Elección de condensadores de derivación para reguladores lineales sucesivos

Fondo:

Estoy revisando mi PCB prototipo para solucionar problemas anteriores. El PCB es una unidad de captura de datos Bluetooth para niveles y flujo de líquidos. Soy un programador de software de oficio y tengo algo de formación formal en electrónica digital, el resto lo aprendo a medida que avanzo, realmente apreciaría si algunos de los aficionados aquí pudieran orientarme en la dirección correcta.


Desglose del circuito:

Suministrar

10 - 15 V CC -> Reductor/Elevador -> 12 V CC -> 5 V CC -> 3,3 V CC

Carga: +-500mA

  1. dos MCU de 5V
  2. Lector RFID 5V RDM6300.
  3. Módulo Bluetooth 3.3V HC-06.
  4. dos sensores de 12V 4-20ma
  5. cuatro LED de 5V
  6. dos transistores

Problema:

Fiabilidad. Actualmente conduzco un regulador LD1117V33 de 3,3 V desde un 7805, que conduzco desde el convertidor CC/CC de 12 V. Como puede suponer, el 7805 se calienta incluso con un disipador de calor. Me encantan las tablas y me gustaría que duraran mucho tiempo en el campo caliente. Entonces, debido a la asequibilidad y la aparente simplicidad de los reguladores en comparación con los reguladores de CC/CC y las consecuencias de las ondas en cascada en mis circuitos analógicos, sin mencionar las preguntas sobre tierras compartidas y tierras aisladas, etc., quiero agregar un 7809 adicional. Entonces que tengo 12v -> 9V -> 5V -> 3.3V para compartir la carga de disipación térmica.

Mi problema es ¿cómo hago para calcular los capacitores de entrada y salida para cada uno de estos reguladores? En particular, ¿cómo abordar que el capacitor de salida de un regulador es el capacitor de entrada del siguiente regulador? El 7805 -> LD1117V33 actual parece funcionar bien con una entrada de 1uF y una salida de 100nF en ambos.

¿Hay alguna razón por la que no se está reduciendo a 5 V desde el riel de 12 V o el suministro de entrada para el caso?
Olvídalo y agrega un disipador de calor.
@ThreePhaseEel Para ser brutalmente honesto, comencé con una configuración Arduino de placa de pruebas y solo agregué, no fue hasta que comencé a perder chips que me di cuenta de que podría necesitar un mejor circuito de alimentación. Verá que la bomba de agua funciona con el mismo sistema de batería/cargador, lo que provoca algunos picos de energía severos. He estado pensando en reemplazar el 7805 con un OKI-78SR, manejar los dos sensores de 12 V 4-20 mA desde los 12 V fluctuantes ya que el bucle de corriente debería ser inmune y usar un diodo Zener de 2,5 V como referencia analógica para mitigar la ondulación informada en el 78SR.
@EJP Eso es lo que he estado haciendo, y ha funcionado bien, pero siempre trato de caminar por la línea entre la 'mejor manera' y la asequibilidad.
@BinaryWizzard: el OKI-78SR para el suministro de 5V es una buena idea. Sin embargo, los Zeners son diodos de referencia pésimos, incluso el venerable TL431 será una mejor referencia analógica, sin importar un IC de referencia de precisión real ...
Le sugiero que cambie su arquitectura hw de usar diferentes reguladores de voltaje a solo un regulador de salida múltiple. Puede tener solo un voltaje de entrada y 3 o 4 voltajes de salida independientes. Esta solución es más pequeña y más fiable. Saludos,

Respuestas (1)

Sí, podría agregar un regulador de voltaje lineal adicional completo y condensadores para un riel de voltaje que ni siquiera necesita, solo para distribuir la disipación de energía.

O simplemente podría usar una resistencia.

¿Dices que tu problema es la confiabilidad? Entonces déjame contarte sobre el componente eléctrico más confiable jamás fabricado: la resistencia. Son el único componente que puede, aunque de forma poco fiable, seguir funcionando incluso después de incendiarse. Diablos, he visto esas robustas resistencias de potencia de piedra arenisca explotar un poco y aún funcionan, al menos hasta que explotan mucho.

Pero yo divago.

Simplemente coloque algunas resistencias entre el convertidor reductor-elevador de 12 V y su 7805. Puede conectar varias en paralelo si desea distribuir realmente la disipación y tener mucho espacio libre. Esta será la solución más confiable, simple y económica.

Y, como beneficio adicional, es casi seguro que obtendrá una mejor reducción de la ondulación que la conexión en cascada de 780x adicionales (7809 en su caso).

Los reguladores de la serie 780x son bastante lentos. Tienen ~60-70dBV de rechazo de ondulación, pero solo si esa ondulación es de 120 Hz. No sé a qué frecuencia está operando su convertidor de CC/CC, pero es casi seguro que es de 100 kHz o más, y tendrá armónicos de conmutación en MHz. Esos dispararán a través de un regulador lineal lento como el 7809 como una bala dispara por el aire.

Ok, no es tan malo, pero me sorprendería si obtuvieras más de 40dBV de rechazo a 100kHz, y si tu convertidor buck-boost es más rápido, podría ser de 20dBV o incluso peor.

Pero, ¿sabes lo que obtienes si tienes una resistencia en serie con un capacitor? ¡Un filtro de paso bajo! ¡HURRA! Y si colocó una resistencia de caída de voltaje antes de su LM7805, muy convenientemente tiene ese capacitor: el capacitor de entrada para el regulador lineal. Claro, el 7805 necesita una buena entrada de baja impedancia, pero para eso está el capacitor. Y dado que conoce su corriente de carga máxima, es un asunto trivial dimensionar su resistencia de caída de voltaje. Realmente es solo una cuestión de cuánto calor desea disipar en la (s) resistencia (s) en comparación con el regulador lineal. Lo bueno de, digamos, las resistencias de 1 W es que no les importa calentarse y descargarán ese calor solo con la convección natural, por lo que recomendaría favorecer las resistencias cuando se trata de perder vatios.

Voy a hacer un ejemplo rápido y sucio. Con una corriente de carga de 500 mA, reduzcamos el voltaje exactamente a lo que obtendría con un 7809. Para hacer eso, necesitamos una resistencia de 6 Ω. Si quiere estar realmente seguro, tal vez use 3 resistencias de 18Ω 1W en paralelo, entonces cada una solo tendrá que disipar 500mW. Bajarán el voltaje a 9 V incluso antes de que llegue al 7805. Si coloca una cerámica gorda y agradable directamente en la entrada del 7805, quizás una de 47 µF o incluso una elegante de 100 µF, en todo su esplendor del tamaño de 0805, obtendrá resuelva su problema de una manera muy confiable, Y tenga un filtro de paso bajo robusto que le brindará un mejor rechazo de ondulación que un regulador lineal adicional, especialmente en frecuencias más altas.

Y si realmente desea limpiar aún más el voltaje, agregue una perla de ferrita en serie entre las resistencias y el capacitor de entrada. Las perlas de ferrita son pequeñas criaturas maravillosas. A diferencia de los inductores, que pueden reducir la ondulación pero también irradiar parte de esa energía como EMI y casi con seguridad empeorar la situación, las perlas de ferrita toman la ondulación de alta frecuencia y la disipan como calor debido a las pérdidas del núcleo. Se los considera mejor como resistencias dependientes de la frecuencia que solo tienen resistencia por encima de ciertas frecuencias. Te ayudarán mucho cuando se trata de limpiar las secciones analógicas de los circuitos. ¡Ahora es el mejor momento para comenzar a usarlos!

Si todavía tiene el corazón puesto en agregar un 7809, aún puede resolver su problema de esta manera. Agregue una resistencia en serie más pequeña entre la salida del 7809 y la entrada del 7805. Esto disipará un poco de energía y extenderá más las cosas, y desacoplará el capacitor de salida del 7809 del capacitor de entrada del 7805. Simplemente use los valores que usaría si los reguladores se usaran solos. El capacitor de entrada es lo que proporciona la potencia de baja impedancia al regulador de voltaje, por lo que está perfectamente bien tener cierta resistencia en serie con la entrada, siempre que sea antes del capacitor de entrada. Nunca lo coloque entre el condensador de entrada y la entrada real de los reguladores, obviamente.