¿Puedo sustituir tantos condensadores por uno solo?

Question

Estoy diseñando un esquema para una matriz de LEDs RGB direccionables y he elegido los WS2812B por lo comunes y baratos que son. Mirando el circuito de aplicación típica, me di cuenta de que hay un condensador para cada LED.

¿Se pueden sustituir los múltiples condensadores por uno solo? ¿Cuál debe ser la capacitancia de ese único condensador?

Estoy pensando en colocar 50 LEDs por matriz y estaría muy bien si no tuviera que colocar también 50 condensadores.

Answer 1

El objetivo de cada condensador aquí es suavizar la alimentación de cada WS2812B. Cuando se alimenta un conjunto de LEDs, hay una buena probabilidad de que una caída de tensión transitoria se produzca y cree un efecto de parpadeo en su tira de LEDs y muy probablemente en otros LEDs que están actualmente en. Si usted estuviera alimentando directamente un LED desde la fuente de alimentación, no necesitaría una tapa de derivación. Sin embargo, el WS2812B es un LED acoplado a un circuito integrado. El circuito integrado es mucho más sensible a las variaciones de tensión en la alimentación. El parpadeo se debe a que el circuito integrado se vuelve loco. Como se señaló en el comentario, se necesitaría una variación mucho mayor en una fuente de alimentación para ver el parpadeo real cuando se alimenta directamente.

Al asignar un tapón por circuito, se reduce la cantidad de cálculos necesarios para compensar. No es necesario tener en cuenta tanta información. Además, puedes colocar el tapón muy cerca de donde realmente se necesita. Lo importante aquí es la proximidad de los tapones para minimizar la inductancia de la traza.

También puede echar un vistazo a esto pregunta para más detalles.

Answer 2

Estas cápsulas son pequeños condensadores de derivación que se utilizan para filtrar o amortiguar la entrada de tensión a un circuito integrado. Son baratos y útiles y los encontrarás lo más cerca posible de cualquier CI en cualquier PCB fabricado en cualquier lugar.

No deben omitirse sin esperar una operación extraña. La velocidad a la que se manejan los WS2812B y el consumo de corriente de los leds ya causan problemas, omitir las tapas de derivación lo empeoraría.

Answer 3

Se trata de condensadores de "desacoplamiento" o "bypass". Su objetivo es estabilizar la tensión de alimentación local contra las fluctuaciones causadas por la interacción del consumo de corriente variable en el circuito con la impedancia de la red de alimentación. "Local" en este caso se refiere a la tensión de alimentación en cada LED individual, que es en realidad un circuito integrado copilado con LEDs rojos, verdes y azules.

Esencialmente, cada elemento de la red de alimentación tiene cierta impedancia, incluso las pistas individuales de la placa de circuito impreso utilizadas para ir de un lado a otro de la placa. Los principales aspectos a tener en cuenta son la resistencia y la inductancia. Suponiendo que el LED y su CI integrado consumen una cantidad constante de corriente en todo momento, la tensión local será perfectamente estable, y la única preocupación es que la resistencia de la red de alimentación sea lo suficientemente baja como para que no se pierda demasiada tensión.

Sin embargo, los circuitos del mundo real no tienen un consumo de corriente perfectamente estable: la corriente consumida dependerá de lo que haga el dispositivo, del tipo de señales que envíe o reciba, etc. Los dispositivos digitales, en particular, tienden a consumir grandes cantidades de corriente en cada cambio de estado. Para algo como un microcontrolador que funciona con un reloj interno, cada flanco de reloj significa un pico de corriente muy rápido.

Estos picos de consumo de corriente son un problema, porque ahora entra en juego la inductancia de la fuente de alimentación. La inductancia se define, en efecto, como una resistencia a los cambios de corriente, por lo que hace que la red de alimentación sea lenta para responder a la mayor demanda de corriente. El resultado es que la tensión en la carga (el CI) cae sustancialmente y, en el peor de los casos, puede producirse un "timbre", que es cuando la tensión fluctúa rápidamente hacia arriba y hacia abajo, lo que puede interrumpir o dañar el CI. El timbre es el resultado de la estructura general de la red de alimentación y de la posición y magnitud de las diversas impedancias parásitas que son un hecho inevitable de la electrónica en el mundo real. En los circuitos extremadamente rápidos/sensibles, incluso el marco del circuito integrado puede introducir un conjunto significativo de términos parasitarios.

De todos modos, la solución al problema de la alimentación es poner condensadores lo más cerca posible de cada CI en la placa. La clave es que debe haber la menor impedancia posible (sobre todo, la menor inductancia) entre el condensador y los pines de alimentación del CI. De hecho, lo ideal sería disponer la placa de manera que la corriente de alimentación fluyera "a través" de las almohadillas del condensador y luego hacia el CI, y no tener ninguna vía entre el CI y el condensador. En la práctica, a menudo no es posible o factible diseñar las placas de esta manera, y normalmente no es un gran problema, siempre que el condensador esté muy cerca del CI. Mantener la inductancia baja significa que el condensador es capaz de suministrar los rápidos tragos de corriente que el CI necesita para funcionar, y por lo tanto estabiliza la tensión de alimentación justo en el CI.

Así que la respuesta corta a "¿puedo sustituir un montón de condensadores de bypass pequeños por uno más grande?" es "tal vez". La respuesta más larga es que depende de la disposición específica de la placa (parásitos constitutivos de la red de distribución de energía, disposición de las cargas), de las características de CA del CI en cuestión y de otras cargas en la placa, etc. A menos que estés preparado para hacer un gran análisis del sistema, es más fácil colocar simplemente varios condensadores pequeños. Incluso si estás preparado para hacer el análisis, a menos que tu dispositivo se fabrique en ~millones, el ahorro de costes por usar un condensador en lugar de, digamos, cinco, no va a compensar el coste del tiempo que inviertas en ese análisis.

Answer 4

P: Estoy haciendo una cama de clavos, y N es muy grande. ¿Puedo usar menos clavos, más grandes, en su lugar?

R: Probablemente, sí. Hasta cierto punto. Entonces empiezan a ocurrir cosas malas. N=1 (una espada) es claramente demasiado lejos.

Los condensadores están ahí para compensar las imperfecciones en la realización física de los circuitos, en última instancia impulsados por la física básica. ¿Cuánto se puede reducir esta compensación antes de que las cosas vayan mal? No se puede predecir, sin saber exactamente la sensibilidad al rebote de los circuitos integrados (normalmente no es una cantidad especificada) y un montón de otros detalles.