Was man Ihnen über Kondensatoren nicht beibringt

In der Technik greifen wir oft auf Hunderte von geistigen Abkürzungen zurück, um die Komplexität der Themen, die wir angehen, auf ein handhabbares Niveau zu reduzieren.

Wenn wir jedes Mal, wenn wir eine LED blinken lassen, eine Quantenphysik-Simulation durchführen müssten, würden wir nie etwas fertigstellen. Doch viele dieser Abkürzungen und Faustregeln wurden in der Vergangenheit geschaffen, als die Elektronikindustrie grundlegend anders war als heute.

Heute werden wir verlernen, was ein Kondensator ist. Zusätzlich werden wir besprechen, wie man Kondensatoren unter Berücksichtigung der zeitgenössischen Elektronik verwendet.

Was ein Kondensator nicht (mehr) ist

Eine der gängigen Annahmen ist, dass die primäre Rolle eines Kondensators darin besteht, Ladung zu speichern, wie ein Wassereimer, der gleichzeitig mit einer Tasse gefüllt und mit einer anderen geleert wird.

Wenn Sie jemals in eine Diskussion darüber geraten sind, „ob Strom durch einen Kondensator fließt“ und mehr in die Politik als in die Physik abgedriftet sind, wissen Sie, dass typische Analogien wenig Sinn machen, wenn es um Wechselstrom geht. Ein Kondensator ist lediglich zwei Leiter, getrennt durch ein Dielektrikum, und nirgendwo in den grundlegenden physikalischen Erklärungen seiner Eigenschaften finden Sie eine Erklärung, was Sie damit tun sollten.

Energie zu speichern ist nur eine der vielen Verwendungen eines Kondensators, ebenso wie das Filtern, Formen oder Ändern von elektrischen Signalen und Impedanzen. Wir neigen dazu, dies als seine Hauptverwendung zu betrachten, weil es seine erste Verwendung bei der Entstehung der Gleichstromelektrizität und William Gilberts Elektroskop war — erfunden im 15. Jahrhundert.

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Die Rolle eines Kondensators

Begriffe wie Entkopplungs- und Bypass-Kondensator werden oft austauschbar verwendet — diesen Fehler habe ich selbst unzählige Male gemacht.

Dies führt zu viel Verwirrung, da verschiedene Verwendungen oft Kondensatoren mit unterschiedlichen elektrischen und physischen Parametern erfordern, wie Verpackung, Spannungsbewertungen, ESR (Equivalent Series Resistance), ESL (Equivalent Series Inductance) und Selbstresonanzprofil.

Kondensatoren erhalten unterschiedliche Namen, nicht nur basierend auf den Technologien, auf denen sie aufgebaut sind (keramisch, elektrolytisch), sondern auch auf ihren Rollen.

Die folgenden Abschnitte enthalten einige der häufigsten Rollen, die von Kondensatoren übernommen werden.

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Bypass-Kondensator

Die Rolle eines Bypass-Kondensators besteht darin, RF (verhältnismäßig hochfrequente Wechselstrom) Energie von einem Teil Ihrer Platine zu einem anderen zu übertragen. Wie Sie gerade gelesen haben, gibt es hierbei keinerlei Speicherung. Überhaupt keine! Ein Bypass-Kondensator dreht sich alles um das Leiten, nicht um das Speichern.

Damit dies geschieht, muss der Kondensator sorgfältig ausgewählt werden, mit der niedrigstmöglichen Impedanz bei den Frequenzen von Interesse. Dies kann erreicht werden, indem seine Eigenresonanzfrequenz so weit wie möglich an das HF-Signal angepasst wird.

Die Eigenresonanzfrequenz ist die Frequenz, bei der die Kapazität und die parasitäre Induktivität des Kondensators resonieren, und der Kondensator die niedrigstmögliche Impedanz aufweist. Mathematisch gesehen ist es, als würden Kapazität und Induktivität verschwinden, wobei nur der äquivalente Serienwiderstand übrig bleibt.

Für Frequenzen, die höher als die Eigenresonanzfrequenz sind, beginnt der Kondensator sich weniger und weniger wie ein Kondensator und mehr wie eine Induktivität zu verhalten.

Worauf zu achten ist

Ein häufiger Fehler beim Einsatz von Bypass-Kondensatoren zur Kontrolle elektromagnetischer Emissionen (insbesondere beim Versuch, auf den Masseebenen zu bypassen), ist die Begrenzung ihrer Platzierung nur an der Quelle des Rauschens, das wir adressieren möchten.

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Bei Gleichstrom würde dies Sinn machen: das Signal so nah wie möglich an der Quelle kurzschließen, um seine Werte so niedrig wie möglich zu bekommen, indem der Widerstand (Impedanz) zwischen dem elektrischen Kurzschluss (dem Kondensator) und der Quelle minimiert wird.

In Wechselstromkreisen, insbesondere im RF-Bereich, kann aufgrund der Wellennatur elektrischer Signale der schnelle Anstieg der Impedanz zwischen dem Bereich in der Nähe Ihrer Störquelle und dem Rest der Massefläche eine Quelle von Reflexionen sein. Dies kann auch auf Leiterbahnen geschehen, da die höheren Impedanzen von Vias die RF-Energie reflektieren können.

Das sind Reflexionen: Energie, die aufgrund von nicht übereinstimmender Impedanz reflektiert wird. Auch dies steht im Widerspruch zur traditionellen Beschreibung von „Energie, die aufgrund von nicht abgeschlossenen Leitungen reflektiert wird“, was nur teilweise korrekt ist.

Wenn Sie Bypass-Kondensatoren verwenden, sollten Sie versuchen, die Impedanz von Strom- und Masseflächen zu verringern, indem Sie Kondensatoren auf Ihren Platinen verteilen. Abhängig von der Frequenz, die Sie ansprechen möchten, dem Schichtenaufbau und dem Dielektrikum des PCBs, möchten Sie vielleicht Kondensatoren im Pikofarad- bis Nanofarad-Bereich in Betracht ziehen.

Entkoppelungskondensator

Lineare Regler wie der allgegenwärtige 7805 haben eine interne Rückkopplungsschleife, die die Ausgangsspannung mit einer Referenzspannung vergleicht und den Strom entsprechend reguliert, um eine stabile Ausgangsspannung zu gewährleisten.

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Theoretisch könnten lineare Regler ohne einen externen Kondensator verwendet werden — zumindest, wenn wir jegliche Probleme selbstinduzierter Oszillation ignorieren. Um eine stabile Ausgabe zu erhalten, müsste der geforderte Strom mit einer ausreichend langsamen Anstiegsgeschwindigkeit ändern, damit der lineare Regler folgen kann. Da die meisten von ihnen auf der BJT-Technologie der frühen 80er Jahre basieren, sind diese Anstiegsgeschwindigkeiten überhaupt nicht schnell.

Ähnlich haben schaltende DC-DC-Wandler eine grundlegende Schaltfrequenz und können die Ausgabe nicht schneller als diese Frequenz regulieren.

Viele moderne digitale Geräte erzeugen Stromtransienten mit Frequenzkomponenten von Hunderten von Megahertz, weit mehr, als jeder Regler folgen kann (es sei denn, wir sprechen von exotischen Laserdiodentreibern).

Entkopplungskondensatoren arbeiten an der Grenze zwischen den stabilen Spannungen, die von der DC-Stromversorgungsschaltung geregelt werden, und dem intermittierenden Stromverbrauch moderner digitaler Geräte.

Selbst eine kleine Impedanz zwischen der Stromversorgung und dem Gerät führt bei einem Stromspitzen schnell zu einer Versorgungsspannung außerhalb der akzeptablen Bereiche.

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Die Entkopplungskondensatoren wirken als temporärer lokalisierter Energiespeicher und reduzieren effektiv die Quellenimpedanz für Werte zwischen einigen Megahertz und einigen hundert Megahertz.

Für Frequenzen über einige hundert MHz weisen die meisten SMD-Kondensatoren eine hohe Impedanz auf und sind ineffektiv. Stattdessen müssen Techniken wie die vergrabene Kapazität im Lagenstapel verwendet werden.

Worauf Sie achten sollten

Entkopplungskondensatoren sind nur in einem relativ schmalen Frequenzband nützlich, hauptsächlich aufgrund der Einschränkungen, die durch ihre parasitären Eigenschaften eingeführt werden.

Der Hauptparameter, auf den man achten sollte, ist einmal mehr die Eigenresonanzfrequenz. Entkopplungskondensatoren sind nur bei Frequenzen wirksam, die niedriger als ihre Eigenresonanzfrequenz sind.

Die folgenden Faustregeln sind oft nützlich, um zu wählen, welchen Kondensator man verwenden sollte:

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• DC bis ~KHz: kein Kondensator wird benötigt, die Stromversorgung kann von selbst mithalten.
• ~KHz bis ~MHz: die hohen Werte von Elektrolytkondensatoren sind vorteilhaft für den niedrigeren Frequenzbereich, aber ihre hohe Serienimpedanz begrenzt ihre Leistung, indem sie eine niedrige Eigenresonanzfrequenz induziert. Im MHz-Bereich sind viele Elektrolytkondensatoren bereits stark induktiv.
• ~MHz bis 200MHz: Keramikkondensator, abhängig vom Dielektrikum, der Gehäusegröße und der Bauweise, decken normalerweise diesen Bereich ab.
• Oberhalb von 200MHz: Keramikkondensatoren beginnen ineffektiv zu werden. In diesem Szenario sollten Sie stattdessen Techniken der vergrabenen Kapazität verwenden.

Bulk-Kondensator

Bulk-Kondensatoren werden verwendet, um die Spannung während fehlender Stromnetzzyklen stabil zu halten und den Spitzenstrombedarf zu unterstützen. Sie sind in der Regel elektrolytisch, aufgrund der hohen Kapazität, die für diese Rolle benötigt wird.

Denken Sie an sie als winzige, entzückende, zylindrische USV (Unterbrechungsfreie Stromversorgung).

Was man Ihnen über Keramikkondensatoren nicht beibringt

Keramikkondensatoren sind zweifellos die quintessentielle passive Komponente in der heutigen Elektronikindustrie, und ihre volumetrische Kapazität hat sich in einer vergleichbaren Rate zur Transistordichte in Silizium verbessert, was viele der modernen Hochdichtedesigns ermöglicht.

Sie sind in der Tat ein Wunder der Technologie, aber sie haben auch ein paar Eigenheiten, über die Sie Bescheid wissen sollten.

Kleiner ist besser

Keramik ist ein wunderbares Material, aber es ist auch spröde. Keramikkondensatoren können aufgrund der Biegung der PCB-Platte reißen, zum Beispiel während der Montage von größeren Platinen (oder Paneelen), beim unsachgemäßen Auseinanderbrechen von v-geschnittenen Platinen oder wenn die Produkte während des Versands unsachgemäß gehandhabt werden.

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Flex-Risse sind ein gefährliches Phänomen: Wenn der Kondensator an Stromleitungen verwendet wird, die hohe Ströme führen können, kann er oft einen Kurzschluss verursachen und einen Brand auslösen.

Entgegen der landläufigen Meinung weisen kleinere Kondensatoren sowohl eine überlegene elektrische als auch mechanische Leistung auf. Sie neigen weniger dazu zu brechen und haben eine höhere Eigenresonanzfrequenz.

Wenn Ihr Produkt eine hohe Zuverlässigkeit unter mechanischen Belastungen benötigt, gibt es einige Techniken, die Sie verwenden können, um diese Art von Ausfall zu reduzieren.

• Platzieren Sie keine Kondensatoren mit der langen Seite in derselben Richtung, in der sich die Platine biegt.
• Verwenden Sie kleinere Kondensatoren wie 0402
• Verwenden Sie weich abgeschlossene Kondensatoren, die unter Belastung nicht kurzschließen, und/oder keramische Kondensatoren mit X2/Y2-Bewertung, die offen kurzschließen
• Verlegen Sie Leiterbahnen um Ihre Kondensatoren herum, um mechanischen Stress zu mindern
• Wenn Sie sich für Kondensatoren entschieden haben, die offen brechen, verwenden Sie immer mindestens zwei davon parallel, damit Ihre Schaltung genügend Kapazität hat, um normal weiterzufunktionieren, wenn einer von ihnen bricht

Das Dielektrikum zählt, und zwar viel

C0G, X7R… Dielektrika haben seltsame Namen und eine gemischte Tasche von Eigenschaften. Hier sind ihre Merkmale und wann sie glänzen.

• C0G/NP0: Das sind die ausgefallensten Keramikkondensatoren auf dem Markt. Typischerweise sind sie von 1pF bis 100nF verfügbar und haben eine Toleranz von 5%. NPO steht für positiv-negativ-null, die Form der Koeffizientenkurve des Kondensators, die über den Temperaturbereich flach aussieht. Sie sind das, was Sie verwenden sollten, wenn präzise Werte und Stabilität gefordert sind.
• X7R: Das moderne Arbeitstier. Sie haben ausgezeichnete Spannungs- und Temperaturkoeffizienten und sind beliebt zwischen 100pF und 22uF. Sie sind die am weitesten verbreiteten für Entkopplungsanwendungen und haben einen weiten Temperaturbereich von -55°C bis 125°C.
• X5R: Ähnlich wie X7R, aber für 85°C statt 125°C bewertet.
• Y5V: Kann extrem hohe Kapazitätswerte erreichen, aber mit niedrigen Spannungs- und Temperaturbewertungen (bis zu einem Verlust von 82% der Kapazität erlaubt).
• Z5U: Ähnlich wie Y5V zeigen Z5U-Kondensatoren schlechte Spannungs- und Temperaturleistungen und sind extrem billig. Bewertet nur bis zu -10°C. Wird nur in kostengünstigen Verbrauchergeräten für Entkopplung verwendet.

Worauf Sie achten sollten

Das Kombinieren von Kondensatoren mit unterschiedlichen Dielektrika kann zu unerwarteten Ergebnissen führen.

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Zum Beispiel sind Z5U-Kondensatoren sehr erschwinglich und verwenden ein Bariumtitanat-Dielektrikum. Dieses Material hat eine hohe Dielektrizitätskonstante, was ein ausgezeichnetes Kapazitäts-Volumen-Verhältnis ermöglicht, und eine Eigenresonanzfrequenz, die üblicherweise zwischen 1MHZ und 20 MHZ liegt.

NPO funktioniert bei Frequenzen über 10Mhz besser, also warum nicht eine Mischung aus beiden verwenden, um eine breitbandige Leistung zu erzielen?

Unglücklicherweise, wenn Z5U- und NPO-Kondensatoren parallel geschaltet werden, dämpft das Material mit der höheren Dielektrizitätskonstante die Resonanzfrequenz des NPO, und die Kombination führt zu einer schlechteren Gesamtleistung als nur ein hochwertiger Z5U.

Das „Warum“ ist allerdings definitiv über meinem Gehaltsniveau. Wenn Sie dieses Phänomen verstehen, schreiben Sie mir bitte einen Brief.

Dielektrische Absorption

Wenn Sie den Ausgang eines geladenen Kondensators kurzschließen, werden Sie feststellen, dass Sie einen vollständig entladenen Kondensator auf Ihrer Werkbank haben, der Sie mit traurigen Augen anstarrt. Dies ist jedoch nicht immer der Fall. Fast alle Kondensatoren, mit der einzigen bemerkenswerten Ausnahme von Vakuumkondensatoren, behalten einen Teil ihrer Ladung nach der Entladung bei.

Das Phänomen tritt auf, weil die zufällig orientierten molekularen Dipole über die Zeit durch das elektrische Feld ausgerichtet werden, und ihre neu gefundene Orientierung auch in dessen Abwesenheit beibehalten wird.

Keramikkondensatoren können bis zu 0,6 % der geladenen Spannung für NP0 und 2,5 % für X7R speichern.

Spannungsabhängige Kapazität

Y5V-Kondensatoren können bis zu 82 % ihrer Kapazität bei der Nennspannung verlieren, während NP0-Kondensatoren eine nahezu flache Antwort zeigen.
Wenn Sie Anwendungen haben, bei denen Sie die Ausgangsspannung variieren müssen, zum Beispiel durch die konfigurierbare Spannungsquelle, die für den USB-PD-Standard erforderlich ist, den Mark Harris in seinem neuesten Artikel besprochen hat, könnten Sie sich mit scheinbar unvorhersehbarer Schaltungsleistung konfrontiert sehen.

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