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Kondensatoren gehören zu den am häufigsten verwendeten Bauteilen auf Leiterplatten. Da die Zahl elektronischer Geräte (vom Mobiltelefon bis zum Auto) weiter zunimmt, steigt auch die Nachfrage nach Kondensatoren. Die Covid-19-Pandemie hat die globale Komponentenlieferkette von Halbleitern bis hin zu passiven Komponenten unterbrochen, und Kondensatoren waren knapp1.
Diskussionen zum Thema Kondensatoren lassen sich leicht in ein Buch oder ein Wörterbuch umwandeln. Erstens gibt es verschiedene Arten von Kondensatoren, wie z. B. Elektrolytkondensatoren, Folienkondensatoren, Keramikkondensatoren und so weiter. Dann gibt es im gleichen Typ unterschiedliche dielektrische Materialien. Es gibt auch verschiedene Klassen. Was die physikalische Struktur 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 handelt, die in einem gekapselt sind. Was ist mit Superkondensatoren? Tatsache ist: Wenn Sie sich hinsetzen und anfangen, Leitfäden zur Auswahl von Kondensatoren großer Hersteller zu lesen, können Sie problemlos den ganzen Tag verbringen!
Da es in diesem Artikel um die Grundlagen geht, werde ich wie gewohnt eine andere Methode verwenden. Wie bereits erwähnt, sind Leitfäden zur Kondensatorauswahl leicht auf den Lieferanten-Websites 3 und 4 zu finden, und Außendiensttechniker können in der Regel die meisten Fragen zu Kondensatoren beantworten. In diesem Artikel werde ich nicht wiederholen, was Sie im Internet finden, sondern anhand praktischer Beispiele zeigen, wie man Kondensatoren auswählt und verwendet. 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 Verständnis für die Verwendung von Kondensatoren haben.
Als ich vor Jahren in einem Unternehmen arbeitete, das elektronische Geräte herstellte, hatten wir eine Frage im Vorstellungsgespräch an einen Ingenieur für Leistungselektronik. Auf dem schematischen Diagramm des bestehenden Produkts werden wir potenzielle Kandidaten fragen: „Welche Funktion hat der DC-Link-Elektrolytkondensator?“ und „Welche Funktion hat der Keramikkondensator neben dem Chip?“ Wir hoffen, dass die richtige Antwort lautet: DC-Bus-Kondensator. Zur Energiespeicherung werden Keramikkondensatoren zur Filterung verwendet.
Die „richtige“ Antwort, nach der wir suchen, zeigt tatsächlich, dass jeder im Designteam Kondensatoren aus der Perspektive einer einfachen Schaltung und nicht aus der Perspektive der Feldtheorie betrachtet. Der Standpunkt der Schaltungstheorie ist nicht falsch. Bei niedrigen Frequenzen (von einigen kHz bis zu einigen MHz) kann die Schaltungstheorie das Problem normalerweise gut erklären. Dies liegt daran, dass sich das Signal bei niedrigeren Frequenzen hauptsächlich im Differenzmodus befindet. Mithilfe der Schaltungstheorie können wir den in Abbildung 1 gezeigten Kondensator sehen, bei dem der äquivalente Serienwiderstand (ESR) und die äquivalente Serieninduktivität (ESL) dafür sorgen, dass sich die Impedanz des Kondensators mit der Frequenz ändert.
Dieses Modell erklärt vollständig die Schaltungsleistung, wenn die Schaltung langsam geschaltet wird. Mit zunehmender Häufigkeit werden die Dinge jedoch immer komplizierter. Irgendwann zeigt die Komponente Nichtlinearität. Bei steigender Frequenz stößt das einfache LCR-Modell an seine Grenzen.
Wenn mir heute im Vorstellungsgespräch die gleiche Frage gestellt würde, würde ich meine Feldtheorie-Beobachtungsbrille aufsetzen und sagen, dass es sich bei beiden Kondensatortypen um Energiespeicher handelt. Der Unterschied besteht darin, dass Elektrolytkondensatoren mehr Energie speichern können als Keramikkondensatoren. Aber im Hinblick auf die Energieübertragung können Keramikkondensatoren Energie schneller übertragen. Dies erklärt, warum Keramikkondensatoren neben dem Chip platziert werden müssen, da der Chip im Vergleich zum Hauptstromkreis eine höhere Schaltfrequenz und Schaltgeschwindigkeit aufweist.
Aus dieser Perspektive können wir einfach zwei Leistungsstandards für Kondensatoren definieren. Zum einen, wie viel Energie der Kondensator speichern kann, und zum anderen, wie schnell diese Energie übertragen werden kann. Beides hängt von der Herstellungsmethode des Kondensators, dem dielektrischen Material, der Verbindung mit dem Kondensator usw. ab.
Wenn der Schalter im Stromkreis geschlossen ist (siehe Abbildung 2), zeigt dies an, dass die Last Energie von der Stromquelle benötigt. Die Geschwindigkeit, mit der dieser Schalter schließt, bestimmt die Dringlichkeit des Energiebedarfs. Da sich Energie mit Lichtgeschwindigkeit ausbreitet (halbe Lichtgeschwindigkeit in FR4-Materialien), dauert die Energieübertragung Zeit. Darüber hinaus besteht eine Impedanzfehlanpassung zwischen der Quelle, der Übertragungsleitung und der Last. Dies bedeutet, dass die Energie nie in einem Durchgang übertragen wird, sondern in mehreren Hin- und Rückläufen5, weshalb es bei schnellem Umschalten des Schalters zu Verzögerungen und Klingeln in der Schaltwellenform kommt.
Abbildung 2: Es braucht Zeit, bis sich Energie im Raum ausbreitet; Eine Impedanzfehlanpassung führt zu mehreren Hin- und Rückläufen der Energieübertragung.
Die Tatsache, dass die Energielieferung Zeit und mehrere Hin- und Rückläufe erfordert, zeigt uns, dass wir die Energie so nah wie möglich an die Last bringen und einen Weg finden müssen, sie schnell zu liefern. Ersteres wird in der Regel dadurch erreicht, dass der physische Abstand zwischen Last, Schalter und Kondensator verringert wird. Letzteres wird erreicht, indem eine Gruppe von Kondensatoren mit der kleinsten Impedanz zusammengefasst wird.
Die Feldtheorie erklärt auch, was Gleichtaktrauschen verursacht. Kurz gesagt entsteht Gleichtaktrauschen, wenn der Energiebedarf der Last beim Schalten nicht gedeckt wird. Daher wird die im Raum zwischen der Last und nahegelegenen Leitern gespeicherte Energie zur Deckung des Stufenbedarfs bereitgestellt. Der Raum zwischen der Last und nahegelegenen Leitern wird als parasitäre/gegenseitige Kapazität bezeichnet (siehe Abbildung 2).
Anhand der folgenden Beispiele demonstrieren wir den Einsatz von Elektrolytkondensatoren, Mehrschicht-Keramikkondensatoren (MLCC) und Folienkondensatoren. Sowohl die Schaltungs- als auch die Feldtheorie werden verwendet, um die Leistung ausgewählter Kondensatoren zu erklären.
Als Hauptenergiequelle werden hauptsächlich Elektrolytkondensatoren im Zwischenkreis eingesetzt. Die Wahl des Elektrolytkondensators hängt oft ab von:
Für die EMV-Leistung sind die Impedanz- und Frequenzeigenschaften die wichtigsten Eigenschaften von Kondensatoren. Niederfrequente leitungsgebundene Emissionen hängen immer von der Leistung des Zwischenkreiskondensators ab.
Die Impedanz des Gleichstromzwischenkreises hängt nicht nur vom ESR und ESL des Kondensators ab, sondern auch von der Fläche der Wärmeschleife, wie in Abbildung 3 dargestellt. Eine größere Fläche der Wärmeschleife bedeutet, dass die Energieübertragung länger dauert, also die Leistung wird betroffen sein.
Um dies zu beweisen, wurde ein DC-DC-Abwärtswandler gebaut. Der in Abbildung 4 dargestellte EMV-Testaufbau vor der Konformität führt einen leitungsgebundenen Emissionsscan zwischen 150 kHz und 108 MHz durch.
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 sich dadurch die ESL des Kondensators erhöht. Abbildung 5 zeigt die drei Konfigurationen.
Die leitungsgebundenen Emissionsergebnisse dieser drei Konfigurationen sind in Abbildung 6 dargestellt. Es ist ersichtlich, dass die beiden 330-µF-Kondensatoren im Vergleich zu einem einzelnen 680-µF-Kondensator eine Rauschunterdrückungsleistung von 6 dB über einen größeren Frequenzbereich erzielen.
Aus der Schaltungstheorie lässt sich sagen, dass durch die Parallelschaltung zweier Kondensatoren sowohl ESL als auch ESR halbiert werden. Aus feldtheoretischer Sicht gibt es nicht nur eine Energiequelle, sondern zwei Energiequellen werden derselben Last zugeführt, wodurch die Gesamtenergieübertragungszeit effektiv verkürzt wird. 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 Energieübertragungszeit, was die Sprungantwort des Kondensators effektiv erhöht.
Das Ergebnis lehrt uns eine sehr wichtige Lektion. Eine Erhöhung der Kapazität eines einzelnen Kondensators wird im Allgemeinen den stufenweisen Bedarf an mehr Energie nicht decken. Wenn möglich, verwenden Sie einige kleinere kapazitive Komponenten. Dafür gibt es viele gute Gründe. Der erste sind die Kosten. Im Allgemeinen steigen die Kosten eines Kondensators bei gleicher Gehäusegröße exponentiell mit dem Kapazitätswert. Die Verwendung eines einzelnen Kondensators kann teurer sein als die Verwendung mehrerer kleinerer Kondensatoren. Der zweite Grund ist die Größe. Der limitierende Faktor bei der Produktgestaltung ist meist die Höhe der Bauteile. Bei Kondensatoren mit großer Kapazität ist die Höhe oft zu groß, was für das Produktdesign nicht geeignet ist. Der dritte Grund ist die EMV-Leistung, die wir in der Fallstudie gesehen haben.
Ein weiterer zu berücksichtigender Faktor bei der Verwendung eines Elektrolytkondensators ist, dass Sie einen Ausgleichswiderstand 6 benötigen, wenn Sie zwei Kondensatoren in Reihe schalten, um die Spannung zu teilen.
Wie bereits erwähnt, handelt es sich bei Keramikkondensatoren um Miniaturgeräte, die schnell Energie liefern können. Mir wird oft die Frage gestellt: „Wie viel Kondensator benötige ich?“ Die Antwort auf diese Frage lautet: Bei Keramikkondensatoren sollte der Kapazitätswert nicht so wichtig sein. Hier kommt es darauf an, zu ermitteln, bei welcher Frequenz die Energieübertragungsgeschwindigkeit für Ihre Anwendung ausreichend ist. Wenn die leitungsgebundene Emission bei 100 MHz ausfällt, ist der Kondensator mit der kleinsten Impedanz bei 100 MHz eine gute Wahl.
Dies ist ein weiteres Missverständnis von MLCC. Ich habe gesehen, dass Ingenieure viel Energie darauf verwendet haben, Keramikkondensatoren mit dem niedrigsten ESR und ESL auszuwählen, bevor sie die Kondensatoren über lange Leiterbahnen mit dem HF-Referenzpunkt verbunden haben. Erwähnenswert ist, dass die ESL von MLCC in der Regel deutlich geringer ist als die Anschlussinduktivität auf der Platine. Die Verbindungsinduktivität ist nach wie vor der wichtigste Parameter, der die Hochfrequenzimpedanz von Keramikkondensatoren beeinflusst7.
Abbildung 7 zeigt ein schlechtes Beispiel. Lange Leiterbahnen (0,5 Zoll lang) sorgen für eine Induktivität von mindestens 10 nH. Das Simulationsergebnis zeigt, dass die Impedanz des Kondensators am Frequenzpunkt (50 MHz) viel höher wird als erwartet.
Eines der Probleme bei MLCCs besteht darin, dass sie dazu neigen, mit der induktiven Struktur auf der Platine in Resonanz zu treten. Dies ist im Beispiel in Abbildung 8 zu sehen, wo die Verwendung eines 10-µF-MLCC eine Resonanz bei etwa 300 kHz einführt.
Sie können die Resonanz reduzieren, indem Sie eine Komponente mit einem größeren ESR wählen oder einfach einen kleinen Widerstand (z. B. 1 Ohm) in Reihe mit einem Kondensator schalten. Diese Art von Methode verwendet verlustbehaftete Komponenten, um das System zu unterdrücken. Eine andere Methode besteht darin, einen anderen Kapazitätswert zu verwenden, um die Resonanz zu einem niedrigeren oder 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 für Stromleitungen (AC und DC) und Gleichtaktfilterkonfigurationen verwendet. Wir nehmen als Beispiel einen X-Kondensator, um einige der Hauptpunkte der Verwendung von Folienkondensatoren zu veranschaulichen.
Wenn ein Überspannungsereignis auftritt, trägt es dazu bei, die Spitzenspannungsbelastung auf der Leitung zu begrenzen. Daher wird es normalerweise mit einem Überspannungsschutz (TVS) oder einem Metalloxid-Varistor (MOV) verwendet.
Das alles wissen Sie vielleicht schon, aber wussten Sie, dass der Kapazitätswert eines X-Kondensators bei jahrelangem Gebrauch deutlich abnehmen kann? Dies gilt insbesondere dann, wenn der Kondensator in einer feuchten Umgebung verwendet wird. Ich habe gesehen, dass der Kapazitätswert des X-Kondensators innerhalb von ein oder zwei Jahren nur auf wenige Prozent seines Nennwerts abfiel, sodass das ursprünglich mit dem X-Kondensator entwickelte System tatsächlich den gesamten Schutz verlor, den der Front-End-Kondensator möglicherweise hatte.
Also, was ist passiert? Feuchtigkeitsluft kann in den Kondensator, den Draht hinauf und zwischen der Box und der Epoxidharz-Vergussmasse eindringen. Anschließend kann die Aluminiummetallisierung oxidiert werden. Aluminiumoxid ist ein guter elektrischer Isolator und reduziert dadurch die Kapazität. Dies ist ein Problem, das bei allen Folienkondensatoren auftritt. Das Problem, über das ich spreche, ist die Filmdicke. Namhafte Kondensatormarken verwenden dickere Folien, was zu größeren Kondensatoren als bei anderen Marken führt. Der dünnere Film macht den Kondensator weniger widerstandsfähig gegenüber Überlastungen (Spannung, Strom oder Temperatur) und es ist unwahrscheinlich, dass er sich selbst heilt.
Wenn der X-Kondensator nicht dauerhaft an die Stromversorgung angeschlossen ist, müssen Sie sich keine Sorgen machen. Beispielsweise kann bei einem Produkt, das über einen harten Schalter zwischen der Stromversorgung und dem Kondensator verfügt, die Größe wichtiger sein als die Lebensdauer, und dann können Sie einen dünneren Kondensator wählen.
Wenn der Kondensator jedoch dauerhaft an die Stromquelle angeschlossen ist, muss er äußerst zuverlässig sein. Die Oxidation von Kondensatoren ist nicht unvermeidlich. Wenn das Epoxidmaterial des Kondensators von guter Qualität ist und der Kondensator nicht oft extremen Temperaturen ausgesetzt ist, sollte der Wertverlust minimal sein.
In diesem Artikel wird zunächst die feldtheoretische Sicht auf Kondensatoren vorgestellt. Praxisbeispiele und Simulationsergebnisse zeigen, wie die gängigsten Kondensatortypen ausgewählt und eingesetzt werden. Ich hoffe, diese Informationen können Ihnen helfen, die Rolle von Kondensatoren im Elektronik- und EMV-Design umfassender zu verstehen.
Dr. Min Zhang ist Gründer und Chef-EMV-Berater von Mach One Design Ltd, einem in Großbritannien ansässigen Ingenieurunternehmen, das sich auf EMV-Beratung, Fehlerbehebung und Schulung spezialisiert hat. Sein fundiertes Wissen in den Bereichen Leistungselektronik, digitale Elektronik, Motoren und Produktdesign kommt Unternehmen auf der ganzen Welt zugute.
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