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सुरक्षा संधारित्र वोल्टेज स्पाइक, विद्युत चुम्बकीय हस्तक्षेप (EMI), और शॉर्ट सर्किट जैसे विद्युत संबंधी खतरों से लोगों और उनके उपकरणों की सुरक्षा के लिए सुरक्षा घटकों के रूप में कार्य करते हैं। मानक संधारित्र मुख्य रूप से ऊर्जा को संग्रहीत करने और छोड़ने का कार्य करते हैं, जबकि सुरक्षा संस्करण विशेष रूप से तब भी सुरक्षित ढंग से काम करने के लिए बनाए जाते हैं जब चीजें गलत हो जाएं। इन विशेष संधारित्रों में ऐसी सामग्री होती है जो स्वयं को मरम्मत कर सकती है और अतिरिक्त मजबूत इन्सुलेशन परतें होती हैं जो तीव्र वोल्टेज की स्थिति के दौरान बड़ी विफलताओं को रोकती हैं। उदाहरण के लिए घरेलू उपकरणों में माइक्रोवेव ओवन और वाशिंग मशीन इन संधारित्रों पर निर्भर करते हैं ताकि अचानक आने वाले वोल्टेज सर्ज को नाजुक आंतरिक सर्किट तक पहुंचने से पहले रोका जा सके और भविष्य में समस्याएं उत्पन्न न हों।
घरेलू इलेक्ट्रॉनिक्स में क्लास-एक्स और क्लास-वाई संधारित्र के अलग-अलग सुरक्षा कार्य होते हैं:
उपयोगकर्ता सुरक्षा और ग्राउंडिंग में इनकी सीधी भूमिका के कारण, क्लास-Y संधारित्रों को क्लास-X प्रकारों की तुलना में सख्त इन्सुलेशन की आवश्यकता होती है और अधिक कठोर परीक्षणों से गुजरना पड़ता है।
वैश्विक मानक जैसे IEC 60384-14 और UL 60384-14 सुरक्षा संधारित्रों के डिज़ाइन और प्रदर्शन आवश्यकताओं को परिभाषित करते हैं। प्रमाणन प्राप्त करने के लिए, घटकों को सख्त परीक्षणों से गुजरना होता है जिनमें शामिल है:
VDE (जर्मनी) और CQC (चीन) जैसी संस्थाओं द्वारा स्वतंत्र प्रमाणन अनुपालन को मान्यता देते हैं, जो 2023 के उद्योग आंकड़ों के अनुसार आधुनिक घरेलू उपकरणों में 99% से अधिक विश्वसनीयता सुनिश्चित करता है।
एक्स संधारित्र (विशेष रूप से क्लास X सुरक्षा संधारित्र) जीवित और तटस्थ एसी लाइनों के बीच जुड़े होने पर अंतर-मोड हस्तक्षेप को दबाकर काम करते हैं। ये घटक उच्च आवृत्ति के शोर को अवशोषित करने में मदद करते हैं जो एलईडी ड्राइवर सर्किट और माइक्रोवेव ओवन जैसे सामान्य घरेलू उपकरणों में स्विचिंग संचालन के दौरान उत्पन्न होते हैं। ये संधारित्र हानिकारक वोल्टेज स्पाइक्स के लिए फ़िल्टर के रूप में काम करते हैं, जिससे लाइन के आगे स्थित अन्य इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों को क्षति होने से बचाव होता है। जब इन्हें IEC 60384-14 जैसे मानकों के अनुसार सही ढंग से डिज़ाइन किया जाता है, तो ये संधारित्र चालित उत्सर्जन में काफी कमी ला सकते हैं। हम 150 किलोहर्ट्ज़ से लेकर 30 मेगाहर्ट्ज़ तक की आवृत्तियों में लगभग 40 डीबी माइक्रो वोल्ट तक की कमी की बात कर रहे हैं, जो बिजली की प्रणालियों में ईएमआई समस्याओं से निपटने के लिए इन्हें बहुत प्रभावी बनाता है।
वाई कैपेसिटर, जिन्हें क्लास-वाई घटकों के रूप में भी जाना जाता है, लाइव या न्यूट्रल तारों और ग्राउंडिंग प्रणाली के बीच संबंध स्थापित करके सामान्य मोड शोर के विरुद्ध काम करते हैं। यहाँ जो होता है वह यह है कि ये कैपेसिटर वास्तव में मुख्य बिजली सर्किट से उन झंझरी उच्च आवृत्ति संकेतों को हटाकर उन्हें भूमि पर ले जाते हैं। यह विशेष रूप से उन घरेलू उपकरणों के साथ निपटते समय महत्वपूर्ण हो जाता है जिनके धातु के आवरण होते हैं, जैसे फ्रिज और वाशर। आजकल अधिकांश वाई कैपेसिटर स्व-उपचार धातुकृत फिल्म सामग्री से बने होते हैं जो उनकी लीकेज धारा को वास्तव में कम रखती है, आमतौर पर 0.5 नैनोएम्पीयर से कम। ऐसा प्रदर्शन आज बाजार में उपलब्ध नियमित उपभोक्ता उत्पादों के लिए UL 60384-14 में रूपरेखांकित सुरक्षा मानकों के भीतर आराम से रहता है।
2023 में 65W लैपटॉप पावर एडाप्टर को देखते हुए, शोधकर्ताओं ने X2 और Y2 सुरक्षा संधारित्रों के बारे में एक दिलचस्प बात पाई। बाजार में उपलब्ध सस्ते, अप्रमाणित संस्करणों की तुलना में इन्होंने वास्तव में विद्युत चुम्बकीय हस्तक्षेप को लगभग 60% तक कम कर दिया। इसका तरीका एक दो-भागीय फ़िल्टरिंग प्रणाली स्थापित करना था, जिसमें उन्होंने एसी लाइनों के बीच 1 माइक्रोफैराड की रेटिंग वाला X2 संधारित्र लगाया, साथ ही प्रत्येक लाइन और ग्राउंड बिंदु के बीच 2.2 नैनोफैराड के Y2 संधारित्र लगाए। इस व्यवस्था ने डिजाइनरों को उत्सर्जन के लिए सख्त FCC भाग 15 क्लास B मानकों को पूरा करने में मदद की। अब लगभग सभी पेशेवर इस विधि को अपना चुके हैं। आज बाजार में मौजूद सभी एसी-डीसी कनवर्टर्स में से 85% से अधिक इसी तरह बनाए जाते हैं क्योंकि निर्माता अपने उत्पादों को छोटा और बेहतर तरीके से काम करने वाला बनाना चाहते हैं, खासकर चूंकि आधुनिक पावर सप्लाई डिजाइन में गैलियम नाइट्राइड तकनीक अधिक आम होती जा रही है।
बाजार अनुसंधान से पता चलता है कि 2032 तक EMI दमन संधारित्र क्षेत्र लगभग 7% वार्षिक दर से बढ़ने की संभावना है। यह वृद्धि स्मार्ट घर तकनीक में उन छोटे घटकों की मांग के कारण हो रही है, जहां जगह का बहुत महत्व होता है। आजकल कई आधुनिक उपकरणों को 10mm से कम ऊंचाई वाले फ़िल्टर की आवश्यकता होती है। आवाज सहायक, निगरानी कैमरे और वे छोटे इंटरनेट हब जो हम सभी के पास इधर-उधर पड़े रहते हैं, उनमें कम शक्ति वाली स्टैंडबाय मोड में विशेष संधारित्र लगे होते हैं। निर्माता X7R सिरेमिक सामग्री को 2.4 GHz बैंड पर संचालित WiFi संकेतों से होने वाले हस्तक्षेप से निपटने के लिए स्टैक्ड फिल्म तकनीक के साथ मिला रहे हैं। सबसे अच्छी बात यह है? इन समाधानों में छोटे आकार के बावजूद भी स्पर्श सुरक्षा के लिए सख्त सुरक्षा आवश्यकताओं का पालन होता है, जिससे उपयोगकर्ताओं को किसी खतरे के संपर्क में आने से बचाया जाता है।
सुरक्षा संधारित्र उपयोगकर्ताओं को विद्युत आघात से बचाने में महत्वपूर्ण हैं, क्योंकि ये दो प्रमुख जोखिमों को नियंत्रित करते हैं: इन्सुलेशन के माध्यम से लीकेज धारा (IEC 60335-1 के अनुसार ≈0.75 mA तक सीमित) और 100 µA से अधिक स्पर्श धारा। इनकी मजबूत संरचना यह सुनिश्चित करती है कि वोल्टेज सर्ज या घटक विफलता के दौरान भी ये खतरे नियंत्रित रहें।
आइसोलेटेड AC/DC कनवर्टर में, क्लास-Y संधारित्र उच्च-आवृत्ति धारा शंट के रूप में कार्य करते हैं, जो लीकेज को सुलभ धातु भागों से दूर मोड़ देते हैं। जब इसे IEC 62477 के अनुसार 60 सेकंड के लिए 3 kV AC पर परखे गए मजबूत इन्सुलेशन के साथ जोड़ा जाता है, तो यह व्यवस्था चेसिस लीकेज को 0.25 mA से कम तक सीमित कर देती है—जो मानव द्वारा अनुभव की जा सकने वाली सीमा से अधिक 67% कम है।
प्राथमिक और माध्यमिक परिपथों के बीच त्रुटि धारा के स्थानांतरण को रोकने के लिए गैल्वेनिक अलगाव अवरोधों के दोनों ओर कक्षा Y संधारित्रों की उचित स्थापना की आवश्यकता होती है। UL 60384-14 मानकों के तहत प्रमाणित घटक 250 वोल्ट AC पर संचालन के दौरान अधिकतम केवल 5 नैनोएम्पीयर तक लीक धारा को नियंत्रित रखते हैं। यह तब लागू होता है जब इन संधारित्रों को लाइव और न्यूट्रल लाइनों के बीच, या फिर प्रिंटेड सर्किट बोर्ड ग्राउंड प्लेन और उपकरण आवासों पर हमें जिन बाहरी कनेक्टर्स दिखाई देते हैं, उनके बीच रखा जाता है। ऐसा करना केवल अच्छे इंजीनियरिंग अभ्यास के लिए ही नहीं बल्कि समय के साथ सुरक्षा बनाए रखने और विद्युत उपकरण डिजाइन व निर्माण से संबंधित सभी आवश्यक नियमों का पालन करने के लिए भी आवश्यक है।
रोगी मॉनिटर जैसे मेडिकल उपकरण IEC 60601-1 मानकों द्वारा निर्धारित 10 माइक्रोएम्पीयर की सीमा से कम टच करंट बनाए रखने के लिए अत्यंत कम धारिता वाले क्लास Y संधारित्र (लगभग 4.7 nF या उससे कम) पर निर्भर करते हैं। हालांकि, घरेलू उपकरणों के लिए स्थिति अलग दिखाई देती है। कई रसोई उपकरण वास्तव में 10 nF क्लास Y संधारित्र के साथ ठीक ढंग से काम करते हैं और फिर भी 100 माइक्रोएम्पीयर की सुरक्षा सीमा के भीतर रहते हैं। यहां तक कि जब 150% वोल्टेज स्पाइक होता है, तब भी ये घटक काफी अच्छा प्रदर्शन करते हैं। इससे पता चलता है कि निर्माता प्रत्येक अनुप्रयोग संदर्भ में शामिल वास्तविक जोखिमों के आधार पर संधारित्र विनिर्देशों को समायोजित करते हैं।
एसी इनपुट सर्किट्स के साथ काम करते समय सुरक्षा संधारित्र पहली सुरक्षा परत के रूप में लगभग अनिवार्य होते हैं। क्लास-X के संधारित्र लाइव और न्यूट्रल कनेक्शन के बीच डिफरेंशियल शोर को कम करने में मदद करते हैं, जबकि क्लास-Y संधारित्र उन प्रचंड कॉमन मोड शोर से निपटते हैं जो लाइव/न्यूट्रल से ग्राउंड तक घुसपैठ करते हैं। आईईसी/यूएल 60384-14 नियमों के अनुसार, इन घटकों को 4 किलोवोल्ट की आवेग धारा सहन करनी चाहिए और सामान्य उपभोक्ता उपकरणों में 500 माइक्रोएम्पीयर से कम लीकेज धारा बनाए रखनी चाहिए। अधिकांश इंजीनियर 0.1 से 1 माइक्रोफैराड तक की रेंज के X2 संधारित्रों और 1 से 10 नैनोफैराड के बीच Y2 प्रकार के संधारित्रों के संयोजन का उपयोग करते हैं। यह व्यवस्था उचित ईएमआई फ़िल्टर बनाती है जो 250 वोल्ट एसी तक के वोल्टेज के लिए सुरक्षा जाँच पास करते हैं, और यह डीसी आउटपुट को सुचारू रूप से चलाए रखती है बिना बहुत अधिक हस्तक्षेप के जो चीजों को खराब कर सकता है।
स्मार्टफोन और अन्य आईओटी गैजेट हर रोज पतले होते जा रहे हैं, जिसका मतलब है कि सुरक्षा संधारित्रों को प्रति घन सेंटीमीटर पहले से कहीं अधिक शक्ति समेटनी पड़ रही है। आजकल 200 माइक्रोफैरड प्रति घन सेंटीमीटर से अधिक दक्षता मानक आवश्यकता के रूप में देखी जा रही है। X2Y के सतह माउंट विन्यास की ओर बढ़ने के रुझान ने बाजार में उपलब्ध 65 वाट GaN चार्जर्स में पारंपरिक थ्रू-होल डिज़ाइन को लगभग पूरी तरह से पीछे छोड़ दिया है। लेकिन एक समस्या यह है कि जब घटक इतने छोटे हो जाते हैं, तो ऊष्मा प्रबंधन इंजीनियरों के लिए एक वास्तविक सिरदर्द बन जाता है। यहीं पर शीर्ष निर्माता धातुकृत पॉलीप्रोपिलीन फिल्म तकनीक का उपयोग करके अपने समाधान के साथ कदम रखते हैं। इन सामग्रियों को खास बनाने वाली बात यह है कि वे संचालन के दौरान तापमान 125 डिग्री सेल्सियस तक पहुंचने पर भी 5% के आसपास संधारित्रता को स्थिर रखते हुए मामूली खामियों के बाद खुद को ठीक करने की क्षमता रखते हैं।
पिछले साल की लगभग 12,000 अलग-अलग पावर सप्लाई डिज़ाइन को देखने पर एक दिलचस्प बात सामने आती है: लगभग 9 में से 10 में या तो क्लास-X या क्लास-Y संधारित्र शामिल थे। यह तब समझ में आता है जब हाल ही में EMI नियमों को लेकर सख्ती बढ़ी है, खासकर स्मार्ट घरेलू उपकरणों और चिकित्सा प्रौद्योगिकी उपकरणों के बाजार में भारी मात्रा में आने के कारण। छोटे Y1 संधारित्र 48V सर्वर पावर सप्लाई में भी बहुत लोकप्रिय हो रहे हैं, जिनकी वृद्धि हाल के आंकड़ों के अनुसार प्रति वर्ष लगभग 22% हो रही है। इस बीच, ऑटोमोटिव गुणवत्ता वाले X2 संस्करण इलेक्ट्रिक वाहन चार्जर में उपयोग किए जाने वाले लगभग 40% भागों का हिस्सा हैं। बाजार विश्लेषकों का अनुमान है कि 5G नेटवर्क और सौर/पवन ऊर्जा स्थापना में वृद्धि के साथ मांग बढ़ने के कारण 2030 तक यह लगभग 6.8% की चक्रवृद्धि वार्षिक वृद्धि दर के साथ मजबूती से जारी रहेगा।
सुरक्षा संधारित्र मुख्य रूप से कक्षा-एक्स और कक्षा-वाई प्रकारों में वर्गीकृत किए जाते हैं। कक्षा-एक्स संधारित्र लाइव और न्यूट्रल लाइनों के बीच अंतर-मोड शोर को दबाने के लिए उपयोग किए जाते हैं, जबकि कक्षा-वाई संधारित्र इलेक्ट्रॉनिक सर्किट में लाइव/न्यूट्रल और भू-संपर्कित धातु चेसिस के बीच सामान्य-मोड शोर को कम करने के लिए डिज़ाइन किए गए हैं।
सुरक्षा संधारित्र संवेदनशील आंतरिक सर्किट तक वोल्टेज सर्ज और विद्युत चुम्बकीय हस्तक्षेप पहुंचने से रोकने में सहायता करते हैं, जिससे लघु परिपथ जैसे जोखिमों को कम किया जा सकता है और उपयोगकर्ता को विद्युत झटके से बचाया जा सकता है।
आईईसी 60384-14 और यूएल 60384-14 जैसे अंतरराष्ट्रीय मानक सुरक्षा संधारित्रों के डिज़ाइन और परीक्षण आवश्यकताओं को रेखांकित करते हैं, जिसमें वोल्टेज सहनशीलता, तापमान स्थिरता और ज्वाला प्रतिरोध जैसे पहलुओं को शामिल किया गया है ताकि घरेलू उपकरणों में विश्वसनीय संचालन सुनिश्चित किया जा सके।