Dlaczego kondensator przed regulatorem napięcia jest bardziej skuteczny niż po?

Mam 5 V przychodzących z zasilacza USB do regulatora napięcia LDO, który obniża go do 3,3 V. Na linii 3,3 V mam kilka układów scalonych i czujników IR . Jeden z czujników IR zużywa sporo prądu w krótkich seriach (mam na nim czapkę 10 µF).

Za każdym razem, gdy włącza się ten głodny energii czujnik podczerwieni, powoduje to, że niektóre inne części mojego obwodu zachowują się dziwnie przez ułamek sekundy. Pomyślałem, że dodanie dużego kondensatora do szyny 3,3 V pomoże wyeliminować to, co zrobił. Ale zauważyłem również, że zamiast tego mogę dodać znacznie mniejszy kondensator po stronie 5 V, co również rozwiązało problem.

Dlaczego kondensator jest bardziej skuteczny po stronie wejściowej regulatora niż na wyjściu? Uznałem, że ładunek byłby „łatwiej dostępny” dla systemu, gdyby znajdował się po stronie wyjściowej / 3,3 V, gdzie znajduje się czujnik.

(Po prostu majstruję przy elektronice i nie posiadam żadnej formalnej wiedzy poza podstawową fizyką E&M.)

* Edycja: Przed problemem / eksperymentem miałem już po obu stronach regulatora czapkę 0,1 uF, czapkę 1 uF i dwie czapki 10 uF (w sumie 21,1 uF z każdej strony). Po problemie zacząłem dodawać dodatkowe czapki.

Spadek napięcia podczas stanu nieustalonego w punkcie użytkowania składa się z grubsza z następujących elementów:

1. indukcyjność drutu i źródła przed regulatorem. W przypadku typowego systemu wykorzystującego długi i cienki kabel zasilający jest to zwykle znaczące, ponieważ indukcyjność kabla jest wysoka.

2. indukcyjność toru drutu / płytki za regulatorem. Zazwyczaj jest to krótkie, jeśli wykorzystanie jest zbliżone do regulatora, ale może być znaczące, jeśli system wykorzystuje dużą płytkę drukowaną lub być może więcej połączonych płytek drukowanych.

3. czas reakcji regulatora. Regulator powinien zareagować na dwa główne zdarzenia: zmiany napięcia wejściowego, zmiany obciążenia wyjściowego. Parametry te można znaleźć w arkuszu danych.

Podczas stanu nieustalonego na wyjściu regulatora zachodzą następujące zdarzenia:

1. napięcie w kondensatorze wyjściowym spada
2. pętla sterująca regulatora wykrywa odchylenie napięcia i próbuje przewodzić więcej. To wymaga czasu (czas reakcji regulacji obciążenia w arkuszu danych), a podczas tego napięcie spada bardziej.
3. regulator przewodzi więcej i pobiera więcej prądu z kondensatora wejściowego.
4. różnica napięcia między pokrywką a napięciem zasilania, zanim kabel spowoduje, że prąd zacznie płynąć przez kabel, wypełniając ponownie kondensator wejściowy. To wymaga czasu, ponieważ (z grubsza) indukcyjność ogranicza szybkość, z jaką prąd może zacząć płynąć .

Jeśli kondensator wejściowy nie jest w stanie utrzymać wystarczającego ładunku, dopóki nie zostanie ponownie napełniony przez źródło, napięcie spadnie poniżej minimalnego dopuszczalnego napięcia wejściowego regulatora. Regulator nic nie może zrobić: napięcie wyjściowe pozostaje poniżej poziomu nominalnego, dopóki wejście nie osiągnie poziomu minimalnego.

Wypychanie regulatora z jego zaprojektowanego obszaru roboczego może mieć inne poważne wady. Jeśli otworzy się pierwotnie zamknięta kontrola, urządzenie przepustowe może się nasycić. Możliwe jest również, że napięcie wejściowe nie jest wystarczające do niezawodnego zasilania obwodów wewnętrznych i urządzenie może się wyłączyć z powodu funkcji blokady podnapięciowej lub po prostu nie działać poprawnie. Czas powrotu z tych sytuacji może być znacznie dłuższy niż typowa reakcja obciążenia, gdy napięcie wejściowe jest wystarczające. Powinieneś unikać tego.

Może się to zdarzyć, nawet jeśli kondensator wyjściowy jest duży. Napięcie na nim spadnie, a regulator wykrywa i próbuje utrzymać napięcie wyjściowe i napełnić je z powrotem. Jeśli nasadka jest zbyt duża, regulator pobierze duży prąd od strony wejściowej. Pierwszy problem polega na tym, że pochodzi on z kondensatora wejściowego, więc nawet jeśli masz dużą pułapkę na wyjściu, może wystąpić taka sytuacja. Drugi problem polega na tym, że prąd może być wystarczająco wysoki, aby uruchomić zabezpieczenie nadprądowe, które samo w sobie spowalnia reakcję, a odzysk z nadprądu może być wolniejszy niż czas regulacji obciążenia.Powinieneś utrzymywać regulator w normalnych warunkach pracy, aby osiągnąć najlepszą wydajność.

Kondensator wyjściowy powinien być tak mały, jak to możliwe, wystarczający do zminimalizowania czasu, w którym regulator zareaguje i zrekompensuje zwiększone obciążenie. Z grubsza mówiąc, jeśli zwiększysz korek wyjściowy, po prostu utwardzisz pracę regulatora.

Najlepszym podejściem w świecie rzeczywistym jest rozpoczęcie od wystarczająco dużego ograniczenia po stronie wejściowej i małego po stronie wyjściowej. Przeczytaj arkusz danych, aby uzyskać rekomendacje. Sprawdź stan nieustalony po stronie wyjściowej za pomocą oscyloskopu. Jeśli nie jest zadowalający, spróbuj zwiększyć limit wyjściowy lub zastąpić go takim, który ma niższą indukcyjność szeregową. Następnie sprawdź stan przejściowy na wejściu i spróbuj zmniejszyć limit wejściowy. Zachowaj margines bezpieczeństwa po obu stronach.

EDYTOWAĆ:

Impedancja toru drutu / płytki za regulatorem ...

... ma taki sam efekt, jak wspomniano wcześniej: podczas stanów nieustalonych lub również w przypadku ciągłego obciążenia, ale o wysokiej częstotliwości, w punkcie użytkowania pojawi się wycięcie napięcia (lub ciągły spadek). Jeśli porównasz sygnał z oscyloskopem na wyjściu regulatora i w punkcie wykorzystania, zobaczysz, że na regulatorze będzie znacznie mniejszy szum.

Indukcyjność drutu / ścieżki w połączeniu z kondensatorem na wyjściu regulatora jest filtrem dolnoprzepustowym LC, skutecznie tłumiącym komponenty wysokiej częstotliwości.

To jest dobre , ponieważ głośne obciążenie nie zniekształca napięcia regulatora (zbyt mocno). Możesz zasilać MCU lub inne obwody (analogowe) wszystkie niezależnie od regulatora w topologii gwiazdy. To skutecznie zmniejszy zakłócenia. Jeśli indukcyjność ścieżki nie jest wystarczająco wysoka, możesz celowo dołączyć cewki do linii. Widać to często w urządzeniach podobnych do twojego: przejściowe obciążenia o dużej mocy w połączeniu z czułym sterowaniem analogowym / cyfrowym.

Wysoka impedancja zasilania jest również zła , ponieważ chcesz płynnego zasilania przy każdym obciążeniu, ale można to naprawić dodając kondensatory (niskie ESR) do każdego punktu użytkowania. Jeśli na przykład przyjrzysz się płycie głównej komputera, z tego powodu zobaczysz wszędzie setki ceramicznych nakładek.

W przypadku kondensatora na wyjściu, jeśli napięcie wejściowe spadnie poniżej poziomu wymaganego do uzyskania regulacji wyjściowej, nastąpi przerwa w zasilaniu, a kondensator wyjściowy spadnie.

Z kondensatorem na wejściu regulator zawsze będzie miał rezerwę napięcia, a jeśli utrzyma się powyżej minimalnego napięcia wejściowego, regulacja wyjściowa może być utrzymana nawet bez kondensatora (z nieco obniżoną impedancją wyższej częstotliwości).

Przy rektyfikowanym AC efekt ten byłby bardzo widoczny. Przy zasilaniu 5 V wydaje się wskazywać raczej na mniejszą wydajność prądu niż potrzebują czujniki.

Spróbuj przyjrzeć się kształtom fali tętnienia podaży z lunetą. Rozważ posiadanie dedykowanych organów regulacyjnych, jeśli budżet i specyfikacje mogą to uzasadnić. Zapobiegnie to wpływowi czujnika na inne części.

Ponieważ dQ = C * dV.

O ile regulator nie działa prawidłowo, możesz tolerować większy dV na kondensatorze wejściowym, pozwalając na mniejsze C.

Podstawowa przesłanka pytania jest nieważna i nie ma uniwersalnego zastosowania. Z pewnością regulatory (dowolnej odmiany) muszą mieć dość gładką (przefiltrowaną) surową moc do pracy. Niewielu, jeśli w ogóle, będzie działać na impulsowym prądzie stałym z typowego źródła prądu przemiennego i stopnia prostownika. W tym miejscu zwykle widzimy duże kondensatory filtrujące „luzem”.

JEDNAK istnieją przypadki, w których wymagana jest duża pojemność do podtrzymania szyny zasilającej w obecności dużych, przerywanych obciążeń, takich jak ten podany jako przykład w pytaniu.

Nie jest to kwestia „bardziej skutecznej przed lub po”. Są to dwa odrębne i niezależne przypadki i nie można ich logicznie łączyć jak w zadanym pytaniu.

Kondensator po stronie wyjściowej regulatora nawet nie zacznie próbować robić nic użytecznego, dopóki napięcie wyjściowe się nie zmieni. Kondensator po stronie wejściowej zacznie dostarczać prąd, gdy spadnie napięcie wejściowe. Typowy regulator stara się zminimalizować stopień, w jakim zmiany napięcia wejściowego wpływają na moc wyjściową, więc spadek napięcia wejściowego niezbędny do tego, aby kondensator po stronie wejściowej zaczął dostarczać energię, zwykle nie spowoduje znaczącej zmiany napięcia wyjściowego.

W niektórych przypadkach regulator może nie być w stanie natychmiast zareagować na nagłe zapotrzebowanie na prąd, a w takich przypadkach kondensator wyjściowy może być pomocny (jeśli nie jest wymagany) do dostarczenia prądu do wyjścia w czasie, w którym regulator reaguje do zwiększonego obciążenia. Ogranicznik wyjściowy nie będzie w stanie bardzo skutecznie podawać prądu bez zauważalnego spadku napięcia wyjściowego, ale może być w stanie dostarczyć wystarczająco dużo, aby dać regulatorowi czas na reakcję na zwiększone zapotrzebowanie.