Explicación del circuito regulador de tensión de un coche

Question

Tengo que encontrar una solución para un regulador de voltaje para ser utilizado en un vehículo, la regulación de ~ 12V de la batería del coche a 5V utilizado por el microcontrolador Atmel AVR.

He encontrado este esquema en Internet:

Aunque entiendo la mayor parte del funcionamiento de este circuito, tengo algunas preguntas al respecto:

1. ¿Cuál es el objetivo de R30 resistencia en el lado de entrada?
2. ¿Por qué hay dos condensadores a cada lado del regulador lineal? LM7805 ? Esta respuesta a otra pregunta podría ser la respuesta que busco, pero no estoy seguro de ello. Si esta respuesta está relacionada con mi pregunta y el uso de dos condensadores es para reducir la resistencia y la inductancia, ¿por qué se utilizan condensadores de valores tan diferentes (0,1 µF y 470 µF)?
3. Tomando un par de condensadores, ¿por qué uno de ellos está polarizado y el otro no?
4. ¿Hay algún inconveniente en utilizar condensadores de mayor capacidad que los que aparecen en el esquema?
5. ¿Hay algún inconveniente en utilizar condensadores con una tensión de ruptura mayor que la indicada en el esquema?

Gracias de antemano.

Answer 1

Para ampliar la respuesta de stevenvh, para los diseñadores menos experimentados:

1. R30 está ahí para limitar la corriente de entrada para que el fusible no se funda. De lo contrario, cuando se conecta el circuito por primera vez, los condensadores de entrada pueden consumir mucha corriente hasta que se cargan, lo que puede ser suficiente para fundir el fusible. Como dice stevenvh, también puede ayudar a proteger los condensadores, lo que puede ser importante para algunos tipos de condensadores, especialmente los de tantalio, que pueden literalmente incendiarse si se maltratan demasiado. La corriente a largo plazo a través del fusible será comparable a la corriente de carga, que para un microcontrolador sería pequeña, por lo que la corriente de irrupción en el primer encendido es una especie de caso especial y no una preocupación el resto del tiempo. Si quieres medir la corriente de irrupción intenta capturarla en un osciloscopio digital con una sonda de corriente. También R30 puede ayudar a limitar la corriente a la carga en condiciones de cortocircuito, sobre todo en caso de que alguien haya sustituido un fusible fundido por un trozo de metal. 12A de la fuente todavía puede freír todos los circuitos en su camino, pero al menos es lo suficientemente bajo como para probablemente no prender fuego a su coche, que la corriente ilimitada de una batería de coche puede ser lo suficientemente alta como para hacer.

2. El condensador de valor grande está ahí para cambios comparativamente mayores y más lentos en la corriente de carga (o tensión de entrada, que puede variar mucho en un coche debido a las altas corrientes de la batería durante el arranque del motor). El condensador de pequeño valor está ahí para cambios más pequeños y rápidos en la corriente de carga. Un condensador de la vida real no es "ideal" y tiene sus casos de uso particulares, por lo que poner distintos tipos de condensadores en paralelo les permite apuntalar los puntos débiles de cada uno.

3. Los distintos tipos de condensadores pueden estar polarizados o no. Para los valores de ese esquema, probablemente utilizaría electrolíticos de aluminio o tantalio para el valor grande, que estarían polarizados. Para el valor pequeño probablemente usarías cerámica y no estarían polarizados, pero si eliges otro tipo podrían estarlo. La polarización tal como está marcada es una suposición por parte del diseñador del esquema sobre qué tipos de condensadores se utilizarán. No describes una lista de materiales, pero tal vez haya una disponible en tu fuente que enumere las piezas específicas que tenían en mente.

4. Más capacitancia es generalmente algo bueno en los reguladores de voltaje, ya que las variaciones en la corriente de carga se pueden extraer de los condensadores en lugar de la fuente de entrada (por ejemplo, batería y cableado), que puede tener una alta impedancia y no ser capaz de proporcionar altas corrientes bajo demanda (sin dejar de ser capaz de suministrar la corriente media). Sin embargo, no es necesario exagerar, ya que el trabajo del regulador es utilizar activamente la realimentación para mantener la tensión de salida cerca de la salida nominal. A los chips digitales no les afecta una pequeña cantidad de ondulación o ruido en la entrada de alimentación, siempre que no supere el valor especificado (normalmente +/- 5%). Los circuitos analógicos, como los de RF, audio, infrarrojos, etc., pueden ser mucho más sensibles al ruido de la fuente de alimentación y necesitan una mejor regulación. El coste y el tamaño son factores de diseño importantes, y minimizarlos suele significar incluir la capacitancia "justa". Como señala stevenvh, más capacidad tardará más en cargarse cuando se encienda por primera vez (o más corriente para cargarse en el mismo tiempo). El tiempo que tarda la salida del regulador en pasar de 0V a nominal cuando se enciende por primera vez puede afectar al comportamiento del circuito de carga si es sensible a ello, especialmente si hay varios reguladores de tensión (digamos 3,3V y 5,0V) y la secuencia de alimentación es un problema.

5. Los condensadores de mayor voltaje pueden ser más caros, y alguien podría echárselo en cara durante la revisión del diseño de un producto real. Para un aficionado es igual de bueno sobrediseñar las cosas siempre que el tamaño no sea una preocupación, ya que unos pocos céntimos por las piezas compensan con creces el esfuerzo de volver a soldar si algo se fríe.

Answer 2

1. R30 limita un poco la corriente de pico de carga al condensador, pero a 1 ohm todavía permite 12 A, así que de poco sirve ahí. También limitaría la corriente a través del zener si hay picos por encima de 20 V.

2. Los condensadores más grandes funcionan peor a frecuencias más altas, y ahí es donde los más pequeños toman el relevo.

3. 470 µF en una versión no polarizada sería caro, pero no habría nada en contra. Todos los condensadores grandes están polarizados.

4. En la salida daría una carga extra para que el 7805 la cargue. En la entrada también para la batería, pero que puede entregar más que suficiente corriente.

5. No, excepto que son más grandes.

6. Ten en cuenta que la diferencia de entrada-salida del 7805 es de unos 5 V (12 V - 1 V para el diodo y 1 V para R30 - 5 V de salida) y que a 1 A de salida el regulador disipará 5 W, por lo que necesitará una refrigeración considerable (disipador de tamaño considerable) si quieres consumir tanta corriente.