Меню

Конденсатор для стабилизатора питания

Важность выбора конденсаторов для LDО стабилизатора

Конденсаторы, как и другие электронные компоненты схем, обладают рядом недостатков, отрицательно, сказывающихся на работе электронных приборов. В число паразитных параметров входят: эквивалентное сопротивление последовательного включения (ESR), эквивалентная последовательная индуктивность (ESL), с емкостью напрямую связанной с напряжением. Их чувствительность к механическому влиянию плохо сказывается на качестве работы.

Определить параметры конденсаторов для линейного стабилизатора, представляется самым важным этапом выбора, влияющим на его работу. Если к выбору конденсатора отнестись с недолжным вниманием, есть риск получить ряд неприятных моментов в работе схеме.

  • Неустойчивость схемы;
  • Высокий, превышающий допустимый, уровень шума;
  • Чрезмерно большое потребление тока;
  • Сокращение долговечности;
  • Непредсказуемые факторы в работе самого устройства.

Разновидность конденсаторов в зависимости от технологических параметров

Существует большой выбор моделей конденсаторов с различными формами, размерами и показателями, дающими возможность осуществить правильный выбор к любым потребностям.

Для диэлектрика, в конструкции конденсатора используют: масло, стекло, воздушную прослойку, бумагу, полимеры и металлические окислы. Специфические параметры диэлектрика, его технологические свойства влияют на области использования. Для стабилизаторов напряжения применяют тип конденсаторов с многослойной керамикой, с танталом, с электролитом твердого типа и из алюминия.

Керамические конденсаторы, многослойные

Важность выбора конденсаторов для LDО стабилизатора

Рис. №1 Многослойный керамический конденсатор, структура.

Небольшие габариты и низкие показатели EDR и ESL. Их недостатки – температурное влияние на значение емкости конденсатора, наличие постоянного напряжения смещения, значительная амплитуда переменного напряжения. Диэлектрик обладает пьезоэлектрическим характером, что является причиной появления трансформации механической вибрации и ударов в электрический шум, до нескольких единиц микровольт.

Генераторы, управляемые напряжением VCOs схемы ФАПЧ и усилители мощности, работающие в радиочастотном диапазоне очень чувствительны к шумам на питающих шинах. Дрожание фазы, амплитудная модуляция искажают изображение. Компьютерные томографы и ультразвуковые сканеры, как следствие работают с искажением картинки. Шум представляет опасность для всех аналоговых схем на слабых сигналах. Керамические конденсаторы весьма популярны для радиосхем в электронных устройствах, благодаря малым габаритам и невысокой цене, нужно только оценивать побочный эффект, который они могут принести.

Танталовые конденсаторы с твердым наполнителем

Важность выбора конденсаторов для LDО стабилизатора

Рис.№2 Танталовые конденсаторы.

Независимость от температуры, от напряжения смещения, от вибрации – существенный плюс их конструкции. Использование вместо двуокиси марганца полимерного электролита со способностью проводить ток, повышает способность противодействия токовым броскам, поэтому отпадает нужда в использовании токоограничивающего резистора. Снижается ESR. Значимым показателем выбора является допустимое напряжение, температура рабочего состояния и значение ESR.

Танталовые конденсаторы с невысоким ЕSR стоят на порядок дороже, но могут считаться незаменимыми для электронных схем, их ток утечки выше чем ток утечки керамических конденсаторов, поэтому они не рекомендованы к применению в слаботочных схемах. Они чувствительны к температуре в процессах при пайке, нельзя использовать конденсаторы с твердым электролитом более чем в трех монтажных операциях. Это сказывается на надежности.

Алюминиевые конденсаторы, электролитические

Важность выбора конденсаторов для LDО стабилизатора

Рис. №3. Алюминиевые электролитические конденсаторы.

Большие размеры и худшие показатели EDR и ESL, большой ток утечки, незначительный срок службы, всего до нескольких тысяч часов работы – основные их недостатки. В конструкции используется электролит, изготовленный на основе органических полупроводников, катод из алюминиевой фольги. Эти особенности улучшают ESR Большинство типов конденсаторов рассчитано на воздействие температуры до 125оС.

Конденсаторы OS-CON с сухим электролитом крупнее обычных имеют худшие показатели ESR по сравнению с керамическими и танталовыми конденсаторами, но обладают качеством отсутствия пьезоэффекта и применяются в устройствах, где необходим низкий уровень шума.

Выбор конденсаторов выхода для схем LDO стабилизаторов

Подобные устройства работают с керамическими конденсаторами малых габаритных размеров, с там условием, что им характерны низкие показатели ESR, ESL. Этот параметр влияет на показатели устойчивости петли обратной связи стабилизатора. Лучше всего применять конденсаторы, емкость, которых от 1 мкФ и ESR до 1 Ом. От этих показателей зависит реакция стабилизатора на изменение тока нагрузки. Петля обратной связи отличается полосой пропускания с узкими границами, не подходящими для большого сигнала, вследствие этого функцию поставщика тока нагрузки берет сам конденсатор. Он может пропустить достаточный ток, приводящий к провалу напряжения до 80 мВ. Если повысить значение емкости до 10 мкФ, снижается значение переходного процесса.

Читайте также:  Стабилизаторы для производства йогурта

Важность выбора конденсаторов для LDО стабилизатора

Рис..№ 4.Сравнительная таблица.

Входной блокировочный конденсатор – основные свойства

Размещение в схеме конденсатора емкостью 1 мкФ между входом питающего напряжения и заземляющим контактом понижает воздействие на топологическую схему печатной платы. Особенно это необходимо, если подводящий проводник обладает, при относительно большой длине, высоким сопротивлением выхода, питающего источника. Емкость конденсатора на входе увеличивается, если на выходе устанавливают конденсатор емкостью выше 1 мкФ.

Необходимые требования к входным и выходным конденсаторам

Учет рабочей температуры и показатель рабочего напряжения стабилизирующего устройства, важное действие при выборе конденсатора на выходе и входе. Керамические конденсаторы подойдут к стабилизаторам многих типов, они характеризуются нюансами поведения при изменении показателей температуры и напряжения. Для 5-вольтовых устройств применяют конденсаторы с диэлектрикам Х5R и X7R, напряжением 6,3 – 10 В. Напряжение и габариты конденсатора влияют на зависимость емкости от величины рабочего напряжения. Чем они больше, тем меньше на них влияет напряжение смещения.

Гарантией сохранности характеристик LDO является четкое представление об их качествах и нюансах конструкции. Особенно это видно в случаях с повышенным требованием к степени шума, дрейфу и целостности сигнала.

Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта Электронщик , буду рад если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное. Делитесь информацией в соцсетях, ставьте лайки, если вам понравилось — это поможет развитию канала

Источник



Почему так важен правильный выбор конденсаторов для LDO стабилизатора. Часть 1 — Свойства конденсаторов

Analog Dialogue, Вып. 45 – Январь 2011

Glenn Morita, Analog Devices

Полагая, что добавлением нескольких конденсаторов они решат все проблемы, связанные с шумами в схеме, разработчики зачастую не задумываются о том, что кроме емкости и допустимого напряжения, у конденсаторов есть еще множество характеристик. Как и любые другие электронные компоненты, конденсаторы несовершенны. Они обладают такими паразитными параметрами, как эквивалентное последовательное сопротивление (Effective Series Resistance – ESR) и эквивалентная последовательная индуктивность (Effective Series Inductance – ESL), их емкость зависит от температуры и напряжения, они чувствительны к механическим воздействиям.

Разработчики линейных стабилизаторов напряжения должны относиться к выбору входных и выходных конденсаторов с точно такой же ответственностью, как и разработчики фильтров, времязадающих цепей или других устройств, параметры которых определяются емкостью конденсатора. Следствием неправильного выбора конденсаторов может быть неустойчивость схемы, повышенный уровень шумов, чрезмерное потребление тока, сокращение срока службы и непредсказуемое поведение устройства.

Технологические разновидности конденсаторов

Конденсаторы имеют самые разные размеры, форму, допустимые значения напряжения и другие параметры, позволяющие подобрать подходящий конденсатор для любого приложения. В качестве материала диэлектрика обычно используют масло, бумагу, стекло, воздух, слюду, полимерные пленки и окислы металлов. Каждый диэлектрик обладает специфическими свойствами, которые определяют область его применения.

В стабилизаторах напряжения в качестве входных и выходных, чаще всего, используются многослойные керамические, танталовые с твердым электролитом и алюминиевые конденсаторы. В Приложении к статье приведена таблица сравнения характеристик конденсаторов различных типов.

Многослойные керамические конденсаторы

Многослойные керамические конденсаторы сочетают в себе малые габариты и низкие значения ESR и ESL. Но, к сожалению, они не лишены и серьезных недостатков. В зависимости от материала диэлектрика, влияние на величину емкости температуры, постоянного напряжения смещения и амплитуды переменного напряжения может быть очень значительным. Кроме того, пьезоэлектрический характер диэлектрика является причиной трансформации механических вибраций и ударов в электрический шум. Чаще всего, этот шум имеет порядок единиц микровольт, но в отдельных случаях, генерируемые механическими нагрузками шумы могут достигать единиц милливольт.

Управляемые напряжением генераторы (Voltage-controlled oscillators – VCOs), схемы ФАПЧ (phase-locked loops – PLLs), усилители мощности радиочастотного диапазона (RF power amplifiers – PAs) чувствительны к шумам на шинах их питания. В схемах VCO и PLL эти шумы проявляют себя в форме дрожания фазы, в PA – в форме амплитудной модуляции, в ультразвуковых сканерах и компьютерных томографах приводят к искажению изображений. Шумы опасны для любых аналоговых схем, работающих со слабыми сигналами. Несмотря на все перечисленные недостатки, керамические конденсаторы используются практически в каждом электронном устройстве из-за их небольших размеров и цены. Однако, проектируя стабилизаторы напряжения для чувствительных к шумам приложений, необходимо внимательно оценить и все побочные эффекты.

Читайте также:  Форд мондео 3 замена задние втулки стабилизатора

Танталовые конденсаторы с твердым электролитом

По сравнению с многослойными керамическими конденсаторами, параметры танталовых конденсаторов с твердым электролитом в меньшей степени зависят от температуры, напряжения смещения и вибраций. В танталовых конденсаторах последнего поколения вместо двуокиси марганца используется проводящий полимерный электролит, благодаря которому повысилась стойкость к броскам тока и отпала необходимость в токограничительном резисторе. Кроме того, уменьшилось ESR. Емкость танталовых конденсаторов с твердым электролитом слабо зависит от температуры и напряжения смещения, поэтому основными критериями выбора конденсаторов остаются допустимое напряжение, рабочая температура и величина ESR.

Имеющие низкое ESR танталовые конденсаторы дороже и несколько крупнее керамических, но для приложений, где шумы вызванные пьезоэффектом недопустимы, они могут оказаться единственным выбором. Токи утечки танталовых конденсаторов намного больше, чем у керамических такой же емкости, что делает их непригодными для использования в некоторых слаботочных схемах.

Недостатком технологии твердых полимерных электролитов является бóльшая чувствительность к повышенной температуре пайки, характерной для бессвинцовых процессов. Изготовители, как правило, запрещают подвергать конденсаторы с твердыми полимерными электролитами более чем трем циклам монтажа. Игнорирование этого требования может привести к проблемам долговременной надежности.

Алюминиевые электролитические конденсаторы

Обычные алюминиевые электролитические конденсаторы имеют бóльшие габариты, худшие значения ESR и ESL, относительно высокий ток утечки и ограниченный срок службы, измеряемый тысячами часов. В алюминиевых конденсаторах с сухим электролитом (OS-CON) используется электролит на основе органических полупроводников и катод из алюминиевой фольги, что позволяет получить лучшие значения ESR. Несмотря на то, что технологически OS-CON конденсаторы близки к танталовым конденсаторам с твердым электролитом, появились они лет на 10 раньше танталовых. Из-за отсутствия подверженного высыханию жидкого электролита, OS-CON конденсаторы превосходят обычные алюминиевые по сроку службы. Большинство из них рассчитаны на предельную температуру 105 °C, но в последнее время стали появляться OS-CON конденсаторы, специфицированные для температуры 125 °C.

Хотя характеристики OS-CON конденсаторов и лучше, чем обычных алюминиевых, OS-CON крупнее и имеют худшее ESR, чем керамические и танталовые конденсаторы. Так же, как танталовые, они не имеют пьезоэффекта и могут использоваться в приложениях, требующих низких уровней шумов.

Окончание читайте здесь

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

Источник

Как рассчитать емкость гасящего конденсатора простого блока питания

Блок питания с гасящим конденсатором представляет собой простейший вариант запитать какое нибудь маломощное устройство.

При всей своей простоте он имеет и два минуса:
1. Он гальванически связан с сетью! потому такие БП используются там, где нет вероятности прикосновения к контактам.
2. Такой Бп имеет не очень большой выходной ток. При увеличении выходного тока надо увеличивать емкость гасящего конденсатора и его габариты становятся существенными.

Внимание, будьте очень аккуратны, не прикасайтесь к контактам этого БП когда он включен.

Простейшая схема данного БП выглядит так:

Как можно увидеть из схемы, последовательно с сетью стоит конденсатор. Он то и является балластом,, на котором гасится часть напряжения.
Конденсатор не пропускает постоянный ток, но так как в сети переменный и конденсатор в итоге постоянно перезаряжется, то и получается, что в таком случае ток на выходе есть. Причем сила тока напрямую зависит от емкости конденсатора.

Собственно потому для расчета емкости конденсатора необходимо знать как минимум выходной ток нашего будущего БП, причем надо учесть и потребление стабилизатора, обычно это несколько мА.

И так. Есть две формулы, сложная и простая.
Сложная — подходит для расчета при произвольном выходном напряжении.
Простая — подходит в ситуациях, когда выходное напряжение не более 10% от входного.
I — выходной ток нашего БП
Uвх — напряжение сети, например 220 Вольт
Uвых — напряжение на выходе БП (или до стабилизаторе если такой есть), например 12 Вольт.
С — собственно искомая емкость.

Читайте также:  Стабилизатор однофазный с байпасом

Например я хочу сделать БП с выходным током до 150мА. Пример схемы приведен выше, вариант применения — радиопульт с питанием 5 Вольт + реле на 12 Вольт.
Подставляем наши 0.15 Ампера и получаем емкость 2.18мкФ, можно взять ближайший номинал из стандартных — 2,2мкФ, ну или «по импортному» — 225.

Все как бы вроде хорошо, схема простая, но есть несколько минусов, которые надо исключить:
1. Бросок тока при включении может сжечь диодный мост.
2. При выходе из строя конденсатора может быть КЗ
3. Если оставить как есть, то вполне можно получить разряд от входного конденсатора, так как на нем может долго присутствовать напряжение даже после отключения БП от сети.
4. При снятии нагрузки напряжение на конденсаторе до стабилизатора поднимется до довольно большого значения.

Решения:
1. Резистор R1 последовательно с конденсатором
2. Предохранитель 0.5 Ампера.
3. Резистор R2 параллельно конденсатору.
4. Супрессор на 12 Вольт параллельно конденсатору после диодного моста. Я не рекомендую здесь использовать стабилитроны, супрессоры рассчитаны на большую мощность рассеивания и схема будет работать надежнее.

На схеме красным цветом я выделил новые компоненты, синим — небольшое дополнение в виде светодиода.

Но гасящие конденсаторы используют часто и в дешевых светодиодных лампах. Это плохо, так как у таких ламп меньше надежность и часто высокие пульсации света.
Ниже упрощенный вариант схемы такой лампы.

Попробуем рассчитать емкость для такого применения, но так как напряжение на выходе будет явно больше чем 1/10 от входного, то применим первую формулу.
В качестве выходного напряжения я заложил 48 Вольт, 16 светодиодов по 3 Вольта на каждом. Конечно это все условно, но близко к реальности.
Ток — 20мА, типичный максимальный ток для большинства индикаторных светодиодов.

У меня вышло, что необходим конденсатор емкостью 0.298 мкФ. Ближайший из распространенных номиналов — 0.27 или 0.33мкФ. Первый встречается гораздо реже, а второй уже будет давать превышение тока, потому можно составить конденсатор из двух параллельных, например по 0.15мкФ. При параллельном включении емкость складывается.

С емкостью разобрались, осталось еще пара моментов:
1. Напряжение конденсатора
2. Тип конденсатора.

С напряжением все просто, можно применить конденсатор на 400 Вольт, но надежнее на 630, хоть они и имеют больше размер.

С типом чуть сложнее. Для такого применения лучше использовать конденсаторы, которые изначально предназначены для такого использования, например К73-17, CL21, X2
На фото конденсатор CL21

А это более надежный вариант, не смотрите что на нем указано 280 Вольт, у него это значение переменного действующего напряжения и он будет работать надежнее, чем К73-17 или CL21.

Такие конденсаторы могут выглядеть и так

А вот теперь можно еще раз внимательно посмотреть, что надо для того, чтобы собрать такой «простой» блок питания и решить, нужен ли он.
В некоторых ситуациях да, он поможет, но он имеет кучу минусов, потому на мой взгляд лучше применить просто небольшой импульсный блок питания, который уже имеет стабилизированное выходное напряжение, гальваническую изоляцию и больший выходной ток.
Как пример таких блоков питания я могу дать ссылку на подробный обзор четырех вариантов, с тестами, схемами и осмотров.

Но можно поступить еще лучше. Сейчас получили распространение монолитные блоки питания. По сути кубик, в котором находится миниатюрный БП
Например HLK-PM01 производства Hi-link, стоимостью около двух долларов за штуку.

Или их китайский аналог TSP-05 производства Tenstar robot. Они немного дешевле, 1.93 доллара за штуку.
Практика показала, что качество у них сопоставимое.

Как я писал выше, они представляют из себя импульсный Бп в модульном исполнении. БП в пластмассовом корпусе залитый эпоксидной смолой.
Выпускаются на разные напряжения и способны поддерживать его на довольно стабильном уровне.

Внутренности поближе, на фото вариант от Hi-link

На этом вроде все. Надеюсь, что статья была полезна, постараюсь и в будущем находить интересные темы. Также интересны пожелания, что хотелось бы видеть в рубрике — Начинающим.

Источник