Worauf es bei der Wahl eines Elektrolytkondensators ankommt

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Der ESR ist leichter zu definieren als zu spezifizieren

Die Kondensator-Ersatzschaltung besteht aus vier Komponenten (Bild 1): Kapazität (C), Ersatzserieninduktivität (ESL) als Summe der induktiven Elemente einschließlich Leiter, hochohmigem Gleichstrompfad (R_p) parallel zur Kapazität und Ersatzserienwiderstand (ESR) als kombiniertes resistives Element. Der ESR ist frequenzabhängig, temperaturabhängig und ändert sich im Laufe der Alterung des Bauelements. Er ist in der Regel nur bei der Wahl von Elektrolytkondensatoren relevant.

Eingangsseitig dienen Elektrolytkondensatoren als Eingangspuffer, die elektrische Energie abgeben, wenn die Netzeingangsspannung zu niedrig ist, elektrische Energie speichern, wenn ein AC/DC-Wandler einen neuen Spannungspegel annimmt, und das Schaltrauschen des Wandlers minimieren, damit es nicht die Stromquelle erreicht. Am Ausgang eines Wandlers fungieren Elektrolytkondensatoren als Filter und Stromsenke für induktive Elemente und bei einer DC/DC-Wandlung als Energiepuffer, wenn sich der Energiebedarf am Ausgang ändert.

ESR-bedingte Verluste verzögern Ladevorgänge

In beiden Fällen hemmen ESR-bedingte Verluste die Fähigkeit eines Kondensators, sich schnell aufzuladen bzw. schnell zu entladen. Am Eingang vergrößert ein höherer ESR das Hochfrequenzrauschen im Kondensator und reduziert damit die Filtereffektivität. Am Ausgang sorgt ein höherer ESR für eine größere Restwelligkeit, was die Stabilität des Regelkreises beeinträchtigt.

Der ESR ist insbesondere in Anwendungen mit geringer Einschaltdauer und hochfrequenten Stromimpulsen ein wichtiger Faktor. Hier ist die Brummspannung aufgrund des ESRs höher, als die Kapazität erwarten ließe, obgleich die negative Temperaturkorrelation des ESRs dafür sorgt, dass die Welligkeit abnimmt, wenn sich die Baugruppe im Betrieb erwärmt.

Zudem kann die Einführung eines resistiven Elements in eine seitens der Entwickler als rein reaktiv erachtete Schaltung zu unerwarteten Verschiebungen beim Phasengang führen, was wiederum die Stabilität beeinträchtigt.

Der ESR wird nicht einheitlich spezifiziert

Einige Kondensatoren sind speziell für einen niedrigen ESR konzipiert, aber die Hersteller von Aluminium-Elektrolytkondensatoren spezifizieren den ESR nicht einheitlich. Häufig wird der Wert bei 25 °C und 100 kHz mit einer Formel zur Berechnung des Wertes bei der Betriebsfrequenz angegeben. Einige Hersteller spezifizieren den ESR bei 120 Hz, andere überlassen es dem Schaltungsentwickler, den Wert für eine gewünschte Frequenz mithilfe des Verlustfaktors (tan∂) und des spezifizierten maximalen Rippelstroms zu berechnen.

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