Selecionando os Melhores Capacitores para Filtragem de Fonte de Alimentação

Qualquer fonte de alimentação regulada precisa ser projetada para ter baixo ruído na entrada e saída para a seção do regulador. Reduzir o ruído depende da seleção do capacitor de filtro correto para sua fonte. Dependendo da corrente, esses capacitores podem ser bastante grandes, ou você pode precisar colocar um grande número de capacitores em paralelo. Com o capacitor certo (ou banco de capacitores), você será capaz de amortecer a ondulação de tensão do seu retificador, garantindo uma longa vida útil.

Embora a maioria dos assuntos envolvendo "capacitores de filtro" simplesmente se refira ao capacitor de saída em um retificador, isso também pode se referir ao capacitor na saída de um regulador de tensão. Um capacitor de filtro também pode se referir a componentes usados em um filtro EMI na entrada de uma fonte de alimentação. Felizmente, alguns dos mesmos princípios se aplicam ao selecionar os melhores capacitores para filtragem de fonte de alimentação. Dê uma olhada no nosso guia para ver como selecionar o capacitor de fonte de alimentação de que você precisa.

Quais são os Melhores Capacitores para Filtragem de Fonte de Alimentação?

Por mais que gostaríamos de simplesmente ir ao DigiKey e abrir uma página para capacitores de filtragem, essa opção não existe. A verdade é que diferentes capacitores são úteis para diferentes propósitos, e as especificações em vários capacitores determinam sua aplicação apropriada. Obviamente, você precisará dimensionar o capacitor para o valor apropriado para fornecer supressão de ondulação (maior é melhor), mas vai além de simplesmente calcular a capacitância.

Para começar a selecionar os melhores capacitores para filtragem de fonte de alimentação, você precisa entrar em uma ficha técnica de capacitor e examinar algumas especificações. Algumas das especificações importantes são as seguintes:

• Material do capacitor: Seu capacitor pode ser de cerâmica, eletrolítico, tântalo, poliéster ou outro material. Isso determina a faixa de capacitância útil, bem como outras especificações como a classificação de tensão e parasitas.

• Classificação de tensão de trabalho: Isso basicamente indica a máxima tensão DC ou AC RMS que pode ser aplicada ao capacitor. A tensão de trabalho especificada é válida dentro de uma certa faixa de temperatura operacional, que pode ser exibida em um gráfico.

• Parasitas ou frequência de ressonância própria: Essas especificações são declaradas de maneiras diferentes, dependendo do fabricante. O fabricante pode apenas declarar os valores de ESR e ESL, ou os valores de ESL e fator Q, que podem ser usados para calcular a frequência de ressonância própria e largura de banda. Alternativamente, o espectro de impedância será mostrado em um gráfico, que pode então ser usado para calcular os valores de ESR e ESL.

• Coeficiente de temperatura: A maioria dos projetistas não se preocupa com isso, mas torna-se importante à medida que a capacitância de um capacitor real mudará com a temperatura. Portanto, você deve escolher um capacitor com o menor coeficiente de temperatura se seu produto operar em uma ampla faixa de temperatura.

• Polarização: Capacitores de filtro para circuitos DC têm alguma polarização especificada, que indica a direção que o campo elétrico deve apontar através do capacitor. Uma tensão AC excessivamente grande através de um capacitor polarizado pode destruir o componente prematuramente.

Esta gama de especificações cobrirá todas as aplicações de filtragem relevantes com as quais você trabalhará. O truque na seleção de um capacitor de saída de retificador, capacitor de filtro EMI ou capacitor de saída de regulador de potência é equilibrar o valor de capacitância necessário com as outras especificações importantes. O diagrama de blocos mostra alguns pontos onde você precisará selecionar diferentes tipos de capacitores para o seu projeto.

Os três locais típicos para colocar um capacitor de filtragem e o parâmetro importante em cada caso são mostrados acima.

Filtragem de Saída de Retificador

Aqui, o ponto importante a considerar é o valor da capacitância e o valor do ESR. Esses valores são importantes por dois motivos. Primeiro, o capacitor precisa ser dimensionado de tal forma que a tensão de ripple seja minimizada durante um meio-período da oscilação da linha. Para dimensionar o capacitor necessário, basta usar a fórmula mostrada abaixo:

Valor do capacitor necessário para manter o ripple de pico a pico em um valor específico.

Aqui, o termo corrente refere-se à corrente que precisa ser fornecida pelo capacitor quando a corrente e a queda de tensão do retificador durante a retificação. Para uma corrente dada, basta selecionar o ripple de tensão desejado (como uma mudança de magnitude) para calcular o valor do capacitor necessário. Teoricamente, uma capacitância infinita produzirá zero ripple.

O valor de ESR é um parasita que determina quão rápido os condutores no capacitor irão aquecer à medida que o componente carrega e descarrega. O ESR também define a menor quantidade de tempo durante a qual o capacitor pode descarregar. Para um sistema conectado à energia da rede, você estará trabalhando a 50 ou 60 Hz, então você não precisará se preocupar com o tempo de descarga. O capacitor de filtro deve ser escolhido com um valor de ESR baixo, ao mesmo tempo que fornece alta capacitância; cerâmicas são uma boa escolha aqui, pois tendem a ter um ESR muito baixo.

Filtragem EMI

Ao projetar um filtro EMI, o ponto importante é a topologia do circuito e o valor exato da capacitância. A auto-ressonância também é importante aqui porque, se o sistema opera além da frequência de auto-ressonância de um capacitor, um capacitor irá "agir" como se tivesse um valor diferente. Além disso, outros componentes reativos (por exemplo, indutores, chokes ou ferrites) interagirão com o capacitor para criar oscilações acopladas complicadas. Certifique-se de validar seu design com simulações para determinar a capacitância certa necessária para a filtragem.

O principal objetivo na filtragem EMI em uma linha de fornecimento de energia é o cancelamento de ruído de modo comum e diferencial. Eu sempre uso capacitores não polarizados para filtros EMI que são conectados a linhas AC e recomendo que outros projetistas façam o mesmo. Contanto que as frequências de auto-ressonância de todos os capacitores sejam suficientemente grandes para a largura de banda de ruído que lhe interessa, então você não precisa se preocupar tanto.

Saída do Regulador

Quando colocado na saída de um regulador (por exemplo, regulador chaveado ou LDO), o capacitor desempenha um papel duplo. Primeiro, seu papel é carregar e descarregar durante a comutação de modo a manter a saída DC estável. Segundo, seu papel é desviar o EMI de alta frequência conduzido de volta para o terra. Capacitores polarizados ou não polarizados podem ser usados para esta aplicação desde que a frequência de auto-ressonância seja suficientemente alta.

No caso de um regulador chaveado, o sinal PWM no regulador gerará harmônicos que se estendem até centenas de MHz, que então aparecerão como EMI irradiado e EMI conduzido na saída. Esse EMI pode ser reduzido adicionando uma pequena quantidade de amortecimento no circuito, como com um ferrite na saída do MOSFET chaveador no regulador. O desafio aqui é usar um capacitor com uma frequência de auto-ressonância suficientemente alta, possivelmente com ESR maior se a corrente for baixa o suficiente. Se a corrente de saída for grande, então opte por um ferrite ou indutor para induzir mais amortecimento na auto-ressonância.

Como o amortecimento afeta a ressonância própria. À esquerda, o aumento do amortecimento no sistema aumenta a impedância do capacitor na ressonância. Os efeitos na EMI irradiada em um conversor chaveado (auto-ressonância do capacitor de saída = 146 MHz) são mostrados à direita.

Outro uso importante dos capacitores, além do design de fontes de alimentação, é para redes de casamento de impedância em circuitos de alta frequência/alta velocidade. No entanto, usar um componente reativo como um capacitor para casamento de impedância é mais comum para antenas do que para pares de driver/receptor de alta velocidade. Este aspecto do uso de capacitores é um pouco mais especializado, e provavelmente abordarei isso em um futuro artigo.

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