Warum ist ein Kondensator vor einem Spannungsregler wirksamer als nach einem?

Ich habe 5 V von einer USB- Powerbank zu einem LDO-Spannungsregler , der auf 3,3 V abfällt. Auf der 3,3 V-Leitung habe ich mehrere ICs und IR- Sensoren. Einer der IR-Sensoren verbraucht in kurzen Bursts ziemlich viel Strom (ich habe eine 10-µF-Kappe darüber).

Immer wenn dieser leistungshungrige IR-Sensor eingeschaltet wird, verhalten sich einige andere Teile meiner Schaltung für den Bruchteil einer Sekunde merkwürdig. Ich nahm an, dass das Hinzufügen eines großen Kondensators zur 3,3-V-Schiene dazu beitragen würde, das zu beseitigen, was es tat. Mir ist aber auch aufgefallen, dass ich stattdessen einen deutlich kleineren Kondensator auf der 5-V-Seite hinzufügen kann, und das hat auch das Problem gelöst.

Warum ist der Kondensator eher eingangsseitig als ausgangsseitig wirksam? Ich dachte, die Ladung wäre für das System "leichter verfügbar", wenn sie auf der Ausgangsseite / 3,3 V-Seite wäre, auf der sich der Sensor befindet.

(Ich bastele nur an der Elektronik und habe keine formalen Kenntnisse über die Grundlagen der Physik hinaus.)

* Bearbeiten: Vor dem Problem / Experimentieren hatte ich bereits auf beiden Seiten des Reglers eine Kappe von 0,1 uF, eine Kappe von 1 uF und zwei Kappen von 10 uF (insgesamt 21,1 uF auf beiden Seiten). Nach dem Problem begann ich, zusätzliche Kappen hinzuzufügen.

Der Spannungsabfall während eines Übergangs am Auslastungspunkt setzt sich grob wie folgt zusammen:

1. Induktivität des Kabels und der Quelle vor dem Regler. Im Falle eines typischen Systems, das ein langes und dünnes Stromversorgungskabel verwendet, ist dies normalerweise von Bedeutung, da die Induktivität des Kabels hoch ist.

2. Induktivität der Leiterbahn nach dem Regler. Dies ist normalerweise kurz, wenn sich die Auslastung in der Nähe des Reglers befindet, kann jedoch erheblich sein, wenn das System eine große Leiterplatte oder möglicherweise mehrere miteinander verbundene Leiterplatten verwendet.

3. Reaktionszeit des Reglers. Es gibt zwei Hauptereignisse, auf die der Regler reagieren sollte: Schwankungen der Eingangsspannung, Schwankungen der Ausgangslast. Diese Parameter finden Sie im Datenblatt.

Während eines Übergangs am Ausgang des Reglers geschieht Folgendes:

1. die Spannung im Ausgangskondensator fällt ab
2. Der Regelkreis des Reglers erkennt die Spannungsabweichung und versucht, mehr zu leiten. Dies benötigt Zeit (die Reaktionszeit der Lastregelung im Datenblatt) und währenddessen fällt die Spannung stärker ab.
3. Der Regler leitet mehr und zieht mehr Strom aus dem Eingangskondensator.
4. Die Spannungsdifferenz zwischen der Kappe und der Versorgungsspannung vor dem Kabel bewirkt, dass der Strom durch das Kabel fließt und den Eingangskondensator wieder auffüllt. Dies braucht Zeit, da die Induktivität (grob gesagt) begrenzt, wie schnell der Strom fließen kann .

Wenn der Eingangskondensator nicht genug Ladung aufnehmen kann, bis er von der Quelle wieder aufgefüllt wird, fällt die Spannung unter die minimal zulässige Eingangsspannung des Reglers. Der Regler kann nichts tun: Die Ausgangsspannung bleibt unter dem Nennpegel, bis der Eingang den Minimalpegel erreicht.

Das Herauszwingen des Reglers aus seinem vorgesehenen Betriebsbereich kann andere schwerwiegende Nachteile haben. Wenn die ursprünglich geschlossene Regelschleife geöffnet wird, kann das Durchlassgerät gesättigt sein. Es ist auch möglich, dass die Eingangsspannung nicht ausreicht, um die interne Schaltung zuverlässig mit Strom zu versorgen, und dass das Gerät aufgrund der Unterspannungssperrfunktion heruntergefahren wird oder einfach nicht richtig funktioniert. Die Wiederherstellungszeit in diesen Situationen kann viel länger als die typische Lastreaktion sein, wenn genügend Eingangsspannung vorhanden ist. Sie sollten dies vermeiden.

Dies kann auch dann auftreten, wenn der Ausgangskondensator groß ist. Die daran anliegende Spannung sinkt, und der Regler erkennt und versucht, die Ausgangsspannung zu halten und wieder aufzufüllen. Wenn die Kappe zu groß ist, zieht der Regler einen hohen Strom von der Eingangsseite. Das erste Problem ist, dass es vom Eingangskondensator kommt, so dass die obige Situation auftreten kann, selbst wenn Sie eine große Kappe am Ausgang haben. Das zweite Problem ist, dass es möglich ist, dass der Strom hoch genug ist, um den Überstromschutz auszulösen, der an sich die Reaktion verlangsamt, und dass die Wiederherstellung des Überstroms langsamer sein kann als die Lastregelungszeit. Sie sollten den Regler unter normalen Betriebsbedingungen halten, um die beste Leistung zu erzielen.

Der Ausgangskondensator sollte so klein wie möglich sein, gerade genug, um die Zeit zu überbrücken, in der der Regler anspricht und die erhöhte Last ausgleicht. Grob gesagt, wenn Sie die Ausgangsleistung erhöhen, wird die Arbeit des Reglers nur verschärft.

In der Praxis ist es am besten, mit einer ausreichend großen Obergrenze auf der Eingangsseite und einer kleinen Obergrenze auf der Ausgangsseite zu beginnen. Empfehlungen finden Sie im Datenblatt. Überprüfen Sie den Transienten auf der Ausgangsseite mit einem Oszilloskop. Wenn dies nicht zufriedenstellend ist, erhöhen Sie die Ausgangskappe oder ersetzen Sie sie durch eine mit einer niedrigeren Serieninduktivität. Untersuchen Sie dann den Transienten am Eingang und versuchen Sie, die Eingangsgrenze zu verringern. Halten Sie auf beiden Seiten einen Sicherheitsabstand ein.

BEARBEITEN:

Die Impedanz der Leiterbahn nach dem Regler ...

... hat den gleichen Effekt wie zuvor erwähnt: Bei Transienten oder auch bei kontinuierlicher, aber hochfrequenter Belastung kommt es am Ausnutzungspunkt zu einer Spannungskerbe (oder einem kontinuierlichen Abfall). Wenn Sie das Signal mit einem Oszilloskop am Ausgang des Reglers und am Auslastungspunkt vergleichen, werden Sie feststellen, dass am Regler ein viel geringeres Rauschen auftritt.

Die Induktivität des Drahtes / der Spur in Kombination mit dem Kondensator am Ausgang des Reglers ist ein LC-Tiefpassfilter, der die HF-Komponenten effektiv dämpft.

Dies ist gut , da die verrauschte Last die Spannung des Reglers nicht (zu stark) verzerrt. Sie können die MCU oder andere (analoge) Stromkreise unabhängig vom Regler in einer Sterntopologie versorgen. Dadurch werden Störungen effektiv reduziert. Wenn die Induktivität der Spur nicht hoch genug ist, können Sie absichtlich Induktivitäten in die Leitung aufnehmen. Dies ist häufig bei Geräten zu beobachten, die Ihren ähnlich sind: hohe transiente Leistungslasten in Kombination mit einer empfindlichen analogen / digitalen Steuerung.

Eine hohe Versorgungsimpedanz ist ebenfalls schlecht , da Sie eine gleichmäßige Versorgung für jede Last wünschen. Dies kann jedoch durch Hinzufügen von Kondensatoren (mit niedrigem ESR) zu jedem Verwendungspunkt behoben werden. Wenn Sie beispielsweise ein PC-Motherboard untersuchen, sehen Sie aus diesem Grund überall Hunderte von Keramikkappen.

Wenn bei einem Kondensator am Ausgang die Eingangsspannung unter die zur Erzielung der Ausgangsregelung erforderliche Spannung abfällt, fällt die Versorgung ab und der Ausgangskondensator sinkt.

Mit einem Kondensator am Eingang verfügt der Regler immer über eine Spannungsreserve, und wenn er über der minimalen Eingangsspannung liegt, kann die Ausgangsregelung auch ohne Kondensator (mit etwas beeinträchtigter höherer Frequenzimpedanz) beibehalten werden.

Bei gleichgerichtetem Wechselstrom wäre dieser Effekt sehr offensichtlich. Mit Ihrer 5-V-Versorgung scheint dies auf eine geringere Strombelastbarkeit hinzudeuten, als Ihre Sensoren benötigen.

Versuchen Sie, einen Blick auf die Wellenformen der Versorgungswelligkeit mit einem Bereich zu werfen. Ziehen Sie in Betracht, spezielle Regulierungsbehörden einzusetzen, wenn das Budget und die Spezifikationen dies rechtfertigen können. Dies verhindert, dass ein Sensor die anderen Teile beeinflusst.

Weil dQ = C * dV.

Wenn Sie den Regler nicht genau an seine Grenzen bringen, können Sie einen größeren dV-Wert am Eingangskondensator tolerieren und einen kleineren C-Wert zulassen.

Die Grundannahme der Frage ist ungültig und nicht universell anwendbar. Sicherlich müssen die Regler (welcher Art auch immer) eine einigermaßen gleichmäßige (gefilterte) Rohleistung haben, um damit zu arbeiten. Wenn überhaupt, arbeiten nur wenige mit dem gepulsten Gleichstrom, der aus einer typischen Wechselstromquelle und Gleichrichterstufe stammt. Hier sehen wir typischerweise die großen "Bulk" -Filterkondensatoren.

Es gibt jedoch einige Fälle, in denen eine große Kapazität erforderlich ist, um den Stromversorgungsbus bei großen intermittierenden Lasten wie der in diesem Beispiel angegebenen zu halten.

Es geht nicht darum, "vorher oder nachher wirksamer zu sein". Dies sind zwei getrennte und unabhängige Fälle, die nicht wie in der gestellten Frage logisch kombiniert werden können.

Ein Kondensator auf der Ausgangsseite eines Reglers versucht nicht einmal, etwas Nützliches zu tun, bis sich die Ausgangsspannung ändert. Ein Kondensator auf der Eingangsseite beginnt Strom zu liefern, wenn die Eingangsspannung abfällt. Ein typischer Regler versucht, das Ausmaß zu minimieren, in dem Änderungen der Eingangsspannung den Ausgang beeinflussen, so dass der Eingangsspannungsabfall, der erforderlich ist, damit der eingangsseitige Kondensator mit der Energieversorgung beginnt, typischerweise keine signifikante Änderung der Ausgangsspannung verursacht.

In einigen Fällen kann ein Regler möglicherweise nicht sofort auf einen plötzlichen Strombedarf reagieren. In solchen Fällen kann ein Ausgangskondensator hilfreich sein (falls nicht erforderlich), um den Ausgang während der Reaktionszeit des Reglers mit Strom zu versorgen zu einer erhöhten Last. Die Ausgangskappe kann den Strom nicht sehr effektiv einspeisen, ohne dass die Ausgangsspannung merklich abfällt. Möglicherweise kann sie jedoch ausreichend eingespeist werden, um dem Regler Zeit zu geben, auf den erhöhten Bedarf zu reagieren.