Por que um capacitor antes de um regulador de tensão é mais eficaz do que depois?

Tenho 5 V vindo de um banco de potência USB para um regulador de tensão LDO que cai para 3,3 V. Na linha de 3,3 V, tenho vários CIs e sensores IR . Um dos sensores de infravermelho consome bastante corrente em rajadas curtas (eu tenho uma tampa de 10 µF).

Sempre que esse sensor de infravermelho com fome de energia é ativado, algumas outras partes do meu circuito se comportam estranhamente por uma fração de segundo. Imaginei que adicionar um capacitor grande ao trilho de 3,3 V ajudaria a eliminar o que ele fez. Mas também notei que, em vez disso, podia adicionar um capacitor significativamente menor no lado de 5 V, o que também resolveu o problema.

Por que o capacitor é mais eficaz no lado de entrada do regulador do que na saída? Imaginei que a carga estaria "mais prontamente disponível" para o sistema se estivesse no lado de saída / 3,3 V, onde está o sensor.

(Eu apenas mexo em eletrônica e não tenho conhecimento formal além da física básica de E&M.)

* Edit: Antes do problema / experimentação, eu já tinha em ambos os lados do regulador uma tampa de 0,1uF, uma tampa de 1uF e duas tampas de 10uF (totalizando 21,1uF em ambos os lados). Comecei a adicionar tampas extras após o problema.

A queda de tensão durante um transitório no ponto de utilização é composta basicamente pelo seguinte:

1. indutância do fio e da fonte antes do regulador. No caso de um sistema típico que usa cabo de alimentação longo e fino, isso geralmente é significativo porque a indutância do cabo é alta.

2. indutância da faixa de fio / PCB após o regulador. Isso geralmente é curto se a utilização estiver próxima ao regulador, mas pode ser significativo se o sistema usar um PCB grande ou talvez mais PCBs interconectados.

3. tempo de resposta do regulador. Existem dois eventos principais aos quais o regulador deve responder: variações de tensão de entrada, variações de carga de saída. Esses parâmetros podem ser encontrados em sua folha de dados.

Durante um transitório na saída do regulador, acontece o seguinte:

1. a tensão no capacitor de saída cai
2. o circuito de controle do regulador detecta o desvio de tensão e tenta conduzir mais. Isso leva tempo (o tempo de resposta da regulação de carga na folha de dados) e, durante isso, a tensão cai mais.
3. o regulador conduz mais e extrai mais corrente do capacitor de entrada.
4. a diferença de tensão entre a tampa e a tensão de alimentação antes do cabo faz com que a corrente comece a fluir através do cabo, preenchendo o capacitor de entrada. Isso leva tempo porque (grosso modo) a indutância limita a rapidez com que a corrente pode começar a fluir .

Se o capacitor de entrada não puder suportar carga suficiente até ser reabastecido pela fonte, a tensão cai abaixo da tensão de entrada mínima permitida pelo regulador. O regulador não pode fazer nada: a tensão de saída permanece abaixo do nível nominal até que a entrada atinja o nível mínimo.

Forçar o regulador para fora de sua região operacional projetada pode ter outras desvantagens sérias. Se o controle de malha fechada originalmente for aberto, o dispositivo de aprovação poderá saturar. Também é possível que a tensão de entrada não seja suficiente para alimentar com segurança o circuito interno e o dispositivo possa desligar devido à funcionalidade de bloqueio de subtensão ou simplesmente não funcionar corretamente. O tempo de recuperação dessas situações pode ser muito maior do que a resposta de carga típica quando houver tensão de entrada suficiente. Você deve evitar que isso aconteça.

Isso pode ocorrer mesmo se o capacitor de saída for grande. A tensão através dele cairá, e o regulador detecta e tenta manter a tensão de saída e preenchê-la novamente. Se a tampa for muito grande, o regulador puxará alta corrente do lado da entrada. O primeiro problema é que ele vem do capacitor de entrada e, mesmo que você tenha uma tampa grande na saída, a situação acima pode ocorrer. O segundo problema é que é possível que a corrente seja alta o suficiente para acionar a proteção de sobrecorrente, que por si só diminui a resposta e a recuperação da sobrecorrente pode ser mais lenta que o tempo de regulação da carga. Você deve manter o regulador em condições operacionais normais para obter o melhor desempenho.

O capacitor de saída deve ser o menor possível, apenas o suficiente para diminuir o tempo em que o regulador responde e compensa o aumento da carga. Grosso modo, se você aumentar o limite de saída, apenas reforça o trabalho do regulador.

A melhor abordagem do mundo real é começar com um limite suficientemente grande no lado da entrada e um limite pequeno no lado da saída. Leia a folha de dados para recomendações. Verifique o transitório no lado de saída com um osciloscópio. Se não for satisfatório, tente aumentar o limite de saída ou substituí-lo por um que tenha uma indutância de série mais baixa. Em seguida, examine o transitório na entrada e tente reduzir o limite de entrada. Mantenha alguma margem de segurança em ambos os lados.

EDITAR:

A impedância da trilha do fio / PCB após o regulador ...

... tem o mesmo efeito mencionado anteriormente: durante transientes ou também em caso de carregamento contínuo, mas de alta frequência, no ponto de utilização haverá um entalhe de tensão (ou queda contínua). Se você comparar o sinal com um osciloscópio na saída do regulador e no ponto de utilização, verá que no regulador haverá um ruído muito menor.

A indutância do fio / faixa combinada com o capacitor na saída do regulador é um filtro passa-baixas LC, amortecendo efetivamente os componentes de alta frequência.

Isso é bom , porque a carga barulhenta não distorce a tensão do regulador (muito). Você pode fornecer o MCU ou outros circuitos (analógicos) independentemente do regulador em uma topologia em estrela. Isso reduzirá efetivamente a interferência. Se a indutância da pista não for alta o suficiente, você poderá incluir deliberadamente indutores na linha. Isso pode ser visto frequentemente em equipamentos semelhantes ao seu: cargas transitórias de alta potência combinadas com controle analógico / digital sensível.

A alta impedância de alimentação também é ruim , porque você deseja uma alimentação suave a cada carga, mas isso pode ser corrigido com a adição de capacitores (baixo ESR) a cada ponto de utilização. Se você examinar uma placa-mãe para PC, por exemplo, verá centenas de tampas de cerâmica em todos os lugares por esse mesmo motivo.

Com um capacitor na saída, se a tensão de entrada cair abaixo do necessário para obter a regulação da saída, haverá uma queda na fonte e o capacitor de saída cairá.

Com um capacitor na entrada, o regulador sempre terá uma reserva de tensão e, se mantiver acima da tensão mínima de entrada, o regulamento de saída poderá ser mantido mesmo sem capacitor (com impedância de frequência mais alta comprometida).

Com a CA retificada, esse efeito seria muito evidente. Com seu fornecimento de 5 V, parece apontar para uma capacidade de corrente bastante menor do que os seus sensores precisam.

Experimente e veja as formas de onda onduladas de fornecimento com um escopo. Considere ter reguladores dedicados se o orçamento e as especificações puderem justificá-lo. Isso impedirá que um sensor afete as outras partes.

Porque dQ = C * dV.

A menos que você esteja executando o regulador nos limites, você pode tolerar uma dV maior no capacitor de entrada, permitindo um menor C.

A premissa básica da pergunta é inválida e não é universalmente aplicável. Certamente, os reguladores (de qualquer variedade) precisam ter uma potência bruta razoavelmente suave (filtrada) para trabalhar. Poucos, se algum deles, operará na CC pulsada a partir de um estágio típico da fonte CA e do retificador. É aqui que geralmente vemos os grandes capacitores de filtro "a granel".

No entanto, há alguns casos em que é necessária uma grande capacitância para sustentar o barramento de alimentação na presença de cargas grandes e intermitentes, como a que é apresentada como exemplo na pergunta.

Não se trata de "mais eficaz antes ou depois". Esses são dois casos separados e independentes e não podem ser combinados logicamente, como na pergunta solicitada.

Um capacitor no lado de saída de um regulador nem começará a tentar fazer algo útil a menos que ou até que a tensão de saída mude. Um capacitor no lado da entrada começará a fornecer corrente quando a tensão de entrada cair. Um regulador típico tentará minimizar a extensão em que as mudanças na tensão de entrada afetam a saída; portanto, a queda na tensão de entrada necessária para fazer o capacitor do lado da entrada começar a fornecer energia normalmente não causará nenhuma alteração significativa na tensão de saída.

Em alguns casos, um regulador pode não ser capaz de reagir instantaneamente a uma demanda repentina de corrente e, nesses casos, um capacitor de saída pode ser útil (se não for necessário) para fornecer alguma corrente à saída durante o tempo que o regulador leva para reagir para uma carga aumentada. O limite de saída não será capaz de alimentar a corrente de maneira muito eficaz sem que a tensão de saída caia visivelmente, mas pode ser capaz de alimentar o suficiente para dar tempo ao regulador para reagir ao aumento da demanda.