Kondensator
Kondensator-Leitfaden
Wärmeerzeugungseigenschaften von Kondensatoren und Messverfahren
In dieser technischen Rubrik werden die grundlegenden Fakten über Kondensatoren beschrieben.
Diese Lektion beschreibt die Wärmeerzeugungseigenschaften von Kondensatoren.
1. Wärmeentwicklung des Kondensators
Da elektronische Geräte immer kleiner und leichter werden, nimmt die Bestückungsdichte der Komponenten zu, so dass die Wärmeabgabeleistung abnimmt und die Gerätetemperatur leicht ansteigt. Vor allem die Wärmeerzeugung durch die Elemente der Leistungsausgangsschaltung wirkt sich stark auf den Temperaturanstieg der Geräte aus. Bei Anwendungen (Schaltnetzteilglättung, Hochfrequenz-Leistungsverstärker-Ausgangskopplung usw.), bei denen auch große Ströme in Kondensatoren fließen, kann die Leistungsaufnahme aufgrund der Verlustkomponente der Kondensatoren jedoch so stark ansteigen, dass die Wärmeerzeugung durch die Kondensatoren nicht ignoriert werden kann. Daher muss der Temperaturanstieg von Kondensatoren so weit unterdrückt werden, dass die Zuverlässigkeit der Kondensatoren nicht beeinträchtigt wird.
Ein idealer Kondensator hat nur eine Kapazitätskomponente, aber ein tatsächlicher Kondensator hat auch eine Elektrodenwiderstandskomponente, einen dielektrischen Verlust und eine Elektrodeninduktivitätskomponente und kann durch ein Ersatzschaltbild, wie in Abbildung 1 gezeigt, dargestellt werden.
Wenn in einem solchen Kondensator ein Wechselstrom fließt, kommt es aufgrund der Widerstandskomponente (ESR) des Kondensators zu der in Gl. 1-1 dargestellten Leistungsaufnahme, und der Kondensator erzeugt Wärme.
2. Wärmeerzeugungseigenschaften von Kondensatoren
Um die Wärmeerzeugungseigenschaften eines Kondensators zu messen, muss die Kondensatortemperatur unter der Bedingung gemessen werden, dass die Wärmeabgabe von der Oberfläche durch Konvektion und Strahlung und die Wärmeabgabe durch die Wärmeübertragung über die Spannvorrichtung minimiert wird. Außerdem müssen bei der Messung eines Kondensators mit hoher Dielektrizitätskonstante und nichtlinearer Dielektrizitätskonstante gegenüber der Spannung der Wechselstrom und die an den Kondensator angelegte Wechselspannung gleichzeitig beobachtet werden. Darüber hinaus erfordern Kondensatoren mit geringer Kapazität und Temperaturkompensation bei Frequenzen über 100 MHz Wärmeentwicklungseigenschaften, so dass die Messung unter Bedingungen mit geringer Reflexion durchgeführt werden muss.
2-1. Systeme zur Messung der Wärmeerzeugungseigenschaften von Kondensatoren
Abbildung 2 zeigt eine schematische Darstellung des Systems zur Messung der Wärmeerzeugungseigenschaften von Kondensatoren mit hoher Dielektrizitätskonstante (Gleichstrom- bis 1-MHz-Bereich).
Das Signal des Signalgenerators wird durch eine bipolare Stromversorgung verstärkt und dann an den Kondensator angelegt. Der Strom zu diesem Zeitpunkt wird mit der Stromsonde und die Kondensatorspannung mit der Spannungssonde beobachtet. Gleichzeitig wird die Oberflächentemperatur des Kondensators mit einem Infrarotthermometer beobachtet, um den Zusammenhang zwischen Strom und Spannung und der Oberflächentemperatur zu verdeutlichen.
Abbildung 3 zeigt eine schematische Darstellung des Systems und des Messformats für die Messung der Wärmeerzeugungseigenschaften von temperaturkompensierenden Kondensatoren (10 MHz- bis 4 GHz-Band).
Die Geräte und Kabel, aus denen dieses System besteht, sind alle auf 50 Ω genormt, und die Messprobe ist auf einer Platine montiert, die eine Mikrostreifenleitung bildet, an deren beiden Enden SMA-Stecker angebracht sind. Das Signal des Signalgenerators wird durch einen Hochfrequenzverstärker verstärkt und an die Probe (DUT) angelegt, während die Reflexion mit einem Richtkoppler beobachtet wird. Das über die Probe ausgegebene Signal wird durch einen Abschlusswiderstand (Dämpfungsglied) abgeschwächt und mit einem Leistungsmesser beobachtet. Gleichzeitig wird auch die Oberflächentemperatur der Probe beobachtet.
2-2. Daten zu den Wärmeerzeugungseigenschaften von Kondensatoren
Abbildung 4 zeigt die Wärmeerzeugungskenndaten, die Impedanz und die ESR-Frequenzkenndaten bei 6,3 V für einen 10 uF vom Typ 3216 mit B-Kennlinien als Beispiel für die Wärmeerzeugungskenndaten eines Keramik-Vielschichtkondensators mit hoher Dielektrizitätskonstante.
Diese Diagramme zeigen die Beziehung zwischen dem Wechselstrom und dem Temperaturanstieg bei 100 kHz, 500 kHz und 1 MHz sowie die Beziehung zwischen Impedanz (Z) und ESR (R) und der Frequenz. Es kann bestätigt werden, dass die Wärmeentwicklung in der Reihenfolge 100 kHz > 500 kHz > 1 MHz kleiner wird. Außerdem beträgt der ESR 10 mΩ bei 100 kHz, 6 mΩ bei 500 kHz und 5 mΩ bei 1 MHz, was bestätigt, dass es eine enge Beziehung zwischen ESR und den Wärmeerzeugungseigenschaften gibt.
3. Methode zur Gewinnung von Daten über die Wärmeerzeugungseigenschaften
Die Daten zu den Wärmeerzeugungseigenschaften können auf der Murata-Website eingesehen werden.
Abbildung 5 zeigt das Fenster des "SimSurfing"-Entwurfsunterstützungstools von Murata Manufacturing. Die Merkmale können durch Auswahl der Teilenummer und des zu prüfenden Elements angezeigt werden. Darüber hinaus können die SPICE-Netzliste und S2P-Daten als Simulationsdaten heruntergeladen werden. Bitte verwenden Sie dieses Tool, um den Entwurf verschiedener elektronischer Schaltungen zu unterstützen.
Weitere Informationen über SimSurfing finden Sie unter der folgenden URL:
https://ds.murata.com/simsurfing/index.html?lcid=en-us
Verantwortliche Person: S.K., Geschäftseinheit Komponenten, Murata Manufacturing Co, Ltd.
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