¿Por qué mi circuito funciona con capacitores cerámicos pero no electrolíticos?

Había usado algunos condensadores como condensadores de desacoplamiento para mi dispositivo alimentado por USB. Debido a algunos problemas con el chip, esto resultó en el uso de tres condensadores de 47 uF.

Usé condensadores electrolíticos. Tres en paralelo, entre Vcc y Gnd. Sin embargo, todavía había problemas.

Este otro grupo que estoy trabajando con capacitores cerámicos usados. Me dieron su parte modificada y funcionó todo.

Pensé que la principal diferencia entre los diferentes materiales en los condensadores era cuando se usaban a altas frecuencias. ¿Por qué en este caso funcionaron los capacitores cerámicos y no los electrolíticos?

Algunos enlaces que usé como referencia:

Algo no funcionó con los electrolíticos y no funcionó de alguna manera desconocida: considere la información que tiene en su pregunta y pregúntese si cree que alguien en el intercambio de pilas es un lector de mentes.
Lo siento si no fui lo suficientemente claro. No esperaba leer la mente, y solo quería ver por qué los condensadores de desacoplamiento electrolítico no funcionaban tan bien como los condensadores de desacoplamiento de cerámica.
Si eres tan pobre como yo tratando de aprender el oficio, realmente ayuda jugar con un simulador decente, varios de los cuales son de uso gratuito.
@SeanBoddy La mayoría de los simuladores usan modelos genéricos (ideales) para capacitores. Sí, se pueden asignar parásitos en algunos, pero esto probablemente no ayudará a ilustrar las diferencias técnicas entre una tapa de cerámica y una electrolítica.
@rdtsc, de hecho, ya sabes, no estoy seguro de que la pregunta se viera así hace dos años. Independientemente, la simulación es literalmente la única forma en que podría haberme permitido completar mi entrenamiento. Pero sí, configurar sus capacitores de manera realista puede ser complicado e imposible si no investiga primero lo que se necesita para hacerlos realidad.

Respuestas (4)

Como dices, las tapas electrolíticas y cerámicas tienen un rendimiento diferente a altas frecuencias. Básicamente, las tapas electrolíticas dejan de actuar como tapas a frecuencias mucho más bajas que las cerámicas.

El desacoplamiento es un problema de alta frecuencia, por lo que los límites de desacoplamiento deben funcionar a altas frecuencias. Los electrolíticos no, pero la cerámica sí.

Las respuestas de OlinLathrop y SomeHardwareGuy son correctas. Y como mencionaste que esto era un USB Bus Powered Device, hay otro problema. De acuerdo con la Especificación de bus serie universal 2.0 Capítulo 7 Eléctrico, sección 7.2.4.1 Limitación de corriente de irrupción:

La carga máxima (CRPB) que se puede colocar en el extremo aguas abajo de un cable es de 10 µF en paralelo con 44 O. La capacitancia de 10 µF representa cualquier capacitor de derivación conectado directamente a través de las líneas VBUS en la función más cualquier efecto capacitivo visible a través del regulador en el dispositivo. La resistencia de 44 O representa una unidad de carga de corriente consumida por el dispositivo durante la conexión.

Esto se pasa por alto fácilmente, ya que está bastante avanzado en el documento de especificaciones de la versión 2.0: hace muchos años, violamos accidentalmente esta especificación en algunas de nuestras primeras placas alimentadas por USB al usar un capacitor de 10uF, y el resultado fue que, a veces, algunas placas fallaban. tiene demasiada corriente de entrada cuando se conecta al puerto USB. Windows informaría un error y apagaría ese puerto USB hasta que se desconectara el dispositivo.

No vi esta sección en la especificación USB 3.1, y asumo que los capacitores cerámicos que usó tenían el mismo valor que los electrolíticos (3 x 47 µF). La especificación USB 2.0 se finalizó en abril de 2000, una era en la que los condensadores cerámicos generalmente no estaban disponibles en valores superiores a 1 µF, por lo que los condensadores electrolíticos se habrían utilizado con mayor frecuencia. La física no ha cambiado, pero la economía sí: aquí, en el año 2015, es posible comprar condensadores cerámicos de >100 µF, y las características de los condensadores cerámicos son generalmente más cercanas a las "ideales" en este tipo de aplicación.

Si por algún motivo debe utilizar condensadores electrolíticos en un dispositivo alimentado por bus USB, la solución es mantener la cantidad de carga capacitiva conectada directamente a VBUS en menos de 10 µF o utilizar una fuente de alimentación externa (es decir, en lugar de un dispositivo alimentado por bus) USB Self-Powered Device. configuración.). La hoja de datos FTDIchip.com FT232 tiene ejemplos del uso de un FET para aislar el suministro USB VBUS del resto del circuito. Cuando el dispositivo está conectado a USB, el FT232 primero negocia con el host USB, y solo después de que el host da permiso, FET se enciende para encender su dispositivo.

Sin esta negociación, la corriente de irrupción repentina de >10 uF de los capacitores electrolíticos completamente descargados sería indistinguible de una falla de cortocircuito. El puerto USB se apaga para proteger la computadora host. Todavía habrá algo de corriente de entrada cuando el host envíe el comando para habilitar el dispositivo, pero en ese momento, el host ya ha negociado con el periférico y le ha dado su aprobación para encenderlo.

En comparación con los condensadores electrolíticos, los condensadores cerámicos tienen una inductancia más baja, una resistencia en serie efectiva más baja y una frecuencia de autorresonancia más alta. En general, un rendimiento casi ideal para la derivación de la fuente de alimentación local (al menos por debajo de las frecuencias de microondas). El empaque de montaje en superficie también tiene menos inductancia que el empaque de orificio pasante. No lo mencionó específicamente, pero supongo que los condensadores electrolíticos de 47 µF probablemente eran de orificio pasante. Incluso los condensadores electrolíticos de montaje en superficie son esencialmente iguales a las piezas con conductores radiales, con conductores modificados y una base de plástico.

Los condensadores electrolíticos siguen siendo útiles para el desacoplamiento de la fuente de alimentación a granel, generalmente donde la energía ingresa a un conjunto de placa; los electrolíticos generalmente brindan más capacitancia por unidad de volumen que la cerámica, y dado que los cables del sistema de fuente de alimentación ya tienen alguna inductancia en serie, la inductancia adicional de los electrolíticos es tolerable Pero para el bypass local (cerca de cada IC), los condensadores cerámicos son esenciales.

Con los capacitores electrolíticos, la corriente de irrupción es perceptible y medible y, por lo general, se incluye en la hoja de datos del componente. Con los condensadores cerámicos, especialmente los condensadores de montaje en superficie, ese evento de corriente de irrupción es mucho menor debido a la menor inductancia y la mayor frecuencia de autorresonancia.

Estoy confundido. ¿Seguramente la corriente de entrada para un límite de ESR más bajo es más alta que para un ESR más alto? Menor ESR = menos resistencia = mayor corriente... ¿Me estoy perdiendo algo?
ESR, inductancia y SRF no son independientes. Las tapas electrolíticas tienen una corriente de entrada más alta principalmente debido a la inductancia, como se explica en una de las otras respuestas. Sin embargo, veo lo que quieres decir con esa última oración, editaré.
Se movió la comparación de cerámica vs electrolítica e inductancia/ESR/SRF a un nuevo párrafo; Se eliminó la referencia a ESR en la última oración.
Gracias a todos por la ayuda. He cambiado de electrolítico a cerámico y puedo ver por qué la cerámica es esencial en este caso.
@brhans Lo siento, esta respuesta llegó tarde, pero tuve que colaborar. El capacitor con mayor capacitancia causará una corriente de entrada más alta porque necesita mucho más para cargarse y actúa como un cortocircuito hasta que lo hace. La corriente de irrupción dura un tiempo relativamente largo, por lo que la diferencia en ESR casi no juega ningún papel. Es a altas frecuencias o pulsos muy cortos que la VSG se vuelve vital. En este caso, la alimentación de CC proporciona la corriente de irrupción durante el tiempo necesario para cargar los condensadores de entrada, y el tiempo está determinado por la constante RC del cable USB y el condensador de entrada combinados.

Inductancia... Seguido de impedancia. Sus límites están tratando de proporcionar una ruta de baja impedancia para que la corriente fluya a su frecuencia de interés. Un culpable probablemente será cómo conectó sus tapas, y el segundo será su impedancia sobre la frecuencia.

Busque esta curva en las hojas de datos de ambas partes.ingrese la descripción de la imagen aquí

Verá cuánto más baja será la impedancia de los límites de los otros grupos a una frecuencia más alta (donde su dispositivo probablemente lo necesite).

No quiere decir que los electrolíticos no sean útiles en el diseño de una red de distribución de energía, solo son realmente útiles a baja frecuencia. La inductancia añadida del paquete no ayuda.

Los circuitos integrados digitales no consumen corriente continuamente. Extraen corriente en picos cuando cambian. Cuanto más rápido sea el IC, más rápidos y frecuentes serán estos picos.

Pasando al dominio de la frecuencia, estos picos se convierten en componentes de alta frecuencia en la forma de onda actual. Para evitar que estos componentes de alta frecuencia en la forma de onda actual den como resultado una desviación inaceptable en el voltaje de suministro, el suministro debe tener una baja impedancia incluso a alta frecuencia (cuán alta depende del chip).

Desafortunadamente, su fuente de alimentación entrante no tendrá una baja impedancia a alta frecuencia porque los cables tienen inductancia. Entonces, para reducir la impedancia, agregamos condensadores de derivación (también conocidos como "condensadores de desacoplamiento", aunque creo que ese término puede ser algo confuso).

Entonces, para ser efectivos, sus capacitores deben seguir funcionando como capacitores efectivos a altas frecuencias. Los electrolíticos no.

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