Condensador de desacoplamiento

En electrónica , un condensador de desacoplamiento es un condensador que se utiliza para desacoplar (es decir, impedir la transferencia de energía eléctrica ) una parte de un circuito de otra. El ruido generado por otros elementos del circuito se desvía a través del condensador, reduciendo así su efecto en el resto del circuito. Para frecuencias más altas, se le conoce como condensador de derivación, ya que se utiliza para derivar la fuente de alimentación u otro componente de alta impedancia de un circuito.

Los dispositivos activos de un sistema electrónico (por ejemplo , transistores , circuitos integrados , tubos de vacío ) se conectan a sus fuentes de alimentación mediante conductores con resistencia e inductancia finitas . Si la corriente consumida por un dispositivo activo cambia, la caída de tensión entre la fuente de alimentación y el dispositivo también cambiará debido a estas impedancias . Si varios dispositivos activos comparten una ruta común hacia la fuente de alimentación, los cambios en la corriente consumida por un elemento pueden producir variaciones de tensión lo suficientemente grandes como para afectar el funcionamiento de otros ( picos de tensión o rebotes de tierra , por ejemplo), de modo que el cambio de estado de un dispositivo se acopla a los demás a través de la impedancia común a la fuente de alimentación. Un condensador de desacoplamiento proporciona una ruta de derivación para las corrientes transitorias , en lugar de que fluyan a través de la impedancia común. ^{[ 1 ]}

El condensador de desacoplamiento funciona como un sistema de almacenamiento de energía local del dispositivo . El condensador se coloca entre la línea de alimentación y la tierra del circuito al que se va a suministrar corriente. De acuerdo con la relación corriente-tensión del condensador

${\displaystyle i(t)=C{\frac {d\,v(t)}{dt}},}$

Una caída de tensión entre una línea eléctrica y tierra produce una corriente que sale del condensador hacia el circuito. Cuando la capacitancia C es suficientemente grande, se suministra la corriente suficiente para mantener un rango aceptable de caída de tensión. El condensador almacena una pequeña cantidad de energía que puede compensar la caída de tensión en los conductores de la fuente de alimentación. Para reducir la inductancia serie equivalente parásita no deseada , los condensadores pequeños y grandes suelen colocarse en paralelo , junto a los circuitos integrados individuales (véase § Colocación ).

En los circuitos digitales, los condensadores de desacoplamiento también ayudan a prevenir la radiación de interferencias electromagnéticas provenientes de pistas de circuito relativamente largas, debido a las rápidas variaciones de las corrientes de la fuente de alimentación.

En casos como el de una etapa amplificadora de alta potencia con un preamplificador de bajo nivel acoplado, el uso de condensadores de desacoplamiento por sí solo puede no ser suficiente. Es fundamental prestar atención al diseño de los conductores del circuito para evitar que una corriente elevada en una etapa produzca caídas de tensión en la fuente de alimentación que afecten a otras etapas. Esto puede requerir modificar el trazado de las pistas de la placa de circuito impreso para aislar los circuitos, o bien utilizar un plano de tierra para mejorar la estabilidad de la fuente de alimentación.

Un condensador de derivación se utiliza a menudo para aislar un subcircuito de las señales de CA o los picos de tensión en una fuente de alimentación u otra línea. Este condensador puede desviar la energía de dichas señales o transitorios, evitando el subcircuito que se desea aislar y conectándola directamente al retorno. En el caso de una línea de alimentación, se utilizaría un condensador de derivación entre la línea de tensión de alimentación y el retorno (neutro) de la misma.

Las altas frecuencias y las corrientes transitorias pueden fluir a través de un condensador hacia la tierra del circuito en lugar de hacia el camino más rígido del circuito desacoplado, pero la corriente continua no puede pasar a través del condensador y continúa hacia el circuito desacoplado.

Otro tipo de desacoplamiento consiste en evitar que una parte de un circuito se vea afectada por la conmutación que se produce en otra parte del mismo. La conmutación en el subcircuito A puede provocar fluctuaciones en la fuente de alimentación u otras líneas eléctricas, pero no se desea que el subcircuito B, que no tiene nada que ver con dicha conmutación, se vea afectado. Un condensador de desacoplamiento puede aislar los subcircuitos A y B para que B no experimente ningún efecto de la conmutación.

En un subcircuito, la conmutación modifica la corriente de carga que consume la fuente. Las líneas de alimentación típicas presentan inductancia inherente , lo que resulta en una respuesta más lenta a los cambios de corriente. La tensión de alimentación disminuirá a través de estas inductancias parásitas mientras dure la conmutación. Esta caída de tensión transitoria también afectará a otras cargas si la inductancia entre ellas es mucho menor que la inductancia entre las cargas y la salida de la fuente de alimentación.

Para aislar otros subcircuitos del efecto de la demanda repentina de corriente, se puede colocar un condensador de desacoplamiento en paralelo con el subcircuito, entre sus líneas de tensión de alimentación. Cuando se produce una conmutación en el subcircuito, el condensador suministra la corriente transitoria. Idealmente, cuando el condensador se descarga, la conmutación ya ha finalizado, de modo que la carga puede consumir la corriente máxima a tensión normal de la fuente de alimentación y el condensador puede recargarse. La mejor manera de reducir el ruido de conmutación es diseñar una placa de circuito impreso como un condensador gigante, intercalando los planos de alimentación y tierra sobre un material dieléctrico .

En ocasiones, se utilizan combinaciones en paralelo de capacitores para mejorar la respuesta. Esto se debe a que los capacitores reales tienen inductancia parásita, lo que provoca que la impedancia se desvíe de la de un capacitor ideal a frecuencias más altas. ^{[ 2 ]}

El desacoplamiento de carga transitoria , tal como se describió anteriormente, es necesario cuando se conmuta rápidamente una carga de gran tamaño. La inductancia parásita en cada condensador (de desacoplamiento) puede limitar la capacidad adecuada e influir en el tipo apropiado si la conmutación se produce muy rápidamente.

Los circuitos lógicos suelen conmutar repentinamente (un circuito lógico ideal cambiaría de bajo a alto voltaje instantáneamente, sin que se observe ningún voltaje intermedio). Por ello, las placas de circuitos lógicos suelen tener un condensador de desacoplamiento cerca de cada circuito integrado lógico, conectado desde cada conexión de alimentación a una toma de tierra cercana. Estos condensadores aíslan cada circuito integrado de los demás frente a las caídas de tensión de alimentación.

Estos condensadores suelen colocarse tanto en la fuente de alimentación como en cada componente analógico para garantizar una alimentación lo más estable posible. De lo contrario, un componente analógico con una baja relación de rechazo de la fuente de alimentación (PSRR) transmitirá las fluctuaciones de la misma a su salida.

En estas aplicaciones, los condensadores de desacoplamiento suelen denominarse condensadores de derivación para indicar que proporcionan una ruta alternativa para las señales de alta frecuencia que, de otro modo, provocarían variaciones en la tensión de alimentación, normalmente constante. Los componentes que requieren inyecciones rápidas de corriente pueden derivar la alimentación eléctrica recibiendo la corriente del condensador cercano. Por lo tanto, se utiliza la conexión de alimentación más lenta para cargar estos condensadores, que, de hecho, proporcionan grandes cantidades de corriente de alta disponibilidad.

Se coloca un condensador de desacoplamiento de carga transitoria lo más cerca posible del dispositivo que causa la sobretensión. Esto minimiza la inductancia de línea y la resistencia en serie entre el condensador y el dispositivo. Cuanto más largo sea el conductor entre el condensador y el dispositivo, mayor será la inductancia.

Dado que los condensadores difieren en sus características de alta frecuencia, el desacoplamiento suele implicar el uso de una combinación de condensadores. Por ejemplo, en circuitos lógicos, una configuración común consiste en un condensador cerámico de aproximadamente 100 nF por circuito integrado lógico (varios para circuitos integrados complejos), combinado con uno o más condensadores electrolíticos o de tantalio .

Estas fotos muestran placas de circuitos impresos antiguas con condensadores de orificio pasante, mientras que las placas modernas suelen tener pequeños condensadores de montaje superficial .

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  Placa base de un Commodore 64 de los años 80. La mayoría de los componentes redondos de color naranja son condensadores de desacoplamiento.
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  Cromemco XXU de la década de 1980 , una tarjeta de bus S-100 con procesador Motorola 68020. Las partes axiales entre los circuitos integrados son condensadores de desacoplamiento.
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  Tarjeta Cromemco 16KZ de la década de 1970 , una tarjeta de memoria DRAM de 16 KB con bus S-100 . Los discos redondos verdes son condensadores de desacoplamiento.
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  Placa de interfaz paralela I1 de los años 70 para Electronika 60. Las piezas rectangulares verdes son condensadores de desacoplamiento.

• condensador cerámico
• Inductancia serie equivalente
• Resistencia serie equivalente
• condensador de película
• Serie E de números preferidos

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• Desacoplamiento : guía de desacoplamiento para diversas frecuencias por Henry W. Ott
• Reducción del ruido en la fuente de alimentación : cómo diseñar redes eficaces de derivación y desacoplamiento de la alimentación, por Ken Kundert.
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• Principios básicos de la integridad de la señal – Documento técnico de Altera
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