Schaltungspraxis Leckstromarme Tantal- und NbO-Kondensatoren

Bild 1. Temperaturabhängigkeit des Leckstroms bei Tantal- und Nioboxid-Kondensatoren
Bild 1. Temperaturabhängigkeit des Leckstroms bei Tantal- und Nioboxid-Kondensatoren

Der Leckstrom von Tantal- und Nioboxid-Kondensatoren setzt sich zusammen aus dem Dielektrikums-Absorbtionsstrom und dem Fehlerstrom, der auf Verunreinigungen und Ungleichmäßigkeiten des Dielektrikums zurückzuführen ist. Obgleich der Leckstrom eines Kondensators sehr klein gegenüber den auftretenden Betriebsströmen ist, wirkt sich diese Einflussgröße vor allem bei batteriegespeisten Anwendungen nachteilig aus. Dort hat sie direkten Einfluss auf die Standzeit der Batterie.

Viele mobile Geräte werden durch 3,7-V-Lithium-Ionen-Akkus gespeist. In solchen Geräten dienen Kondensatoren zu unterschiedlichen Zwecken: zum Erhalt von Daten und Einstellungen während eines Batteriewechsels oder beim Abtrennen des Ladegeräts; zum Glätten der Spannungs- und Stromspitzen beim Einsetzen der Batterie und beim Anschließen/Abtrennen des Ladegeräts; und als Energiespeicher zur Unterstützung der Batterie bei kurzzeitigen Stromspitzen.

Anforderungen an den Kondensator

Die Kapazität des Pufferkondensators liegt meist im Bereich von 22 bis 220 µF. Weiterhin werden von diesem Kondensatortyp hervorragende elektrische Eigenschaften bei niedrigen und sehr hohen Temperaturen verlangt, so dass dafür erfahrungsgemäß Tantal- und Nioboxid-Kondensatoren den Vorzug erhalten. 

Die Standby-Leistungsaufnahme muss minimiert werden, um die Batterie-Standzeit zu maximieren. Dabei müssen sowohl aktive als auch passive Bauteile betrachtet werden, und da der Leckstrom des Pufferkondensators – wie bereits erwähnt – der Batterie Energie entnimmt, muss auch dieser reduziert werden. Für die Minimierung des Leckstroms spielt die Auswahl des richtigen Kondensatortyps eine wichtige Rolle. Die verschiedenen Kondensatorserien von AVX unterscheiden sich (u. a.) hinsichtlich der  Leckstrom-Spezifikationen (DCL). Die nachfolgenden Gleichungen 1 bis 3 gelten für den Betrieb mit Nennspannung bei 20 °C Umgebungstemperatur:

Gleichung 1: TAJ-Serie (Standard-Tantal): DCL = 0,01 x C x Vr,

Gleichung 2: TRJ-Serie (Profi-Tantal): DCL = 0,0075 x C x Vr,

Gleichung 3: NOJ-Serie (Nioboxid): DCL = 0,02 x C x Vr,

wobei C = Nennkapazität und Ur bzw. Vr = Nennspannung

Die Kondensatoren der professionellen Tantal-Serie TRJ haben – unter gleichen Einsatzbedingungen – einen kleineren Leckstrom als die Standard-TAJ-Produkte. Die Nioboxid-Kondensatoren der Serie NOJ OxiCap haben einen größeren Leckstrom. Wie aus den Bildern 1 und 2 hervorgeht, sind die Leckströme in hohem Maße von der Umgebungstemperatur und der Betriebsspannung abhängig. Deshalb müssen diese beiden Größen unbedingt bei der Berechnung des in der Praxis zu erwartenden Leckstroms berücksichtigt werden.

Insbesondere die Tantalkondensatorserie TAJ-*LE wurde speziell für leckstromkritische Anwendungen entwickelt und übertrifft die in Gleichungen 1 bis 3 angegebenen DCL-Spezifikationen; durch Verringern der Betriebsspannung lässt sich der Leckstrom noch weiter reduzieren.