¿Por qué un condensador antes de un regulador de voltaje es más efectivo que después?

Tengo 5 V provenientes de un banco de energía USB a un regulador de voltaje LDO que lo reduce a 3.3 V. En la línea de 3.3 V tengo varios circuitos integrados y sensores IR . Uno de los sensores IR consume bastante corriente en ráfagas cortas (tengo un límite de 10 µF en él).

Cada vez que se enciende el sensor IR que necesita energía, algunas otras partes de mi circuito se comportan de manera extraña durante una fracción de segundo. Pensé que agregar un condensador grande al riel de 3.3 V ayudaría a eliminar eso, lo que hizo. Pero también noté que podría agregar un condensador significativamente más pequeño en el lado de 5 V, y eso también resolvió el problema.

¿Por qué es que el capacitor es más efectivo en el lado de entrada del regulador que en la salida? Pensé que la carga estaría "más fácilmente disponible" para el sistema si estuviera en el lado de salida / 3.3 V, donde está el sensor.

(Acabo de jugar con la electrónica y no tengo un conocimiento formal más allá de la física básica E&M).

* Editar: Antes del problema / experimentación ya tenía a cada lado del regulador una tapa de 0.1uF, una tapa de 1uF y dos tapas de 10uF (totalizando 21.1uF en cada lado). Comencé a agregar límites adicionales después del problema.

La caída de voltaje durante un transitorio en el punto de utilización se compone aproximadamente de lo siguiente:

1. inductancia del cable y la fuente ante el regulador. En el caso de un sistema típico que utiliza un cable de alimentación largo y delgado, esto suele ser significativo porque la inductancia del cable es alta.

2. inductancia de la pista de alambre / PCB después del regulador. Esto generalmente es corto si la utilización está cerca del regulador, pero puede ser significativo si el sistema usa una PCB grande o quizás más PCB interconectadas.

3. Tiempo de respuesta del regulador. Hay dos eventos principales a los que el regulador debe responder: variaciones de voltaje de entrada, variaciones de carga de salida. Estos parámetros se pueden encontrar en su hoja de datos.

Durante un transitorio en la salida del regulador, sucede lo siguiente:

1. el voltaje en el condensador de salida cae
2. El lazo de control del regulador detecta la desviación de voltaje e intenta realizar más. Esto lleva tiempo (el tiempo de respuesta de regulación de carga en la hoja de datos), y durante esto, el voltaje cae más.
3. El regulador conduce más y extrae más corriente del condensador de entrada.
4. La diferencia de voltaje entre la tapa y el voltaje de suministro antes del cable hace que la corriente comience a fluir a través del cable que llena el condensador de entrada. Esto lleva tiempo porque (en términos generales) la inductancia limita la rapidez con que la corriente puede comenzar a fluir .

Si el capacitor de entrada no puede retener suficiente carga hasta que la fuente lo vuelva a llenar, el voltaje cae por debajo del voltaje de entrada mínimo permitido del regulador. El regulador no puede hacer nada: el voltaje de salida permanece por debajo del nivel nominal hasta que la entrada alcanza el nivel mínimo.

Forzar al regulador a salir de su región operativa diseñada puede tener otros inconvenientes serios. Si se abre el control de circuito cerrado original, el dispositivo de paso puede saturarse. También es posible que el voltaje de entrada no sea suficiente para alimentar de manera confiable los circuitos internos y que el dispositivo se apague debido a la funcionalidad de bloqueo de bajo voltaje o simplemente no funcione correctamente. El tiempo de recuperación de estas situaciones puede ser mucho más largo que la respuesta de carga típica cuando hay suficiente voltaje de entrada. Debes evitar que esto suceda.

Esto puede ocurrir incluso si el condensador de salida es grande. El voltaje a través de él caerá, y el regulador detectará e intentará mantener el voltaje de salida y volver a llenarlo. Si la tapa es demasiado grande, el regulador extraerá una corriente alta desde el lado de entrada. El primer problema es que proviene del condensador de entrada, por lo que incluso si tiene una tapa grande en la salida, puede ocurrir la situación anterior. El segundo problema es que es posible que la corriente sea lo suficientemente alta como para activar la protección contra sobrecorriente, lo que en sí mismo ralentiza la respuesta y la recuperación de sobrecorriente puede ser más lenta que el tiempo de regulación de la carga. Debe mantener el regulador en condiciones normales de funcionamiento para lograr el mejor rendimiento.

El condensador de salida debe ser lo más pequeño posible, lo suficiente como para reducir el tiempo en que el regulador responde y compensa el aumento de carga. En términos generales, si aumenta el límite de salida, solo está endureciendo el trabajo del regulador.

El mejor enfoque del mundo real es comenzar con un límite lo suficientemente grande en el lado de entrada y uno pequeño en el lado de salida. Lea la hoja de datos para obtener recomendaciones. Verifique el transitorio en el lado de salida con un osciloscopio. Si no es satisfactorio, intente aumentar el límite de salida o reemplazarlo por uno que tenga una inductancia en serie más baja. Luego examine el transitorio en la entrada e intente reducir el límite de entrada. Mantenga un margen de seguridad en ambos lados.

EDITAR:

La impedancia de la pista del cable / PCB después del regulador ...

... tiene el mismo efecto mencionado anteriormente: durante transitorios o también en caso de carga continua pero de alta frecuencia, en el punto de utilización habrá una muesca de voltaje (o caída continua). Si compara la señal con un osciloscopio en la salida del regulador y en el punto de utilización, verá que en el regulador habrá un ruido mucho menor.

La inductancia del cable / vía combinada con el condensador en la salida del regulador es un filtro de paso bajo LC, que amortigua efectivamente los componentes de HF.

Esto es bueno , porque la carga ruidosa no distorsiona el voltaje del regulador (demasiado). Puede suministrar el MCU u otros circuitos (analógicos) de forma independiente del regulador en una topología en estrella. Esto reducirá efectivamente la interferencia. Si la inductancia de la pista no es lo suficientemente alta, puede incluir inductores deliberadamente en la línea. Esto se puede ver a menudo en equipos similares al suyo: cargas transitorias de alta potencia combinadas con control sensible analógico / digital.

La alta impedancia de suministro también es mala , porque desea un suministro uniforme en cada carga, pero esto se puede solucionar agregando condensadores (bajo ESR) a cada punto de utilización. Si examina una placa base de PC, por ejemplo, verá cientos de tapas de cerámica en todas partes por esa misma razón.

Con un condensador en la salida, si el voltaje de entrada cae por debajo de lo requerido para lograr la regulación de salida, habrá una caída en el suministro y el condensador de salida caerá.

Con un condensador en la entrada, el regulador siempre tendrá una reserva de voltaje, y si se mantiene por encima del voltaje de entrada mínimo, la regulación de salida se puede mantener incluso sin condensador (con una impedancia de frecuencia algo mayor comprometida).

Con CA rectificada, este efecto sería muy evidente. Con su suministro de 5 V, parece apuntar hacia una capacidad de corriente bastante menor que la que necesitan sus sensores.

Intente echar un vistazo a las ondas de suministro con un alcance. Considere tener reguladores dedicados si el presupuesto y las especificaciones pueden justificarlo. Esto evitará que un sensor afecte a las otras partes.

Porque dQ = C * dV.

A menos que esté ejecutando el regulador justo en sus límites, puede tolerar un dV más grande en el condensador de entrada, lo que permite una C.

La premisa básica de la pregunta es inválida y no es universalmente aplicable. Ciertamente, los reguladores (de cualquier variedad) deben tener una potencia bruta razonablemente suave (filtrada) para trabajar. Pocos, si es que hay alguno, operarán en el DC de pulsos que se produce a partir de una fuente de CA típica y etapa de rectificador. Aquí es donde típicamente vemos los grandes condensadores de filtro "a granel".

SIN EMBARGO, hay algunos casos en los que se requiere una gran capacidad para sostener el bus de suministro de energía en presencia de grandes cargas intermitentes, como la que se da como ejemplo en la pregunta.

No se trata de "más eficaz antes o después". Esos son dos casos separados e independientes y no se pueden combinar lógicamente como en la pregunta que se hizo.

Un condensador en el lado de salida de un regulador ni siquiera comenzará a intentar hacer algo útil a menos o hasta que cambie el voltaje de salida. Un condensador en el lado de entrada comenzará a suministrar corriente cuando el voltaje de entrada caiga. Un regulador típico intentará minimizar el grado en que los cambios en el voltaje de entrada afectan la salida, por lo que la caída de voltaje de entrada necesaria para hacer que el capacitor del lado de entrada comience a suministrar energía generalmente no causará ningún cambio significativo en el voltaje de salida.

En algunos casos, un regulador puede no ser capaz de reaccionar instantáneamente a una demanda de corriente repentina, y en tales casos un condensador de salida puede ser útil (si no es necesario) para suministrar algo de corriente a la salida durante el tiempo que tarda el regulador en reaccionar. a una mayor carga. La tapa de salida no podrá alimentar la corriente de manera muy efectiva sin que el voltaje de salida caiga notablemente, pero puede alimentar lo suficiente como para darle al regulador tiempo para reaccionar a la mayor demanda.