Zaloguj
Bohaterem tego odcinka Notatnika Konstruktora jest najprostszy stabilizator liniowy z serii 78xx, czyli np. dobrze wszystkim znany 7805. Ta konstrukcja to prawdziwy przepis na sukces: bardzo prosta aplikacja, niezłe parametry, zintegrowane zabezpieczenia, bardzo przystępna cena. Czego chcieć więcej? Przecież wystarczy podłączyć wejście, masę, wyjście i gotowe. A nie, jeszcze kondensatory... Ale jakie?
Co z tymi kondensatorami?
Schemat ideowy problematycznego układu możemy zobaczyć na rysunku 1. Jest niesamowicie prosty, ale zawiera dwa kontrowersyjne elementy – C1 i C2. Jaka powinna być ich pojemność oraz rodzaj, aby nasz stabilizator pracował w możliwie najlepszych dla siebie warunkach? Jak to zwykle w takich sytuacjach bywa, odpowiedź brzmi: to zależy. W celu jej uszczegółowienia zajrzałem do źródeł, którymi w tym wypadku są noty katalogowe różnych producentów. Nie będę analizował schematu wewnętrznego, zabezpieczeń ani innych parametrów, chcę uzyskać odpowiedź na pytanie: co z tymi kondensatorami?
Texas Instruments w swojej dosyć skrótowej nocie katalogowej [1] informuje pod każdą z tabel: All characteristics are measured with a 0.33-μF capacitor across the input and a 0.1-μF capacitor across the output. To zdanie mówi wprost, że kondensator C1=330 nF, natomiast C2=100 nF. Niestety, nie został podany rodzaj dielektryka, więc tutaj można snuć jedynie domysły. Schemacik z takimi samymi wartościami pojawia się w tej nocie również niżej. Ale, ale... To były tylko warunki wykonywania pomiarów. Nie ma mowy o tym, że takie pojemności kondensatorów są najlepsze lub zoptymalizowane do jakichś parametrów. Nie ma też informacji o tym, jakie są dopuszczalne odstępstwa. Słowem: producent napisał tylko: ja zrobiłem tak i tak – i już. Tymczasem te wartości elementów w niektórych miejscach urosły do rangi prawdy objawionej, której nie wolno na krok odstępować. Chciałbym poznać uzasadnienie, dlatego szukam dalej.
Szukamy dalej
Więcej do powiedzenia na ten temat ma ST. W nocie katalogowej tego producenta [2] część poświęcona owym kondensatorom jest zdecydowanie bardziej rozbudowana. Możemy się dowiedzieć, że kondensator C1 jest zalecany, o ile przewody łączące stabilizator z filtrem napięcia są długie. Nie ma żadnych szczegółów na temat tego, jaka długość jest krytyczna, jaki przekrój przewodów bądź jaka ich indukcyjność może napsuć nam krwi, nie ma też słowa o samym źródle napięcia (na przykład ESR i ESL, które miałyby wpływ na możliwość wzbudzenia się układu). Powinno się zastosować kondensator o pojemności 330 nF (lub większy) w celu zapewnienia dobrych charakterystyk częstotliwościowych oraz stabilności dla każdego rodzaju obciążenia. Powinien być to kondensator tantalowy, mylarowy lub dowolny inny, którego impedancja w zakresie wysokich częstotliwości jest niska. Producent przypomina też, że taki element należy zamontować jak najbliżej wyprowadzeń stabilizatora.
Na temat kondensatora C2 napisano jedynie tyle, że nie jest niezbędny do zapewnienia stabilności, za to poprawia odpowiedź impulsową. Wszystko się zgadza: kondensatory zmniejszają impedancję wewnętrzną nieidealnego źródła napięcia, a za takie może uchodzić wyjście układu 78xx, zwłaszcza dla wysokich częstotliwości, kiedy wewnętrzna pętla sprzężenia zwrotnego przestaje wyrabiać się czasowo.
Fairchild w swoim dokumencie na temat tego układu scalonego [3] twierdzi coś innego – kondensator C1 jest potrzebny, o ile stabilizator jest znacznie oddalony od filtra zasilania. Czym jest owe znacznie? W opisie kondensatora C2 można znaleźć jeszcze krótszą informację: CO improves stability and transient response. Poprawia stabilność i odpowiedź impulsową, lecz co bez niego? Układ się wzbudzi? Oba kondensatory mają takie same pojemności, jak w dotychczas omówionych notach.
W innej nocie Texas Instruments [4], do której dodano również LM340, odpowiedzi na moje pytania znajdują się już na pierwszej stronie. Tutaj C1=220 nF (!) z adnotacją, że jest potrzebny, o ile układ znajduje się daleko od filtru zasilacza. Z kolei przy C2 stoi objaśnienie, że nie jest potrzebny do zapewnienia stabilności, ale poprawia odpowiedź impulsową. I jeszcze: jeżeli zachodzi potrzeba, należy użyć kondensatora ceramicznego o pojemności 100 nF. Na dalszej stronie można znaleźć informację, że C2 wprawdzie nie jest wymagany, ale TI zaleca go zastosować dla uzyskania stabilności i poprawy odpowiedzi impulsowej. Z kolei C1 nie jest konieczny, jeżeli odległość między stabilizatorem a filtrem zasilacza wynosi mniej niż 6 cali.
Te słowa niosą już jakieś konkrety, w dodatku C1 ma inną pojemność niż dotychczas. Jeszcze ciekawsze wieści ma ON Semiconductor [5]. Wszystkie informacje na temat C1 i C2, które dotychczas padły, pokrywają się, z jednym wyjątkiem: użycie C2 o pojemności mniejszej niż 100 nF może doprowadzić do niestabilnej pracy układu! Ale w poprzednim zdaniu możemy przeczytać, że ten element w ogóle nie jest wymagany do zapewnienia stabilności, jedynie poprawia odpowiedź impulsową. W dalszej części można znaleźć informację, że C1 jest zalecany, jeżeli przewody łączące stabilizator z filtrem zasilacza są długie (to już znamy) lub gdy pojemność obciążająca wyjście stabilizatora jest wysoka. To drugie stwierdzenie dotychczas nie padło, ponadto znowu zostawia mnóstwo wątpliwości: jaka jest owa wysoka pojemność? Co się stanie, kiedy nie będzie C1? Tak wiele pytań, tak mało odpowiedzi.
CYStech Eletronic podchodzi do tematu jeszcze inaczej [6]. Według tej firmy, oba kondensatory, C1 i C2, są wymagane, jeżeli stabilizator znajduje się daleko od kondensatorów filtra w zasilaczu albo kiedy w połączeniach mogą zaindukować się oscylacje. Jakie to są oscylacje i co może się stać w razie braku tych dwóch elementów? Nie wiadomo. Pojemności typowe, czyli C1=330 nF, C2=100 nF.
Być może dalsze przekopywanie się przez internet przyniosłoby jeszcze więcej rewelacji, lecz tutaj postanowiłem się zatrzymać. Z przeanalizowanych not katalogowych wynika, że każdy producent traktuje te kondensatory w nieco inny sposób. A to przecież niebagatelna sprawa, ponieważ urządzenie wprowadzone do masowej produkcji nie może zacząć się wzbudzać tylko dlatego, że udało się zdobyć partię stabilizatorów od innego producenta niż dotychczas. Braki w magazynach są na tyle dokuczliwe, że trzeba być gotowym na zastosowanie czegokolwiek, co tylko spełnia kryteria. Projektowanie celowo pod układy od wyłącznie jednego producenta może szybko skończyć się klęską.
Podsumowanie
W swoich urządzeniach stosuję C1=C2=100 nF. Najczęściej są to kondensatory MLCC w rozmiarze 0805, rzadziej 1206, a w przypadku THT polegam na kondensatorach MKT o takiej samej pojemności. O ile C2=100 nF jest zalecane przez producentów, o tyle w przypadku C1 minimalną napotkaną pojemnością było 220 nF, a znacznie częściej 330 nF, skąd zatem wynika ta rozbieżność? Po pierwsze, kondensatory 100 nF stosuję w swoich urządzeniach hurtowo i kupowanie innych tylko do tego celu byłoby wątpliwe pod względem produkcyjnym. Po drugie, można zastosować dwa lub trzy kondensatory połączone równolegle, co dałoby pożądany efekt, lecz tutaj warto przypomnieć sobie adnotacje z not katalogowych: C1 jest konieczny, o ile dystans między stabilizatorem a filtrem zasilacza jest znaczny. W jednym przypadku oszacowano tę odległość na około 15 cm. Na płytce drukowanej rzadko kiedy można znaleźć tak długie ścieżki prowadzące do stabilizatora, więc można uznać te połączenia za odpowiednio krótkie.
Natomiast w przypadku podłączania zasilania z zewnątrz (na przykład z zasilacza wtyczkowego) i tak warto dodać jakiś kondensator elektrolityczny do C1, oprócz wspomnianego już 100 nF, ponieważ zupełnie nie znamy impedancji wyjściowej dołączanego źródła zasilania. Uchroni to również nasze urządzenie przed krótkotrwałymi zapadami napięcia, które byłyby spowodowane chociażby iskrzeniem styków w gnieździe.
Michał Kurzela, EP
Bibliografia
[1] https://bit.ly/3e0Jdgo
[2] https://bit.ly/3Rvdp0X
[3] https://bit.ly/3RvbQ2I
[4] https://bit.ly/3Rpxky1
[5] https://bit.ly/3rpBV90
[6] https://bit.ly/3y68m04
