Seleccionando los Mejores Capacitores para el Filtrado de la Fuente de Alimentación

Cualquier fuente de alimentación regulada necesita ser diseñada para tener bajo ruido tanto en la entrada como en la salida de la sección reguladora. Reducir el ruido depende de seleccionar el capacitor de filtro adecuado para tu fuente. Dependiendo de la corriente, estos capacitores pueden ser bastante grandes, o puede que necesites colocar un gran número de capacitores en paralelo. Con el capacitor adecuado (o banco de capacitores), podrás amortiguar el rizado de voltaje de tu rectificador asegurando al mismo tiempo una larga vida útil.

Aunque la mayoría de los temas que involucran a los “capacitores de filtro” simplemente se refieren al capacitor de salida en un rectificador, también puede referirse al capacitor en la salida de un regulador de voltaje. Un capacitor de filtro también podría referirse a componentes usados en un filtro EMI en la entrada de una fuente de alimentación. Afortunadamente, algunos de los mismos principios se aplican al seleccionar los mejores capacitores para el filtrado de la fuente de alimentación. Echa un vistazo a nuestra guía para ver cómo seleccionar el capacitor de fuente de alimentación que necesitas.

¿Cuáles son los mejores capacitores para el filtrado de la fuente de alimentación?

Tanto como nos gustaría simplemente ir a DigiKey y traer una página para capacitores de filtrado, este camino no existe. La verdad es que diferentes capacitores son útiles para diferentes propósitos, y las especificaciones en varios capacitores determinan su aplicación apropiada. Obviamente, necesitarás dimensionar el capacitor al valor apropiado para proporcionar supresión de rizado (más grande es mejor), pero va más allá de simplemente calcular la capacitancia.

Para comenzar a seleccionar los mejores capacitores para el filtrado de la fuente de alimentación, necesitas adentrarte en una hoja de datos de un capacitor y examinar algunas especificaciones. Algunas de las especificaciones importantes son las siguientes:

• Material del capacitor: Tu capacitor puede ser de cerámica, electrolítico, tantalio, poliéster u otro material. Esto determina el rango de capacitancia útil, así como otras especificaciones como la calificación de voltaje y los parásitos.

• Calificación de voltaje de trabajo: Esto básicamente te indica el máximo voltaje de CC o CA RMS que se puede aplicar al capacitor. La calificación de voltaje de trabajo es válida dentro de un cierto rango de temperatura operativa, que puede mostrarse en un gráfico.

• Parásitos o frecuencia de resonancia propia: Estas especificaciones se indican de diferentes maneras, dependiendo del fabricante. El fabricante podría solo indicar los valores de ESR y ESL, o los valores de ESL y factor Q, que se pueden usar para calcular la frecuencia de resonancia propia y el ancho de banda. Alternativamente, el espectro de impedancia se mostrará en un gráfico, que luego se puede usar para calcular los valores de ESR y ESL.

• Coeficiente de temperatura: La mayoría de los diseñadores no se preocupan por esto, pero se vuelve importante ya que la capacitancia de un capacitor real cambiará con la temperatura. Por lo tanto, deberías elegir un capacitor con el menor coeficiente de temperatura si tu producto operará en un amplio rango de temperatura.

• Polarización: Los capacitores de filtro para circuitos de CC tienen alguna polarización especificada, que indica la dirección que debe apuntar el campo eléctrico a través del capacitor. Un voltaje de CA excesivamente grande a través de un capacitor polarizado puede destruir el componente prematuramente.

Este rango de especificaciones cubrirá todas las aplicaciones de filtrado relevantes con las que trabajarás. El truco al seleccionar un capacitor de salida de rectificador, un capacitor de filtro EMI o un capacitor de salida de regulador de potencia es equilibrar el valor de capacitancia requerido con las otras especificaciones importantes. El diagrama de bloques muestra algunos puntos donde necesitarás seleccionar diferentes tipos de capacitores para tu diseño.

Los tres lugares típicos para colocar un capacitor de filtrado y el parámetro importante en cada caso se muestran arriba.

Filtrado de Salida de Rectificador

Aquí, el punto importante a considerar es el valor de capacitancia y el valor de ESR. Estos valores son importantes por dos razones. Primero, el capacitor necesita ser dimensionado de tal manera que el voltaje de ondulación se minimice durante un medio período de la oscilación de línea. Para dimensionar el capacitor que necesitas, simplemente usa la fórmula que se muestra a continuación:

Valor del capacitor requerido para mantener el rizado de pico a pico en un valor específico.

Aquí, el término actual se refiere a la corriente que necesita ser suministrada por el capacitor cuando la corriente y la caída de voltaje del rectificador durante la rectificación. Para una corriente dada, simplemente seleccione el rizado de voltaje deseado (como un cambio de magnitud) para calcular el valor de capacitor requerido. Teóricamente, una capacitancia infinita producirá cero rizado.

El valor de ESR es un parásito que determina qué tan rápido se calentarán los conductores en el capacitor a medida que el componente se carga y descarga. ESR también define la cantidad mínima de tiempo durante el cual el capacitor puede descargarse. Para un sistema conectado a la energía de la red, estarás trabajando a 50 o 60 Hz, por lo que no necesitarás preocuparte por el tiempo de descarga. El capacitor de filtro debe ser elegido con un valor de ESR bajo mientras también proporciona alta capacitancia; los cerámicos son una buena elección aquí ya que tienden a tener un ESR muy bajo.

Filtrado EMI

Al diseñar un filtro EMI, el punto importante es la topología del circuito y el valor exacto de la capacitancia. La auto-resonancia también es importante aquí porque, si el sistema opera más allá de la frecuencia de auto-resonancia de un capacitor, un capacitor "actuará" como si tuviera un valor diferente. Además, otros componentes reactivos (por ejemplo, inductores, choques o ferritas) interactuarán con el capacitor para crear oscilaciones acopladas complicadas. Asegúrate de validar tu diseño con simulaciones para determinar la capacitancia correcta necesaria para el filtrado.

El objetivo principal en el filtrado EMI en una línea de suministro de energía es la cancelación de ruido de modo común y modo diferencial. Siempre uso capacitores no polarizados para filtros EMI que están conectados a líneas de CA y recomiendo que otros diseñadores hagan lo mismo. Mientras las frecuencias de auto-resonancia de todos los capacitores sean suficientemente grandes para el ancho de banda de ruido que te importa, entonces no necesitas preocuparte tanto.

Salida del Regulador

Al colocarse en la salida de un regulador (por ejemplo, regulador conmutado o LDO), el capacitor juega un doble papel. Primero, su papel es cargar y descargar durante la conmutación para mantener estable la salida de CC. Segundo, su papel es desviar el EMI de alta frecuencia conducido de vuelta a tierra. Capacitores polarizados o no polarizados pueden ser utilizados para esta aplicación siempre que la frecuencia de auto-resonancia sea suficientemente alta.

En el caso de un regulador conmutado, la señal PWM en el regulador generará armónicos que se extienden hasta cientos de MHz, los cuales aparecerán como EMI radiado y EMI conducido en la salida. Este EMI puede reducirse agregando una pequeña cantidad de amortiguación en el circuito, como con una ferrita en la salida del MOSFET conmutador en el regulador. El desafío aquí es usar un capacitor con una frecuencia de auto-resonancia suficientemente alta, posiblemente con un ESR más alto si la corriente es lo suficientemente baja. Si la corriente de salida es grande, entonces opta por una ferrita o inductor para inducir más amortiguación en la auto-resonancia.

Cómo afecta el amortiguamiento a la resonancia propia. A la izquierda, aumentar el amortiguamiento en el sistema incrementa la impedancia del capacitor en la resonancia. Los efectos sobre la EMI radiada en un convertidor conmutado (auto-resonancia del capacitor de salida = 146 MHz) se muestran a la derecha.

Otro uso importante de los capacitores, aparte del diseño de fuentes de alimentación, es para redes de adaptación de impedancia en circuitos de alta frecuencia/alta velocidad. Sin embargo, usar un componente reactivo como un capacitor para la adaptación de impedancia es más común para antenas que para pares de transmisión/recepción de alta velocidad. Este aspecto del uso de capacitores es un poco más especializado, y probablemente lo abordaré en un futuro artículo.

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