Warum sind im LM1117-Datenblatt Tantalkondensatoren speziell angegeben?

Ich plane , eine auf der Verwendung LM1117 5 V auf 3,3 V. Mit Blick auf (zu regulieren jede von den mehreren ) Datenblätter für die LM1117 empfehlen sie 10 uF Tantal - Kondensatoren zwischen den Eingang und Masse und zwischen den Ausgang und Masse.

Ich verstehe die Notwendigkeit der Kondensatoren, aber es ist mir nicht klar, warum dies speziell Tantal sein sollte. Ich habe ein paar 10-µF-Elektrolytkondensatoren, die hier herumliegen, während ich, wenn es aus irgendeinem Grund Tantal sein muss, diese bestellen muss.

Warum sind sie so spezifisch für die Verwendung von Tantalkondensatoren?

Tantalkondensatoren sind in dieser Anwendung völlig unnötig.

• Der einzige Grund für die Wahl von Tantal könnte die Lebensdauer sein, und dies kann für Aluminium-Nasselektrolytkappen ausgelegt werden. Ab diesem Zeitpunkt wird davon ausgegangen, dass die Lebensdauer ordnungsgemäß ausgelegt wurde und kein Problem darstellt.

• Die Verwendung eines Tantalkondensators als Eingangskondensator führt jederzeit zum Tod des Kondensators, wenn an der Eingangsstromschiene von einer beliebigen Quelle Spannungsspitzen auftreten können. Eine Spitze, die mehr als einen Bruchteil über dem Nennwert eines Tantalkondensators liegt, kann in einem Hochenergiekreislauf wie diesem zur völligen Zerstörung führen.

• Der Eingangskondensator ist ein typischer Speicherkondensator, sein Wert ist relativ unkritisch. Tantal dient hier keinem technischen Zweck. Wenn eine extrem niedrige Impedanz gewünscht wird, ist die Verwendung einer kleineren Parallelkeramik angezeigt.

• Der Ausgangskondensator ist KEIN Filterkondensator im herkömmlichen Sinne. Seine Hauptaufgabe besteht darin, dem Regler Regelkreisstabilität zu verleihen. (Ein Widerstand von z. B. 10 Ohm könnte in Reihe mit dem Kondensator geschaltet werden, ohne dessen Funktionalität zu beeinträchtigen. Keine normale Filterkappe würde dies tolerieren, ohne die Funktionalität zu beeinträchtigen.)

• Die Eigenschaften von Aluminium-Nasselektrolytkondensatoren mit der richtigen Kapazität und Nennspannung sind gut für die Rolle des Ausgangskondensators geeignet. Es gibt keinen Grund, sie dort nicht zu verwenden. Dieses 7-Cent-Kondensator- Preismodell / allgemeine Daten / Datenblatt ist für viele Anwendungen eine akzeptable Wahl. (Anwendungen mit längerer Lebensdauer können 1 2000 Stunden / 105 ° C Teil anzeigen).

Das LM1117-Datenblatt enthält klare Anweisungen zu den wesentlichen und wünschenswerten Eigenschaften der Eingangs- und Ausgangskondensatoren. Jeder Kondensator, der diese Spezifikationen erfüllt, ist geeignet. Tantal ist eine gute Wahl, aber nicht die beste Wahl. Es gibt verschiedene Faktoren und die Kosten sind einer. Tantal bietet OK Kosten pro Kapazität bei Kapazitäten von ca. 10 uF bis. Der Ausgangskondensator ist in den meisten Fällen "spitzensicher". Der Eingangskondensator ist durch "schlechtes Verhalten" anderer Teile des Systems gefährdet. Spitzen über dem Nennwert führen zu einer (buchstäblich) flammenden Schmelze. (Rauch, Flamme, Lärm, übler Geruch und Explosion sind optional -
ich habe gesehen, dass eine Tantalkappe all dies nacheinander erledigt :-))

Eingangskondensator

Der Eingangskondensator ist nicht überkritisch, wenn der Regler von einem bereits gut entkoppelten Systembus gespeist wird. In der Abbildung auf der Vorderseite wird "Erforderlich, wenn der Regler weit vom Netzfilter entfernt ist" angegeben, zu dem Sie "oder einen anderen gut entkoppelten Teil der Versorgung" hinzufügen können. dh Kondensatoren, die im Allgemeinen zur Entkopplung verwendet werden, können hier einen anderen überflüssig machen. Der Ausgangskondensator ist wichtiger.

Ausgangskondensator

Viele moderne Low-Drop-Out-Hochleistungsregler sind im Lieferzustand bedingungslos instabil. Zur Gewährleistung der Schleifenstabilität benötigen sie einen Ausgangskondensator, der sowohl Kapazität als auch ESR in ausgewählten Bereichen aufweist. Das Einhalten dieser Bedingungen ist für die Stabilität unter allen Lastbedingungen unerlässlich.

Ausgangskapazität für Stabilität erforderlich: Stability erfordert den Ausgang Ausgangslastkondensator> = 10 uF zu sein , wenn der Stift Cadj hat nicht einen zusätzlichen Kondensator zur Masse hat und> = 20 uF , wenn Cadj einen zusätzlichen Bypass - Kondensator aufweist. Höhere Kapazitäten sind ebenfalls stabil. Diese Anforderung könnte durch eine Aluminium-Nasselektrolytkappe oder eine Keramikkappe erfüllt werden. Da Nasselektrolyte im Allgemeinen eine große Toleranz aufweisen (bis zu +100% / - 50%, wenn nicht anders angegeben), würde ein 47-uF-Aluminium-Nasselektrolyt hier eine ausreichende Kapazität liefern, selbst wenn der Cadj umgangen wurde. ABER es kann die ESR-Spezifikation erfüllen oder nicht.

Ausgangskondensator ESR für Stabilität erforderlich:

ESR ist eine "Goldlöckchen-Anforderung" :-) - nicht zu viel und nicht zu wenig.
Erforderlicher ESR ist als angegeben

    0.3 ohm <= ESR <= 22 ohm.

Dies ist eine extrem breite und ungewöhnliche Anforderung. Selbst recht bescheidene Welligkeitsströme in diesem Kondensator würden weitaus größere Spannungsschwankungen als akzeptabel hervorrufen. Es ist klar, dass sie keine hohen Welligkeitsströme erwarten und dass die Rolle des Kondensators in erster Linie mit der Schleifenstabilität als mit der Rauschunterdrückung an sich zusammenhängt. Beachten Sie, dass "Old School" -Regler, wie z. B. LM340 / LM7805, häufig keinen Ausgangskondensator oder möglicherweise 0,1 uF spezifizierten. Im LM340-Datenblatt heißt es hier beispielsweise : "** Obwohl für die Stabilität kein Ausgangskondensator benötigt wird, hilft dies beim Einschwingen. (Verwenden Sie bei Bedarf 0,1 µF Keramikscheibe.)".

Ein Tantalkondensator ist nicht erforderlich, um diese Spezifikation zu erfüllen.
Ein nasser Aluminiumkondensator erfüllt diese Spezifikation problemlos. Hier einige typische neue maximale ESR-Werte für neue Aluminium-Nasselektrolytkondensatoren. Die erste Gruppe sind Kondensatoren, die in dieser Anwendung am unteren Ende des Kapazitätsbereichs in der Praxis eingesetzt werden können. Die 10 uF, 10V sind ungefähr halb so hoch wie die zulässigen ESr - vielleicht ein bisschen knapp für den Komfort während der gesamten Lebensdauer. Die zweite Gruppe ist diejenige, die mit umgangenem Cadj verwendet werden würde und die sowieso verwendet werden könnte - ESRs sind in beiden Richtungen weit entfernt von Grenzwerten. Die dritte Gruppe sind Kondensatoren, die so gewählt werden, dass sie sich der unteren Grenze annähern (und mit zunehmendem Alter einen höheren Widerstand erzielen = besser). Die 100-uF-63-V-Spannung verschiebt die Untergrenze - aber es wäre hier nicht erforderlich, ein 63-V-Teil zu verwenden, und es wird mit zunehmendem Alter höher (= besser). .

• 
  10 uF, 10 V - 10 Ohm 10 uF, 25 V - 5,3 Ohm

• 
  47 uF, 10 V - 2,2 Ohm 47 uF, 16 V - 1,6 Ohm 47 uF, 25 V, 1,2 Ohm

• 470 uF, 10
  V - 024 Ohm 220 uF, 25 V - 0,23 Ohm
  100 uF, 63 V - 0,3 Ohm

Sie sagen im LM1117 Datenblatt

• 1.3 Ausgangskondensator

  Der Ausgangskondensator ist für die Aufrechterhaltung der Reglerstabilität von entscheidender Bedeutung und muss die erforderlichen Bedingungen sowohl für die Mindestkapazität als auch für den ESR (Equivalent Series Resistance) erfüllen.

  Die vom LM1117 geforderte minimale Ausgangskapazität beträgt 10µF, wenn ein Tantalkondensator verwendet wird. Eine Erhöhung der Ausgangskapazität verbessert lediglich die Schleifenstabilität und das Einschwingverhalten.

  Der ESR des Ausgangskondensators sollte zwischen 0,3 Ω und 22 Ω liegen. Beim einstellbaren Regler ist bei Verwendung des CADJ eine größere Ausgangskapazität (22 µf Tantal) erforderlich

ESR ist entscheidend

ADDED - Notizen

SBCasked:

Ich habe das schon so oft gelesen - "Atemreglerstabilität aufrechterhalten".
Was wäre ein Beispiel für einen instabilen Regler?
Würde der Ausgang mit hoher Welligkeit schwingen oder undefiniert sein oder was genau würde passieren?

Nach meiner Erfahrung führt die Instabilität des Reglers (und wie zu erwarten) zu einer Oszillation des Reglers mit einem hohen Pegel und häufig einem Hochfrequenzsignal am Ausgang und einer Gleichspannung, die mit einem Nicht-Effektivwert-Messgerät gemessen wird, bei dem es sich um einen stabilen Gleichstrom zu handeln scheint ein falscher Wert.

Das Folgende ist ein Kommentar zu dem, was Sie unter typischen Umständen sehen können - die tatsächlichen Ergebnisse variieren stark, dies ist jedoch ein Leitfaden.
Wenn Sie den Ausgang mit einem Oszilloskop betrachten, sehen Sie möglicherweise eine 100-kHz-Sinuswelle von 100 mV bis zu einigen Volt Amplitude an einem nominalen 5-VDC-Ausgang.

Abhängig von den Rückkopplungsparametern kann es vorkommen, dass Sie eine niederfrequente Schwingung erhalten, die langsam genug ist, um Änderungen an einem "DC" -Messgerät zu erkennen, und dass Sie möglicherweise eher MHz-Signale erhalten.
Ich würde erwarten, dass:
(a) sehr langsame Änderungen eher eine hohe Amplitude haben (da dies darauf hindeutet, dass das System seinen Schwanz so jagt, dass er fast reguliert wird und das korrigierende Feedback ihn nicht schnell einbringt Leitung und
(b) MHz Ebene Schwingung anfälliger seinem übliches Amplitude niedriger zu sein als wie es , dass die Anstiegsgeschwindigkeit des Verstärkungspfades schlägt die Ansprechgeschwindigkeit ein wichtiger Faktor ist. aber alles , was passieren kann.

Wie genau kommt der ESR hier ins Spiel?
Ein naiver Passant wie ich würde einen besseren Serienwiderstand erwarten.

Das Intuitive und das Logische stimmen nicht immer überein.
Ein Regler ist im Wesentlichen ein rückgekoppelter Leistungsverstärker.
Wenn die Rückkopplung insgesamt negativ ist, ist das System stabil und der Ausgang ist Gleichstrom.
Wenn die Netzschleifenrückkopplung positiv ist, erhalten Sie eine Oszillation.
Das Gesamtfeedback wird durch eine Transferfunktion mit den beteiligten Komponenten beschrieben. Sie können die Stabilität unter dem Gesichtspunkt von zB Nyquist-Stabilitätskriterien oder (verwandten) keinen Polen auf der rechten Halbebene und allen Polen innerhalb des Einheitskreises oder ... agh! Betrachten. Es ist angemessen zu sagen, dass die Rückkopplung von Ausgang zu Eingang die Schwingung nicht verstärkt und dass ein zu großer oder zu kleiner Widerstand zu einer Gesamtverstärkung führen kann, wenn er als Teil des Gesamtsystems betrachtet wird.
Einfach, nützlich .
Nur geringfügig komplexer - guter
Sueful - Stack-Austausch

Sinnvoll

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Und eine letzte Anmerkung: Haben Sie die Welligkeitsspannung an der Kappe als ein inhärentes Problem bezeichnet, das aufgrund der geringen Größe groß ist (auch für kleine Ströme)? (dh Vc = Integral des Stroms über der Kapazität?)

Sie sagen "... 0,3 Ohm <= ESR <= 22 Ohm ...".
Wenn Sie einen ESR von 10 Ohm sagen, verursacht jeder mA-Welligkeitsstrom eine Spannungsschwankung von 10 mV über dem Kondensator. 10 mA Welligkeitsstrom = 100 mV Spannungsschwankung, und Sie wären mit Ihrem Regler sehr unzufrieden. Der aktive Regler kann diese Welligkeit reduzieren, aber es ist schön, dass Ihr Filterkondensator nicht zu dem Problem beiträgt, das Sie beheben möchten.

Eine interessante Referenz fand ich im Datenblatt LM3940 von TI (A 5V bis 3,3V LDO).

Tantale wurden spezifiziert, da die ESR von Elektrolyten bei sehr niedrigen Temperaturen bis zu 30-fach erhöht werden kann.
Es ist möglich, ein kleines Tantal parallel zu einem großen Elektrolyten zu schalten, wenn die Kosten eine Rolle spielen.

ESR-GRENZWERTE: Der ESR-Wert des Ausgangskondensators verursacht eine Schleifeninstabilität, wenn er zu hoch oder zu niedrig ist. Der akzeptable Bereich der aufgetragenen ESR gegenüber dem Laststrom ist in Abbildung 19 dargestellt. Es ist wichtig, dass der Ausgangskondensator diese Anforderungen erfüllt. Andernfalls können Oszillationen auftreten.
Abbildung 19. ESR-Grenzwerte
Es ist wichtig zu beachten, dass für die meisten Kondensatoren der ESR nur bei Raumtemperatur angegeben wird. Der Konstrukteur muss jedoch sicherstellen, dass der ESR über den gesamten Betriebstemperaturbereich der Konstruktion innerhalb der angegebenen Grenzen bleibt. Bei Aluminium-Elektrolytkondensatoren erhöht sich der ESR um etwa das 30-fache, wenn die Temperatur von 25 ° C auf –40 ° C gesenkt wird. Dieser Kondensatortyp ist für den Betrieb bei niedrigen Temperaturen nicht gut geeignet. Feste Tantalkondensatoren haben einen stabileren ESR über der Temperatur, sind aber teurer als Aluminiumelektrolyte. Ein kostengünstiger Ansatz, der manchmal verwendet wird, besteht darin, einen Aluminiumelektrolyten mit einem festen Tantal zu parallelisieren, wobei die Gesamtkapazität auf etwa 75/25% aufgeteilt ist, wobei das Aluminium der größere Wert ist. Wenn zwei Kondensatoren parallel geschaltet sind, ist der effektive ESR die Parallelität der beiden Einzelwerte.

Elektrolyseure haben im Vergleich zu Tantalen eine schlechte Hochfrequenzleistung. Angesichts des heutigen Tantalpreises würde ich empfehlen, einen Ihrer Elektrolyte mit einem kleinen Keramikkondensator parallel zu verwenden - beispielsweise 100 nF. Es hängt davon ab, was Sie mit Strom versorgen, aber es ist normalerweise nicht so kritisch, es sei denn, Welligkeit und vorübergehende Reaktion sind für Sie besonders kritisch.