Durchführungskondensatoren

Ein preiswertes Mittel zur HF-Filterung hoher Ströme

8. Juli 2014, 10:15 Uhr | Von George M. Kauffman (NexTek)

Fortsetzung des Artikels von Teil 3

Verlustleistung durch den hochfrequenten Ableitstrom

Als Ableitstrom wird der Strom bezeichnet, der über den Filterkondensator nach Masse fließt. Seine Größe hängt ab von der Kurvenform der Spannung am durchgehenden Leiter und der Kapazität des Kondensators.

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ESR, Strom und Verlustleistung
Bild 4. ESR, Strom und Verlustleistung
© NexTEk

Dazu ein Beispiel: Eine Spannung von 100 Veff mit einer Frequenz von 100 kHz wird an einen 220-nF-Kondensator angelegt. In diesem Fall hat der Kondensator einen Wechselstromwiderstand von 72,3 Ω. Der daraus resultierende Ableitstrom wird dann rund 1,38 A betragen. Den Verlauf des Ersatz-Serienwiderstand (ESR) über der Frequenz für einen typischen Keramikkondensator mit 22 nF verdeutlicht Bild 4. Zunächst sinkt der ESR mit steigender Frequenz. Nachdem er ein Minimum erreicht hat, steigt der Wert des ESR bei Frequenzen ab 10 MHz wieder an. Bei 100 kHz beträgt der ESR des Kondensators etwa 0,12 Ω. Daraus resultiert eine Verlustleistung (I² · ESR) von rund 1,9 W. Für den Fall, dass die Kurvenform der Spannung sehr kompliziert ist, müssen auch die harmonischen Oberwellen betrachtet werden, denn auch diese tragen zur Verlustleistung bei. Dabei müssen alle Beiträge der Oberwellen zur Verlustleistung aufsummiert werden. Nur so kann sichergestellt werden, dass der Kondensator nicht überlastet wird.

Für ein Rechenbeispiel wird ein 220-nF-Kondensator mit einer trapezförmigen Spannung belastet, die in 20 µs auf 300 V ansteigt. Die Haltezeit beträgt 5 µs, danach fällt sie in 1 µs wieder auf 0 V ab. Die Periodendauer beträgt 250 µs. Der Ableitstrom berechnet sich hier mit I = C du/dt zu ca. 3,3 A während des Spannungsanstiegs und rund –38 A während des Spannungsabfalls. Die mittlere Wechselsstromstärke beträgt 1,13 A, der Effektivwert liegt bei 3,0 A. Wegen des Ersatz-Serienwiderstands (ESR) tragen die Oberwellen ebenfalls zur gesamten Verlustleistung bei. Die Verlustleistung (P) jeder Oberwelle kann berechnet werden mit

P = ESR(freq) · I²(freq).

Kumulierte Verlustleistungen.
Bild 5. Kumulierte Verlustleistungen.
© NexTek

Bild 5 zeigt die aufsummierten Beiträge zur Verlustleistung. Die größten Anteile liegen hier im Frequenzbereich unterhalb von 100 kHz. Die Verlustleistung nähert sich asymptotisch der 20-mW-Linie, bleibt aber darunter. Eine Verlustleistung von 20 mW ist für einen großen Durchführungskondensator vernachlässigbar.

Das Beispiel zeigt: Änderungen der Werte des ESR und der Kurvenform der Spannung können große Auswirkungen haben. Deshalb sollten berechnete Werte immer in der Praxis getestet werden. Speziell dann, wenn das Design an die Belastungsgrenze der Filter­elemente geht.


  1. Ein preiswertes Mittel zur HF-Filterung hoher Ströme
  2. Hohe Ströme sind problematisch
  3. Beiträge zur Verlustleistung
  4. Verlustleistung durch den hochfrequenten Ableitstrom
  5. Verhalten bei höheren Temperaturen

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