Kondensator
Kondensator-Leitfaden
Was sind die Impedanz-/ESR-Frequenzmerkmale von Kondensatoren?
In dieser technischen Kolumne werden die Grundlagen von Kondensatoren erläutert.
Die heutige Kolumne beschreibt die Frequenzcharakteristik der Impedanz und des äquivalenten Serienwiderstands (ESR) von Kondensatoren.
Die Kenntnis der Frequenzcharakteristik von Kondensatoren ermöglicht es, z. B. die Fähigkeit zur Rauschunterdrückung oder zur Beherrschung von Spannungsschwankungen in einer Stromversorgungsleitung zu bestimmen. Frequenzkennlinien sind daher wichtige Parameter, die für den Entwurf von Schaltungen unerlässlich sind. In dieser Rubrik werden zwei Arten von Frequenzeigenschaften beschrieben: Impedanz |Z| und ESR.
1. Frequenzkennlinien von Kondensatoren
Die Impedanz Z eines idealen Kondensators (Abb. 1) ergibt sich aus Formel (1), wobei ω die Kreisfrequenz und C die elektrostatische Kapazität des Kondensators ist.
Aus Formel (1) geht hervor, dass der Betrag der Impedanz |Z| umgekehrt mit der Frequenz abnimmt, wie in Abbildung 2 dargestellt. Bei einem idealen Kondensator gibt es keinen Verlust und der äquivalente Serienwiderstand (ESR) ist Null.
In realen Kondensatoren (Abb. 3) gibt es jedoch neben der Kapazitätskomponente C einen gewissen Widerstand (ESR) aus Verlusten durch dielektrische Substanzen, Elektroden oder andere Komponenten und eine gewisse parasitäre Induktivität (ESL) durch Elektroden, Leitungen und andere Komponenten. Infolgedessen bilden die Frequenzkennlinien von |Z| eine V-förmige Kurve (oder U-förmige Kurve, je nach Art des Kondensators), wie in Abbildung 4 dargestellt, und der ESR zeigt ebenfalls Frequenzkennlinien für Werte, die dem Verlust entsprechen.
Der Grund, warum |Z| und ESR Kurven wie die in Abbildung 4 gezeigten bilden, kann wie folgt erklärt werden.
Niederfrequenter Bereich:
|Z| in Bereichen mit niedriger Frequenz nimmt, ähnlich wie beim idealen Kondensator, umgekehrt mit der Frequenz ab. ESR zeigt einen Wert an, der dem dielektrischen Verlust durch Verzögerung der Polarisation in der dielektrischen Substanz entspricht.
In der Nähe des Resonanzpunktes:
Mit steigender Frequenz führt der ESR, der sich aus der parasitären Induktivität, dem Elektrodenwiderstand und anderen Faktoren ergibt, dazu, dass das Verhalten von |Z| von dem eines idealen Kondensators (rote gestrichelte Linie) abweicht und einen Mindestwert erreicht. Die Frequenz, bei der |Z| den Mindestwert erreicht, wird als Eigenresonanzfrequenz bezeichnet, und zu diesem Zeitpunkt ist |Z|=ESR. Sobald die Eigenresonanzfrequenz überschritten wird, ändert sich die Charakteristik des Elements von einem Kondensator zu einer Induktivität, und |Z| beginnt zu steigen. Der Bereich unterhalb der Eigenresonanzfrequenz wird als kapazitiver Bereich und der Bereich oberhalb als induktiver Bereich bezeichnet.
Die ESR wird zusätzlich zu den dielektrischen Verlusten durch die Verluste der Elektrode beeinflusst.
Hochfrequenzbereich:
In Frequenzbereichen, die noch über dem Resonanzpunkt liegen, wird die Charakteristik von |Z| von der parasitären Induktivität (L) bestimmt. Im Hochfrequenzbereich nähert sich |Z| der Formel (2) und steigt proportional mit der Frequenz.
Was die ESR betrifft, so treten Elektrodenhauteffekte, Nahbereichseffekte und andere Effekte auf.
Die obigen Ausführungen waren eine Erläuterung der Frequenzmerkmale eines tatsächlichen Kondensators. Der wichtigste Punkt, den man sich merken sollte, ist, dass ESR und ESL mit steigender Frequenz nicht ignoriert werden können. Da es immer mehr Anwendungen gibt, bei denen Kondensatoren bei hohen Frequenzen eingesetzt werden, werden ESR und ESL zu einem wichtigen Parameter, der die Leistung des Kondensators zusätzlich zu den Werten der elektrostatischen Kapazität angibt.
2. Frequenzcharakteristik verschiedener Kondensatortypen
Im vorangegangenen Abschnitt wurde erläutert, dass parasitäre Komponenten von Kondensatoren wie ESR und ESL ihre Frequenzeigenschaften stark beeinflussen. Da die Arten der parasitären Komponenten je nach Kondensatortyp variieren, wollen wir uns nun die unterschiedlichen Frequenzmerkmale der verschiedenen Kondensatortypen ansehen.
Abbildung 5 zeigt die |Z| und ESR-Frequenzkennlinien verschiedener Kondensatoren mit einer elektrostatischen Kapazität von 10 uF. Mit Ausnahme des Folienkondensators handelt es sich bei allen Kondensatoren um SMD-Typen.
Da die elektrostatische Kapazität bei allen in Abbildung 5 dargestellten Kondensatoren 10 uF beträgt, ist der |Z|-Wert im kapazitiven Bereich bei Frequenzen unter 1 kHz für alle Typen gleich. Über 1 kHz steigen die |Z|-Werte beim Aluminium-Elektrolyt-Kondensator und beim Tantal-Elektrolyt-Kondensator viel stärker an als beim Keramik-Vielschicht-Kondensator und beim Folienkondensator. Der Grund dafür ist der hohe spezifische Widerstand des Elektrolytmaterials und der große ESR im Aluminium-Elektrolyt-Kondensator und im Tantal-Elektrolyt-Kondensator. Der Folienkondensator und der keramische Vielschichtkondensator verwenden metallische Materialien für ihre Elektroden und weisen daher eine sehr geringe ESR auf.
Der Keramik-Vielschichtkondensator und der bedrahtete Folienkondensator weisen bis zum Resonanzpunkt ungefähr die gleichen Eigenschaften auf, aber die Eigenresonanzfrequenz ist höher und |Z| im induktiven Bereich ist beim Keramik-Vielschichtkondensator niedriger. Dies liegt daran, dass bei bedrahteten Folienkondensatoren die Induktivität nur so groß ist wie die des Leitungsdrahtes.
Diese Ergebnisse zeigen, dass die Impedanz von keramischen SMD-Vielschichtkondensatoren über ein breites Frequenzband hinweg gering ist, was sie zu den am besten geeigneten Kondensatoren für Hochfrequenzanwendungen macht.
3. Frequenzeigenschaften von Keramik-Vielschichtkondensatoren
Es gibt auch verschiedene Arten von Keramik-Vielschichtkondensatoren aus unterschiedlichen Materialien und mit unterschiedlichen Formen. Schauen wir uns an, wie sich diese Faktoren auf die Frequenzmerkmale auswirken.
(1) ESR
Die ESR im kapazitiven Bereich hängt vom dielektrischen Verlust ab, der durch das dielektrische Material verursacht wird. Materialien der Klasse 2 mit hoher Dielektrizitätskonstante haben tendenziell höhere ESR-Werte, da sie Ferroelektrika verwenden. Temperaturkompensationsmaterialien der Klasse 1 verwenden Paraelektrika und weisen daher einen sehr geringen dielektrischen Verlust und niedrige ESR-Werte auf.
Neben dem spezifischen Widerstand des Elektrodenmaterials, der Form der Elektrode (Dicke, Länge, Breite) und der Anzahl der Schichten werden die ESR-Werte bei hohen Frequenzen in der Nähe des Resonanzpunktes bis hin zum induktiven Bereich auch durch den Skin-Effekt und den Proximity-Effekt beeinflusst. Als Elektrodenmaterial wird häufig Ni verwendet, für verlustarme Kondensatoren wird jedoch manchmal auch Cu gewählt, das einen geringen spezifischen Widerstand aufweist.
(2) ESL
Die ESL von Keramik-Vielschichtkondensatoren wird stark von der Struktur der Innenelektrode beeinflusst. Wenn die Größe der inneren Elektrode als Länge l, Breite w und Dicke d dargestellt wird, kann die Induktivität ESL der Elektrode nach F. W. Grover durch die Formel (3) dargestellt werden.
Aus dieser Formel geht hervor, dass die ESL abnimmt, wenn die Kondensatorelektroden kürzer, breiter und dicker werden.
Abbildung 6 zeigt die Beziehung zwischen der Nennkapazität und der Eigenresonanzfrequenz für verschiedene Größen von Keramik-Vielschichtkondensatoren. Es ist zu erkennen, dass mit abnehmender Größe die Eigenresonanzfrequenz steigt und die ESL bei gleicher Kapazität abnimmt. Dies bedeutet, dass kleine Kondensatoren mit einer kurzen Länge l am besten für Hochfrequenzanwendungen geeignet sind.
Abbildung 7 zeigt einen LW-Kondensator mit kurzer Länge l und großer Breite w. Aus den in Abbildung 8 dargestellten Frequenzkennlinien ist ersichtlich, dass LW-Kondensatoren eine niedrigere Impedanz und bessere Eigenschaften als ein herkömmlicher Kondensator derselben Kapazität aufweisen. Durch die Verwendung von LW-Kondensatoren kann die gleiche Leistung wie bei herkömmlichen Kondensatoren mit einer geringeren Anzahl von Einheiten erreicht werden. Die Verringerung der Stückzahl ermöglicht geringere Kosten und einen geringeren Platzbedarf.
4. Wie erhält man Daten über Frequenzmerkmale?
Daten zu den Frequenzmerkmalen können mit einem Impedanz- oder Vektornetzwerkanalysator ermittelt werden, sind aber auch auf den Websites der Hersteller von Bauteilen zu finden.
Abbildung 9 zeigt eine Bildschirmansicht des Design-Tools "SimSurfing" von Murata. Die Merkmale können durch einfache Eingabe der Modellnummer und der zu prüfenden Elemente angezeigt werden. Außerdem können Sie SPICE-Netzlisten und S2P-Daten als Daten für Simulationen herunterladen. Sie können diese für den Entwurf von elektronischen Schaltungen aller Art verwenden.
Seehierfür SimSurfing
Verantwortliche Person: A.S., Geschäftsbereich Komponenten, Murata Manufacturing Co., Ltd.
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