¿Por qué la hoja de datos LM1117 especifica específicamente los condensadores de tantalio?

Los capacitores de tantalio son completamente innecesarios en esta aplicación.

• La única razón para elegir tantalio podría ser la vida útil, y esto puede diseñarse con tapas electrolíticas húmedas de aluminio. Se supone a partir de ahora que la vida útil se ha diseñado correctamente y no es un problema.

• El uso de un capacitor de tantalio como capacitor de entrada invita a la muerte del capacitor en cualquier momento si el riel de alimentación de entrada puede tener picos de voltaje de cualquier fuente. Un pico de más de una pequeña fracción por encima del valor nominal de un capacitor de tantalio corre el riesgo de destrucción total en un circuito de alta energía, como este.

• El condensador de entrada es un condensador de depósito típico, su valor es relativamente no crítico. El tantalio no tiene ningún propósito técnico aquí. Si se desea una impedancia ultrabaja, se indica el uso de una cerámica paralela más pequeña.

• El condensador de salida NO es un condensador de filtro en ningún sentido tradicional. Su función principal es proporcionar estabilidad de bucle para el regulador. (Por ejemplo, se podría colocar una resistencia de 10 ohmios en serie con el capacitor sin impedir su funcionalidad. Ninguna tapa de filtro normal toleraría esto sin una funcionalidad deteriorada).

• Las características de los capacitores electrolíticos húmedos de aluminio de la capacitancia y el voltaje nominal correctos se adaptan bien a la función del capacitor de salida. No hay razón para no usarlos allí. Este precio / datos generales / hoja de datos del capacitor de 7 centavos sería una opción aceptable en muchas aplicaciones. (Las aplicaciones de vida útil más larga pueden indicar 1 2000 horas/parte 105C).

La hoja de datos del LM1117 brinda una guía clara sobre las características esenciales y deseables de los capacitores de entrada y salida. Cualquier capacitor que cumpla con estas especificaciones es adecuado. El tantalio es una buena opción, pero no es la mejor opción. Hay varios factores y el costo es uno. El tantalio ofrece un buen costo por capacidad en capacitancias desde alrededor de 10 uF en adelante. El capacitor de salida es "seguro" contra picos en la mayoría de los casos. El condensador de entrada está en riesgo de "mal comportamiento" de otras partes del sistema. Los picos por encima del valor nominal producirán (literalmente) un derretimiento en llamas. (El humo, las llamas, el ruido, el mal olor y la explosión son opcionales;
he visto una tapa de tantalio hacer todo esto a la vez :-))

Condensador de entrada

El condensador de entrada no es demasiado crítico cuando el regulador se alimenta desde un bus de sistema ya bien desacoplado. Debajo del diagrama en la página principal, notan "Requerido si el regulador está ubicado lejos del filtro de la fuente de alimentación", a lo que podría agregar "u otra parte bien desacoplada de la fuente". es decir, los condensadores utilizados para el desacoplamiento en general pueden hacer que otro sea redundante. El condensador de salida es más crucial.

Condensador de salida

Muchos reguladores modernos de alto rendimiento y baja caída son incondicionalmente inestables tal como se suministran. Para proporcionar estabilidad de bucle, requieren un capacitor de salida que tenga tanto capacitancia como ESR en rangos seleccionados. Cumplir estas condiciones es esencial para la estabilidad en todas las condiciones de carga.

Capacidad de salida requerida para la estabilidad: La estabilidad requiere que el capacitor de carga de salida de salida sea >= 10 uF cuando el pin Cadj no tiene un capacitor agregado a tierra y >= 20 uF cuando Cadj tiene un capacitor de derivación agregado. Las capacidades más altas también son estables. Este requisito podría cumplirse con una tapa electrolítica húmeda de aluminio o una tapa de cerámica. Como los electrolíticos húmedos son generalmente de amplia tolerancia (hasta +100 %/-50 % si no se especifica lo contrario), un electrolítico húmedo de aluminio de 47 uF proporcionaría una capacitancia adecuada aquí incluso cuando se eliminó Cadj. PERO puede o no cumplir con las especificaciones de ESR.

Condensador de salida ESR requerido para la estabilidad:

ESR es un "requisito de Goldilocks" :-) - ni demasiado ni demasiado poco.
La ESR requerida se establece como

    0.3 ohm <= ESR <= 22 ohm.

Este es un requisito extremadamente amplio e inusual. Incluso las corrientes de ondulación bastante modestas en este capacitor inducirían variaciones de voltaje mucho mayores que las aceptables. Está claro que no esperan altas corrientes de ondulación y que el papel del condensador está relacionado principalmente con la estabilidad del bucle que con el control del ruido per se. Tenga en cuenta que los reguladores de la "vieja escuela" como, por ejemplo, LM340 / LM7805 a menudo no especificaban ningún condensador de salida o tal vez un 0,1 uF. Por ejemplo , la hoja de datos del LM340 aquí dice "**Aunque no se necesita un condensador de salida para la estabilidad, ayuda a la respuesta transitoria. (Si es necesario, use un disco cerámico de 0,1 µF)".

No se requiere un capacitor de tantalio para cumplir con esta especificación.
Un condensador de aluminio húmedo cumplirá esta especificación con facilidad. A continuación, se muestran algunas nuevas ESR máximas típicas para los nuevos condensadores electrolíticos húmedos de aluminio. El primer grupo son capacitores que podrían usarse en la práctica en esta aplicación en el extremo inferior del rango de capacitancia. El 10 uF, 10 V es aproximadamente la mitad de la ESr permitida, quizás un poco cerca para la comodidad durante toda la vida. El segundo grupo es lo que se usaría con Cadj puenteado y podría usarse de todos modos: los ESR están lejos de los límites en ambas direcciones. El tercer grupo son condensadores elegidos para acercarse al límite inferior (y obtendrán mayor resistencia = mejor con la edad). Los 100 uF 63V empujan el límite inferior, pero no habría necesidad de usar una parte de 63V aquí, y aumentará (= mejor) con la edad. .

• 10 uF, 10 V - 10 ohmios
  10 uF, 25 V - 5,3 ohmios

• 47 uF, 10 V - 2,2 ohmios
  47 uF, 16 V - 1,6 ohmios 47 uF, 25 V, 1,2 ohmios

• 470 uF, 10 V - 024 ohmios 220 uF, 25
  V - 0,23 ohmios
  100 uF, 63 V - 0,3 ohmios

Dicen en la hoja de datos LM1117

• 1.3 Condensador de salida

  El capacitor de salida es crítico para mantener la estabilidad del regulador y debe cumplir con las condiciones requeridas tanto para la cantidad mínima de capacitancia como para la ESR (resistencia en serie equivalente).

  La capacitancia de salida mínima requerida por el LM1117 es de 10 µF, si se usa un capacitor de tantalio. Cualquier aumento de la capacitancia de salida simplemente mejorará la estabilidad del bucle y la respuesta transitoria.

  La ESR del condensador de salida debe oscilar entre 0,3 Ω y 22 Ω. En el caso del regulador ajustable, cuando se usa el CADJ, se requiere una capacitancia de salida mayor (22 µf de tantalio)

La VSG es crucial

AÑADIDO - notas

SB Envasado:

He leído esto muchas veces: "mantener la estabilidad del regulador".
¿Cuál sería un ejemplo de un regulador inestable?
¿Oscilaría la salida con una ondulación alta o sería indefinida o qué sucedería exactamente?

La inestabilidad del regulador, en mi experiencia (y como era de esperar) da como resultado que el regulador oscile, con un gran nivel y, a menudo, una señal de alta frecuencia en la salida y un voltaje de CC medido con un medidor no RMS que parece ser CC estable en un valor incorrecto.

El siguiente es un comentario sobre lo que puede ver en circunstancias típicas: los resultados reales varían ampliamente, pero esta es una guía.
Mire la salida con un osciloscopio y puede ver, por ejemplo, una onda semisinusoidal de 100 kHz de cientos de mV a algunos voltios de amplitud en una salida nominal de 5 VCC.

Dependiendo de los parámetros de retroalimentación, puede obtener una oscilación de baja frecuencia, lo suficientemente lenta como para ver variaciones en un medidor de "CC" y puede obtener más señales de MHz.
Esperaría:
(a) que los cambios muy lentos sean más propensos a ser de gran amplitud (ya que sugiere que el sistema está persiguiendo su cola de tal manera que está casi en regulación y que la retroalimentación correctiva no lo está poniendo rápidamente en línea, y
(b) la oscilación del nivel de MHz es más probable que sea más baja que la amplitud habitual, ya que sugiere que la velocidad de respuesta de la ruta de ganancia es un factor importante en la velocidad de respuesta, PERO puede pasar cualquier cosa.

Además, ¿cómo entra en juego exactamente la ESR aquí?
Un transeúnte ingenuo como yo esperaría que la resistencia de serie más baja fuera mejor.

Lo intuitivo y lo lógico no siempre coinciden.
Un regulador es esencialmente un amplificador de potencia controlado por retroalimentación.
Si la retroalimentación es negativa en general, el sistema es estable y la salida es CC.
Si la retroalimentación neta del bucle es positiva, se obtiene una oscilación.
La retroalimentación general se describe mediante una función de transferencia que involucra a los componentes involucrados. Puede observar la estabilidad desde el punto de vista de, por ejemplo , los criterios de estabilidad de Nyquist o (relacionado) sin polos en el semiplano derecho y todos los polos dentro del círculo unitario o... ¡ay!. Es adecuado decir que la retroalimentación de salida a entrada no refuerza la oscilación y que una resistencia que es demasiado grande o demasiado pequeña puede conducir a un refuerzo general cuando se considera como parte del sistema general.
Sencillo, útil .
Solo un poco más complejo - buen
Sueful - intercambio de pila

Útil

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Y una nota final, ¿se refirió a que el voltaje de ondulación en la tapa es grande (incluso para corrientes pequeñas) como un problema inherente debido al tamaño pequeño? (es decir, Vc = ¿integral de corriente sobre capacitancia?)

Dicen "... 0,3 ohmios <= ESR <= 22 ohmios ..."
Si tiene un ESR de 10 ohmios, digamos, entonces cada mA de corriente de ondulación causará 10 mV de variación de voltaje en el capacitor. 10 mA de corriente de ondulación = 100 mV de variación de voltaje y estaría muy descontento con su regulador. El regulador activo puede funcionar para reducir esta ondulación, pero es bueno que el condensador de filtro no se sume al problema que desea solucionar.

Encontré una referencia interesante en la hoja de datos LM3940 de TI (un LDO de 5 V a 3,3 V).

Los tantalios se especificaron porque Electrolytic puede aumentar su ESR hasta 30 veces a temperaturas muy bajas.
Es posible conectar un pequeño tantalio en paralelo a un gran electrolítico si el costo es un problema.

LÍMITES DE ESR: La ESR del condensador de salida provocará inestabilidad en el bucle si es demasiado alta o demasiado baja. El rango aceptable de ESR representado frente a la corriente de carga se muestra en la Figura 19. Es esencial que el condensador de salida cumpla con estos requisitos, o pueden producirse oscilaciones.
Figura 19. Límites de ESR
Es importante tener en cuenta que para la mayoría de los capacitores, la ESR se especifica solo a temperatura ambiente. Sin embargo, el diseñador debe asegurarse de que la ESR permanezca dentro de los límites que se muestran en todo el rango de temperatura de funcionamiento para el diseño. Para los condensadores electrolíticos de aluminio, la ESR aumentará aproximadamente 30 veces a medida que la temperatura se reduzca de 25 °C a -40 °C. Este tipo de condensador no es adecuado para el funcionamiento a baja temperatura. Los condensadores de tantalio sólido tienen una ESR más estable sobre la temperatura, pero son más caros que los electrolíticos de aluminio. Un enfoque rentable que a veces se usa es poner en paralelo un electrolítico de aluminio con un tantalio sólido, con la capacitancia total dividida en aproximadamente 75/25%, siendo el aluminio el valor más grande. Si dos condensadores están en paralelo, la ESR efectiva es el paralelo de los dos valores individuales.

Los electrolíticos tienen un rendimiento deficiente de alta frecuencia en comparación con los tantalios. Con el precio del tantalio en estos días, recomendaría usar uno de sus electrolíticos con un pequeño capacitor cerámico en paralelo, digamos 100nF. Depende de lo que esté alimentando, pero por lo general no es tan crítico a menos que la respuesta transitoria y la ondulación sean especialmente críticas para usted.