Влияние на выходное напряжение при недостаточном размере крышек регулятора напряжения

Понимание «стабильности» в регуляторах

Чтобы получить интуитивное понимание (о чем и просится вопрос), вам нужно понять концепцию стабильности и то, как работают регуляторы в общем случае.

Для большинства номиналов конденсаторов, указанных для стабилизаторов, приведены минимальные значения, необходимые для стабильности, плюс небольшой запас.

Регулятор представляет собой замкнутую систему. Он наблюдает за тем, что происходит на выходе, и регулирует «вещи» внутри, чтобы гарантировать, что вывод (на самом деле уменьшенная версия вывода) всегда равен желаемому значению.

Проблемы возникают, когда он начинает гоняться за своим хвостом. Если в результате его внутренних изменений входное напряжение также начинает изменяться (или выходное изменяется слишком быстро), то изменения, внесенные регулятором, будут иметь слишком большой эффект, и ему придется отменить избыток.

Это корректирующее изменение может также превысить отметку, требуя другого корректирующего изменения... как вы можете видеть, без достаточной «стабильности» в системе регулятор может выдавать постоянно колеблющееся напряжение, а не ровную линию, на которую вы рассчитываете при использовании регулятора. .

Конденсаторы замедляют изменения напряжения, тем самым помогая обеспечить общую стабильность.

Вход

Входной конденсатор необходим для стабилизации входного напряжения. Если входное напряжение изолировано от источника питания большой индуктивностью (например, длинным проводом), то изменения тока в регуляторе будут проявляться как большие изменения напряжения на входе из-за индуктивности. Конденсатор предназначен для «отмены» этой индуктивности и обеспечения медленно меняющегося (например, стабильного) напряжения на входе. Это делает входное изменение более медленным, чем время реакции контура управления регулятора, что обеспечивает стабильность.

Вывод

Если у вас нет достаточно большого выходного конденсатора (второй в вашем описании), то пульсации на выходе будут больше, чем предсказывает таблица данных. Это означает, что вы получите регулируемое напряжение, но выходное напряжение будет колебаться вокруг этого напряжения. В частности, выход будет медленно реагировать на быстрые изменения нагрузки (потребление тока). Поэтому, когда вы активируете различные части вашей схемы нагрузки (приложения), вы можете испытывать внезапные перепады напряжения. Эти падения могут быть достаточно серьезными, чтобы вызвать сброс в вашей цифровой схеме (или, что еще хуже, фиксацию) или условия в вашей аналоговой схеме, когда есть время восстановления (например, разрядка конденсаторов фильтра).

Эмпирическое правило (я)

Это приближения. Правильный ответ в инженерии всегда «это зависит», но это бесполезно. Итак, здесь я даю вам некоторые мысли о «угадывании» разумных значений.

• Входной конденсатор должен быть рекомендован в примере «типовой схемы применения» в техническом описании. Его добавление влияет только на размер/стоимость и не повредит электрически при работе (даже если он вам не нужен), то есть ваша система не должна быть спроектирована таким образом, чтобы терпеть дополнительный пусковой ток, вызванный наличием этого конденсатора.
• Выходной конденсатор должен иметь типичный размер, указанный в техническом описании, а затем увеличить размер, если вы обнаружите, что пульсации недопустимы в вашем приложении. Тем не менее, если вы знаете, что у вас есть конфиденциальное приложение, начните с удвоения значения и уменьшите его, если считаете производительность приемлемой. Вы также можете подумать о добавлении второго регулятора рядом с вашими чувствительными цепями (это называется регулированием точки нагрузки и используется в большинстве материнских плат ПК, видеокарт и т. д.). Если вы сделаете это, ваш первый регулятор должен будет снизиться до конечного напряжения плюс накладное напряжение второго регулятора, иначе второй регулятор не сможет регулировать.
• Вы можете консервативно рассчитать максимальный размер конденсатора как: выходное сопротивление регулятора * емкость должна быть меньше времени пускового гашения регулятора (иногда называемого плавным пуском или тайм-аутом пуска). Проще говоря, вы можете без труда удвоить типичную рекомендацию.
• Обычно вы получаете лучшую производительность, используя конденсаторы декады, а не просто увеличивая объемную емкость, поскольку это повысит эффективность емкости по частоте, а не просто увеличит количество в одной полосе, где эффективен существующий конденсатор.
• Кроме того, с точки зрения эффективности не все настоящие конденсаторы одинаковы. В регуляторах ESR (эквивалентное последовательное сопротивление, фактически импеданс) играет более важную роль, чем сама общая емкость, поскольку этот параметр описывает, насколько хорошо емкость (внутри) способна влиять на напряжение (снаружи). Чем ниже ESR, тем лучше производительность конденсатора в стабилизаторах.

На самом деле это очень широкий вопрос, но вот несколько советов.

Давайте рассмотрим вашу типичную схему регулятора.

^{смоделируйте эту схему - схема, созданная с помощью CircuitLab}

Напряжение на выходе регулятора определяется для определенного диапазона входных напряжений. Слишком низкое напряжение, и на выходе будет в основном просто падение напряжения на входе, выше этого, вплоть до точки разрушения регулятора, выход будет незначительно изменяться с входным напряжением в пределах допуска указанного регулируемого напряжения.

Таким образом, чем стабильнее входное напряжение, тем стабильнее выходное напряжение. Если источник слева представляет собой двухполупериодное выпрямленное напряжение, вы хотите, чтобы C1 был большим, чтобы минимизировать количество пульсаций, которые проходят через регулятор. Однако, если он поступает от уже отрегулированного источника, скажем, от вашей шины 12 В, конденсатор может быть намного меньше.

Выходной конденсатор C2 больше похож на выравниватель нагрузки. Это поможет подавать ток, когда ваша нагрузка переключается с низкого тока на большой ток, и дает регулятору время адаптироваться к новым требованиям. Если ваша нагрузка переключается в широком диапазоне и часто, вы хотите, чтобы этот конденсатор был больше.

Чтобы еще больше усложнить ситуацию, регулятор будет передавать этот выброс обратно на входную сторону, в свою очередь опуская конденсатор C1.

Однако слишком большой конденсатор на выходе приведет к тому, что регулятор будет дольше оставаться в режиме ограничения тока при первоначальном включении схемы, поскольку большой зарядный ток будет более продолжительным. Точно так же, если входной конденсатор действительно большой, регулятору потребуется больше времени, чтобы достичь требуемого выходного напряжения. Оба они могут быть проблематичными, если подключенная схема частично функционирует во время этого перехода.

Таким образом, баланс этих размеров конденсаторов в значительной степени зависит от характера приложения. Рекомендуемые минимумы всегда должны соблюдаться для «гарантии» стабильности, но вам действительно нужно пересмотреть дизайн позже с функциональным прототипом.