Для чего конденсаторы в стабилизаторе напряжения

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.

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

Почему так важен правильный выбор конденсаторов для LDO стабилизатора. Часть 2 — Выбор конденсаторов

Выбор выходных конденсаторов для схем на LDO стабилизаторах

LDO стабилизаторы фирмы Analog Devices могут работать с небольшими керамическими конденсаторами, при условии, что последние имеют низкое значение ESR. ESR выходного конденсатора влияет на устойчивость петли обратной связи стабилизатора. Рекомендуется использовать конденсаторы с емкостью не менее 1 мкФ и ESR не более 1 Ом.

От выходного конденсатора зависит, также, реакция стабилизатора на изменения тока нагрузки. Петля обратной связи имеет ограниченную полосу пропускания для большого сигнала, поэтому во время переходного процесса функцию поставщика в нагрузку большей части тока должен принимать на себя конденсатор. Как показано на Рис. 1, при скачке тока нагрузки от 1 до 200 мА со скоростью 500 мА/мкс, конденсатор емкостью 1 мкФ не в состоянии отдать достаточный ток, что приводит к «провалу» напряжения, приблизительно на 80 мВ. Увеличение емкости до 10 мкФ уменьшает бросок напряжения до 70 мВ (Рис. 2). Конденсатор емкостью 20 мкФ позволяет стабилизатору активно отслеживать скачок тока (Рис. 3) и уменьшить влияние переходного процесса. В примере использовался стабилизатор типа ADP151 с входным напряжением 5 В и выходным 3.3 В.

Рис. 1.	Переходный процесс при COUT = 1 мкФ.

Рис. 2.	Переходный процесс при COUT = 10 мкФ.

Рис. 3.	Переходный процесс при COUT = 20 мкФ.

Входной блокировочный конденсатор

Включение конденсатора емкостью 1 мкФ между входом стабилизатора и «землей» уменьшает влияние на схему топологии печатной платы, особенно при большой длине подводящих проводников или при высоком выходном сопротивлении источника питания. Емкости выходных и входных конденсаторов следует изменять согласованно: если на выходе требуется конденсатор более 1 мкФ, емкость входного конденсатора также должна быть увеличена.

Требования, предъявляемые к свойствам входных и выходных конденсаторов

Требования к входным и выходным конденсаторам должны учитывать диапазон рабочих температур и рабочие напряжения стабилизатора. Керамические конденсаторы производятся с диэлектриками самых разных типов, и каждый характеризуется определенным поведением при изменении температуры и напряжения. Для 5-вольтовых приложений рекомендуется использовать керамические конденсаторы с диэлектриками X5R или X7R на напряжения от 6.3 до 10 В. Диэлектрики Y5V и Z5U характеризуются очень сильной зависимостью от температуры и напряжения, и использоваться в LDO стабилизаторах не могут.

На Рис. 4 показана зависимость емкости от величины приложенного постоянного напряжения для конденсаторов 1 мкФ / 10 В / X5R типоразмера 0402. Рабочее напряжение и размер конденсатора сильнейшим образом влияют на зависимость его емкости от напряжения. В общем случае можно сказать, что чем больше типоразмер и допустимое напряжение конденсатора, тем меньше влияние на него напряжения смещения. Изменение емкости конденсатора с диэлектриком X5R в диапазоне температур –40 … +85 °C составляет ±15% и не зависит ни от габаритов, ни от допустимого напряжения.

Рис. 4.	Зависимость емкости от напряжения смещения.

Вычислить наихудшее изменение емкости конденсатора, в зависимости от температуры, допуска номинала и напряжения, можно с помощью Уравнения 1:

CEFF = CBIAS × (1 – TVAR) × (1 – TOL)

(1)

C_BIAS – номинальная емкость при рабочем напряжении;
TVAR – наихудшее изменение емкости от температуры (в долях от 1);
TOL – наибольшее отклонение номинала (в долях от 1).

TVAR = 15% в диапазоне –40°C…+85°C для диэлектрика X5R;
TOL = 10%;
C_BIAS = 0.94 мкФ при напряжении 1.8 В, как показано на Рис. 4.

Используя эти значения, можно вычислить:

CEFF = 0.94 µF × (1 – 0.15) × (1 – 0.1) = 0.719 µF

В справочных данных на ADP151 минимальная входная емкость в диапазоне рабочих температур и при рабочем напряжении указана равной 0.70 мкФ, так что конденсатор удовлетворяет этим требованиям.

Для того, чтобы гарантировать сохранение характеристик LDO при влиянии напряжения смещения, изменении температуры и разбросе номинальных значений емкости, надо выбирать конденсаторы, ясно представляя себе их свойства и особенности. Учитывать технологические особенности конденсаторов необходимо и в тех случаях, когда предъявляются требования к уровню шумов, дрейфу или целостности сигналов. Все конденсаторы в чем-то несовершенны, и выбирать их следует в строгом соответствии с областью применения.

Рис. А.	Конденсаторы, чаще всего используемые для LDO стабилизаторов.

Сверху по часовой стрелке:

Алюминиевый конденсатор с твердым полимерным электролитом 100 мкФ/6.3 В
Танталовые конденсаторы с твердым электролитом 1 мкФ/35 В и 10 мкФ/25 В
Многослойные керамические конденсаторы 1 мкФ/25 В, 4.7 мкФ/16 В, 10 мкФ/25 В
Алюминиевые электролитические конденсаторы 10 мкФ/16 В и 22 мкФ/25 В

Таблица 1. Сравнение важнейших характеристик конденсаторов различных технологических видов

Источник

Принцип работы стабилизатора напряжения

Стабилизатор напряжения — применение, принцип работы

Стабилизатор напряжения — это электрическое устройство, которое используется для подачи постоянного напряжения на нагрузку на своих выходных клеммах независимо от каких-либо изменений или колебаний на входе, то есть входящего питания.

Основное назначение стабилизатора напряжения заключается в защите электрических или электронных устройств (например, кондиционера, холодильника, телевизора и так далее) от возможного повреждения в результате скачков напряжения или колебаний, повышенного или пониженного напряжения.

Рис.1 — Различные типы стабилизаторов напряжения

Стабилизатор напряжения также известен как AVR (автоматический регулятор напряжения).

Использование стабилизатора напряжения не ограничивается домашним или офисным оборудованием, которое получает электропитание извне.

Даже места, которые имеют свои собственные внутренние источники питания в виде дизельных генераторов переменного тока, сильно зависят от этих AVR для безопасности своего оборудования.

Зачем нужны стабилизаторы напряжения и его важность

Все электрические устройства спроектированы и изготовлены для работы с максимальной эффективностью с типичным источником питания, который известен как номинальное рабочее напряжение. В зависимости от расчетного безопасного предела эксплуатации рабочий диапазон (с оптимальной эффективностью) электрического устройства может быть ограничен до ± 5%, ± 10% или более.

Из-за многих проблем источник входного напряжения, которое мы получаем, всегда имеет тенденцию колебаться, что приводит к постоянно меняющемуся источнику входного напряжения. Это изменяющееся напряжение является основным фактором, способствующим снижению эффективности устройства, а также увеличению частоты его отказов.

Рис. 2 — Проблемы из-за колебаний напряжения

Как работает стабилизатор напряжения

Основная работа стабилизатора напряжения заключается в выполнении двух необходимых функций: функции понижения и повышения напряжения.

Функция понижения и повышения — это не что иное, как регулирование постоянного напряжения от перенапряжения.

Эта функция может выполняться вручную с помощью селекторных переключателей или автоматически с помощью дополнительных электронных схем.

В условиях перенапряжения функция «понижения напряжения» обеспечивает необходимое снижение интенсивности напряжения. Аналогично, в условиях пониженного напряжения функция «повышения напряжения» увеличивает интенсивность напряжения. Идея обеих функций в целом заключается в том, чтобы поддерживать одинаковое выходное напряжение.

Рис. 4 — Принципиальная схема функции понижения в стабилизаторе напряжения

На приведенном выше рисунке показано подключение трансформатора в функции «Понижения». В функции понижения полярность вторичной катушки трансформатора подключается таким образом, что приложенное напряжение к нагрузке является результатом вычитания напряжения первичной и вторичной катушек.

В стабилизаторе напряжения есть схема переключения. Всякий раз, когда обнаруживается превышение напряжения в первичном источнике питания, подключение нагрузки вручную или автоматически переключается в конфигурацию режима «Понижения» с помощью переключателей (реле).

Рис. 6 — Принципиальная схема функции повышения напряжения в стабилизаторе напряжения

На рисунке выше показано подключение трансформатора в функции «Повышения». В функции повышения полярность вторичной обмотки трансформатора подключается таким образом, что приложенное напряжение к нагрузке является результатом сложения напряжения первичной и вторичной обмоток.

Видео совет при выборе стабилизатор напряжения

Особенности сетевых стабилизаторов

Принципиальная схема стабилизатора напряжения данного типа представляет собой набор транзисторов, а также диодов. В свою очередь механизм замыкания в ней отсутствует. Регуляторы при этом имеются обычного типа. В некоторых моделях дополнительно устанавливается система индикации.

Она способна показать мощность скачков в сети. По чувствительности модели довольно сильно отличаются. Конденсаторы, как правило, в цепи имеются компенсационного типа. Система защиты у них отсутствует.

Устройства моделей с регулятором

Для холодильного оборудования востребованным является регулируемый стабилизатор напряжения. Схема его подразумевает возможность настройки прибора перед началом использования. В данном случае это помогает в устранении высокочастотных помех. В свою очередь электромагнитное поле проблем для резисторов не представляет.

Конденсаторы также включаются в регулируемый стабилизатор напряжения. Схема его не обходится без транзисторных мостов, которые соединяются между собой по коллекторной цепочке. Непосредственно регуляторы могут устанавливаться различных модификаций. Многое в данном случае зависит от предельного напряжения. Дополнительно учитывается тип трансформатора, который имеется в стабилизаторе.

Стабилизаторы «Ресанта»

Схема стабилизатора напряжения «Ресанта» представляет собой набор транзисторов, которые взаимодействуют между собой по коллектору. Для охлаждения системы имеется вентилятор. С высокочастотными перегрузками в системе справляется конденсатор компенсационного типа.

Также схема стабилизатора напряжения «Ресанта» включает в себя диодные мосты. Регуляторы во многих моделях устанавливаются обычные. Ограничения по нагрузке у стабилизаторов «Ресанта» есть. В целом помехи ими воспринимаются все. К недостаткам следует отнести высокую шумность трансформаторов.

Схема моделей с напряжением 220 В

Схема стабилизатора напряжения 220 В отличается от прочих устройств тем, что в ней имеется блок управления. Данный элемент соединяется напрямую с регулятором. Сразу за системой фильтрации имеется диодный мост. Для стабилизации колебаний дополнительно предусмотрена цепь из транзисторов. На выходе после обмотки располагается конденсатор.

С перегрузками в системе справляется трансформатор. Преобразование тока осуществляется им же. В целом диапазон мощности у данных устройств довольно высокий. Работать эти стабилизаторы способны и при минусовой температуре. По шумности они не отличаются от моделей других типов. Параметр чувствительности сильно зависит от производителя. Также на нее влияет тип установленного регулятора.

Принцип работы импульсных стабилизаторов

Схема электрическая стабилизатора напряжения данного типа схожа с моделью релейного аналога. Однако отличия в системе все же есть. Главным элементом в цепи принято считать модулятор. Занимается данное устройство тем, что считывает показатели напряжения. Далее сигнал переносится на один из трансформаторов. Там проходит полная обработка информации.

Для изменения силы тока имеется два преобразователя. Однако в некоторых моделях он установлен один. Чтобы справиться с электромагнитным полем, задействуется выпрямительный делитель. При повышении напряжения он снижает предельную частоту. Чтобы ток поступил на обмотку, диоды передают сигнал на транзисторы. На выходе стабилизированное напряжение проходит по вторичной обмотке.

Высокочастотные модели стабилизаторов

По сравнению с релейными моделями, высокочастотный стабилизатор напряжения (схема показана ниже) является более сложным, и диодов в нем задействуется больше двух. Отличительной особенность приборов данного типа принято считать высокую мощность.

Трансформаторы в цепи рассчитаны на большие помехи. В результате данные приборы способны защитить любую бытовую технику в доме. Система фильтрации в них настроена на различные скачки. За счет контроля напряжения величина тока может изменяться. Показатель предельной частоты при этом будет увеличиваться на входе, и уменьшаться на выходе. Преобразование тока в этой цепи осуществляется в два этапа.

Первоначально задействуется транзистор с фильтром на входе. На втором этапе включается диодный мост. Для того чтобы процесс преобразования тока завершился, системе требуется усилитель. Устанавливается он, как правило, между резисторами. Таким образом, температура в устройстве поддерживается на должном уровне. Дополнительно в системе учитывается источник питания. Использование блока защиты зависит от его работы.

Стабилизаторы на 15 В

Для устройств с напряжением 15 В используется сетевой стабилизатор напряжения, схема которого по своей структуре является довольно простой. Порог чувствительности у приборов находится на малом уровне. Модели с системой индикации встретить очень сложно. В фильтрах они не нуждаются, поскольку колебания в цепи незначительные.

Резисторы во многих моделях есть только на выходе. За счет этого процесс преобразования происходит довольно быстро. Входные усилители устанавливаются самые простые. Многое в данном случае зависит от производителя. Используются стабилизатор напряжения (схема показана ниже) этого типа чаще всего в лабораторных исследованиях.

Особенности моделей на 5 В

Для устройств с напряжением 5 В используют специальный сетевой стабилизатор напряжения. Схема их состоит из резисторов, как правило, не более двух. Применяют такие стабилизаторы исключительно для нормального функционирования измерительных приборов. В целом они являются довольно компактными, а работают тихо.

Модели серии SVK

Модели данной серии относятся к стабилизаторам латерного типа. Чаще всего их используют на производстве для уменьшения скачков от сети. Схема подключения стабилизатора напряжения этой модели предусматривает наличие четырех транзисторов, которые расположены попарно. За счет этого ток преодолевает меньшее сопротивление в цепи. На выходе у системы имеется обмотка для обратного эффекта. Фильтров в схеме предусмотрено два.

За счет отсутствия конденсатора процесс преобразования также происходит быстрее. К недостаткам следует отнести большую чувствительность. На электромагнитное поле прибор реагирует очень остро. Схема подключения стабилизатора напряжения серии SVK регулятор предусматривает, как и систему индикации. Напряжение максимум устройством воспринимается до 240 В, а отклонение при этом не может превышать 10 %.

Автоматические стабилизаторы «Лигао 220 В»

Для систем сигнализации является востребованным от компании «Лигао» стабилизатор напряжения 220В. Схема его построена на работе тиристоров. Использоваться данные элементы способны исключительно в полупроводниковых цепях. На сегодняшний день типов тиристоров существует довольно много. По степени защищенности они делятся на статические, а также динамические. Первый вид используется с источниками электричества различной мощности. В свою очередь динамические тиристоры имеют свой предел.

Если говорить про компании «Лигао» стабилизатор напряжения (схема показана ниже), то в нем имеется активный элемент. В большей степени он предназначен для нормального функционирования регулятора. Представляет он собой набор контактов, которые способны соединяться. Необходимо это для того чтобы увеличивать или уменьшать предельную частоту в системе. В других моделях тиристоров может иметься несколько. Устанавливаются они между собой при помощи катодов. В результате коэффициент полезного действия устройства можно значительно повысить.

Низкочастотные устройства

Для обслуживания устройств с частотой менее 30 Гц существует такой стабилизатор напряжения 220В. Схема его схожа со схемами релейных моделей за исключением транзисторов. В данном случае они имеются с эмиттером. Иногда дополнительно устанавливается специальный контроллер. Многое зависит от производителя, а также модели. Контроллер в стабилизаторе необходим для передачи сигнала на блок управления.

Для того чтобы связь была качественной, производители используют усилитель. Устанавливается он, как правило, на входе. На выходе в системе имеется обычно обмотка. Если говорить про предел напряжения в 220 В, конденсаторов можно найти два. Коэффициент передачи тока у таких устройств довольно низкий. Причиною этого принято считать малую предельную частоту, которая является следствием работы контроллера. Однако коэффициент насыщения находится на высокой отметке. Во многом это связано именно с транзисторами, которые устанавливаются с эмиттерами.

Источник