Filtr EMI bez przewodu PE - schemat i zastosowanie

Pytanie

filtr EMI bez przewodu PE schemat

Odpowiedź Sztucznej Inteligencji

Bezpośrednia odpowiedź na pytanie

• Tak – filtr EMI dla urządzenia bez przewodu PE (klasa II) realizuje się wyłącznie między L–N, ewentualnie z symetrycznymi kondensatorami klasy Y do „wewnętrznego punktu odniesienia”/ekranu, ale nigdy do PE.
• Minimalny i skuteczny schemat: dławik wspólny (CM choke) w szereg z L i N + kondensator X2 między L–N. Opcjonalnie drugi stopień L–C oraz (jeśli to konieczne) para kondensatorów Y1/Y2 przez barierę izolacji do masy wtórnej/ekranu, z kontrolą prądu upływu.

Szczegółowa analiza problemu

• Cele filtru:
  • Tłumienie zakłóceń różnicowych (DM): napięcia/ prądy występujących między L i N.
  • Tłumienie zakłóceń wspólnych (CM): składowych „wspólnych” L i N względem otoczenia.
• Ograniczenie: brak PE uniemożliwia stosowanie kondensatorów Y do ziemi, co osłabia tłumienie CM. Dlatego:
  • stosujemy dławik wspólny (zwiększa impedancję dla CM),
  • a kondensator X2 między L–N zamyka ścieżkę dla DM.
  • Gdy CM nadal dominuje, można użyć symetrycznych kondensatorów Y przez barierę izolacji (np. do masy wtórnej/ekranu), utrzymując ograniczony prąd upływu i zgodność z normą wyrobu (np. IEC 62368‑1 dla ICT/AV, IEC 60335‑1 dla AGD).

Schematy ideowe (ASCII)

1. Najprostszy filtr DM+CM bez PE (jeden stopień)

   L_in ──[ LCM ]────────────── L_out
          │
          │----[ Cx (X2) ]----
          │                  │
   N_in ──[ LCM ]────────────── N_out

• LCM: dławik wspólny (2 uzwojenia na jednym rdzeniu), prąd znamionowy ≥ prąd obciążenia.
• Cx: kondensator klasy X2, 47–220 nF / 275 VAC (dla 230 V) lub 125–250 VAC (dla 120 V), dobierany z uwzględnieniem impedancji przy f_sw źródła zakłóceń.

2. Dwustopniowy L–C–L–C (lepsze tłumienie DM; nadal bez PE)

   L_in ─[ LCM1 ]─+─[ Cx1 (X2) ]─+─[ LCM2 ]─+─[ Cx2 (X2) ]─ L_out
               |               |          |               |
   N_in ─[ LCM1 ]─+───────────────+─[ LCM2 ]─+────────────── N_out

• Dwa mniejsze dławiki zmniejszają nasycenie i poszerzają pasmo tłumienia.
• Cx1 blisko wejścia, Cx2 blisko wyjścia filtru.

3. Gdy potrzebne mocniejsze tłumienie CM w klasie II (bez PE) – Y do „wewnętrznego punktu odniesienia”

              ┌───────────── (węzeł SHIELD / 0V wtórne / ekran) ─────────────┐
              │                                                               │
   L_in ─[ LCM ]─┼──────── L_out         L_out ──[ CyA (Y1/Y2) ]───┐              │
              │                                                │              │
              │───[ Cx (X2) ]───│                              │              │
              │                                                │              │
   N_in ─[ LCM ]─┼──────── N_out         N_out ──[ CyB (Y1/Y2) ]───┘              │
              │                                                               │
              └─────────────────────────────[ opcj. Rbleed 1–10 MΩ ]──────────┘

• CyA, CyB: zwykle 0.5–2.2 nF każdy; klasa Y1 (zalecane) lub Y2 – po stronie bezpieczeństwa odpowiedniej dla przeskoku przez barierę izolacji. Taki układ bywa stosowany w zasilaczach klasy II do redukcji CM przez „pływający” ekran/masę wtórną. Nie łącz z elementami dostępnymi dotykowo (osłona dostępna musi pozostać galwanicznie odizolowana).

Dobór elementów (wartości startowe)

• Dławik wspólny (LCM):
  • 2×2…10 mH, prąd znamionowy ≥ I_obc (z zapasem 20–50%), rdzeń ferrytowy o niskich stratach.
  • Dla SMPS 50–500 W typowe 2×2–6 mH; dla małych urządzeń <50 W: 2×4–10 mH.
• Kondensator Cx (X2):
  • 47–220 nF (230 V/50 Hz) lub 47–100 nF (120 V/60 Hz) – większy Cx lepiej tłumi DM, ale zwiększa prądy udarowe i ryzyko rezonansu z LCM.
  • Rozważ rezystor tłumiący 220 kΩ–1 MΩ (bleeder) równolegle do Cx dla rozładowania i poprawy stabilności.
• Kondensatory CyA/CyB (opcjonalnie, tylko do węzła wewnętrznego/ekranu):
  • 0.5–2.2 nF każdy. Suma pojemności decyduje o prądzie upływu i tętnieniach CM na wtórnej.

Prąd upływu a dobór pojemności Y

Przybliżony prąd upływu dla pary kondensatorów Y do jednego węzła:
I_leak ≈ 2·π·f·U_RMS·(CyA || CyB efektywnie ≈ suma/2 dla symetrii)

• Przykład (230 V/50 Hz, 2×1 nF): I ≈ 2π·50·230·1 nF ≈ 0.072 mA.
• Przykład (120 V/60 Hz, 2×2.2 nF): I ≈ 2π·60·120·2.2 nF ≈ 0.10 mA.
  Dobieraj tak, by dotrzymać limitów prądu dotykowego wg właściwej normy (np. IEC 62368‑1/IEC 60335‑1), pozostawiając margines.

Layout i wykonanie (krytyczne dla skuteczności)

• Umieść filtr tuż za gniazdem zasilania; odseparuj sekcję „line” od reszty PCB (bariera izolacyjna, szczeliny frezowane).
• Krótkie połączenia Cx i Cy; minimalizuj pętle prądowe; sygnały „wejście filtru” i „wyjście filtru” prowadź daleko od siebie (brak sprzężeń).
• Zachowaj odstępy izolacyjne wg norm (zależne od Cat. przepięciowej, PD, grupy materiału):
  • Dla 250 VAC, wzmocniona izolacja często wymaga rzędu 8 mm creepage/clearance; podstawowa typowo ≥3–4 mm. Weryfikuj w tabelach normy wyrobu.
• Jeżeli dodajesz ekran (SHIELD), prowadź go jako osobną miedź, nie łącz do elementów dostępnych dotykowo; jeśli stosujesz Rbleed (1–10 MΩ), ułatwia on rozładowanie i stabilizację potencjału ekranu.

Aktualne informacje i trendy

• W urządzeniach klasy II powszechna jest praktyka stosowania kondensatorów Y1/Y2 pomiędzy stroną pierwotną a wtórną (a nie do PE), aby obniżyć CM w SMPS – pod rygorem limitów prądu dotykowego wg aktualnie stosowanej IEC 62368‑1 (następca IEC 60950 i IEC 60065).
• Coraz częściej wykorzystuje się dławiki CM o rozszerzonym paśmie tłumienia (materiały ferrytowe o wyższej μ’ w MHz) oraz topologie dwustopniowe L–C–L–C dla spełnienia EN 55032/55014 klas B bez PE.

Wspierające wyjaśnienia i detale

• Dlaczego sam dławik CM pomaga bez Y? Dla prądów CM impedancja LCM rośnie ~jωL, więc ogranicza ich przepływ mimo braku ścieżki przez PE. Jednak bez Cy do „referencji” nie ma zamknięcia obwodu, dlatego efekt bywa niewystarczający w górnym paśmie – stąd często dodaje się Cy do ekranu/wtórnej.
• Kiedy dołożyć drugi stopień? Gdy pomiar emisji przewodzonej (150 kHz–30 MHz) pokazuje przekroczenia w pasmach odpowiadających częstotliwościom przełączania i ich harmonicznym.

Aspekty etyczne i prawne

• Bezpieczeństwo ma pierwszeństwo przed redukcją EMI: stosuj wyłącznie kondensatory klasy X2 (L–N) i Y1/Y2 (przez barierę izolacji). Komponenty muszą mieć certyfikację bezpieczeństwa.
• Spełnienie norm EMC (np. EN 55032/EN 55014) i bezpieczeństwa (np. IEC 62368‑1/IEC 60335‑1) jest obowiązkowe dla wyrobu wprowadzanych na rynek. Dobór pojemności Y wymaga potwierdzenia prądu dotykowego w badaniach.
• Zachowaj wymagane odstępy izolacyjne i wytrzymałość udarową (próby SURGE/EFT).

Praktyczne wskazówki

• Procedura doboru:
  1. Zidentyfikuj dominujący typ zakłóceń (CM vs DM) z użyciem LISN i analizatora widma.
  2. Zacznij od układu LCM + Cx (47–100 nF). Sprawdź emisję.
  3. Jeśli DM nadal wysokie – dodaj drugi stopień L–C lub dławik różnicowy (dwie cewki w szereg).
  4. Jeśli CM wciąż dominuje – dodaj 2×Cy 0.5–2.2 nF do ekranu/wtórnej, weryfikuj prąd dotykowy.
• Dodatki poprawiające odporność:
  • Warystor MOV L–N i/lub ogranicznik przepięć (RC snubber) po stronie wejściowej.
  • Termistor NTC ograniczający prąd rozruchowy, gdy Cx jest duży lub przy zasilaczach o dużej pojemności.
• Montaż: elementy filtru umieszczaj „kompaktowo”, Cx najbliżej LCM (po stronie wyjściowej filtru), przewody skręcone/pary równoległe dla symetrii.

Ewentualne zastrzeżenia lub uwagi dodatkowe

• Filtr bez PE rzadko zapewni tak dobre tłumienie CM jak pełny filtr z kondensatorami Y do PE – trzeba liczyć się z bardziej wymagającą optymalizacją PCB i ekranowania.
• W urządzeniach z metalową obudową dostępna część nie może być łączona z żadnym punktem pierwotnym ani ekranem pochodzącym z pierwotnej strony – wymagane jest wzmocnione odizolowanie.

Sugestie dalszych badań

• Wykonaj przed-badania emisji przewodzonej z LISN 50 Ω/50 µH i sprawdź margines względem klasy B.
• Zmierz prąd dotykowy w warunkach N.C./S.C. zgodnie z normą wyrobu.
• Przetestuj odporność EFT/Burst i Surge – w przypadku braku PE dobór MOV i snubberów jest krytyczny.

Krótkie podsumowanie

• Działający filtr EMI bez PE buduje się wokół dławika wspólnego i kondensatora X2 między L–N; dla trudnych przypadków dodaje się parę kondensatorów Y do „wewnętrznego” ekranu/wtórnej, pilnując prądu dotykowego.
• Kluczem są: właściwe wartości (LCM 2×2–10 mH, Cx 47–220 nF, Cy 0.5–2.2 nF), poprawny layout i weryfikacja zgodności EMC/safety.

Jeśli podasz: napięcie/prąd, typ obciążenia (np. SMPS, silnik), wymagania normatywne i wyniki wstępnych pomiarów, dobiorę konkretne wartości i rdzeń dławika pod Twój przypadek.