Condensatoren en LDO Voltage regulators.

Hi,

In aansluiting op een eerdere thread mbt in-en uitgangs C's aan Voltage Regulators (Type LM78xx) heb ik nog een vraag:

1) Ik heb hier een schakeling (Fig. 1) waarbij blijkbaar LDO regulators worden gebruikt en waarbij na 3-4 jaar de schakeling begint te haperen, (waarbij de met rood gemerkte condensatoren de oorzaak zijn).
Dit is een typisch probleem van dit apparaat (Achilleshiel).

2)
Ik lees nu in het Datablad van de LDO LT1761 (fig 3) dat voor de gebruikte Bypass condensator waarde (BYP= 10 nF), de condensator aan de uitgang een Capaciteit moet hebben van minimaal 3.3uF en een ESR < 3Ohm (en groter dan 0 Ohm) , zie fig 2A, 2B en 2C.

Blijkbaar kunnen ceramische, Al elko's en Tantaal elko's toegepast worden,
maar voor de ceramische zijn speciale eisen (type dielectricum, preventie van microfonie en de-rating voor hogere Temperaturen) benodigd.

Gebruikers van dit schema / cq eigenaars van dit apparaat melden dat na zo'n 3 jaar de uitgangsspanning van LT1761 ADJ (die 10V zou moeten zijn ) veel te laag is en dit is meestal te wijten aan een verouderende C aan de uitgang van deze eerste LDO (10 uF 35V elko), C224 .
Soms ligt het aan de ingangselko (C271).
NB
De ingangsspanning aan R184 is 15V stab (en komt vanaf een LM7815).

Iemand meldt een ESR van 6.5 Ohm voor C224, dus duidelijker veel hoger dan de maximum waarde van 3 Ohm (Fig 2C).

Mijn vragen:

De LDO schakelingen (10V en 2V8) werken uiteindelijk wel goed als hij een of meerdere keren herstart wordt.

A) Betekent dit dat de eerste LDO niet (goed genoeg) locked en niet opstart.? (door een te hoge ESR van C224?).
B) Ik zou denken dat C224: 10 uF 35V altijd al een ESR > 3 Ohm heeft.
De fabrikant beveelt nl. later een 10 uF 63V aan (welke een lagere ESR heeft dn de originel 10 uF 35V, maar nog alijd een ESR > 3 Ohm ?!).

Is hier dus niet sprake van een designfout en had de designer niet een ceramische kondensator moeten kiezen, of misschien een groeter elko bv. met een waarde van 33uF 35V die wel een ESR < 3 Ohm heeft?

C) Ik zie geen film C genoemd voor mogelijke ontkoppeling aan de uitgang, maar mij lijkt dat een 4.7 uF 50V WIMA MKS2 ook gebruikt kan worden. Is dit volgens jullie Correct?

Graag jullie mening!

Alvast bedankt & Groeten, Mart

B) Ik zou denken dat C224: 10 uF 35V altijd al een ESR > 3 Ohm heeft.

En waarom denk je dat? Een goede low-esr elco is 0.5 ohm of minder...

Arco - "Simplicity is a prerequisite for reliability" - hard en software ontwikkeling: www.arcovox.com

Waarom heb je zoveel tekst vet gemaakt. Het leest verschrikkelijk en erg opdringerig.

Op 18 mei 2020 14:32:07 schreef redguuz:
...
Gebruikers van dit schema / cq eigenaars van dit apparaat melden dat na zo'n 3 jaar de uitgangsspanning van LT1761 ADJ (die 10V zou moeten zijn ) veel te laag is en dit is meestal te wijten aan een verouderende C aan de uitgang van deze eerste LDO (10 uF 35V elko), C224 .

Wat interessant is, is de AC spanning, of beter gezegd, een opname van de uitgangsspanning met een oscilloscoop. De kans is aanwezig dat dat ding flink aan het oscilleren is.

Hoe warm wordt de betreffende schakeling? Zowel waar hij geïnstalleerd is, als als je hem aanraakt. Elco's hebben sowieso een beperkte levensduur, en deze is sterk temperatuurafhankelijk. Ook kunnen ze uitdrogen, wat een hogere ESR tot gevolg heeft. Weet je het typenummer van de elco's?
Voor de referentie: een levensduur van 1000 of 2000 uur op maximale stroom + spanning + temperatuur is niet ondenkbaar.

Persoonlijk zou ik in dit geval keramische condensators gebruiken. 4.7 uF lijkt me voldoende, eventueel twee parallel.

Tevens kan je proberen de waarde 10nF voor de bypass condensator wat te verlagen; je zit nu op het maximaal toelaatbare te werken.

Magnetische flux loopt altijd in gesloten paden, elektrische stroom niet per se (volgens de wet van Ampère), want: elektrische lading kan ophopen.

@benleentje

Sorry, dat was niet de bedoeling.

@ Arco
Typische ESR's had ik in een tabelletje in een ESR user manual van de Fa. Peaktech gevonden. Ik heb zo'n ESR meter zelf niet (zijn tamelijk prijzig), dus ik kan het niet zelf checken.

@Muddy.

Het zijn idd slechte Chinese Elko's die ook nog eens tegen een hete koelplaat aan staan.
Ze hebben zeker geen levensduur van 1000-2000 uur.
Maar ik was nieuwsgierig naar het failure mechanisme van deze schakeling, vandaar de vraag.
De andere slechte Chinese elko's( die ook tegen hete koelplaten aan staan) blijven vrolijk doorwerken.
De LDO schakeling is dus rekatief kritisch.

Het probleem is dat de LDO niet werkt (opstartprobleem?), wanneer hij warm is, apparaat na 1 of 2 uren uitgezet.
Hij werkt wel als hij koud is en het apparaat wordt aangezet.
Als hij (warm) uiteindelijk (na 1 ,2 of 3 pogingen: aan/uit switchen werkt), speelt het toestel de hele dag probleemloos.

Ik was dus benieuwd wat er gaande is.

Ik weet nu wat een LDO is en dat er ook blijkbaar "ceramic proof LDO 's zijn (anderen houden blijkbaar ook niet van zeer lage ESR's).
De LT1761 is blijkbaar "ceramic proof'). De fabrikant meldt dar er AL, Ta of ceramic elko's gebruikt kunnen worden.

Tweede vraag was of een Film Capacitor ook gebruikt kan worden.
Deze wordt niet door de fabrikant genoemd, maar ik zie niet in, waarom hij niet gebruikt zou kunnen worden (heeft een zeer lage ESR en een zeer lange levensduur : >300 000 hr voor een WIMA MKS2!

Ik kan natuurlijk gewoon elko's vervangen, maar omdat ik geen repair-business heb (en dan commercieel moet zijn: snel repareren) heb ik de luxe uit te zoeken, hoe iets nu werkt.

Ik hoor het graag

Hoeben

Golden Member

Ceramische condensatoren gaan in capaciteit sterk omlaag bij
- DC spanning
- veroudering
Vooral Y5 types gaan op beide gebieden hard achteruit. En dan heb ik niet over een procentje maar misschien wel 80%. Inderdaad, nog een beetje over. Dus de combinatie van leeftijd en bias spanning is helemaal erg.

Elcos gaan vooral achteruit als ze flink belast worden. Slechte Chinezen gaan ook achteruit in capaciteit en ESR zonder belasting (maar niet alle Chinezen zijn slecht).

Dus beide kunnen problemen hebben. Omdat hier Chinees spul in lijkt te zitten(?) zouden hier ook wel eens de goedkoopste ceramische condensatoren in kunnen zitten, dat zou Y5 kunnen zijn.

Ik heb een goede test voor je:
Bij lage temperaturen gaat de ESR van elcos omhoog. Gebruik vriesspray, dan zie je of dat het probleem is.

Gaan keramische condensatoren achteruit bij veroudering? Dat wist ik van elco's, maar van keramische exemplaren niet, en heb mijn reserveringen. Ging dat niet om een verouderingsproces van in de decennea? Wat mij betreft moet je Y5 diëlectra sowieso niet overwegen. Ze waren waardeloos toen ze voor het eerst werden geïntroduceerd en zijn het nog steeds. Als je een LT regelaar kan veroorloven is er geen reden om dergelijke condensatoren te gebruiken, zelfs niet als ze gratis waren. Neem gewoon een X7R of betere, zo duur zijn die echt niet.

In elk geval hebben keramische condensatoren een lage serieweerstand, maar ook een resonantiefrequentie en zijn daarom in veel gevallen los niet optimaal. Vaak worden verschillende waarden parallel geschakeld om te zorgen dat er altijd ergens wel eentje een lage impendantie heeft.

Op 18 mei 2020 14:32:07 schreef redguuz:
A) Betekent dit dat de eerste LDO niet (goed genoeg) locked en niet opstart.? (door een te hoge ESR van C224?).

Kan ook een warmte-effect zijn. Elco's krijgen een lagere impendantie bij opwarming, maar of dat hier de oorzaak is weet ik niet. Opdrogende exemplaren worden ook intermittent, dat kan je bijvoorbeeld in versterkers nog wel horen, ze veroorzaken dan ook ruis. Ik zou in dit geval ook proberen te achterhalen of ze veel warmte te verduren hebben, dat vermindert de levensduur en het verdampen van het elektrolyt is bij kleine condensatoren erger dan bij grote.

B) Ik zou denken dat C224: 10 uF 35V altijd al een ESR > 3 Ohm heeft.
De fabrikant beveelt nl. later een 10 uF 63V aan (welke een lagere ESR heeft dn de originel 10 uF 35V, maar nog alijd een ESR > 3 Ohm ?!).

Is hier dus niet sprake van een designfout en had de designer niet een ceramische kondensator moeten kiezen, of misschien een groeter elko bv. met een waarde van 33uF 35V die wel een ESR < 3 Ohm heeft?

De ESR van een elco kan nogal verschillen per exemplaar en serie, lager dan 3Ω is zeker mogelijk, zeker met de polymeertypen die je nu hebt. De weerstand van het elektrolyt is wel zeer temperatuursafhankelijk, dus de kans is dat de schakeling bij de bouw bij extremen in het temperatuursbereik ook al wel slecht gefunctioneerd zou hebben. Ik heb in schakelingen als deze ook wel filmcondensatoren zien specificeren met een losse serieweerstand. Dat worden dan stabiele en voorspelbare elementen, maar een filmcondensator kost natuurlijk wel meer.

C) Ik zie geen film C genoemd voor mogelijke ontkoppeling aan de uitgang, maar mij lijkt dat een 4.7 uF 50V WIMA MKS2 ook gebruikt kan worden. Is dit volgens jullie Correct?

Ja zou kunnen, als de prijs fatsoenlijk is. Let er op dat ze wel flink groter zijn dan elco's en dus een probleem kunnen veroorzaken in de layout. Tegenwoordig zou ik een geleidend polymeertype proberen te specificeren, zeker voor deze lage spanningen, waar ze het best tot hun recht komen.

[edit]

@hieronder: Zeer interessant! Ik kende het effect van X7R diëlectra (het wordt in deze (zeer interessante) presentatie van Kemet genoemd), en daar was het redelijk bescheiden (1,5% per decade-uur, hier is het ~2,5%), maar dus afhankelijk van op welk moment in de levensduur het gespecificeerd werd (in lijn met jouw grafiekje). Als het verschil tussen Y5V en X7R inderdaad zo groot is ga je wel last krijgen bij een marginaal ontwerp en Y5V condensators. Ik stop hem even in deze post, want ik denk dat het handig is om die in de topic erbij te hebben:

https://www.johansondielectrics.com/images/dielectric-aging.gif
https://www.johansondielectrics.com/ceramic-capacitor-aging-made-simple

[/edit]

Hoeben

Golden Member

Op 18 mei 2020 19:45:31 schreef Kruimel:
Gaan keramische condensatoren achteruit bij veroudering? Dat wist ik van elco's, maar van keramische exemplaren niet, en heb mijn reserveringen. [...]

Jazeker, kijk hier maar: https://www.johansondielectrics.com/ceramic-capacitor-aging-made-simpl…

Hr. Kruimel, Houben, Muddy

Hartelijk bedankt voor jullie uitgebreide uitleg.
Ook een interessante video.
(Ik ben zelf geen elektronicus, dus tamelijk onbekend met deze ontwerpstrategieën, laat staan dit "nieuw" soort LDO regelaars icm de nieuwste ontwikkelingen op condensatorgebied".

BTW
Ik was er inmiddels ook achter gekomen dat de LM78XX 's bijna niet aan het oscilleren te krijgen zijn, terwijl de "complementaire" versies LM79xx juist heel graag willen oscilleren
(Blijkbaar is het helemaal niet een volldeige complementaire versie, wat ik altijd gedacht had)..
Dus blijkbaar verschillende ontkoppelingen nodig voor een LM79xx vergeleken met een LM78xx, .

https://electronics.stackexchange.com/questions/179046/how-to-select-p…

Ook weer een leerpuntje voor mij!

Nog bedankt!! Mart

Daarom gebruik ik de 79xx ook zelden, maar gebruik ik de 78xx... ;)
(doet hetzelfde, alleen kwestie van anders aansluiten...)

Arco - "Simplicity is a prerequisite for reliability" - hard en software ontwikkeling: www.arcovox.com
Hoeben

Golden Member

Op 19 mei 2020 10:16:04 schreef Arco:
Daarom gebruik ik de 79xx ook zelden, maar gebruik ik de 78xx... ;)
(doet hetzelfde, alleen kwestie van anders aansluiten...)

Dan heb je wel 2 inkomende voedingen nodig. Hoe doe je dat anders dan?

Edit: nu ik erover nadenk, je zou ze bovenop elkaar kunnen zetten. Dan is de uitgang van de onderste je GND. De GND van de onderste is je -xV, de uitgang van de bovenste +xV. De voeding moet wel zweven dus.

[Bericht gewijzigd door Hoeben op 19 mei 2020 11:27:36 (27%)]