Stabilizatory liniowe LDO pracują w wielu różnorodnych urządzeniach. By stabilizator taki działał poprawnie, potrzebny jest odpowiedni kondensator wyjściowy do filtrowania napięcia. Częstym problemem podczas projektowania zasilacza z LDO jest wybór właściwego kondensatora wyjściowego. W tym artykule omówiono różne kwestie związane z wyborem tego kondensatora.
Czym są kondensatory
Kondensator jest urządzeniem służącym do przechowywania ładunku elektrycznego składającego się z jednej lub więcej par przewodników oddzielonych dielektrykiem. Kondensatory są najczęściej wykonane z aluminium, tantalu lub materiałów ceramicznych. Każdy z tych materiałów ma swoje wady i zalety. W poniższej tabeli zebrano zalety i wady poszczególnych rodzajów kondensatorów. Generalnie zaleca się stosować kondensatory ceramiczne ze względu na ich minimalną zmienność pojemności, a także niski koszt.
Czym jest pojemność
Kondensator jest elementem, który przechowuje ładunek elektryczny; pojemność jest parametrem opisującym zdolność do przechowywania tego ładunku. W idealnym świecie wartość zapisana na kondensatorze jest dokładnie taka sama jak wartość pojemności, którą zapewnia. Ale niestety nie żyjemy w idealnym świecie, więc nie można brać wartości nominalnej za pewnik. Jak opisano w poniższym artykule, pojemność kondensatora może wynosić zaledwie 10% jego wartości znamionowej. Może to być spowodowane obniżeniem wartości pojemności poprzez polaryzację napięciem stałym czyt też na skutek podwyższenia jego temperatury. Dodatkowo, produkowane w fabryce kondensatory, charakteryzują się pewnym rozrzutem parametrów, co opisuje tolerancja.
Wpływ polaryzacji napięciem stałym
Biorąc pod uwagę dynamiczny charakter kondensatorów (przechowywanie i rozpraszanie ładunku elektrycznego w sposób nieliniowy), w elemencie takim może wystąpić pewna polaryzacja bez udziału zewnętrznego pola elektrycznego; zjawisko to znane jest jako "polaryzacja spontaniczna". Wynika ona z obojętnego pola elektrycznego materiału, które nadaje kondensatorowi początkową pojemność.
Przyłożenie zewnętrznego napięcia DC do kondensatora wytwarza stałe pole elektryczne, które redukuje początkową polaryzację, a następnie "blokuje" lub polaryzuje resztę aktywnych dipoli na swoim miejscu. Polaryzacja jest związana z kierunkiem pola elektrycznego w dielektryku. Powoduje to redukcję efektywnej pojemności tego elementu
Jak pokazano na rysunku 1, zablokowane dipole nie reagują na zmiany napięcia AC - w rezultacie efektywna pojemność staje się niższa niż przed przyłożeniem napięcia stałego.
Rysunek 2 pokazuje skutki przyłożenia napięcia stałego do kondensatora i wpływ na wynikową pojemność. Należy zwrócić uwagę, że większy rozmiar kondensatora sprawia, że traci on mniej pojemności; dzieje się tak dlatego, że większe kondensatory mają więcej dielektryka między przewodnikami, co zmniejsza natężenie stałego pola elektrycznego i blokuje mniejszą liczbę dipoli.
Wpływ temperatury na pojemność kondensatora
Podobnie jak inne elementy elektroniczne, kondensatory mają swoją temperaturę znamionową, która określa ich zakres pracy. Wpływa ona również na obniżanie się pojemności. Parametry dotyczące temperatury można zwykle znaleźć pod wartością liczbową kondensatora. W poniższej tabeli zawarto oznaczenia współczynnika temperaturowego dla kondensatorów.
Większość stabilizatorów LDO pracować może w temperaturach od -40°C do 125°C. W tym zakresie najlepiej sprawdzają się kondensatory ceramiczne z dielektrykiem X5R lub X7R.
Jak pokazano na rysunku 3 - sama temperatura także ma wpływ na pojemność kondensatora, nie tylko obciążenie DC. Oba te czynniki w skrajnych przypadkach mogą zredukować wartość pojemności nawet o 90%.
Tolerancja producenta
Ze względu na nieidealną charakterystykę rzeczywistych kondensatorów, wartość pojemności może się zmieniać w zależności od materiału i wielkości kondensatora. Firmy wytwarzające kondensatory i inne pasywne komponenty elektroniczne będą miały ogólny standard określający wartości pojemności - tolerancję komponentu. W tym artykule zakładamy tolerancję ±20% jako tolerancję produkcyjną przy obliczaniu pojemności.
Rzeczywista aplikacja
Powszechnym zastosowaniem LDO jest stabilizowanie napięcia do zasilania mikrokontrolera (1,8 V) z napięcia wejściowego z ogniwa (3,6 V). W poniższym przykładzie użyjemy kondensatora ceramicznego 10 μF z dielektrykiem X7R w obudowie 0603. Rozmiar - 0603 - odnosi się do wymiarów kondensatora: 0,06 cala na 0,03 cala.
Znajdźmy zatem rzeczywistą wartość pojemności tego kondensatora w naszej aplikacji:
Obniżanie wartości poprzez obciążenie DC: Korzystając z wykresu dostarczonego przez producenta - charakterystyk polaryzacji DC dla kondensatora (rysunek 2), można odczytać, że wartość pojemności będzie wynosić nominalnie 7 μF.
Wpływ temperatury: Jeśli kondensator miałby pracować w temperaturze otoczenia równej 125°C, pojemność spada o kolejne 15% wartości pojemności, redukując całkowitą wartość do 5,5 μF. Widzimy to na rysunku 3.
Tolerancja producenta: Biorąc pod uwagę tolerancję producenta wynoszącą, jak założyliśmy powyżej, ±20%, końcowa wartość pojemności wynosi 3,5 μF.
Jak widać na tym przykładzie kondensator 10 μF w skrajnych warunkach ma rzeczywistą wartość pojemności równą 3,5 μF. Wartość pojemności spadła o około 65% wartości nominalnej. Oczywiście nie wszystkie z tych warunków miałyby zastosowanie w każdym systemie, ale ważne jest, aby znać zakres wartości pojemności, które kondensator może przyjąć w naszej aplikacji.
Podsumowanie
Jakkolwiek dobór kondensatora filtrującego napięcie w zasilaczu z LDO wydaje się na pierwszy rzut oka prosty, to istnieje szereg czynników, na które trzeba zwrócić uwagę, aby zasilacz działał poprawnie w całym, zakładanym w projekcie, zakresie warunków pracy. Projektując układ, warto zwrócić uwagę na opisane powyżej czynniki.
Źródło: https://e2e.ti.com/blogs_/b/powerhouse/archive/2018/08/01/ldo-basics-capacitor-vs-capacitance
Czym są kondensatory
Kondensator jest urządzeniem służącym do przechowywania ładunku elektrycznego składającego się z jednej lub więcej par przewodników oddzielonych dielektrykiem. Kondensatory są najczęściej wykonane z aluminium, tantalu lub materiałów ceramicznych. Każdy z tych materiałów ma swoje wady i zalety. W poniższej tabeli zebrano zalety i wady poszczególnych rodzajów kondensatorów. Generalnie zaleca się stosować kondensatory ceramiczne ze względu na ich minimalną zmienność pojemności, a także niski koszt.
Rodzaj kondensatora (materiał) | Zalety | Wady |
Aluminium | Często stosowany jako element filtrów dolnoprzepustowych | Spolaryzowane (bipolarne) |
Możliwość łatwej produkcji elementów o bardzo dużej pojemności | Duży rozmiar | |
Duża wartość zastępczej rezystancji szeregowej (ESR) | ||
Mogą się przegrzewać | ||
Ograniczony czas życia | ||
Duży prąd upływu | ||
Tantalowe | Niewielki rozmiar | Spolaryzowane (bipolarne) |
Długi czas życia | ||
Niski prąd upływu | ||
Ceramiczne | Niespolaryzowane (unipolarne) | Ograniczona liczba wartości pojemności |
Bardzo mały rozmiar | Pogarszanie parametrów przy polaryzacji prądem stałym | |
Bardzo niska zastępcza rezystancja szeregowa (ESR) | ||
Niski koszt | ||
Niewielka tolerancja | ||
Wysoka stabilność termiczna | ||
Czym jest pojemność
Kondensator jest elementem, który przechowuje ładunek elektryczny; pojemność jest parametrem opisującym zdolność do przechowywania tego ładunku. W idealnym świecie wartość zapisana na kondensatorze jest dokładnie taka sama jak wartość pojemności, którą zapewnia. Ale niestety nie żyjemy w idealnym świecie, więc nie można brać wartości nominalnej za pewnik. Jak opisano w poniższym artykule, pojemność kondensatora może wynosić zaledwie 10% jego wartości znamionowej. Może to być spowodowane obniżeniem wartości pojemności poprzez polaryzację napięciem stałym czyt też na skutek podwyższenia jego temperatury. Dodatkowo, produkowane w fabryce kondensatory, charakteryzują się pewnym rozrzutem parametrów, co opisuje tolerancja.
Wpływ polaryzacji napięciem stałym
Biorąc pod uwagę dynamiczny charakter kondensatorów (przechowywanie i rozpraszanie ładunku elektrycznego w sposób nieliniowy), w elemencie takim może wystąpić pewna polaryzacja bez udziału zewnętrznego pola elektrycznego; zjawisko to znane jest jako "polaryzacja spontaniczna". Wynika ona z obojętnego pola elektrycznego materiału, które nadaje kondensatorowi początkową pojemność.
Przyłożenie zewnętrznego napięcia DC do kondensatora wytwarza stałe pole elektryczne, które redukuje początkową polaryzację, a następnie "blokuje" lub polaryzuje resztę aktywnych dipoli na swoim miejscu. Polaryzacja jest związana z kierunkiem pola elektrycznego w dielektryku. Powoduje to redukcję efektywnej pojemności tego elementu
Jak pokazano na rysunku 1, zablokowane dipole nie reagują na zmiany napięcia AC - w rezultacie efektywna pojemność staje się niższa niż przed przyłożeniem napięcia stałego.
[center]
Rys.1.Schematyczne przedstawienie zjawisk w kondensatorze spolaryzowanym napięciem stałym, które mają wpływ na redukcję pojemności.

Rys.1.Schematyczne przedstawienie zjawisk w kondensatorze spolaryzowanym napięciem stałym, które mają wpływ na redukcję pojemności.
Rysunek 2 pokazuje skutki przyłożenia napięcia stałego do kondensatora i wpływ na wynikową pojemność. Należy zwrócić uwagę, że większy rozmiar kondensatora sprawia, że traci on mniej pojemności; dzieje się tak dlatego, że większe kondensatory mają więcej dielektryka między przewodnikami, co zmniejsza natężenie stałego pola elektrycznego i blokuje mniejszą liczbę dipoli.
Wpływ temperatury na pojemność kondensatora
Podobnie jak inne elementy elektroniczne, kondensatory mają swoją temperaturę znamionową, która określa ich zakres pracy. Wpływa ona również na obniżanie się pojemności. Parametry dotyczące temperatury można zwykle znaleźć pod wartością liczbową kondensatora. W poniższej tabeli zawarto oznaczenia współczynnika temperaturowego dla kondensatorów.
Pierwszy znak: | Dolna granica temperatury | Drugi znak: | Górna granica temperatury | Trzeci znak: | maksymalna zmiana pojemności w funkcji temperatury |
Znak | Temperatura (°C) | Znak | Temperatura (°C) | Znak | Zmiana pojemności (%) |
Z | 10 | 2 | 45 | A | ±1.0 |
Y | -30 | 4 | 65 | B | ±1.5 |
X | -55 | 5 | 85 | C | ±2.2 |
6 | 105 | D | ±3.3 | ||
7 | 125 | E | ±4.7 | ||
8 | 150 | F | ±7.5 | ||
9 | 200 | P | ±10 | ||
R | ±15 | ||||
S | ±22 | ||||
T | -11 | ||||
U | -34 | ||||
V | -60 |
Większość stabilizatorów LDO pracować może w temperaturach od -40°C do 125°C. W tym zakresie najlepiej sprawdzają się kondensatory ceramiczne z dielektrykiem X5R lub X7R.
Jak pokazano na rysunku 3 - sama temperatura także ma wpływ na pojemność kondensatora, nie tylko obciążenie DC. Oba te czynniki w skrajnych przypadkach mogą zredukować wartość pojemności nawet o 90%.
Tolerancja producenta
Ze względu na nieidealną charakterystykę rzeczywistych kondensatorów, wartość pojemności może się zmieniać w zależności od materiału i wielkości kondensatora. Firmy wytwarzające kondensatory i inne pasywne komponenty elektroniczne będą miały ogólny standard określający wartości pojemności - tolerancję komponentu. W tym artykule zakładamy tolerancję ±20% jako tolerancję produkcyjną przy obliczaniu pojemności.
Rzeczywista aplikacja
Powszechnym zastosowaniem LDO jest stabilizowanie napięcia do zasilania mikrokontrolera (1,8 V) z napięcia wejściowego z ogniwa (3,6 V). W poniższym przykładzie użyjemy kondensatora ceramicznego 10 μF z dielektrykiem X7R w obudowie 0603. Rozmiar - 0603 - odnosi się do wymiarów kondensatora: 0,06 cala na 0,03 cala.
Znajdźmy zatem rzeczywistą wartość pojemności tego kondensatora w naszej aplikacji:
Obniżanie wartości poprzez obciążenie DC: Korzystając z wykresu dostarczonego przez producenta - charakterystyk polaryzacji DC dla kondensatora (rysunek 2), można odczytać, że wartość pojemności będzie wynosić nominalnie 7 μF.
Wpływ temperatury: Jeśli kondensator miałby pracować w temperaturze otoczenia równej 125°C, pojemność spada o kolejne 15% wartości pojemności, redukując całkowitą wartość do 5,5 μF. Widzimy to na rysunku 3.
Tolerancja producenta: Biorąc pod uwagę tolerancję producenta wynoszącą, jak założyliśmy powyżej, ±20%, końcowa wartość pojemności wynosi 3,5 μF.
Jak widać na tym przykładzie kondensator 10 μF w skrajnych warunkach ma rzeczywistą wartość pojemności równą 3,5 μF. Wartość pojemności spadła o około 65% wartości nominalnej. Oczywiście nie wszystkie z tych warunków miałyby zastosowanie w każdym systemie, ale ważne jest, aby znać zakres wartości pojemności, które kondensator może przyjąć w naszej aplikacji.
Podsumowanie
Jakkolwiek dobór kondensatora filtrującego napięcie w zasilaczu z LDO wydaje się na pierwszy rzut oka prosty, to istnieje szereg czynników, na które trzeba zwrócić uwagę, aby zasilacz działał poprawnie w całym, zakładanym w projekcie, zakresie warunków pracy. Projektując układ, warto zwrócić uwagę na opisane powyżej czynniki.
Źródło: https://e2e.ti.com/blogs_/b/powerhouse/archive/2018/08/01/ldo-basics-capacitor-vs-capacitance