Panasonic Automotive&Industrial Systems Warum ist der Ersatzserienwiderstand bei Elkos so wichtig?

Elektrolytkondensatoren auf einer Elektronikbaugruppe
Elektrolytkondensatoren auf einer Elektronikbaugruppe

Ein falsch gewählter Elektrolytkondensator kann genauso zu einem Systemausfall führen wie ein ASIC oder ein Mikroprozessor. Daher sollte auch bei der Wahl eines Kondensators mit größter Sorgfalt und Aufmerksamkeit vorgegangen werden.

Obgleich mit Polymer- und Hybrid-Polymer-Elektrolytkondensatoren weitere Technologien auf dem Markt sind, entscheiden sich nach wie vor sehr viele Schaltungsentwickler für klassische Elektrolytkondensatoren. Deren Eigenschaften und Betriebsverhalten sind den Entwicklern seit vielen Jahren bekannt. Neben der Vertrautheit mit einer bewährten Technik sorgen zudem lange Genehmigungsprozesse für die Zulassung neuer Technologien sowie der Druck zur Senkung der Materialkosten dafür, dass sich Entwickler für „altbewährte“ Kondensatortypen entscheiden.

Die Firma Panasonic bietet als Kondensatorhersteller eine Vielzahl verschiedener Produkte in allen drei Technologiebereichen an; wahlweise für die Durchsteckmontage (THT) oder für die Oberflächenmontage (SMT). 

ESR: Leichter zu definieren als zu spezifizieren

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

Kommen diese bei Stromversorgungen zum Einsatz, so muss der ESR dort möglichst niedrig ausfallen. Der ESR wirkt sich hier auf den Wirkungsgrad und letztendlich auf die Leistungsaufnahme aus. 

Warum ist der ESR-Wert so wichtig?

Eingangsseitig dienen Elektrolytkondensatoren als u.a. Eingangspuffer, um z.B. das Schaltrauschen eines AC/DC-Wandlers zu minimieren. Am Ausgang eines Wandlers fungieren Elektrolytkondensatoren indes als Filter und Stromsenke für induktive Elemente. 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 am Ausgang sorgt dieser Wert für eine größere Restwelligkeit, was die Stabilität eines Regelkreises beeinträchtigt.

Verschiedene Kondensatorbaureihen sind deshalb speziell für einen niedrigen ESR-Wert konzipiert: Dieser Wert ist in jedem Datenblatt aufgeführt, allerdings legen die Hersteller von Aluminium-Elektrolytkondensatoren dem ESR-Wert unterschiedliche Messbedingungen zugrunde. Häufig wird der Wert bei 25 °C und 100 kHz ermittelt, so dass der Schaltungsentwickler mit einer Formel den tatsächlichen Wertes bei der Betriebsfrequenz erst ermitteln muss. Einige Hersteller spezifizieren den ESR bei 120 Hz, und andere liefern dem Schaltungsentwickler nur Angaben, mit denen er den Wert für eine gewünschte Frequenz mithilfe des Verlustfaktors (tan δ) und des spezifizierten maximalen Rippelstroms errechnen kann. 

Bei Kondensatoren mit vergleichbarer Größe und identischem CV-Wert besitzen Kondensatoren verschiedener Hersteller in der Regel dann niedrigere ESR-Werte, wenn man einen Bausteintyp mit  höherer Kapazität und niedrigerer Nennspannung auswählt. Der ESR ist außerdem geringer bei Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit langer Bauform und dünnem Gehäuse, da der Widerstand der Folie dort niedriger ausfällt. Es können zudem mehrere kleinere Bauelemente parallel geschaltet werden, um einen geringeren Hochfrequenz-ESR-Wert zu erhalten, was aber zulasten der Platinenfläche geht.