¿Por qué un condensador antes de un regulador de tensión es más eficaz que después?

Question

Tengo 5 V que vienen de un banco de energía USB a un Regulador de tensión LDO que lo baja a 3,3 V. En la línea de 3,3 V tengo varios CI y IR sensores. Uno de los sensores de infrarrojos consume bastante corriente en ráfagas cortas (tengo un tapón de 10 µF a través de él).

Cada vez que se enciende ese sensor de infrarrojos, que consume mucha energía, hace que otras partes de mi circuito se comporten de forma extraña durante una fracción de segundo. Me imaginé que añadir un condensador grande al raíl de 3,3 V ayudaría a eliminar eso, y así fue. Pero también me di cuenta de que podía añadir un condensador significativamente más pequeño en el lado de 5 V, y eso también resolvió el problema.

¿Por qué el condensador es más eficaz en el lado de entrada del regulador que en el de salida? Me imaginé que la carga estaría "más fácilmente disponible" para el sistema si estaba en el lado de la salida/3,3 V, donde está el sensor.

(Sólo jugueteo con la electrónica y no tengo conocimientos formales más allá de la física básica E&M).

*Edición: Antes del problema/experimentación ya tenía a cada lado del regulador un tapón de 0,1uF, un tapón de 1uF y dos tapones de 10uF (totalizando 21,1uF a cada lado). Empecé a añadir tapones adicionales después del problema.

Answer 1

La caída de tensión durante un transitorio en el punto de utilización se compone aproximadamente de lo siguiente

1. inductancia del cable y la fuente antes del regulador. En el caso de un sistema típico que utiliza un cable de alimentación largo y delgado, esto suele ser significativo porque la inductancia del cable es alta.

2. Inductancia de la pista de cable/PCB después del regulador. Suele ser corta si la utilización está cerca del regulador, pero puede ser significativa si el sistema utiliza una placa de circuito impreso grande o quizás más placas interconectadas.

3. tiempo de respuesta del regulador. Hay dos eventos principales a los que debe responder el regulador: las variaciones de la tensión de entrada y las variaciones de la carga de salida. Estos parámetros se pueden encontrar en su hoja de datos.

Durante un transitorio en la salida del regulador, ocurre lo siguiente:

1. la tensión en el condensador de salida cae
2. el bucle de control del regulador detecta la desviación de la tensión e intenta conducir más. Esto lleva un tiempo (el tiempo de respuesta de la regulación de la carga en la hoja de datos), y durante este, la tensión cae más.
3. el regulador conduce más y extrae más corriente del condensador de entrada.
4. la diferencia de tensión entre el tapón y la tensión de alimentación antes del cable hace que la corriente comience a fluir a través del cable llenando de nuevo el condensador de entrada. Esto lleva tiempo porque (a grandes rasgos) la inductancia limita la rapidez con la que la corriente puede empezar a fluir .

Si el condensador de entrada no puede retener suficiente carga hasta que se llene de nuevo por la fuente, la tensión cae por debajo de la tensión de entrada mínima permitida por el regulador. El regulador no puede hacer nada: la tensión de salida permanece por debajo del nivel nominal hasta que la entrada alcanza el nivel mínimo.

Forzar el regulador fuera de su región de funcionamiento diseñada puede tener otros graves inconvenientes. Si el control de bucle cerrado originalmente se abre, el dispositivo de paso puede saturarse. También es posible que la tensión de entrada no sea suficiente para alimentar de forma fiable los circuitos internos y el dispositivo se apague debido a la funcionalidad de bloqueo por subtensión o simplemente no funcione correctamente. El tiempo de recuperación de estas situaciones puede ser mucho mayor que la respuesta típica de la carga cuando hay suficiente tensión de entrada. Hay que evitar que esto ocurra.

Esto puede ocurrir incluso si el condensador de salida es grande. El voltaje a través de él caerá, y el regulador detecta e intenta mantener el voltaje de salida y llenarlo de nuevo. Si el condensador es demasiado grande, el regulador tomará una corriente alta del lado de entrada. El primer problema es que proviene del condensador de entrada, por lo que incluso si tiene un gran tapón en la salida, la situación anterior puede ocurrir. El segundo problema es que es posible que la corriente sea lo suficientemente alta como para activar la protección de sobrecorriente, lo que en sí mismo ralentiza la respuesta, además de que la recuperación de la sobrecorriente puede ser más lenta que el tiempo de regulación de la carga. Debe mantener el regulador en condiciones normales de funcionamiento para conseguir el mejor rendimiento.

El condensador de salida debe ser lo más pequeño posible, lo justo para puentear el tiempo en que el regulador responde y compensa el aumento de carga. A grandes rasgos, si se aumenta el cap de salida se está endureciendo el trabajo del regulador.

El mejor enfoque en el mundo real es comenzar con un tapón suficientemente grande en el lado de entrada y uno pequeño en el lado de salida. Lee la hoja de datos para ver las recomendaciones. Comprueba el transitorio en el lado de salida con un osciloscopio. Si no es satisfactorio, intente aumentar el tapón de salida o sustituirlo por uno que tenga una inductancia en serie menor. A continuación, examine el transitorio en la entrada e intente reducir la caperuza de entrada. Mantenga un cierto margen de seguridad en ambos lados.

EDITAR:

La impedancia de la pista del cable/PCB después del regulador...

...tiene el mismo efecto mencionado antes: durante los transitorios o también en caso de carga continua pero de alta frecuencia, en el punto de utilización habrá una muesca de tensión (o caída continua). Si comparas la señal con un osciloscopio en la salida del regulador y en el punto de utilización, verás que en el regulador habrá mucho menos ruido.

La inductancia del cable/pista combinada con el condensador a la salida del regulador es un filtro LC de paso bajo, que amortigua eficazmente los componentes HF.

Esto es bueno porque la carga ruidosa no distorsiona la tensión del regulador (demasiado). Puedes alimentar el MCU u otros circuitos (analógicos) de forma independiente al regulador en una topología de estrella. Esto reducirá efectivamente las interferencias. Si la inductancia de la vía no es lo suficientemente alta, puedes incluir deliberadamente inductores en la línea. Esto se puede ver a menudo en equipos similares al tuyo: cargas transitorias de alta potencia combinadas con un control analógico/digital sensible.

La alta impedancia de alimentación también es mal porque quieres un suministro suave en cada carga, pero esto se puede arreglar añadiendo condensadores (de baja ESR) a cada punto de utilización. Si examina una placa base de PC, por ejemplo, verá cientos de condensadores cerámicos por todas partes por esa misma razón.

Answer 2

Con un condensador en la salida, si la tensión de entrada cae por debajo de lo necesario para lograr la regulación de la salida, se producirá una caída en la alimentación y el condensador de salida caerá.

Con un condensador en la entrada el regulador siempre tendrá una reserva de tensión, y si se mantiene por encima de la tensión mínima de entrada la regulación de salida se puede mantener incluso sin condensador (con una impedancia de frecuencia más alta algo comprometida).

Con CA rectificada este efecto sería muy evidente. Con su suministro de 5 V parece apuntar a una capacidad de corriente bastante menor que la que necesitan sus sensores.

Intenta ver las formas de onda del rizado de la alimentación con un osciloscopio. Considera la posibilidad de tener reguladores dedicados si el presupuesto y las especificaciones lo justifican. Esto evitará que un sensor afecte a las demás piezas.

Answer 3

Porque dQ = C*dV.

A menos que el regulador funcione justo en sus límites, puedes tolerar un dV mayor en el condensador de entrada, permitiendo un C más pequeño.

Answer 4

La premisa básica de la pregunta no es válida y no es aplicable universalmente. Ciertamente, los reguladores (de cualquier variedad) necesitan tener una potencia bruta razonablemente suave (filtrada) para trabajar. Pocos, si es que alguno, funcionará con la compensación de CC pulsada de una fuente de CA típica y una etapa rectificadora. Aquí es donde solemos ver los grandes condensadores de filtro "a granel".

SIN EMBARGO, hay algunos casos en los que se requiere una gran capacitancia para sostener el bus de alimentación en presencia de cargas grandes e intermitentes como la que se da como ejemplo en la pregunta.

No se trata de "más eficaz antes o después". Son dos casos distintos e independientes y no pueden combinarse lógicamente como en la pregunta formulada.

Answer 5

Un condensador en el lado de salida de un regulador no empezará a hacer nada útil a menos o hasta que la tensión de salida cambie. Un condensador en el lado de entrada comenzará a suministrar corriente cuando la tensión de entrada caiga. Un regulador típico tratará de minimizar la medida en que los cambios en la tensión de entrada afectan a la salida, por lo que la caída de la tensión de entrada necesaria para que el condensador del lado de entrada comience a suministrar energía no suele causar ningún cambio significativo en la tensión de salida.

En algunos casos, un regulador puede no ser capaz de reaccionar instantáneamente a una demanda repentina de corriente, y en tales casos un condensador de salida puede ser útil (si no para suministrar algo de corriente a la salida durante el tiempo que tarda el regulador en reaccionar. regulador para reaccionar a un aumento de la carga. El condensador de salida no podrá alimentar la corriente muy eficazmente sin que el voltaje de salida caiga notablemente, pero puede ser capaz de alimentar lo suficiente para dar tiempo al regulador para reaccionar a la a la mayor demanda.