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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Anfänger in Elektronik: Abblockondensatoren von 100nF nahe am ICs!


Autor: Steven F. (iver)
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Hi an alle,
ich bin Anfänger, was die Elektronik angeht. Ich möchte später mein 
eigenes Mikrocontroller-Board entwerfen. Aber mein Ziel ist es auch 
dabei, ein Gefühl von der Dimensionierung der Schaltungen (Warum der 
Widerstands- oder Kapazitätswert an der Stelle?) zu haben.

Korrigiert mich, wenn ich was falsches sage: da die ICs meistens enge 
Betriebspannungsgrenzen aufweisen, ist es ratsam, nahe an den ICs 
Abblockkondensatoren reinzubauen, um Störungen/Spannungsspitzen 
abzufangen. richtig? Diese Kondensatoren vermeiden die gegenseitige 
Beeinflussung der Teilschaltungen.

Für diese Kondensatoren wird meistens ein Richtwert von 100nF geraten. 
Warum ausgerechnet die 100nF? Wo kommt dieser Wert?

Das sind meistens Kerkos an der Stelle. Macht's etwas aus, wenn ich 
Elkos oder Folienkondensatoren für den Zweck verwende?

Autor: Pete K. (pete77)
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Elkos wirst Du wohl fast nicht in diesem Bereich bekommen. Die haben 
meistens größere Kapazitäten.

Die ICs haben oft einen etwas breiteren Spannungsbereich, allerdings 
geht die Spannung schnell in den Keller, wenn keine Abblockkondensatoren 
eingebaut sind und z.B. eine LED angeschaltet wird. Es geht hierbei um 
die Stabilisierung.

Die 100nF sind Standard und die billigste Variante.

Die meisten anderen Bauteile ergeben sich aus den Datenblättern. Schau 
Dir mal ein Datenblatt von einem Spannungsregler (7805) an. Da wirst Du 
eine Beschaltungsinformation finden mit den entsprechenden 
Kapazitätswerten.

Man richtet sich hier nach dem Hersteller, das ist keine Hexerei :-)

Autor: Johannes M. (johnny-m)
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Steven John wrote:
> Korrigiert mich, wenn ich was falsches sage: da die ICs meistens enge
> Betriebspannungsgrenzen aufweisen, ist es ratsam, nahe an den ICs
> Abblockkondensatoren reinzubauen, um Störungen/Spannungsspitzen
> abzufangen. richtig? Diese Kondensatoren vermeiden die gegenseitige
> Beeinflussung der Teilschaltungen.
Kann man so stehen lassen.

> Für diese Kondensatoren wird meistens ein Richtwert von 100nF geraten.
> Warum ausgerechnet die 100nF? Wo kommt dieser Wert?
Weil der Wert nicht zu groß und nicht zu klein ist. Benutz mal die 
Betreffsuche. Zu dem Thema gab es schon einen ganzen Haufen Beiträge.

> Das sind meistens Kerkos an der Stelle. Macht's etwas aus, wenn ich
> Elkos oder Folienkondensatoren für den Zweck verwende?
Ja, das macht etwas aus. Bei Folienkondensatoren hauptsächlich dem 
Geldbeutel, bei Elkos auch der Schaltung, weil Elkos schlicht und 
ergreifend zu langsam sind (zu hoher ESR).

Autor: Johannes M. (johnny-m)
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Pete K. wrote:
> Elkos wirst Du wohl fast nicht in diesem Bereich bekommen. Die haben
> meistens größere Kapazitäten.
0,1 µF-Elkos sind problemlos zu bekommen...

> Die ICs haben oft einen etwas breiteren Spannungsbereich, allerdings
> geht die Spannung schnell in den Keller, wenn keine Abblockkondensatoren
> eingebaut sind und z.B. eine LED angeschaltet wird. Es geht hierbei um
> die Stabilisierung.
Auch.

> Die 100nF sind Standard und die billigste Variante.
Sind aber i.e.L. deshalb "Standard", weil sie für solche Anwendungen 
so schön passen...

Autor: A. K. (prx)
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Gegen Folienkondensatoren spricht neben monetären Gesichtspunkten auch 
deren Güte. Die etwas spannungsabhängige Kapazität der üblichen Kerkos 
dämpft eine Schwingneigung.

Dass es grad 100nF sind hat mittlerweile wohl recht viel mit Tradition 
zu tun. Weil man eben das seit Jahrzehnten so macht. Ich bin mir nicht 
sicher, ob das wirklich noch der beste Wert ist.

Autor: Michael U. (amiga)
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Hallo,

es ist weniger die enge Spannungstoleranz der ICs, mehr das dynamische 
Verhalten von getakteten Bauteilen. Im Umschaltmoment ziehen die 
durchaus erhebliche Ströme, weil teilweise beide Transistoren einer 
internen Stufe kurz leitend sein können. Das spielt sich im ns oder 
ps-Bereich ab.

Störend sind jetzt vor allem die Induktivitäten der Zuleitung, die 
verhindern, daß dieser Strombedarf schnell genug ausgeglichen werden 
kann und so bricht die Spannung direkt am IC kurz ein (Spikes).
Der Kondensator dicht an den Anschlüssen soll das verhindern.
Damit erklärt sich auch, warum er so dicht wie möglich an den 
Anschlüssen sein soll (kurze Leitung ist damit gemeint) und auch, warum 
Keramikkondensatoren benutzt werden.
Elkos und Folienkondensatoren haben durch den Wickel eine höhere interne 
Induktivität und können den Strom nicht schnell genug liefern.

Es macht auch wenig Sinn, einen Elko mit verhältnismäßig hoher Kapazität 
einzusetzen, es geht ja nur um sehr kurze Impulse.

Die 100nF haben sich meiner Meinung nach historisch so eingebürgert.
Schon zu TTL-Zeiten war es der Standardwert.
Vermutlich würden es auch 50 oder 200nF tun, ich glaube aber, daß in den 
meisten Fällen dazu keine Untersuchungen angestellt werden, weil es die 
100n eben erfahrungsmäßig machen. Zumindest bei Kleinserien und im Hobby 
dürfte das die Regel sein.

Gruß aus Berlin
Michael

Autor: A. K. (prx)
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Michael U. wrote:

> Elkos und Folienkondensatoren haben durch den Wickel eine höhere interne
> Induktivität und können den Strom nicht schnell genug liefern.

Das gilt nur für manche Typen von Folienkondensatoren. Für andere (siehe 
http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:Fo...) 
gilt das nicht.

Autor: Hmm... (Gast)
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> Im Umschaltmoment ziehen die durchaus erhebliche Ströme, weil teilweise
> beide Transistoren einer internen Stufe kurz leitend sein können. Das
> spielt sich im ns oder ps-Bereich ab.

In modernen ICs/MCUs schalten sicher nicht nur 2 Transistoren durch, die 
dabei Strom ziehen ;)

Und die 100nF sind aus oben besprochenen Gründen Kerkos. Dieser muss nun 
beim Umschalten der internen Transistoren/Gatter für einen kurzen Moment 
einen recht hohen Strom liefern. Je größer der Kondensator ist, desto 
mehr Strom kann er über einen 'längeren' Zeitraum liefern. Ich vermute 
100nF waren in der Anfangszeit der größte Wert, der einigermaßen 
preiswert zu bekommen war und hat sich bis heute als gute Wahl 
herausgestellt.

Bei einer Schaltung mit seehr vielen ICs und daher sehr vielen 100nF 
kann das Board im Einschaltmoment deshalb übrigens deutlich mehr Strom 
ziehen als man es nach den Datenblättern der einzelnen ICs erwarten 
würde, die Xx100nF wollen ja auch erstmal aufgeladen werden.Von den 
restlichen, allerdings langsamer aufladenden Elkos ganz zu schweigen.

Autor: Simi (Gast)
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Wichtig ist auch, dass Du das Layout so gestaltest, dass der Strom 
sozusagen am Kondi vorbeifliessen muss.
Oder anders formuliert, so, dass Stromspitzen zuerst vom Kondi 
abgefangen werden, und erst danach von der Zuleitung.

IC+ --------- Speisung +
        ¦
        ¦
       ---
       ---
        ¦
        ¦
IC- ---------Speisung -


Ansonsten: Das mit diesen Abblockkondis ist inzwischen eine Wissenschaft 
für sich. Mit n Fachleuten, die alle zusammen n+34 Meinungen dazu haben 
;-) Bei "grossen" Käfern wie z.B. FPGAs ist das nämlich gar nicht mehr 
so trivial.

Autor: Johannes M. (johnny-m)
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Hmm... wrote:
> Ich vermute
> 100nF waren in der Anfangszeit der größte Wert, der einigermaßen
> preiswert zu bekommen war und hat sich bis heute als gute Wahl
> herausgestellt.
Eher sind 100 nF ein Wert, der eben für die meisten Fälle ausreichend 
bemessen ist und der von der Baugröße her noch gut überall 
unterzubringen ist (z.B. bei IC-Sockeln für Standard-Digital-ICs 
diagonal in der Mitte). Größere Kapazitätswerte führen auch zu größeren 
Bauformen, und ein 330 nF-Vielschicht-Kerko wäre da schon in vielen 
Fällen zu groß.

Autor: A. K. (prx)
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Zu grosse Kapazitäten sind fehl am Platz.

Grössere Kapazität beim Kondensator => kleinere Grenzfrequenz. 
Schnellere Technik => höhere Störfrequenzen. Was also in einer Zeit in 
der Bauteile in Nanosekunden schalteten sinnvoll war, das kann bei 
Transienten im Pikosekundenbereich ungeeignet sein.

Autor: Oszi40 (Gast)
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>0,1 µF-Elkos sind problemlos zu bekommen...

Nebenbei: Elkos trocknen auch mit den Jahren aus. Keramische 
Kondensatoren werden da wohl etwas länger leben wenn sie nicht zufällig 
mechanisch beschädigt werden.

Autor: Michael U. (amiga)
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Hallo,

Hmm... wrote:
>> Im Umschaltmoment ziehen die durchaus erhebliche Ströme, weil teilweise
>> beide Transistoren einer internen Stufe kurz leitend sein können. Das
>> spielt sich im ns oder ps-Bereich ab.
>
> In modernen ICs/MCUs schalten sicher nicht nur 2 Transistoren durch, die
> dabei Strom ziehen ;)

Sicher ist das vereinfacht, erklärt aber meiner Meinung nach das Problem 
halbwegs anschaulich wenn jemand sich z.B. Push-Pull-Endstufen anschaut, 
die in den Datenblättern meist auch nur noch symbolisch dargestellt 
werden.
>
> Und die 100nF sind aus oben besprochenen Gründen Kerkos. Dieser muss nun
> beim Umschalten der internen Transistoren/Gatter für einen kurzen Moment
> einen recht hohen Strom liefern. Je größer der Kondensator ist, desto
> mehr Strom kann er über einen 'längeren' Zeitraum liefern. Ich vermute
> 100nF waren in der Anfangszeit der größte Wert, der einigermaßen
> preiswert zu bekommen war und hat sich bis heute als gute Wahl
> herausgestellt.

> Bei einer Schaltung mit seehr vielen ICs und daher sehr vielen 100nF
> kann das Board im Einschaltmoment deshalb übrigens deutlich mehr Strom
> ziehen als man es nach den Datenblättern der einzelnen ICs erwarten
> würde, die Xx100nF wollen ja auch erstmal aufgeladen werden.Von den
> restlichen, allerdings langsamer aufladenden Elkos ganz zu schweigen.

Das sehe ich dann als Problem an, wenn entweder die Spannungsversorgung 
damit ein Problem bekommt oder die Anstiegsgeschwindigkeit durch die 
Begrenzung der Spannungsversorgung z.B. für Reset-Schaltungen zu langsam 
wird.

Zu TTL-Grab Zeiten warena aber die vielen 100n auch kein wirkliches 
Problem, die Stromaufnahme war sowieso etwas ;-) höher als wir das heute 
gewöhnt sind.

Es war auch nicht unüblich, an allen ICs den 100n einzuplanen und dann 
in der praktischen Bestückung mal so jeden 2. wegzulasssen, weil es in 
der Praxis reichte und Geld sparte...

Gruß aus Berlin
Michael

Autor: Simi (Gast)
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Naja, ich würde nicht sagen, dass die Stromaufnahme heute geringer 
ist...

Immerhin kann ein Prozessor heutzugage Dutzende(!!) von Amperes ziehen! 
Nicht umsonst sind oft die Hälfte (!!) der Anschlusspins für die 
Stromversorgung gedacht.

Man muss im Prinzip folgendes beachten:

Über den gesamten "gefährlichen" Frequenzbereich müssen "Ungleichheiten" 
abgefangen werden. Die ganz langsamen macht der Spannungsregler. Der 
macht für gerade-nicht-mehr-DC-Spannungen Kurzschluss. Aber schon ab 
einigen Hertz wir der nicht mehr kurzschliessen, sondern eine Impedanz 
bilden. Da müssen dann die grossen Töpfe herhalten. Die kommen aber auch 
bald mal wieder hoch mit der Impedanz. Dann kommen eben die 
100nF-Dinger, 10nF-Dinger und 1nF-Dinger (obwohl eine Parallelschaltung 
derartiger Kaskaden sehr gefählich ist --> Resonanzen --> Impedanz ist 
im Arsch), und dann irgendwann in den ganz hohen Frequenzen, wo kein 
Bauteil mehr mithält, die Plane.

Aber eben. Da wurden dicke Bücher dazu geschrieben.

Gruss
Simi

Autor: A. K. (prx)
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Simi wrote:

> Immerhin kann ein Prozessor heutzugage Dutzende(!!) von Amperes ziehen!

Langt nicht. 130W bei ca. 1,2V...

Autor: Hmm... (Gast)
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> Das sehe ich dann als Problem an, wenn entweder die Spannungsversorgung
> damit ein Problem bekommt oder die Anstiegsgeschwindigkeit durch die
> Begrenzung der Spannungsversorgung z.B. für Reset-Schaltungen zu langsam
> wird.

Wenn man den Regler nicht hart am Limit betreibt und die Leiterbahnen 
der Stromversorgung entsprechend breit genug macht seh ich da nicht soo 
das Problem. Das langsame Ansteigen der Versorgungsspannung hingegen 
mögen viele MCUs nicht.

> Zu TTL-Grab Zeiten warena aber die vielen 100n auch kein wirkliches
> Problem, die Stromaufnahme war sowieso etwas ;-) höher als wir das heute
> gewöhnt sind.

Jap, und die haben im Winter für wohlige Wärme gesorgt ;)


> Es war auch nicht unüblich, an allen ICs den 100n einzuplanen und dann
> in der praktischen Bestückung mal so jeden 2. wegzulasssen, weil es in
> der Praxis reichte und Geld sparte...

Ist auch heut oft noch gängige Praxis, Schutzbeschaltung unbestückt zu 
lassen. ;)

Autor: Oszi40 (Gast)
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10 Cent für C gespart und dafür 10 h gesucht?
Es fehlender Stützkondensator kann auch ein ganz häßlicher Fehler sein, 
den man etwas länger sucht.  :-)

Autor: Simi (Gast)
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"Simi wrote:

> Immerhin kann ein Prozessor heutzugage Dutzende(!!) von Amperes ziehen!

Langt nicht. 130W bei ca. 1,2V..."

Hm... ich scheute mich vor dem Wort "hunderte" :-) Aber stimmt schon: 
Über hundert Amps sind's. Erhlich gesagt kann ich nur staunen, wie sowas 
überhaupt funktionieren soll... 1.2V, 100A, und daran wird noch 
fürchterlich rumgerupft. Ganz ganz ehrlich: Vor nicht so vielen Jahren 
hätte ich noch gesagt, dass das schlicht unmöglich sei. :-)

Autor: Hmm... (Gast)
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> 10 Cent für C gespart und dafür 10 h gesucht?
> Es fehlender Stützkondensator kann auch ein ganz häßlicher Fehler sein,
> den man etwas länger sucht.  :-)

Das ist mir durchaus klar :)

Hatte allerdings schon paar mal den Fall das der Einkäufer zum 
Hardware-entwickler meinte "Bist du da nicht etwas überängstlich?" und 
dieser dann diverse Ferrite, Z-Dioden und 100nFs erklären sollte.

Autor: Steven F. (iver)
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Danke für die vielen zügigen ausführlichen Antworten.
Da hab ich was zum Lesen;)

Autor: Norgan (Gast)
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Du kannst übrigens bei den 100nF auch "rückwärts" denken. Da sich die 
100nF als Standard eingebürgert haben, ist dies auch der Wert, mit dem 
Hersteller ihre neuen ICs testen und quantifizieren.

Du kannst daher davon ausgehen, dass ein neues IC schon 100nF 
Kondensatoren in Versuchsaufbauten gesehen hat, bevor der Typ auf die 
Kunden losgelassen wird. Sollte dem Hersteller (zumindest bei seriösen 
Herstellen) dabei etwas aufgefallen sein (geht gar nicht, braucht man 
unbedingt, usw.) wird er das schon ins Datenblatt schreiben.

Zu dem obigen "Vorbeifliess"-Modell:

Das kann bei Leiterbahnführung mit großen Kupferflächen zum Tragen 
kommen, wobei man es dann mit entsprechenden Aufspaltungen in der 
Leiterbahn lösen kann. Dann kommt man wie bei vielen Layout eher auf ein 
Modell wie unten. Eine Vcc Leiterbahn (oder Plane) von der man zum IC 
abzweigt und eine Groundplane von der man zum IC abzweigt (z.B. mit 
einem Via). Ob der Kondensator dann "auf dem Weg" zum Bauteil oder 
hinter dem Bauteil angeschlossen ist, ist egal, er muss nur dicht dran 
sein. Folgendes macht keinen Unterschied, nur dass der Kondensator 
einmal physikalisch vor dem IC,und einmal unter dem IC (e.v. andere 
Platinenseite) liegt. Wichtig ist das der Kondensator separat direkt an 
die Pins angeschlossen ist.
Vcc ----+---------------------------
        |
        |        +------+
        +--------+      |
                /|      |
             +-- |      |
             |   |      |
             |   |      |
            ---  |      |
            ---  |  IC  |
             |   |      |
             |   |      |
             +-- |      |
                \|      |
        +--------+      |
        ¦        |      |
        ¦        +------+
    +---+---------------------------+
    |           GND Plane           |
    +-------------------------------+




Vcc ----+---------------------------
        |
        |        +------+
        +--------+      |
                 |\     |
                 | --+  |
                 |   |  |
                 |   |  |
                 |  --- |
                 |  --- |
                 |   |  |
                 |   |  |
                 | --+  |
                 |/     |
        +--------+      |
        ¦        |      |
        ¦        +------+
    +---+---------------------------+
    |           GND Plane           |
    +-------------------------------+

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