Kondensatoren: Theorie und Anwendung

May 26, 2023

Kondensatoren gehören zu den am häufigsten verwendeten Bauteilen auf einer Leiterplatte. Mit der ständig wachsenden Zahl elektronischer Geräte (vom Mobiltelefon bis zum Auto) ist die Nachfrage nach Kondensatoren gestiegen. Die Covid-19-Pandemie hat die globale Lieferkette für Komponenten von Halbleitern bis hin zu passiven Komponenten unterbrochen, und Kondensatoren waren knapp1.

Eine Diskussion zum Thema Kondensatoren könnte leicht zu einem Buch oder einem Wörterbuch werden. Zunächst einmal gibt es verschiedene Arten von Kondensatoren wie Elektrolyt-, Folien-, Keramikkondensatoren usw. Dann gibt es innerhalb desselben Typs unterschiedliche dielektrische Materialien. Es gibt auch verschiedene Klassen. Was den physikalischen Aufbau betrifft, gibt es Kondensatortypen mit zwei und drei Anschlüssen. Es gibt auch einen Kondensator vom Typ X2Y, bei dem es sich im Wesentlichen um ein Paar Y-Kondensatoren in einem Paket handelt2. Was ist mit Superkondensatoren? Tatsache ist: Wenn Sie sich hinsetzen und anfangen, die Auswahlhilfen für Kondensatoren großer Hersteller zu lesen, könnten Sie leicht einen Tag damit verbringen!

Da es in diesem Artikel um Grundlagen geht, werde ich einen anderen Ansatz verwenden, als ich es normalerweise tun würde. Wie bereits erwähnt, ist ein Auswahlleitfaden für Kondensatoren leicht auf den Websites der Lieferanten zu finden3,4 und Außendiensttechniker können oft die meisten Fragen zu Kondensatoren beantworten. Anstatt zu wiederholen, was Sie im Internet finden, werde ich in diesem Artikel anhand praktischer Beispiele zeigen, wie Kondensatoren ausgewählt und verwendet werden. Einige weniger bekannte Aspekte der Kondensatorauswahl, wie z. B. die Verschlechterung der Kapazität, werden ebenfalls behandelt. Nachdem Sie diesen Artikel gelesen haben, sollten Sie ein gutes Gespür für die Verwendung von Kondensatoren haben.

Doch zunächst beantworten wir die grundlegendste Frage: Was ist ein Kondensator?

Als ich vor Jahren für ein Unternehmen arbeitete, das elektronische Geräte herstellte, hatten wir eine Frage im Vorstellungsgespräch an Ingenieure der Leistungselektronik. Auf dem Schaltplan eines bestehenden Produkts würden wir die potenziellen Kandidaten fragen: „Welche Funktion hat der DC-Link-Elektrolytkondensator?“ und „Welche Funktion hat ein Keramikkondensator, der sich neben einem Chip befindet?“ Wir gehen davon aus, dass die richtige Antwort darin besteht, dass der Zwischenkreiskondensator zur Energiespeicherung und der Keramikkondensator zur Filterung verwendet wird.

Die „richtigen“ Antworten, nach denen wir suchten, zeigten tatsächlich, dass jeder im Designteam einen Kondensator aus der Sicht der einfachen Schaltung betrachtete, nicht aus der Feldtheorie. An der schaltungstheoretischen Sichtweise ist nichts auszusetzen. Bei niedrigen Frequenzen (von einigen kHz bis zu einigen MHz) erklärt die Schaltungstheorie die Dinge oft sehr gut. Dies liegt daran, dass die Signale bei niedrigeren Frequenzen überwiegend im Differenzmodus vorliegen. Mithilfe der Schaltungstheorie können wir uns einen Kondensator wie in Abbildung 1 vorstellen, mit einem äquivalenten Reihenwiderstand (ESR) und einer äquivalenten Reiheninduktivität (ESL), wodurch sich die Impedanz des Kondensators mit der Frequenz ändert.

Abbildung 1: Spice-Modell einer Ersatzschaltung eines Keramikkondensators und seiner Impedanzkurve

Dieses Modell erklärt die Schaltungsleistung angemessen, wenn die Schaltung langsam schaltet. Allerdings werden die Dinge mit zunehmender Häufigkeit immer komplexer. Irgendwann zeigen Komponenten Nichtlinearitäten. Ein einfaches LCR-Modell stößt bei steigender Frequenz an seine Grenzen.

Wenn mir heute die gleichen Interviewfragen gestellt würden, würde ich meine Feldtheorie-Brille aufsetzen und sagen, dass beide Kondensatortypen Energiespeicher sind. Der Unterschied besteht darin, dass ein Elektrolytkondensator viel mehr Energie speichern kann als ein Keramikkondensator. Aber wenn es um die Energieabgabe geht, kann ein Keramikkondensator die Energie viel schneller liefern. Dies erklärt, warum Keramikkondensatoren neben dem Chip angeordnet werden müssen, da ein Chip im Vergleich zum Hauptstromkreis eine viel höhere Schaltfrequenz und Schaltgeschwindigkeit aufweist.

Unter diesem Gesichtspunkt können wir einfach zwei Leistungskriterien für einen Kondensator definieren. Zum einen, wie viel Energie ein Kondensator speichern kann, zum anderen, wie schnell diese Energie abgegeben werden kann. Beides hängt davon ab, wie ein Kondensator hergestellt wird, von den dielektrischen Materialien, von der Verbindung zum Kondensator und mehr.

Wenn ein Schalter in einem Stromkreis geschlossen ist (siehe Abbildung 2), zeigt dies an, dass die Last Energie von der Quelle benötigt. Wie schnell dieser Schalter schließt, bestimmt die Dringlichkeit des Energiebedarfs. Da sich Energie mit Lichtgeschwindigkeit ausbreitet (die Hälfte dieser Geschwindigkeit in einem FR4-Material), dauert es einige Zeit, bis die Energie abgegeben wird. Außerdem gibt es eine Impedanzfehlanpassung zwischen der Quelle und der Übertragungsleitung sowie mit der Last. Das bedeutet, dass die Energie nie auf einmal, sondern über viele Hin- und Rückläufe geliefert wird.5 Aus diesem Grund kommt es bei schnellem Schalten eines Schalters zu Verzögerungen und Klingeln in der Schaltwellenform.

Abbildung 2: Energie bewegt sich im Weltraum und braucht Zeit; Eine Impedanzfehlanpassung führt zu mehreren Hin- und Rückläufen der Energielieferung.

Die Tatsache, dass die Energielieferung Zeit erfordert und viele Hin- und Rückläufe erfordert, zeigt uns, dass wir die Energiequelle so nah wie möglich an der Last platzieren und Wege finden müssen, sie schnell zu liefern. Ersteres wird häufig dadurch erreicht, dass der physische Abstand zwischen der Last, dem Schalter und dem Kondensator verringert wird. Letzteres wird durch die Gruppierung einer Gruppe von Kondensatoren mit minimaler Impedanz erreicht.

Die Feldtheorie erklärt auch, was das Gleichtaktrauschen verursacht. Einfach ausgedrückt entsteht das Gleichtaktrauschen, wenn der Energiebedarf einer Last zum Zeitpunkt des Umschaltens des Schalters nicht gedeckt wird. Dadurch wird die im Raum zwischen der Last und nahegelegenen Leitern gespeicherte Energie zur Deckung des Stufenbedarfs bereitgestellt. Der Raum zwischen der Last und benachbarten Leitern wird als parasitärer/gegenseitiger Kondensator bezeichnet (siehe Abbildung 2).

Anhand der folgenden Beispiele demonstrieren wir den Einsatz von Elektrolytkondensatoren, Mehrschicht-Keramikkondensatoren (MLCCs) und Folienkondensatoren. Zur Erklärung der Leistung der ausgewählten Kondensatoren werden sowohl Schaltungs- als auch Feldtheorien verwendet.

Elektrolytkondensatoren werden meist in einem Gleichstromzwischenkreis als primäre Energiequelle eingesetzt. Die Auswahl von Elektrolytkondensatoren hängt häufig ab von:

Für die EMV-Leistung ist das wichtigste Merkmal eines Kondensators die Impedanz-Frequenz-Charakteristik. Niederfrequente leitungsgebundene Emissionen hängen immer davon ab, wie gut der Zwischenkreiskondensator ist.

Die Impedanz des Gleichstromzwischenkreises hängt nicht nur vom ESR und ESL der Kondensatoren ab, sondern auch von der Hot-Loop-Fläche, wie in Abbildung 3 dargestellt. Eine größere Hot-Loop-Fläche bedeutet, dass die Energiebereitstellung länger dauert und somit die Leistung beeinträchtigt wird.

Abbildung 3: Hot-Loop-Bereich in einem DC-DC-Wandler

Um dies zu demonstrieren, wurde ein DC-DC-Abwärtswandler eingerichtet. Ein in Abbildung 4 dargestellter EMV-Testaufbau vor der Konformität führt den leitungsgebundenen Emissionsdurchlauf zwischen 150 kHz und 108 MHz durch.

Abbildung 4: Aufbau eines vorab am Prüfstand durchgeführten Emissionstests für das zu testende Gerät

Drei Konfigurationen für die Eingangskondensatoren wurden getestet:

Es ist wichtig sicherzustellen, dass die in dieser Fallstudie verwendeten Kondensatoren alle vom selben Hersteller stammen, um Unterschiede in den Impedanzeigenschaften zu vermeiden. Achten Sie beim Einlöten des Kondensators auf die Platine darauf, dass keine langen Leitungen vorhanden sind, da dies die ESL des Kondensators erhöht. Abbildung 5 zeigt die drei Konfigurationen.

Abbildung 5: Drei Konfigurationen für Eingangskondensatoren

Die leitungsgebundenen Emissionsergebnisse dieser drei Konfigurationen sind in Abbildung 6 dargestellt. Wie zu sehen ist, erreichen zwei 330-µF-Kondensatoren im Vergleich zu einem einzelnen 680-µF-Kondensator eine Geräuschreduzierungsleistung von 6 dB über einen weiten Frequenzbereich.

Abbildung 6: Ergebnisse durchgeführter Emissionstests von drei verschiedenen Kondensatorkonfigurationen

Aus der Schaltungstheorie kann man sagen, dass durch die Parallelschaltung von zwei Kondensatoren sowohl ESL als auch ESR halbiert werden. Der Feldtheorie zufolge reduzieren zwei Energiequellen, die derselben Last zugeführt werden, effektiv die gesamte Energiebereitstellungszeit, anstatt nur eine Energiequelle zu haben. Bei höheren Frequenzen verringert sich jedoch der Unterschied zwischen zwei 330-µF-Kondensatoren und einem 680-µF-Kondensator. Dies liegt daran, dass hochfrequentes Rauschen auf eine unzureichende Schrittenergiereaktion hinweist. Wenn wir einen 330-µF-Kondensator näher an den Schalter bringen, verkürzen wir die Energielieferzeit und erhöhen dadurch effektiv die Sprungantwort des Kondensators.

Die Ergebnisse zeigen uns eine sehr wichtige Lektion. Die Erhöhung der Kapazität eines einzelnen Kondensators wird normalerweise nicht den stufenweisen Bedarf an mehr Energie decken. Wenn möglich, verwenden Sie einige kleinere Kapazitätskomponenten. Dafür gibt es viele gute Gründe. Erstens sind es die Kosten. Im Allgemeinen steigen die Kosten für Kondensatoren exponentiell mit dem Kapazitätswert bei gleicher Gehäusegröße. Die Verwendung eines einzelnen Kondensators ist möglicherweise teurer als die Verwendung einiger kleinerer Kondensatoren. Der zweite Grund ist die Größe. Der limitierende Faktor für ein Produktdesign ist oft die Höhe eines Bauteils. Bei Kondensatoren mit großer Kapazität ist die Höhe oft zu groß, um in das Produktdesign zu passen. Der dritte Grund ist die EMV-Leistung, wie wir in unserer Fallstudie gesehen haben.

Ein weiterer zu berücksichtigender Faktor bei der Verwendung von Elektrolytkondensatoren ist, dass Ausgleichswiderstände erforderlich sind, wenn Sie zwei Kondensatoren in Reihe schalten, um die Spannung zu teilen6.

Wie bereits erläutert, handelt es sich bei Keramikkondensatoren um winzige Geräte, die schnell Energie liefern können. Mir wird oft die Frage gestellt: „Wie viel Kapazität benötige ich?“. Die Antwort auf diese Frage lautet: Bei Keramikkondensatoren sollte der Kapazitätswert keine so große Rolle spielen. Hier kommt es darauf an, herauszufinden, bei welcher Frequenz die Geschwindigkeit der Energieabgabe für Ihre Anwendung ausreichend wäre. Wenn eine leitungsgebundene Emission bei 100 MHz ausfällt, wäre ein Kondensator mit der geringsten Impedanz bei 100 MHz eine gute Option.

Hier ist ein weiteres Missverständnis von MLCCs. Ich habe gesehen, dass Ingenieure große Anstrengungen unternommen haben, um einen Keramikkondensator mit dem geringsten ESR und ESL auszuwählen, nur um den Kondensator dann über eine lange Leiterbahn mit dem HF-Referenzpunkt zu verbinden. Es ist wichtig zu wissen, dass die ESL eines MLCC im Allgemeinen viel niedriger ist als die Anschlussinduktivitäten auf der Platine. Die Verbindungsinduktivität bleibt der wichtigste Parameter, der die Hochfrequenzimpedanz von Keramikkondensatoren beeinflusst7.

Ein schlechtes Beispiel hierfür ist in Abbildung 7 dargestellt. Die lange Leiterbahn (0,5 Zoll lang) führt zu einer Induktivität von mindestens 10 nH. Simulationsergebnisse zeigen, dass die Impedanz des Kondensators am Frequenzpunkt (50 MHz) viel höher wird als beabsichtigt.

Abbildung 7: Eine lange Leiterbahn zur MLCC-Verbindung erhöht die Induktivität

Eines der Probleme bei MLCCs besteht darin, dass sie dazu neigen, mit den induktiven Strukturen auf der Platine in Resonanz zu treten. Dies ist in dem in Abbildung 8 gezeigten Beispiel zu sehen, in dem die Verwendung eines 10-µF-MLCC eine Resonanz bei etwa 300 kHz einführt.

Abbildung 8: Ein 10 μF MLCC erzeugte eine Resonanz bei 300 kHz

Sie können die Resonanz reduzieren, indem Sie ausgewählte Teile mit einem größeren ESR einbeziehen oder einfach einen kleinen Widerstand (z. B. ein Ohm) in Reihe mit dem Kondensator schalten. Solche Methoden nutzen verlustbehaftete Komponenten zur Dämpfung des Systems. Eine andere Möglichkeit besteht darin, einen anderen Kapazitätswert zu verwenden, um die Resonanz entweder zu einem niedrigeren oder einem höheren Resonanzpunkt zu verschieben.

Folienkondensatoren werden in vielen Anwendungen eingesetzt. Sie sind die Kondensatoren der Wahl für Hochleistungs-DC/DC-Wandler und werden als EMI-Unterdrückungsfilter in den Versorgungsleitungen (sowohl AC als auch DC) sowie in Gleichtaktfilterkonfigurationen verwendet. Am Beispiel eines X-Kondensators veranschaulichen wir einige der wichtigsten Punkte bei der Verwendung von Folienkondensatoren.

Es trägt dazu bei, die Spitzenspannungsbelastung der Leitungen bei einem Überspannungsereignis zu begrenzen und wird daher häufig zusammen mit einem Überspannungsschutz (TVS) oder einem Metalloxid-Varistor (MOV) verwendet.

Sie kennen das alles wahrscheinlich schon, aber wissen Sie, dass der Kapazitätswert eines X-Kondensators im Laufe der Betriebsjahre erheblich reduziert werden kann? Dies gilt insbesondere dann, wenn der Kondensator in einer feuchten Umgebung verwendet wird. Ich habe Fälle gesehen, in denen der Kapazitätswert eines X-Kondensators innerhalb von ein oder zwei Jahren auf nur wenige Prozent seines Nennwerts abfiel, sodass das ursprünglich mit X-Kondensator konzipierte System praktisch alle Schutzfunktionen verlor, die ein Front-End-Kondensator bieten konnte.

Was ist also passiert? Feuchte Luft kann in den Kondensator, die Drähte hinauf und zwischen dem Gehäuse und der Epoxidharz-Vergussmasse eindringen. Die Aluminiummetallisierung kann dann oxidieren. Aluminiumoxid ist ein guter elektrischer Isolator und reduziert dadurch die Kapazität. Das ist ein Problem, das alle Folienkondensatoren haben können. Das Problem, von dem ich sprach, war die Filmdicke. Renommierte Kondensatormarken verwenden eine dickere Folie, was zu einem größeren Kondensator als bei anderen Marken führt. Der dünnere Film macht den Kondensator weniger anfällig gegenüber Überlastungen (Spannung, Strom oder Temperatur) und verringert auch die Wahrscheinlichkeit einer Selbstheilung.

Wenn der X-Kondensator nicht dauerhaft an die Stromversorgung angeschlossen ist, besteht kein Grund zur Sorge. Beispielsweise ist bei einem Produkt, das über eine feste Umschaltung zwischen Netz und Kondensator verfügt, die Größe wahrscheinlich wichtiger als die Lebensdauer, und Sie können dann einen dünneren Kondensator wählen.

Wenn der Kondensator jedoch dauerhaft an die Stromversorgung angeschlossen ist, muss er eine hohe Zuverlässigkeit aufweisen. Eine Oxidation von Kondensatoren ist nicht unvermeidlich. Wenn das Epoxidmaterial des Kondensators von guter Qualität ist und der Kondensator nicht regelmäßig extremen Temperaturen ausgesetzt ist, sollte die Wertminderung minimal sein.

In diesem Artikel wurde zunächst eine feldtheoretische Sicht auf Kondensatoren vorgestellt. Praxisbeispiele und Simulationsergebnisse demonstrieren die Auswahl und Verwendung der gängigsten Kondensatortypen. Hoffentlich helfen Ihnen diese Informationen dabei, ein umfassenderes Verständnis der Rolle zu entwickeln, die Kondensatoren in der Elektronik- und EMV-Konstruktion spielen.

Der Autor möchte Herrn Steve Berry für seine technische Unterstützung zu diesem Thema danken.

KondensatorenKomponentenDesignemcMin ZhangTechniken

Dr. Min Zhang ist Gründer und leitender EMV-Berater von Mach One Design Ltd, einem in Großbritannien ansässigen Ingenieurbüro, das sich auf EMV-Beratung, Fehlerbehebung und Schulung spezialisiert hat. Sein fundiertes Wissen in den Bereichen Leistungselektronik, digitale Elektronik, elektrische Maschinen und Produktdesign kommt Unternehmen weltweit zugute.

Deine Email-Adresse wird nicht veröffentlicht.

Kommentar

Name*

Email*

Webseite

Speichern Sie meinen Namen, meine E-Mail-Adresse und meine Website in diesem Browser für den nächsten Kommentar.

D