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FORO TÉCNICO => Electrónica de potencia => Mensaje iniciado por: planeta9999 en 13 de Abril de 2019, 08:27:44
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Hola.
¿ Sabeis si es posible reemplazar los condensadores electrolíticos de entrada y salida de un regulador conmutado, por condensares cerámicos o de tántalo ?
Para montaje en mi pick and place, me vendría mejor reducir el tamaño de esos condensadores para cargarlos en carrete. No se si es suficiente que sean del mismo valor.
Aunque son algo más caros que los electrolíticos, me compensa por comodidad, para un nuevo regulador conmutado que quiero usar, para reemplazar los XL4015/4016 por un LM25085 de Texas, o seguir usando el XL4015 pero cambiando los electrolíticos por cerámicos o tántalos SMD.
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Hola, en principio cualquier tipo condensador funciona de la misma manera.
Ahora para que puedas elegir en tu caso, lo más importante es que los condensadores tengan bajo ESR. Que es el Equivalente Serie Resistivo.
Es un fenómeno que aparece al trabajar a alta frecuencia, y es por eso que debe prestarse atención, en fuentes conmutadas por ejem.
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Hola, en principio cualquier tipo condensador funciona de la misma manera.
Ahora para que puedas elegir en tu caso, lo más importante es que los condensadores tengan bajo ESR. Que es el Equivalente Serie Resistivo.
Es un fenómeno que aparece al trabajar a alta frecuencia, y es por eso que debe prestarse atención, en fuentes conmutadas por ejem.
¿ Que valores se consideran bajo ESR ?.
En el configurador online de Texas, me salen estos valores para condensadores de cerámica y tántalo, con el regulador conmutado LM25085, que es el que quiero probar. Me ha sorprendido los valores tan bajos de condensadores a la entrada y la salida, y que sean cerámico y de tántalo, en vez de electrolíticos.
(https://i.imgur.com/KsFIZN1.jpg)
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Valores menores a 200m Ohms son aceptables.
Cómo verás en la hoja de datos, el valor ESR aumenta con la capacidad, pero hay tipos que el valor de ESR disminuye, (esa parte nunca me quedó claro)
En algunos específican valores de ESR para tal fcia.
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Por lo general en los datasheets de los reguladores te suelen comentar sobre que tipo de condensadores requieren, así como el valor de ESR máximo, en este caso (LM25085):
The VCC regulator provides a regulated voltage between the VIN and the VCC pins to provide the bias and gate current for the PFET gate driver. The 0.47μF capacitor at the VCC pin must be a low ESR capacitor, preferably ceramic as it provides the high surge current for the PFET’s gate at each turn-on. The capacitor must be located as close as possible to the VIN and VCC pins to minimize inductance in the PC board traces.
En un condensador a nivel eléctrico te tienes que fijar primero en la capacidad, el voltaje y su ESR y luego en parámetros como la tolerancia, la temperatura de trabajo, la vida útil, etc..
Si te dice que necesitas un condensador de baja ESR, puedes poner un condensador cerámico, ya que tienen menos ESR que los electrolíticos y los de tántalo. La pega es que un condesador cerámico de varios microfaradios, y que aguante unas cuantas decenas de voltio suele ser caro.
Luego están los condensadores de tántalo, que también son una buena opción al electrólitico, pero como mínimo pon un condensador del doble del voltaje al que vaya a trabajar, porque si a un condensador de tántalo le metes más voltaje del que soporta, sale ardiendo como una cerilla, puede provocar un incendio tranquilamente.
El electrólitico es más grande que los dos anteriores, pero suele ser bastante más barato. La pega es que su vida depende mucho de la temperatura a la que estén funcionando, si los pones en un sitio del PCB bastante caliente pues su vida se puede acortar. Su ESR es mayor, por lo que en ciertas aplicaciones si pones un condensador de una ESR mayor a la máxima, esté tendrá un rizado mayor debido a la corriente y a la ESR, y se calentará más acortando su vida, debido a las pérdidas de potencia en su ESR.
Si no se te va de precio, los cerámicos siempre suelen ser la mejor opción, excepto en dos casos.
Algunos reguladores no funcionarán con condesadores cerámicos a la salida, ya que necesitan una ESR alta en el condensador de salida para cerrar el bucle de realimentación del dc-dc, por ejemplo:
Output Capacitor
The output capacitor is critical in maintaining regulator stability, and must meet the required conditions for both minimum amount of capacitance and equivalent series resistance (ESR). The minimum output capacitance required by the LM1117 is 10 μF, if a tantalum capacitor is used. Any increase of the output capacitance will merely improve the loop stability and transient response. The ESR of the output capacitor should range between 0.3 Ω to 22 Ω. In the case of the adjustable regulator, when the CADJ is used, a larger output capacitance (22-μF tantalum) is required.
Y luego los condensadores cerámicos vibran, por lo que si por ejemplo tienes un condensador alimentando una carga que conmuta a una frecuencia audible (10 KHz por ejemplo), ese condensador se va a poner a pitar, a veces ese pitido es bastante audible y puede llegar a ser molesto. A nivel mecánico no sé si estás vibraciones pueden suponer un problema en las soldaduras, diría que no, o almenos en placas que he visto que los condensadores sonaban, no he visto una soldadura dañada por ellos.
Un enlace sobre lo anterior: https://e2e.ti.com/blogs_/b/powerhouse/archive/2016/08/09/how-to-reduce-acoustic-noise-of-mlccs-in-power-applications
Pero vamos en el datasheet de toda fuente conmutada o regulador, te suele indicar los condensadores que necesita para su funcionamiento. Si simplemente dice que necesitas un condensador de baja ESR, puedes meter uno cerámico, si la frecuencia de conmutación está en el rango audible (la de las fuentes conmutadas suele ser mucho más alta), pues ese condensador sonará.
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Lo que me ha sorprendido del LM25085, es que los condensadores de entrada y salida, son de un valor bastante bajo, de 22 y 47uF, frente a los de 220 y 470uF del XL4015 y XL4016. Supongo que eso estará relacionado con la frecuencia de conmutación del regulador que es mucho más alta en el LM25085 (hasta 623Khz, frente a los 180Khz del XL4015), además trabajar a una frecuencia más alta tiene la ventaja de que el inductor es de un valor mucho menor, más pequeño y más barato.
¿ Habría algún problema si pongo electrolíticos, en vez de cerámicos o de tántalo en el LM25085 ?, es que son mucho más baratos, y para esos valores tan pequeños los puedo poner en carrete en la pick and place. Aún me falta precios de los cerámicos y los de tántalo en los chinos, porque en Mouser y Digikey se van bastante de precio, algo más baratos en los polacos.
En el configurador online de Texas, ponen uno de 22uF cerámico a la entrada, y uno de 47uF de tántalo a la salida.
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Si el datasheet recomienda algún tipo de condensador en concreto, una ESR determinada, pon ese tipo. Si no dice nada, y solo pone low ESR, pues un electrólitico con ESR baja puede valer, pero si recomienda que sea cerámico yo no lo cambiaría por un electrolítico.
Con los cerámicos también tienes que tener en cuenta, que cuando te acercas a la tensión máxima que soportan su capacidad decrece, es decir un condensador de 10 uF y 15V cerámico, su capacidad será bastante mayor cuando esté alimentado a 5 V que a 12 V, en los datasheets de los condensadores cerámicos suelen dar las curvas de como cambia su capacidad con los incrementos de tensión.
Cuanto mayor es la frecuencia de la fuente conmutada, menores son los elementos que almacenan energía (bobina y condensador), ya que sacas la energía de ellos y metes la energía con mayor frecuencia, por lo tanto sus capacidades e inductancias pueden ser menores, por contra tienes una mayor frecuencia de funcionamiento, que en terminos de ruido y emisiones puede ser peor si el layout es incorrecto.
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Gracias por los consejos. No sabía que los tántalos fueran tan sensibles que arden si se supera el voltaje para el que están fabricados.
En mi caso, como el tántalo va a la salida, no hay problema, el regulador da 5v y el tántalo es de 6.3v. Para el de entrada usaré el cerámico como aconsejan en el configurador online de Texas.
Ya tengo algunos precios de los chinos, y me sale bastante bien de precio (el chip y el MOSFET), para tener un regulador conmutado de 5v 8A, muy compacto al desaparecer los electrolíticos, y me lo puede montar todo la Pick and Place. El inductor también es muy pequeño y barato, de 3.7uH para el regulador a 424Khz.
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A esas frecuencias tan altas, los electroliticos no funcionan bien. También hay que tener en cuenta la ESL o inductancia serie equivalente.
Lo mejor es ver un gráfico de impedancia con la frecuencia.
(https://encrypted-tbn0.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcRyNmZJPUwO76IkegawYongC0Wp5cCTnSR5A29BbZ_ucl1DtRNq)
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Los armónicos por encima de 1MHZ tienen mucho peso y los electroliticos no los filtran bien.
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A esas frecuencias tan altas, los electroliticos no funcionan bien.
Seguramente por eso Texas, en el configurador online del chip, te pone que montes un cerámico a la entrada y un tántalo a la salida.
Lo haré así, ya tengo precios de casi todo. Los inductores pedidos a Coil-Rida de China, me falta respuesta de otro proveedor chino que suele ser el que me da mejores precios en general.
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También hay que tener en cuenta la respuesta en frecuencia del condensador para la etapa de compensación.
Si se utiliza otro tipo de condensador, la fuente puede oscilar en su salida y funcionar mal. Incluso poniendo un condensador mejor.
Por ejemplo, los condensadores cerámicos son mejores que los de tántalo (a fin de cuentas son también electrolíticos), pero si cambias el condensador de salida por uno cerámico, puedes cargarte el lazo de realimentación y hacer que la fuente oscile.
A mi me ha pasado.
Por eso, con estas fuentes tan sensibles, lo mejor es seguir al pie de la letra las indicaciones del fabricante que suele darte unos rangos en los que la fuente funciona bien. Fuera de esos rangos de capacidad o ESR, no dan más que problemas.
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Si tienes 5V a la salida, y vas a poner uno de tántalo, yo lo pondría de más de 6V3, como mínimo el doble de la tensión de funcionamiento, no quieres que salga ardiendo y lo mejor es sobredimensionar ese condensador.
Lo de la inductancia del condensador como habéis dicho también es importante, pero vamos, lo mejor es seguir las indicaciones que de el datasheet sobre los condensadores.
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Si tienes 5V a la salida, y vas a poner uno de tántalo, yo lo pondría de más de 6V3, como mínimo el doble de la tensión de funcionamiento, no quieres que salga ardiendo y lo mejor es sobredimensionar ese condensador.
Lo miraré, pero como son tan caros y el voltaje de salida no puede variar. Además es el condensador que recomienda Texas, incluso te ponen las referencias completas y enlace al datasheet del fabricante. Salvo que no hayan diferencias importantes en el precio del de 10v, lo dejaré a 6.3v.
El de entrada, cerámico, si que lo han sobredimensionado a 35 voltios. Tengo diseños en los que entran 12v y otros a 18v. En el configurador online, el voltaje maximo de entrada está puesto a 22 voltios, aunque el chip aguanta hasta los 42v.
He recordado que hace tiempo probando una placa de evaluación de un CPLD de los chinos, al darle tensión, me salió echando humo un condensador, probablemente un tantalo SMD. Se quedó carbonizado, aunque al volver a conectar la fuente externa con el voltaje y polaridad correcta, si que me funcionó.
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Yo con todo el tema de fuentes de alimentación hago como Jorge555 o Picuino te han dicho, lo primero seguir el datasheet a rajatabla y siempre que puedo en fuentes de alimentación nunca pongo componentes baratos si tengo posibilidad de elegir algún componente mejor o que me dé menos problemas.
Como ejemplo te pondré lo del condensador de Tantalo, no sé como por despiste hará ya un año de ello y me salió uno ardiendo en la cara prácticamente, cuadra con la descripción de una cerilla :lol: :lol: , hay que tener cuidado con ellos, así que si veo la posibilidad pongo siempre cerámicos X7R o NP0 si necesito poca ESR y me quito de problemas.
También piensa que la mayoría de las veces que tenemos problemas de Ruidos suelen venir de una alimentación deficiente, si no recuerdo mal trabajabas con micros a alta velocidad por lo que ese tema siempre que puedas mejorar la alimentación no te vendrá mal aunque te haga un poco más caro el producto te curas en salud, claro que dependiendo cuanto sea más caro merecerá o no la pena.
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Ya tengo todo el material localizado, y a buen precio. Lo curioso son las diferencias tan enormes de precio entre productos de ciertas marcas, como los que indica Texas en su configurador online, y los precios de producto chino.
Por ejemplo el inductor de la marca CoilCraft que indica Texas se va a los 3.5 dólares en los chinos. El mismo tipo de inductor en Coil-Rida, un proveedor chino, me queda en 0.29 USD, a este proveedor ya le he comprado inductores de potencia, y son totalmente fiables.
Con los condensadores cerámicos y de tántalo, la cosa es igual, las referencias que da Texas, son de TDK, que se va a los 0.3 y 0.18 USD/unidad. En producto chino, a 0.02 y 0.055 USD/unidad.
Con el chip LM25085, mejoro bastante el precio con respecto a comprarlo en Mouser, pero no tanto como esperaba. Después de rebuscar en varios chinos, lo he conseguido a 0.6 USD, y el MOSFET a 0.27 USD.
En general queda un precio bastante apañado, para reemplazar los XL4015 y XL4016, por un LM25085 para tener un regulador de 5v 8A, todo de montaje en superficie, para cargar en la pick and place. La bobina es tan pequeña como la que usaba para los XL4015 a 5A, pero con esta tengo 8A y me sirve para usar un solo diseño.
Desaparecen los electrolíticos que usaba de entrada con los XL, de 470uF y 220uF, que ahora con el LM son de 22uF cerámicos tamaño 1206, el de salida también cambia de 330uF electrolítico a 47uF de tántalo, mucho mejor para cargarlos en carretes de 8mm en la máquina.
El coste total se encarece un poco con respecto a los XL, pero ahora todo es de montaje en superficie. Con el XL4016, en THT, me tocaba soldar a mano, y poner la bobina también a mano, además tenía dos tipos de bobina, una para el XL4015 y otra para el XL4016 (bastante más grande). Al final se gana bastante en comodidad, y eso vale más que la pequeña diferencia en el incremento del coste.