La integridad de la señal y la potencia son los mejores indicadores de un producto electrónico adecuado. Lograr un alto nivel de integridad comienza con la comprensión de los componentes electrónicos críticos. Por lo tanto, un buen diseñador e ingeniero electrónico debe poseer un conocimiento excepcional de la selección, especificación y función de cada componente en el circuito.
Un condensador es uno de estos componentes electrónicos. Los condensadores, como los de filtrado de CA, desempeñan funciones cruciales y existen en diversos tipos. Este artículo se centra en los condensadores de desacoplamiento: qué son, cómo se comparan con los condensadores de acoplamiento y derivación, cómo seleccionarlos, dónde colocarlos y, finalmente, dónde se utilizan.
¿Qué es un condensador de desacoplamiento?
Fundamentos de los condensadores de desacoplamiento
Un condensador de desacoplamiento es un componente electrónico pasivo que filtra las tensiones de CC y suaviza su flujo en un circuito electrónico. Se utiliza como banco de tensión, garantizando que no se produzcan fluctuaciones de potencia cuando aumenta la demanda del circuito. Los condensadores siempre se colocan cerca de las entradas de alimentación de dispositivos electrónicos como los microcontroladores (MCU).
· Los condensadores de desacoplamiento almacenan la energía liberada inmediatamente después de que el circuito la requiere, garantizando así un flujo constante.
· Funcionan como un cortocircuito, protegiendo componentes sensibles.
· Cada diseñador e ingeniero debería poder elegir el condensador de desacoplamiento adecuado para garantizar una mejor reducción de ruido.
· Antes de seleccionar el capacitor, verifique su ESL, ESR y capacitancia para un rendimiento óptimo.
Figura 1: Condensadores de desacoplamiento en la entrada principal de la placa de desarrollo ESP32_WROOM_32E_N8
Condensadores de acoplamiento y desacoplamiento
Los condensadores de acoplamiento se utilizan en líneas de señal, a diferencia de los de desacoplamiento, que se utilizan entre líneas eléctricas. En otras palabras, los condensadores de desacoplamiento se conectan en paralelo con las señales de potencia para filtrar las señales de CA. Por el contrario, los condensadores de acoplamiento se conectan en serie con las señales de potencia para filtrar las señales de CC. Tanto los condensadores de acoplamiento como los de desacoplamiento se encuentran en circuitos digitales y analógicos.
Figura 2: Acoplamiento del condensador en serie con las señales del circuito
A continuación se muestra una diferencia exhaustiva entre los condensadores de acoplamiento y desacoplamiento:
Tabla 1: Tabla de diferencias entre componentes de acoplamiento y desacoplamiento
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Especificaciones
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Condensador de acoplamiento
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Condensador de desacoplamiento
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Función
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Se utiliza para transferir señales de CA y rechazar las de CC.
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Se utiliza en estabilización de voltaje y filtrado de ruido.
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Colocación provisional
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Colocado entre las líneas de señal de los circuitos.
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Este se coloca entre la fuente de alimentación del circuito y la carga eléctrica, cerca de la entrada de energía de la carga.
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Aplicación
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Circuitos de RF, señales de audio
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MCU, circuitos integrados, sistemas digitales
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Condensadores de desacoplamiento vs. condensadores de derivación
A diferencia de los condensadores de desacoplamiento, los condensadores de derivación se utilizan en circuitos electrónicos para evitar interferencias de ruido no deseadas mediante la creación de una ruta de baja impedancia a la tierra del circuito. Los condensadores protegen el rendimiento del circuito mediante la prevención del ruido de alta frecuencia.
Figura 3: Condensador de derivación en circuitos
Los condensadores de derivación desempeñan las funciones de:
· Derivación de ruido de alta frecuencia: asegúrese de que los componentes críticos estén protegidos contra el ruido de CA.
· Mejora de la integridad de la señal: el condensador juega un papel en la prevención de interferencias de alta frecuencia.
· Filtrado de línea de alimentación: se utiliza para eliminar ondulaciones y transitorios no permitidos.
Los condensadores de derivación estabilizan el voltaje y suprimen los ruidos de CA en circuitos analógicos y líneas de alimentación. Además, garantizan una alimentación limpia, crucial en circuitos de RF, amplificadores de audio y sensores.
A continuación se muestra una tabla que muestra las diferencias entre los condensadores de derivación y de desacoplamiento:
Tabla 2: Comparación entre condensadores de desacoplamiento y condensadores de derivación
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Especificaciones
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Condensador de desacoplamiento
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Condensador de derivación
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Función primaria
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Estabilización de tensión y aislamiento de secciones del circuito. Reducción de la caída de tensión y suministro instantáneo de tensión.
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Filtrado de ruidos e interferencias de CA no deseados.
Provisión de ruta de baja impedancia.
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Aplicación
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Microcontroladores, memoria, CPU y muchos otros circuitos digitales.
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Circuitos de RF, circuitos analógicos y líneas de alimentación.
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Tipos de condensadores
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Los condensadores cerámicos varían entre 0.1 uF y 10 uF, y los condensadores electrolíticos varían entre 10 uF y 100 uF.
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Los condensadores cerámicos varían de 10 nF a 0.1 µF. En ocasiones, se utilizan condensadores de tantalio del mismo rango.
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Colocación provisional
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Cerca de los pines VCC y VDD de los circuitos integrados.
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A través de señales y líneas de suministro de energía.
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Efecto principal
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Estabilización del nivel de voltaje
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Filtrado de ondulaciones de alta frecuencia.
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¿Por qué es necesaria la disociación?
La electrónica moderna requiere circuitos con un suministro de energía esencial y confiable. Sin el desacoplamiento adecuado, el rendimiento del circuito podría verse limitado por fluctuaciones de potencia, transitorios y ruido.
Los condensadores de desacoplamiento proporcionan la integridad de potencia necesaria al gestionar cambios de potencia inesperados, optimizando así el rendimiento del circuito. A continuación, se presentan las principales razones por las que el desacoplamiento es importante en un circuito.
Integridad de poder
Con los condensadores de desacoplamiento, se eliminan las fluctuaciones de voltaje, lo que garantiza que el circuito IC reciba suficiente energía para su funcionamiento.
Con una integridad de alimentación deficiente, los sistemas electrónicos presentan un comportamiento impredecible. Un sistema de alimentación bien diseñado cuenta con condensadores de desacoplamiento bien seleccionados. Estos condensadores filtran el ruido y los picos de tensión, garantizando una alimentación uniforme del circuito.
Sensibilidad del CI
La tecnología más reciente de circuitos integrados (CI) es susceptible al ruido en la fuente de alimentación. Si los voltajes no se filtran correctamente, el ruido de la señal de CA afecta el funcionamiento de dichos CI.
Colocar condensadores de desacoplamiento cerca de las entradas del CI funciona bien, ya que suprime la CA y los ruidos transitorios que puedan estar presentes en el circuito. Un desacoplamiento deficiente provoca fallos en la CA, pero un desacoplamiento adecuado garantiza que la CA reciba la tensión adecuada independientemente de la carga.
Tipos de condensadores de desacoplamiento
Los tipos comunes de condensadores de desacoplamiento son los condensadores electrolíticos, cerámicos y cerámicos multicapa:
Condensadores electrolíticos
Un condensador electrolítico es un tipo de condensador de desacoplamiento compuesto por una película de óxido. Esta película utiliza metales oxidables como el tántalo y el aluminio. Esta película oxidable constituye el dieléctrico del condensador.
Figura 4: Capacitor electrolítico
Los condensadores electrolíticos pueden almacenar grandes cantidades de energía y se utilizan en fuentes de alimentación. Existen dos tipos principales: electrolitos a base de agua y electrolitos sólidos. Los electrolitos húmedos se clasifican como condensadores electrolíticos de aluminio y tantalio, mientras que los electrolitos sólidos incluyen dióxido de manganeso, semiconductores orgánicos y condensadores electrolíticos conductores de alto polímero.
Los condensadores electrolíticos se utilizan como condensadores de desacoplamiento debido a las siguientes características:
· De gran tamaño, por lo que es fácil reemplazarlo en caso de falla.
· Adecuado para filtrado de ruido de baja frecuencia.
· Su gran capacidad los hace adecuados para un amplio almacenamiento de energía.
Condensadores Cerámicos
Los condensadores cerámicos son los condensadores de desacoplamiento más utilizados. Esto se debe a sus favorables propiedades eléctricas, que incluyen alta capacitancia, baja ESR, baja ESL, óptima estabilidad térmica y amplia respuesta en frecuencia.
Al seleccionar un capacitor cerámico para desacoplamiento, considere los siguientes factores: valor de capacitancia, tipo de capacitancia y valor de voltaje.
Figura 5: Condensadores Cerámicos
Condensadores cerámicos multicapa (MLCC)
Los condensadores cerámicos multicapa (MLCC) se clasifican como condensadores cerámicos especiales. Sus características únicas incluyen tamaño pequeño, gran capacidad, buena estabilidad de voltaje, menor costo y flexibilidad para su uso en producción en masa.
Se utilizan como condensadores de desacoplamiento en electrónica de consumo, militar, aeroespacial, electrónica automotriz, etc.
La estructura de un condensador cerámico multicapa consta de varias capas de cerámica superpuestas, con electrodos metálicos conductores intercalados entre ellas. Existen diversos condensadores cerámicos multicapa: de uso general, de alto voltaje, de grado automotriz y con certificación de seguridad.
Las características que hacen que los MLCC sean adecuados para el desacoplamiento incluyen:
· Alta capacitancia para almacenar suficiente carga.
· ESR bajo, por lo que puede responder rápidamente a los cambios de voltaje.
· Es altamente confiable debido a su larga vida útil y baja probabilidad de falla.
· El rendimiento de alta frecuencia les permite operar a una frecuencia muy alta manteniendo el rendimiento.
Figura 6: Condensadores de cerámica multicapa
Colocación del condensador de desacoplamiento
Para garantizar que los condensadores de desacoplamiento brinden un rendimiento óptimo, debe saber dónde colocarlos y tener en cuenta consideraciones importantes sobre el diseño de la PCB.
Estrategias de colocación
· El condensador de desacoplamiento debe colocarse lo más cerca posible de los pines de entrada de alimentación del CI para garantizar que el bucle de inductancia sea mínimo.
No utilice un solo condensador. Asegúrese de subdividir la capacitancia total en varias capacitancias y seleccionar los condensadores. Esto garantiza el filtrado de diferentes frecuencias.
· Para un suministro de energía uniforme, asegúrese de que los capacitores estén distribuidos uniformemente entre las PCB.
Figura 7: Condensadores de desacoplamiento con distribución uniforme de capacitancia STM32
Consideraciones de diseño de PCB
Durante el proceso de diseño de PCB de los condensadores de desacoplamiento, asegúrese de tener en cuenta lo siguiente:
Haga que las trazas de señal sean anchas y cortas. Esto reduce la inductancia y la resistencia de potencia.
· Asegúrese de que su PCB tenga un plano de tierra sólido, lo que mejora la ruta del flujo de corriente y la hace más estable.
Utilice técnicas de colocación de vías. Esto mejora la conectividad de la placa y minimiza la impedancia de los condensadores.
¿Cómo elegir el valor de un condensador de desacoplamiento?
La red de distribución de energía (PDN) y las características de impedancia esperadas determinan la selección del condensador de desacoplamiento. La PDN puede ser analógica o digital.
· Se prefieren los capacitores de ESR bajo y ESL bajo para el PDN digital. Los capacitores de 0.1 uF a 1 uF se colocan cerca del pin de alimentación del IC para filtrar el ruido de alta frecuencia.
Para el ruido de baja frecuencia, se utilizan condensadores de 10 uF a 100 uF, mientras que se utilizan varios condensadores conectados en paralelo para filtrar un rango más amplio de frecuencias.
Los condensadores se colocan muy cerca de los pines de alimentación y cerca de los puntos de entrada si los condensadores son voluminosos.
Para PDN analógica, los condensadores de baja ESR eliminan las oscilaciones no deseadas. Los condensadores de 1 uF a 10 uF filtran el ruido de baja frecuencia, y los de 10 nF a 100 nF suprimen el ruido de alta frecuencia. Para ello, se utilizan condensadores electrolíticos o de tantalio.
Los condensadores se colocan cerca de los pines de alimentación y se distribuyen a lo largo de las pistas de la señal de alimentación para eliminar las caídas de voltaje en el circuito.
Basándose en la impedancia PDN, el objetivo es asegurar que la fruta tenga una impedancia muy baja en todas las frecuencias, reduciendo así el ruido en el circuito. Asegúrese de calcular la impedancia objetivo y seleccionar el condensador más adecuado.
Aplicaciones de los condensadores de desacoplamiento
Los condensadores de desacoplamiento se utilizan en diversas áreas de la electrónica moderna, como la electrónica de consumo, la electrónica automotriz y los sistemas digitales de alta velocidad.
Electrónica de Consumo:
Se utiliza en teléfonos inteligentes, consolas de juegos y computadoras portátiles para mantener un flujo de energía estable.
Electrónica automotriz
Se utiliza en ECU, sistemas de información y ADA para garantizar la durabilidad y un flujo de potencia suave.
Sistemas digitales de alta velocidad
Los condensadores de desacoplamiento se utilizan para construir sistemas digitales de alta velocidad para sistemas integrados de centros de datos y hardware de red.
Conclusión
El artículo trata sobre los condensadores de desacoplamiento. Elegir los condensadores adecuados implica seleccionarlos según su capacidad nominal, ESR y ESL. Además, es necesario comprender los distintos tipos de condensadores y compararlos entre sí.
Cuando un diseñador o ingeniero se enfrenta a problemas de integridad de la alimentación, debe centrarse en el tipo de condensador y sus valores nominales. Una buena selección del condensador garantiza una alimentación de potencia buena y estable en el circuito. Además, comprender cómo seleccionar y colocar el condensador en un circuito electrónico es una práctica fundamental para cualquier ingeniero. Los condensadores de desacoplamiento deben utilizarse en el lugar correcto y para la aplicación adecuada.
