na nulovú úroveň). Po odpojení AC napájania automaticky pripojí rezistory a zabezpečí bezpečné vybíjanie X-kondenzátora.

Záver

Funkcia a význam bezpečnostných kondenzátorov triedy X a Y je jasná – ak viete, čo hľadáte. Ale čo urobíte, ak sa stretnete s na pohľad bežným pasívnym prvkom, ktorý síce identifikujete, no jeho účel nie je na prvý pohľad zrejmý?

Práve v takých prípadoch pomáha porozumenie kontextu použitia – niektoré "nenápadné" kondenzátory môžu byť kľúčovým bezpečnostným prvkom celej aplikácie.