Calcular el valor de los condensadores de derivación para un amplificador

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Quiero saber si hay una manera aproximada de calcular la capacidad necesaria para desacoplar la fuente de alimentación utilizada en un amplificador. (Áspero y listo porque de todos modos, ¡agregaré un 30% al valor!)

Preguntas: 1) ¿Depende esto del tipo de amplificador utilizado (en mi caso, la etapa de emisor común que va en un pushpull AB)?

2) ¿Depende esto de la señal a amplificar (en mi caso, solo una simple onda sinusoidal).

3) ¿Cómo se relaciona esto con la potencia nominal del amplificador (en mi caso, solo unos pocos vatios)?

4) ¿El voltaje lo afecta? (aparte de que la tensión nominal de la tapa es lo suficientemente alta para el suministro! (en mi caso, 25v))

5) ¿Afecta esto la frecuencia, (en mi caso 50kHz a 5MHz)

En resumen, ¿qué pasos / cálculos debo realizar para calcular los valores de las tapas de derivación necesarias para desacoplar el suministro y evitar la distorsión debida a la tensión de ondulación del suministro?

    
pregunta Tim Mottram

3 respuestas

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Creo que la regla general para desacoplar las tapas es "cuanto más grande, mejor!".

La mejor manera de averiguar si su desacoplamiento es lo suficientemente bueno es construir el circuito y medir la ondulación. La segunda mejor manera es simular el circuito en Spice y medir la ondulación.

Sin embargo, si desea tener una estimación aproximada del orden de magnitud, debe tener en cuenta los siguientes parámetros:

  • Impedancia de salida de su fuente de alimentación - \ $ R \ $
  • Corriente de conmutación promedio y su duración: \ $ I_A \ $ y \ $ T \ $
  • El rizado máximo permitido en el voltaje de la fuente: \ $ V_ {r_ {max}} \ $

Está claro que la fluctuación de la tensión de la fuente de alimentación se debe a la caída de tensión en su impedancia de salida interna, y que esta caída de tensión es igual a la caída de tensión en la tapa:

$$ V_ {r} (t) = I_ {R} (t) R = \ frac {1} {C} \ Delta Q (t) $$

Tenga en cuenta que \ $ I_ {R} \ $ en la ecuación anterior no es la corriente total consumida por la carga, sino la fracción de esta corriente que se extrae de la fuente de alimentación (la otra parte se extrae del condensador) .

Si haces el álgebra y las sustituciones, obtendrás la siguiente ecuación:

$$ V_r (t) = \ frac {1} {C} \ int_ {0} ^ {t} I_C (t ') dt' $$

Donde \ $ I_C (t ') \ $ es la corriente extraída del capacitor.

Para encontrar la caída de voltaje máxima, necesita encontrar el máximo de la función anterior. Esto requiere la diferenciación con respecto a \ $ t \ $ y encontrar el valor de \ $ t \ $ para el cual el derivado es igual a cero. Debido a que la corriente extraída del capacitor depende de la tensión en el capacitor y de la corriente consumida por la carga, la diferencia anterior no es simple y requiere una caracterización exacta del perfil de corriente de conmutación.

Sin embargo, no desea una solución exacta, sino solo estimaciones, por lo tanto, podemos hacer varias suposiciones que simplificarán el problema:

  • La corriente extraída de la fuente de alimentación cuando la ondulación está en el máximo es \ $ \ frac {V_ {r_ {max}}} {R} \ $. Podemos asumir una fluctuación lineal, lo que significa que la corriente promedio extraída de la fuente es \ $ I_ {R_ {A}} = \ frac {V_ {r_ {max}}} {2R} \ $
  • La corriente promedio extraída del capacitor es entonces \ $ I_ {C_ {A}} = I_A-I_ {R_ {A}} = I_A- \ frac {V_ {r_ {max}}} {2R} \ $ .
  • La caída de voltaje total en el capacitor debido a la corriente promedio superior que fluye durante el período de tiempo de \ $ T \ $ (tiempo de conmutación) es \ $ \ Delta V_C = \ frac {1} {C} I_ {C_A} T = \ frac {T} {C} * (I_A- \ frac {V_ {r_ {max}}} {2R}) \ $

Aceptar todas las suposiciones anteriores y requerir \ $ \ Delta V_C = V_ {r_ {max}} \ $ conduce al siguiente valor de capacitancia:

$$ C = T \ left (\ frac {I_A} {v_ {r_ {max}}} - \ frac {1} {2R} \ right) $$

Descargo de responsabilidad :

He derivado la ecuación anterior justo ahora. Puede estar completamente equivocado. Sin embargo, veo que la dependencia de la capacidad requerida en los parámetros del problema es intuitivamente correcta:

  • Cuanto mayor sea la corriente de conmutación, mayor será la capacidad que necesita
  • Cuanto menor sea la ondulación deseada, mayor será la capacidad que necesita
  • Cuanto mayor sea la resistencia de salida interna del suministro, mayor será la capacidad que necesita
  • La dependencia del tiempo de conmutación es un poco complicada: no tiene efecto en el primer término entre paréntesis debido al promedio de la corriente. Por lo tanto, cuanto más corto sea el tiempo de conmutación, mayor será la capacidad que necesita.

Será prudente probar este modelo y, como dijiste, de todos modos, toma el condensador que es más grande de lo que predice esta ecuación.

Estaré encantado de recibir comentarios sobre este modelo.

    
respondido por el Vasiliy
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Vaya a enlace y descargue su "PSU Deisgner" GRATIS. Le permite construir su fuente de alimentación de forma esquemática y ver el voltaje de salida, la corriente de salida y los resultados de rizado. Puede editar fácilmente los valores de los componentes (como el límite del filtro) y volver a simular las veces que desee.

Necesitará saber cuánta corriente consume su amplificador y el voltaje de su riel (fuente de alimentación) para configurar la resistencia de carga (usando la ley de ohmios, R = E / I) o puede configurar su carga como un "sumidero de corriente" "(corriente fija, independientemente de la tensión).

Luego, simule la fuente de alimentación y observe el valor de "diferencia" (entre el voltaje máximo y mínimo) de su carga. Este será su voltaje de ondulación. Si el voltaje de suministro no supera el 0,0032% del voltaje de suministro, es inferior a 90dB del voltaje de suministro de energía, y debe satisfacer incluso los estándares de audiófilos.

También puedes probar diferentes límites y ver cuánta tensión de ondulación (o corriente) obtienes. Tome el registro de su voltaje de rizado sobre el voltaje de suministro (o la corriente de rizado sobre la corriente de suministro) y multiplique por veinte para ver su rizado en dB.

¡Buena suerte!

P.S .: ... o ¿estaba refiriéndose a un límite de desvío de SALIDA? En cuyo caso, utilice

f = 1 / (2π x r x c), donde:

f es la frecuencia más baja que desea pasar en Hz (normalmente 10 o 20 para un amplificador de audio),

r es su resistencia de carga en ohmios (generalmente 6-8Ω para su altavoz promedio + quizás un ohmio para la impedancia de su etapa de salida), y

c es tu capacitancia (en faradios, es decir, 1µF sería .000001)

    
respondido por el Andrew Ryder
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Las preguntas 1 a 3 están todas vinculadas al mismo problema: la potencia consumida de los rieles de suministro.

1: un amplificador AB Push-Pull tiene una eficiencia del 75%.

2: una onda sinusoidal utilizará más potencia que una onda cuadrada con un ciclo de PWM del 10%, por ejemplo.

3: tome su clasificación de salida de RMS en vatios y multiplíquelo por 1.414 para obtener los vatios máximos y divídalo por .75 para obtener el vataje que debe ir en los rieles de suministro. Use la ley de potencia y la tensión de alimentación para determinar la resistencia efectiva del amplificador.

Hay una ecuación muy simple que te permitirá obtener la respuesta de capacitancia que deseas. Es: C = T / R

Donde:

C = capacitancia en Farads

T = tiempo en segundos

R = resistencia en ohmios.

Calcule el consumo máximo de corriente de su amplificador y use la ley de Ohm y la ley de potencia para encontrar la resistencia equivalente en ohmios.

T es la cantidad de tiempo que tarda la tensión en el condensador en caer en 1 constante de tiempo, o 63% de la tensión total. La caída de tensión no es lineal, sino sinusoidal. Para tus propósitos, puedes pensar que es lineal. ¿Quieres tener una caída de voltaje de 6.3% en lugar de 63%? Multiplica la capacitancia por 10X.

Una cosa en la que los grandes capacitores son buenos es el suministro de mucha energía. Lo que no son buenos es reaccionar rápidamente. Si desea filtrar las frecuencias de MHz de su amplificador, puede considerar poner un condensador de desacoplamiento .1uF en paralelo con sus tapas de desacoplamiento de monstruo o poner un inductor en serie entre VCC y las tapas de filtrado. La fórmula para eso es:

L = XL / (2 * PI * F)

Donde:

XL = la reactancia inductiva (o resistencia de CA) del inductor

F = la frecuencia que desea bloquear, en Hz

L = el valor del inductor, en Henrys

El calibre del cable debe ser lo suficientemente grande para pasar la corriente máxima deseada sin calentamiento y el valor XL debe ser 100X + más alto que la resistencia equivalente del amplificador a la frecuencia que desea bloquear.

    
respondido por el Jerry Penner

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