Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Puffer-C: Tantal statt Elko?


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von Alex C. (tuxedo0801)


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Hallo zusammen,

Auf einer etwas beengten Relais-Platine brauche ich wegen der 
schwachbrüstigen Spannungsquelle (die ich nicht ändern kann) rund 6000uF 
Puffer-Cs bei einer Spannung von 5V. Die Puffer-Cs kann ich auch nicht 
auslagern. Die müssen auf die Platine, welche ich auch nicht größer 
machen kann.

Normalerweise würde ich hier anständige Elkos nehmen. Aber ich hab den 
Platz nicht.

So ein Relais (bistabil) will einen mind. 50ms Schaltimpuls.

Wie schaut das aus wenn ich hier sechs Stück SMD Tantal mit je 
1000uF/6.3V verbaue? Was für Effekte/Probleme können auftreten?

 Bin nicht so firm was Tantals angeht, erst Recht nicht wenn es 
"winzige" SMDs sind. Mein Bauchgefühl sagt Elko, der Platz auf der 
Platine sagt Tantal.

Wenn Tantals gar nicht gehen muss ich die Anzahl der Relais/ Ausgänge 
reduzieren um Platz zu schaffen. Aber das würde ich gerne vermeiden...

Gruß Alex

von Der Andere (Gast)


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Früher waren Tantals berücktigt dafür, daß sie gerne mal einen satten 
Kurzschluss gemacht haben oder einfach angefangen haben abzufackeln. Und 
sie waren nicht impulsfest, was aber bei deiner "schwachbrüstigen" 
Stromversorgung ja kein Problem wäre.
Ich weiss nichtinwiefern moderne Tantals diese Probleme nicht mehr 
haben.
Kommt auch auf die Bauform an.
Siehe dazu: https://de.wikipedia.org/wiki/Tantal-Elektrolytkondensator

von Axel R. (Gast)


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Da gibt es sicher mittlerweiel Ersatztypen, sodass man auf Tantal gut 
verzichten kann.
Wie wäre es mit einem sog. "Bestcap" von AVX?
Diese werden gern bei PC-Card/GSM Modems zum Puffern der Betriesspannung 
eingesetzt. 50.000µF/5.5V ungepolt mit 50mR Innenwiderstand.

Hier ein 6.800µF/15V mit 500mOhm, 20x15mm Abmessungen:
http://www.digikey.com/product-detail/en/avx-corporation/BZ05FB682ZSB/478-6277-ND/2506249

Tantal würde ich meiden.
Es gibt auch noch andere Festkörperelektrolytkondensatoren, da bin ich 
aber nicht auf dem laufenden.

StromTuner

von Alex C. (tuxedo0801)


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Das BestCap Teil schaut mal nicht schlecht aus. Leider krieg ich auch 
das Abmessungsmäßig nicht unter. 20x15mm gingen noch auf der Unterseite 
wenn ich quetsche, aber 5,8mm Höhe sind exakt 0,8mm zu viel.

Hab vier Stellen wo ich einen 8x8mm Elko unterbringen könnte. Aber in 
der Höhe hab ich nur 14mm zur Verfügung.
Hab einen fünfte Stelle wo ebenfalls 8x8 Elko möglich wäre, aber hier 
kann ich mir immerhin 16mm in der Höhe leisten.
Auf der Platinenunterseite hab ich gut 5mm Platz in der Höhe.

Bei Digikey hab ich im Reich der Elkos da nichts passendes gefunden um 
die Gesamtkapazität von ca. 6000µF zu erreichen (8x8mm und rund 1500µF 
sind irgendwie 17,5mm hoch), deshalb die Idee mit den SMD Tantals. Die 
sind von der Aufbauhöhe so flach dass ich sie unter die Platine packen 
könnte. Und auch auf der Platine könnte ich an den für Elkos gedachte 
Stellen die Tantals unter bringen.

Hat jemand "aktuelles" Wissen um Tantals? Was spricht definitiv dagegen? 
Ich brauch keine super schnellen Schaltimpulse. Um das Relais zu 
schalten reichen mir 60ms.
In Summe hab ich 8 Relais, welche aber nicht gleichzeitig, sondern per 
Software nacheinander angesteurt werden. Worst-Case-Szenario wäre eine 
Schaltfrequenz von gerade mal 8Hz. Und das auch nur für einen Moment 
(beim Einschalten um die Relais in einen definierten Zustand zu bringen) 
und nicht im Dauerbetrieb.

Was mich halt skeptisch macht: Die SMD Tantals sind im Vergleich zu den 
Elkos winzig. Gleiche Kapazität auf viel engerem Raum. Das wird doch 
einen nennenswerten Nachteil haben (außer das abfackeln?!).

Gruß
Alex

von Mampf F. (mampf) Benutzerseite


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Alex C. schrieb:
> Das wird doch
> einen nennenswerten Nachteil haben (außer das abfackeln?!).

Manches wird auch einfach weiterentwickelt ... Hab mich auch noch nicht 
an MLCC gewöhnt, die es zB mit 47µF im 0805er SMD Package gibt :)

von Alex C. (tuxedo0801)


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Je mehr ich mich einlese, desto sympathischer wird mir das Ganze.

Wenn man dem Wikipedia-Artikel glauben schenken darf, dann fackeln die 
maximal dann ab, wenn sie "überlastet" werden (klingt logisch...).

Was das genau heißt steht da nicht. Aber entweder

* man gibt mehr Spannung drauf als er kann, d.h. ich hätte den falschen 
Typen gewählt oder die Schaltung läuft Amok --> Lässt sich vermeiden

oder

* Man betreibt ihn außerhalb der zulässigen Temperatur --> Lässt sich 
für meinen Zweck sehr gut vermeiden

oder

* man lädt oder entlädt zu schnell (Lade/Entladestrom)?!
oder
* generell zu hohe Lade/Entlade-Frequenz

Die Lade/Entladefrequenz ist mit meinen max. 8 Hz sicherlich unkritisch.

Und der Lade/Entladestrom... nun ja... Ein Relais zieht 119mA@5V für 
50..60ms. Das ist auch nicht wirklich viel. Wenn man mal ein Datenblatt 
zu rate zieht (z.B. 
http://www.mouser.com/ds/2/212/KEM_T2005_T491-533941.pdf), dann hat so 
ein Tantals SMD Chip bei 1000µF/6.3V und 100kHz@25°C einen max. 
RippleCurrent von 524mA.

An die 100Khz komm ich bei weitem nicht ran. Und an die 524mA schon gar 
nicht.

Bin jetzt nach wie vor nicht der Tantal-Profi. Aber das klingt für mich 
als sollte das zuverlässig funktionieren, ohne abzufackeln.

Oder hat hier noch jemand nen Punkt anzumerken den ich übersehen habe?!

Gruß
Alex

von RassistenRaus (Gast)


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Alex C. schrieb:
> Oder hat hier noch jemand nen Punkt anzumerken den ich übersehen habe?!

Ja eben den daß Tantals anfangen können zu brennen. Andere Elkos oder 
MLCCs machen einen Kurzschluss (darum sorgt sich dann die Sicherung) 
oder platzen und sauen dabei alles ein, aber es entsteht kein Brand.

von Helmut L. (helmi1)


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Kannst du nicht die Spannung am Elko erhoehen? Die Energie die ein 
Kondensator speichert ist linear zur seiner Kapazitaet aber quadratisch 
zur seiner Spannung.

E = (U^2 * C) / 2

Dahinter dann einen kleiner Schaltregler der dir 5V erzeugt. So kannst 
du mehr Energie speichern und hast eine konstante Spannung. Die 
Baugroesse der Elkos nehmen ja nicht ebenfalls quadratisch zu mit 
hoehere Spannung.

von Uwe B. (Firma: TU Darmstadt) (uwebonnes)


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Mampf F. schrieb:
> MLCC gewöhnt, die es zB mit 47µF im 0805er SMD Package gibt :)

Und wieviele µF bleiben bei angelegter Spannung uebrig?

von Axel R. (Gast)


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von eagle user (Gast)


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Alex C. schrieb:

> entweder
>
> * man gibt mehr Spannung drauf als er kann, d.h. ich hätte den falschen
> Typen gewählt oder die Schaltung läuft Amok --> Lässt sich vermeiden

naja, traditionell würde man für 5V keinen 6.3V-Tantal einsetzen, das 
reduziert die Lebensdauer deutlich.

> * man lädt oder entlädt zu schnell (Lade/Entladestrom)?!

wie ist die Daumenregel 3 Ohm/Volt gemeint? Dein Netzteil hat sicher 
keine 15 Ohm Innenwiderstand sondern ein Ausgangs-C. Ich fürchte, deine 
6000uF helfen auch nicht viel, weil bei zu hohem Ladestrom zuerst eine 
winzig kleine Stelle im schwächsten Tantal zerstört wird (ist das so?).

> Und der Lade/Entladestrom... nun ja... Ein Relais zieht 119mA@5V

kritisch ist nur der Ladestromstoß, wenn das Netzteil schon 
eingeschaltet ist und du es dann mit der Relais-Platine verbindest.

> An die 100Khz komm ich bei weitem nicht ran.

Bei Al-Elkos ist der erlaubte RippleCurrent bei niedriger Frequenz 
niedriger :)

> Oder hat hier noch jemand nen Punkt anzumerken den ich übersehen habe?!

Ja, im Zweifelsfall nimmt man heute bei kleinen Spannungen 
Polymer-Tantals. Die wurden eigentlich zwecks besserem ESR erfunden, 
aber der Rest ist auch besser (bis auf Leckstrom und max. Temperatur). 
Vor allen können sie nicht so spektakulär abbrennen, weil sie keinen 
eigenen Sauerstoff mitbringen. Der Angstabstand 
Betriebsspannung/Nennspannung kann von 50% auf 80-90% verbessert werden, 
die Lebensdauer ist höher. Auf jeden Fall kann kein Elektrolyt 
austrocknen wie bei Al-Elkos. Die besseren Typen sind zu 100% auf hohe 
Ladeströme getestet.

von Ernst O. (ernstj)


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Alex C. schrieb:
> aber 5,8mm Höhe sind exakt 0,8mm zu viel.

mal ganz dumm gefragt: wie dick ist deine Platine? kann die noch dünner 
werden?

von Mani W. (e-doc)


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Alex C. schrieb:
> rund 6000uF
> Puffer-Cs bei einer Spannung von 5V

Man darf natürlich nicht erfahren den Schaltplan oder die Funktion?

Der Andere schrieb:
> Früher waren Tantals berücktigt dafür, daß sie gerne mal einen satten
> Kurzschluss gemacht haben oder einfach angefangen haben abzufackeln.

Unterschreibe ich!

von Manfred (Gast)


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Alex C. schrieb:
> Wenn man dem Wikipedia-Artikel glauben schenken darf, dann fackeln die
> maximal dann ab, wenn sie "überlastet" werden ..
> Was das genau heißt steht da nicht.
Tantals mögen keine hohen Ströme (Impulse) - hier werden die nicht mehr 
eingesetzt.

von Mani W. (e-doc)


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Manfred schrieb:
>> Was das genau heißt steht da nicht.

Stichflamme und Brandgefahr!...

von Georg (Gast)


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Manfred schrieb:
> Tantals mögen keine hohen Ströme (Impulse)

Ich erinnere mich an das gleiche, nur etwas anders formuliert: der 
Einsatz von Tantals an Spannungsquellen mit niedrigem Innenwiderstand 
ist ein schwerer Konstruktionsfehler.

Meine Steuerungen hatten extrem geringe Ausfallraten, aber der einzige 
mehrmals aufgetretene Ausfallgrund waren explodierte Tantals an der 
+-12V-Versorgung, und damit der Ausfall der V24-Anschlüsse.

Georg

von Manfred (Gast)


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Georg schrieb:
> Ich erinnere mich an das gleiche, nur etwas anders formuliert: der
> Einsatz von Tantals an Spannungsquellen mit niedrigem Innenwiderstand
> ist ein schwerer Konstruktionsfehler.
Deine Formulierung ist besser zu verstehen. Es habe Datenblätter 
gesehen, wo die Anzahl der Schaltzyklen gegen Ri der Versorgung 
dargestellt wurde.

> Meine Steuerungen hatten extrem geringe Ausfallraten, aber der einzige
> mehrmals aufgetretene Ausfallgrund waren explodierte Tantals an der
> +-12V-Versorgung, und damit der Ausfall der V24-Anschlüsse.
Tantaltropfen hatte Blaupunkt noch in den 80er-Jahren in Autoradios, die 
dann nach ein paarmal Ab- und Anklemmen ohne ersichtlichen Grund die 
Sicherung warfen.

Wir hatten die Dinger als Koppel-Cs in Verstärkern, da passierte nichts 
- außer, dass die gelegentlich durch Funkelrauschen auffielen. 
"Klasssiche" Elkos wurden besser, so dass man sich auch dort von Tantal 
getrennt hat.

Es wird noch keine 15 Jahre her sein, dass ein deutscher Hersteller 
professioneller Router Tantals auf der Versorgung hatte, die zum Teil 
bereits in der Fertigungsprüfung abflogen. Sie wurden durch Tantals 
höherer Spannungsfestigkeit ersetzt und der Entwickler war beleidigt, 
als ich ihn Dilletant tituliert habe - auch diese flogen nämlich weg.

Was mir unklar ist, ist die aktuelle Lage: Hat sich das gebessert oder 
lässt man immer noch die Finger von Tantal weg?

von batman (Gast)


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Um Tantal (Coltan) werden Kriege geführt. Wie man häufig in der Presse 
erfährt, ist es geradezu lebensnotwendig für die moderne 
Kommunikationsgesellschaft.

von Matthias X. (current_user)


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Wie bist du auf die 6000µF gekommen? Hast du bei dem 50ms Puls beachtet, 
dass die Induktivität der Relaisspule für einen langsam ansteigenden 
Strom sorgt? Vielleicht ist die Induktivität ja groß genug dass du mit 
einem weniger Kapazität auskommst?

von Axel R. (Gast)


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die X-CON Kondensatoren gehen gut dafür. 6mF halte ich auch für 
übertrieben. Die Bestcap vn AVX(Bspsw.) werden gern in kleinen 
Applikationen eingesetzt, wo es auf hohe Impulsströme ankommt.
Ich verlinke da gern nochmal hin:
http://catalogs.avx.com/BestCap.pdf
Such Dir aus diesem Sortiment was kleines aus und teste erst einmal, was 
Du tatsächlich brauchst!°
Tantals hier:
http://www.vishay.com/docs/40134/592w.pdf

von Alex C. (tuxedo0801)


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So, melde mich mal wieder zu Wort.

> mal ganz dumm gefragt: wie dick ist deine Platine? kann die noch dünner
werden?

1,6mm. Und dabei sollte es - auch aus mechanischen gründen - bleiben.

> naja, traditionell würde man für 5V keinen 6.3V-Tantal einsetzen, das
reduziert die Lebensdauer deutlich.

Und wie verhält sich die Lebensdauer wenn ich dir 5V mit +-0,2V 
garantieren kann?

> Man darf natürlich nicht erfahren den Schaltplan oder die Funktion?

Ich bin nicht davon ausgegangen dass ich groß erklären muss was ich mit 
einer Relaisplatine, auf der aktuell 8 Relais vorgesehen sind, anstellen 
will.

Die Platine besteht auch 8 bistabilen Relais, ULN2803 sowie einem I2C 
PortExtender. Angesteuert wird über eine separate Mikrocontrollerplatine 
via I2C. Und da kommt auch die Betriebsspannung her. D.h. ich muss damit 
leben was die Mikrocontroller-Platine mir liefert.

Und damit sind wir auch schon bei

> 6mF halte ich auch für übertrieben.

Meine gegebene, nicht veränderbare/austauschbare/modifizierbare 
Spannungsversorgung liefert 5V@50mA(max). Das ist für ein Relais mit 
120mA Spulenstrom einfach gesagt "schwachbrüstig". Da ich aber keine 
hohen Schaltfrequenzen hab, krieg ich das mit einem Pufferkondensator in 
den Griff.

Das ganze ist nicht allein auf meinem Mist gewachsen. Die Schaltung ist 
mehr oder weniger ein "Nachbau" eines existierenden Geräts das mit der 
selben Spannungsquelle arbeitet und das nahezu identische Relais 
verwendet.

Die rund 6000µF ergeben sich aus den 400mW des Relais und den 60ms (50 
sagt das Datenblatt brauch ich Minimum) für den Schaltvorgang. Komme 
hier rechnerisch auf 5330µF. Noch etwas "Angstpuffer" oben drauf und ich 
bin bei 6000µF.

Und damit das alles nicht nur Theorie ist: Ich habs praktisch auf dem 
Steckbrett ausprobiert: mit 5000-6000µF läuft das ganze stabil. Mit 
4000µF stürzt der µC noch nicht ab, aber man sieht den "Einbruch" 
bereits an den LEDs auf der µC Platine, welche für einen sehr kurzen 
Moment ein ganzes Stück dunkler leuchten-

Nun aber wieder zurück zum Thema:

* Gesetz dem Fall ich kann die 5V ziemlich stabil halten (und kratze nie 
an der 6V Marke): Reicht ein 6.3V Elko/Tantal oder muss ich auch dann 
Angst vor einem frühzeitigen Ausfall haben? Immerhin hab ich mit 6.3V 
rund 20% "Puffer" bei meiner 5V Versorgung.

von Manfred (Gast)


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Alex C. schrieb:
> Und wie verhält sich die Lebensdauer wenn ich dir 5V mit +-0,2V
> garantieren kann?
Ich nehme an, die Quelle ist eine geregelte Gleichspannung, da hätte ich 
keine Bedenken, 6,3V einzusetzen.

> Reicht ein 6.3V Elko/Tantal oder muss ich auch dann
> Angst vor einem frühzeitigen Ausfall haben?
Tantal hat auf einer Versorgungsleitung nichts zu suchen, das wurde 
schon hinreichend diskutiert. Da Du nur einem Relais seinen 
Einschaltstrom puffern willst, tut es jeder beliebige Elko.

Über das Konzept an sich, 120mA-Relais an 50mA-Versorgung, hüllen wir 
lieber den Mantel des Schweigens.

von Joachim B. (jar)


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Manfred schrieb:
> Tantal hat auf einer Versorgungsleitung nichts zu suchen

sehe ich auch so, wenn überhaupt Tantal, dann dort wo ich die 
Wickelinduktivität von AL-Elkos nicht gebrauchen kann, z.B. in DC 
Trennung bei Verstärkerstufen.
Habe trotzdem keine Tantal benötigt.

von Kongomueller (Gast)


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> 5V ziemlich stabil
> Reicht ein 6.3V Elko/Tantal

Noe.
Das macht irgendwann mal WUFFFF.

16 V waern wohl OK.

von Axel R. (Gast)


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Dem µC eine Shottkydiode und 220µF zu spendieren, wäre doch mal eine 
Maßnahme. Dann wäre der vom Spannungseinbruch (mehr oder weniger) 
entkoppelt?

StromTuner

von Alex C. (tuxedo0801)


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Manfred schrieb:
> Da Du nur einem Relais seinen
> Einschaltstrom puffern willst, tut es jeder beliebige Elko.

... die ich aus Platzgründen nicht einsetzen kann. Steht gleich im 
ersten Post.

>
> Über das Konzept an sich, 120mA-Relais an 50mA-Versorgung, hüllen wir
> lieber den Mantel des Schweigens.

In der KNX Welt (jetzt ist die Katze aus dem Sack) ist das leider nun 
mal so, dass du nur begrenzt Strom vom Bus bekommst. Exakt die von mir 
genannten Rahmenbedingungen haben vielleicht hunderte KNX 
Gerätehersteller auf der Welt (gleicher KNX Chipsatz, gleiche 
Beschaltung, ...) und da haut das prima hin. Und wie diverse 
geöffnete/begutachtete Relais-Aktoren beweisen: Hier wird auch nur mit 
Wasser gekocht. Und wo man hinschaut: Puffer-Elkos um die 6000µF.
Einziger Unterschied: Die packen weniger Relais rein und haben damit 
mehr Platz für dicke Elkos.

Meine finale Lösung (ist ja nur ne private Kleinserie für den 
Eigenbedarf) wird nun wie folgt aussehen:

Try & Error ... Die Platine für für 8 Relais + Tantals, sowie für 6 
Relais + Alu-Elkos ausgelegt. Haut das mit den Tantals hin: Passt.
Raucht da ein Tantal vorzeitig ab, muss ich nicht den ganzen Satz 
Platinen in die Tonne kloppen, sondern kann mit weniger Relais und 
Alu-Elkos weiter machen.

von Der Andere (Gast)


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Alex C. schrieb:
> Raucht da ein Tantal vorzeitig ab

Ich glaube du verkennst das ein bischen. Der stößt nicht einfach ein 
bischen Qualm aus und zerbröselt, sondern der brennt, und zwar unter 
Umständen ziemlich heftig und heiß.
Wenn du die Platinen in eine Hohlraumdose in eine Holzständerwand 
packst, oder sonst brennbares in näherer Umgebung ist, dann hast du 
eventuell ein anderes Problem als den restlichen Satz deiner Platinen. 
Die ist dann nämlich mit deiner Wohnung mit abgefackelt.

von Axel R. (Gast)


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der µC muss nicht mit 5Volt laufen!

(das wäre ja mal eine Herausforderung, der ich mich gern stellen würde)
"KNX", schade - kommt etwas spät, die Info. Hätte man sich enlesen und 
was zu beitragen können.
das ist übrigens diese "SLAMITAKTIK", die ich letztens "bereimt" hatte.

StromTuner

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