¿Cómo funcionan el desacoplamiento y los capacitores a granel? ¿Qué diferencia hacen al agregarlos al circuito? ¿Puede alguien ayudarme a usar un circuito simple que muestre el efecto de desacoplamiento y capacitores a granel en un circuito? (Necesito una explicación, ya que el primer circuito no debe contener estos condensadores y los resultados deben mostrarse, y el segundo los contendrá y desearía ver y comparar el efecto de agregarlos).
En cierto sentido, no hay diferencia cualitativa. La diferencia es de escala, tanto de corriente como de tiempo.
Se usa un condensador a granel para evitar que la salida de una fuente caiga demasiado durante los períodos en que no hay corriente disponible. Para suministros lineales alimentados por línea, esto ocurriría durante los períodos (por ejemplo, 10 s de ms) que el voltaje de la línea es cercano a cero. También se aplica al circuito en su conjunto. Es decir, un ensamblaje electrónico que contiene varias tarjetas de circuito podría tener un solo conjunto de capacitores a granel en la fuente de alimentación.
Los condensadores de desacoplamiento, por otro lado, se usan localmente (como 1 por chip lógico en algunos sistemas) y están destinados a suministrar corriente durante períodos mucho más breves (generalmente 10 s de nseg para sistemas TTL) y corrientes mucho más pequeñas. Como resultado, las tapas de desacoplamiento suelen ser mucho más pequeñas que las tapas a granel.
Esta regla no es del todo dura y rápida: para algunas piezas analógicas de alta velocidad, se recomienda una combinación de diferentes valores de desacoplamiento, con los valores más pequeños que proporcionan los tiempos de compensación más cortos, y también se utilizan tapas más grandes. Los convertidores A / D de alta velocidad a menudo se utilizan para recomendar una combinación de 0.1uF / 10 uF. Muchas placas lógicas tienen una mezcla de valores dispersos alrededor. Las CPU, en particular, a menudo están rodeadas de electrolíticos grandes (10 - 100 uF), con un montón de pequeñas tapas de cerámica SMD justo debajo del chip.
En cuanto a los circuitos de demostración, solo las mayúsculas hacen que las demostraciones sean fáciles. Tome una salida de transformador de, digamos, 6 VAC, y ejecútelo a través de un puente rectificador. Cargue la salida del puente con una resistencia de potencia (como, 10 ohmios) y observe el voltaje a través de la resistencia; caerá a cero 120 veces por segundo (100 si su frecuencia de línea es de 50 Hz). Ahora coloque una tapa a granel de 10,000 uF en la salida del puente, y la salida será mucho más suave, con caídas de 120 Hz (se verá un poco como un diente de sierra), pero en general el voltaje será mucho más suave.
El desacoplamiento es más difícil. Intente configurar un amplificador de amplificador operacional en una placa de pruebas sin soldadura usando un amplificador operacional de alta velocidad y cables largos que se extiendan desde la tabla de pruebas hasta la fuente de alimentación. Hay una buena probabilidad de que la salida oscile sin entrada. Si coloca tapas cerámicas de 0.1 uF de los suministros al suelo y lo hace directamente en los pines de suministro del amplificador operacional, esto a menudo solucionará el problema. O no: las placas de prueba sin soldadura no son buenas para el trabajo a alta velocidad, incluso si se tiene cuidado, y algunos amplificadores operacionales son muy estables, pero es la mejor sugerencia que se me ocurre.
Muy brevemente, se trata de lograr un equilibrio entre las impedancias y los ESR de varios tipos de condensadores para cumplir con los requisitos de alimentación de un circuito / chip determinado.
Las tapas de desacoplamiento son un nivel de refuerzo intermedio de la fuente de alimentación, y generalmente en los 10 o 100 de nF & casi siempre de cerámica / cerámica multicapa, y se colocan lo más cerca físicamente posible de los pines de potencia de los chips. Su tamaño pequeño, bajo ESR, & la proximidad a los pines del chip minimiza la inductancia y el amp; les permite suministrar breves picos de corriente exigidos por el chip.
Pero, ¿qué recarga las tapas de desacoplamiento? A menudo, la misma razón por la que necesita tapas de desacoplamiento (las pistas y los aviones no pueden suministrar los picos actuales debido a su propia inductancia inherente) es la razón por la que necesita otro nivel intermedio de refuerzo de la potencia suministro, 'capacitancia a granel', para ayudar a las 'tapas de desacoplamiento' a recuperar su carga lo suficientemente rápido. Estos pueden variar significativamente en capacidad, desde unos pocos uF hasta cientos o incluso miles de uF, dependiendo de los requisitos únicos del circuito.
Intentaré una explicación amigable para los noobs.
La mayoría de los dispositivos electrónicos no consumen la corriente constante de la fuente. Algunos consumen corriente en ráfagas rápidas, como un chip / cpu lógico que dibujará un pico de corriente en cada ciclo de reloj, otros como un amplificador dibujarán corriente dependiendo de la señal y lo que requiera la carga.
Ahora, estos circuitos generalmente necesitan que la tensión de su fuente de alimentación esté dentro de ciertos límites para funcionar correctamente. Si el voltaje disminuye demasiado, entonces la CPU podría fallar, por ejemplo. O, si la tensión de alimentación tiene demasiado ruido, su amplificador de bajo ruido ya no será de bajo ruido.
La relación de esto con los condensadores de desacoplamiento es simple:
Tienes un regulador de voltaje. Algunos son más rápidos que otros, pero todos tienen un tiempo de respuesta distinto de cero. Cuando la corriente de carga varía, no reaccionará instantáneamente. Si la corriente de carga varía rápidamente, entonces necesita un condensador en la salida de su regulador para mantener estable el voltaje de salida. Algunos reguladores también requieren condensadores específicos para su correcto funcionamiento.
Este condensador generalmente se llama "tapa a granel". Dependiendo de la aplicación, será algo así como 10-100µF (a veces más) y su propósito es almacenar suficiente energía para alimentar el circuito hasta que el regulador reaccione a un cambio rápido en la demanda actual.
Lo siguiente es la inductancia de suministro. Espero que sepas que el voltaje a través de una inductancia es -L * di / dt. Esto significa que las variaciones rápidas de la corriente a lo largo de la inductancia de trazas largas resultarán en una caída de voltaje no despreciable cuando la corriente cambie rápidamente.
Una tapa de desacoplamiento local con una inductancia baja (es decir, montaje de superficie de cerámica) colocada cerca del chip resuelve este problema. Su valor es pequeño, por lo que almacena muy poca energía, pero ese no es su propósito. Solo está ahí para proporcionar una ayuda de baja inductancia al límite máximo.
Ahora, dependiendo del circuito, podría tener un LDO con solo una tapa que alimenta un chip, o un mobo de PC donde tenga toneladas de mayúsculas y cientos de cerámicas.
Otra función muy importante de la separación de las tapas es la gestión de EMI: hacen que los bucles de corriente de alta velocidad sean pequeños, lo que reduce la EMI irradiada. Cuando se colocan correctamente, también se pueden usar para garantizar que las corrientes altas de di / dt no conviertan su terreno en un campo minado.
Una explicación alternativa (dos caras de la misma moneda), es que filtran los picos causados por el cambio de las puertas lógicas. En general, es una buena práctica agregar algunos electrolíticos o bifurcaciones de 0.1uF y colocar junto a los dispositivos lógicos también cerámicas de 100 nF. El problema es que los electrolíticos no son un condensador perfecto y su respuesta de alta frecuencia no es tan buena, por lo que la inclusión de una tapa de cerámica de bajo valor en paralelo con el electrolítico extiende la respuesta de frecuencia para que la combinación general sea más efectiva para eliminar las espinas. Los picos contienen altas frecuencias.
Si no usa topes de desacoplamiento, es probable que su diseño lógico no funcione.
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