¿Para qué sirve un condensador de desacoplamiento cerca de un condensador de reserva?

Question

He visto algunos circuitos en los que se utiliza un condensador de desacoplamiento además de un condensador de reserva, como este (C4 y C5):

He leído sobre condensadores de desacoplamiento y a mí me parece que están destinados a eliminar las pequeñas fluctuaciones de la tensión de alimentación. Entonces pensé: ¿no era ese el propósito de un condensador de reserva ¿también? ¿Por qué el condensador del depósito no podría filtrar las pequeñas fluctuaciones, si es capaz de filtrar las grandes?

Así que siento que tengo un malentendido básico aquí. ¿Cuál es el propósito de un condensador de desacoplamiento junto a un condensador de reserva, cuando suponemos que colocamos ambos igualmente cerca de la parte que consume energía? ¿O la única ventaja del condensador de desacoplamiento es que es más pequeño y, por tanto, puede colocarse fácilmente más cerca de la parte que consume energía?

Answer 1

La razón más probable por la que se hace esto es porque, en la vida real, los condensadores no tienen un ancho de banda infinito. En general, cuanto mayor sea la capacitancia del condensador, menos podrá reaccionar a las altas frecuencias, mientras que los condensadores de valor pequeño reaccionan mejor a las frecuencias más altas, como se ve en el gráfico siguiente. El uso conjunto de dos condensadores de distinto valor sólo se hace para mejorar la respuesta del filtrado.

Answer 2

Como dices, un tapón de desacoplamiento y un tapón de reserva de la fuente de alimentación sirven para dos propósitos diferentes. Tienes razón en que el tapón de desacoplamiento tiene que estar físicamente cerca del consumidor de la energía que está desacoplando. La tapa de reserva puede estar en cualquier parte de la red de alimentación, ya que se ocupa de las corrientes de baja frecuencia.

Sin embargo, la suposición incorrecta que estás haciendo es asumir que la colocación esquemática implica la colocación física. No es así. En un buena esquema, habrá alguna pista sobre la colocación física. En este caso no podemos saber si el condensador de desacoplamiento (C5) está físicamente cerca de IC1 (donde debería estar) o no.

Personalmente, yo no dibujaría un esquema de esta manera exactamente por esta razón, y creo que hacerlo es una irresponsabilidad. Sin embargo, el software de captura de esquemas generará la misma lista de redes de cualquier manera, así que los detalles dependen realmente de la colocación. Sin un diagrama de diseño de la placa, simplemente no se puede saber. Suelo dibujar las tapas de desacoplamiento físicamente cerca de sus partes para dar una pista de que esto es lo que pretendo y que he pensado en ello. Este es un tema que menciono cuando hablo de cómo dibujar buenos esquemas en https://electronics.stackexchange.com/a/28255/4512 .

Por desgracia, hay muchos esquemas mal dibujados por ahí.

Answer 3

Cuando se utilizan dos o más condensadores de desacoplamiento de diferentes valores en paralelo, es necesario considerar la resonancia paralela que se produce entre las dos redes.

Clayton Paul describió este fenómeno. Considere un acoplamiento en paralelo de los condensadores C1, C2, con diferentes valores y C1>>C2 con parásitos L1 y L2 sobre el mismo L1=L2 (figura 1.A).

Suponemos que \$f_1\$ es la frecuencia en la que el condensador C1 resuena con el inductor L1, y \$f_2\$ la frecuencia en la que el condensador C2 es resonante con el inductor L2.

Por debajo de la frecuencia \$f_1\$ ambas redes parecen capacitivas, y la capacitancia total es igual a la suma de los dos condensadores. Esto mejora (muy poco) el desacoplamiento en las frecuencias inferiores a \$f_1\$ .

Por encima de \$f_2\$ , ambas redes parecen inductivas y la inductancia total es igual a los dos inductores en paralelo, o la mitad de la inductancia. Esto mejora el desacoplamiento a frecuencias superiores a \$f_2\$ .

A una frecuencia entre las resonancias de las dos redes ( \$f_1 < f < f_2\$ ), el circuito equivalente de las dos redes es un condensador en paralelo con un inductor, como se muestra en la figura 1.b (circuito resonante en paralelo). Esto produce una resonancia (figura 2), que se convierte en un problema cuando la tolerancia de los componentes es superior al 50%.

Por lo tanto, podemos concluir que el desacoplamiento mejorará a frecuencias por encima (y por debajo) de la frecuencia a la que ambas redes de condensadores son resonantes.
En realidad, el desacoplamiento será peor en algunas frecuencias entre estas dos frecuencias de resonancia, debido al pico de impedancia causado por la red resonante paralela, que es mala.

Answer 4

La principal diferencia entre los condensadores pequeños y los grandes condensadores electrolíticos es su respuesta en frecuencia. Los condensadores electrolíticos tienen unas especificaciones pobres para las frecuencias más altas y pueden llegar a fallar debido a la tensión producida por el ruido de alta frecuencia. A su vez, las altas frecuencias que el condensador electrolítico sólo filtra parcialmente, pueden estar en el rango audible superior de su amplificador.

El pequeño condensador filtra fácilmente el ruido de alta frecuencia, pero, por supuesto, tiene poco efecto cuando se trata de filtrar el rizado de la red eléctrica de baja frecuencia.

Answer 5

No todos los condensadores son iguales... Los condensadores de mayor tamaño no pueden responder tan rápidamente debido a la ESR y la ESL (resistencia e inductancia en serie equivalentes), que dependen de su composición.

Por supuesto, existe la posibilidad de acercarse como mencionas, pero en general un buen esquema tendrá capacitancias más voluminosas, lentas y grandes cuanto más te alejes del circuito. las frecuencias correspondientes que hay que tratar también bajan, si se hace bien.

Lo que limita las pequeñas capacitancias de desacoplamiento es la autorresonancia de la propia tapa y la inductancia de los cables de unión en el paquete (de nuevo, dependiendo del paquete).

Este esquema de escalado jerárquico continúa en el interior del CI con nodos críticos que tienen condensadores locales para eventos de mayor frecuencia. Por supuesto, estos condensadores en el interior son los más caros y pequeños de todos.