Hallo zusammen,
Ich verwende einen PI3301 Buck-Konverter (24V->3,3V). Im Datenblatt
werden spezifische Werte für die Ausgangskondensatoren empfohlen:
4x100uF, 2x1uF, 1x0.1µF.
Nun ist meine Frage, warum empfehlen sie die drei kleineren 1uF- und
0,1uF-Kondensatoren neben den riesigen 100uF? Wenn man Kondensatoren
parallel platziert, summieren sich die Kapazitätenauf, sodass die
kleinen Cs kaum zum Endwert beitragen, da die 100 uF-Caps 100/1000-mal
stärker sind.
Dienen diese kleinen Kondensatoren einem anderen Zweck oder könnte man
diese im Design weglassen? Ich habe solche kleinen Kondensatoren
parallel zu großen Kondensatoren schon in verschiedenen Schaltungen und
anderen Anwendungen gesehen, wofür sind sie im Allgemeinen gut?
Da Elkos gewickelt sind haben sie eine beträchtliche Induktivität. Sie
eignen sich daher nur bedingt für sehr hohe Frequenzen. Je kleiner die
Kapazität ist, umso geringer auch die Induktivität. Durch die
Kombination deckt man unterschiedliche Frequenzbereich ab. Außerdem
reduziert die Parallelschaltung den Innenwiderstand.
Tau = R x C
Kleine Kondensatoren sind schneller. Sie geben ihre Ladung schneller ab
und puffern daher besonders schnelle und kurzzeitige
Spannungsänderungen, während die großen Kondensatoren das etwas
langfristiger machen (also kleine und vor allem längere
Spannungsänderungen).
nkelec schrieb:> Wenn man Kondensatoren parallel platziert, summieren sich die> Kapazitätenauf ...
... und die Leitwerte der ESRs ebenfalls. Das ist mit ein Grund für die
Parallelschaltung.
Lutz schrieb:> Tau = R x C> Kleine Kondensatoren sind schneller. Sie geben ihre Ladung schneller ab> und puffern daher besonders schnelle und kurzzeitige> Spannungsänderungen, während die großen Kondensatoren das etwas> langfristiger machen (also kleine und vor allem längere> Spannungsänderungen).
Mit tau hat das aber überhaupt nix zu tun sondern mit ESL und ESR
Hallo,
> Stefanus F. schrieb:> Da Elkos gewickelt sind haben sie eine beträchtliche Induktivität.
das ist zwar richtig, aber am Ende gar nicht so relvant.
> eignen sich daher nur bedingt für sehr hohe Frequenzen.
Um es klar zu sagen: Für sehr hohe Freqenzen (>1GHz) sind die völlig
untauglich, für hohe Frequenzen (>100MHz) auch, für mittlere Frequenzen
(>1MHz) nur bedingt.
Aber für niedrige Frequenzen (bis paar zehn kHz) sind sie gut einsetzbar
und oft alternativlos, wegen des sehr guten Verhältnisses von Baugroße
zu Kapazität
> Je kleiner die Kapazität ist, umso geringer auch die Induktivität.
Das ist eine Bauernweißheit, die dann aber oft nicht stimmt, weil
Verallgemeinerungen nur dann gültig sind, wenn die Randbedingungen sich
nicht akut ändern. Beim Elko gibt es da aber bauartbedingt noch etwas
ganz wesentliches zu beachten.
Beim Elko ist es nämlich so, dass das Dielektrikum zwar eine hauchdünne
Eloxalschicht ist, aber die Elektroden erst duch das Elektrolyt wirksam
werden.
https://www.elektroniknet.de/elektronik/e-mechanik-passive/das-1-x-1-fuer-entwickler-134112.html
Da aber Ionenleitung in einer Flüssigkeit um einige Größenordnungen
langsamer ist und damit vergleichsweise elendig lahmer, als die
Elektronen-Leitung in Metallen, kann man sich vorstellen, dass die
Ladungsträger schon deshalb recht träge fließen, unabhängig von der
Induktivität der gewickelten Folien. Dazu kommt der vergleichsweise hohe
Innenwiderstand des Elekrolytes (Reibung der Ionen in der Flüssigkeit).
Der Wert der Kapzität ist ansonsten kein wirkliches Kriterium für den
Einsatzbereich eines Kondensators. Die Induktivität kann bei gleicher
Größe und Kapzität auch locker um das hundertfache variieren.
Vielemehr kommt es auf die konkrete Bauart an
-> Wickelkondendsatoren vs. Multilayer-Kondensatoren (z.B. MLCC).
https://en.wikipedia.org/wiki/Ceramic_capacitor#Multi-layer_ceramic_capacitors_(MLCC)
Z.B. Folien-C gibt es klassisch als Wickel-C, aber auch als
Multilayer-C. Die Eigenschaften sind gerade bezüglich Induktivität und
sehr unterschiedlich.
> Durch die Kombination deckt man unterschiedliche Frequenzbereich ab.
Ja, auch sehr unterschiedliche Kapazitätsbereiche (in Abhängigkeit der
Frequenz).
> Außerdem reduziert die Parallelschaltung den Innenwiderstand.
Ds stimmt zwar, ist wäre aber bei einem Verhältnis des ERS von 1:1000
ziemlich nebensächlich und liegt weit innerhalb der Toleranz der Kond.
Gruß Öletronika
U. M. schrieb:> Ds stimmt zwar, ist wäre aber bei einem Verhältnis des ERS von 1:1000> ziemlich nebensächlich und liegt weit innerhalb der Toleranz der Kond.
Auf den ESR wirkt sich hauptsächlich die Parallelschaltung mehrerer
gleicher Kondensatoren aus ("4x100uF") und das auch nur in dem
Frequenzbereich, für den diese Kondensatortyp "zuständig" ist.
Vielen Dank für diese aufschlussreichen Antworten.
Ich fasse diese im Folgenden kurz zusammen:
Kondensatoren verhalten sich in der Praxis nicht ideal, da aufgrund der
Bauweise parasitäre Widerstände und Induktivität auftreten - Ein realer
Kondensator kann als Reihenschaltung aus R - C - L modeliert werden.
- Kleinere Kondensatoren, haben eine kleinere RC Zeitkonstante und
können dadurch schneller geladen/entladen werden und eignen sich daher
grundsätzlich besser für hohe Frequenzen
- Die parasitäre Induktivität kann je nach Bauart um mehrere
Grössenordnungen variieren, und ist hauptsächlich bei hohen Frequenzen
relevant (Induktivität wirkt dort als "Widerstand")
- Bei Elkos hat der gebremste Ladungsfluss (Ionen vs. Elektronen) einen
wesentlichen Einfluss auf das Verhalten bei hohen Frequenzen (sogar
stärker als parasitäre Induktivität aufgrund der Wicklungen)
- Durch die Parallelschaltung der parasitären Widerstände (ESR) wird der
Leitwert insgesamt erhöht
- Durch die Parallelschaltung grosser und kleiner Cs kann man
verschiedene Frequenzbereiche abdecken
nkelec schrieb:> - Kleinere Kondensatoren, haben eine kleinere RC Zeitkonstante und> können dadurch schneller geladen/entladen werden und eignen sich daher> grundsätzlich besser für hohe Frequenzen
Die Folgerung stimmt nicht.
Die anderen Aussagen sehen gut aus.
Dussel schrieb:> nkelec schrieb:>> - Kleinere Kondensatoren, haben eine kleinere RC Zeitkonstante und>> können dadurch schneller geladen/entladen werden und eignen sich daher>> grundsätzlich besser für hohe Frequenzen> Die Folgerung stimmt nicht.>> Die anderen Aussagen sehen gut aus.
Könntest du vieleicht erklären, warum die Aussage nicht stimmt?
Kleinere Kondensatoren (bezogen auf die Kapazität) haben natürlich eine
kleinere Zeitkonstante und können schneller ge- oder entladen werden.
Das stimmt natürlich.
Sie sind aber nicht deshalb besser für hohe Frequenzen geeignet. Rein
von der Kapazität her gesehen ist ein großer Kondensator besser
geeignet. Die Impedanz (der Wechselstromwiderstand) sinkt mit steigender
Kapazität. Das heißt, ein großer Kondensator hat eine geringere Impedanz
als ein kleinerer und ist deshalb besser geeignet.
Die Nachteile überwiegen allerdings die Vorteile durch die Kapazität,
weshalb kleinere Kondensatoren trotzdem bei hohen Frequenzen besser
sind.
Oder anders ausgedrückt. Aufgrund der kleineren Zeitkonstante eignen sie
sich besser für höhere Frequenzen.
Die kleinere Kapazität ist nur ein eigentlich unerwünschter Nebenefekt
den man in Kauf nimmt.
Alex G. schrieb:> Oder anders ausgedrückt. Aufgrund der kleineren Zeitkonstante eignen sie> sich besser für höhere Frequenzen.
Warum das?
Die Kondensatoren sollen für hohe Frequenzen möglichst als Kurzschluss
wirken. Ein kleiner Kondensator hat eine höhere Impedanz und ist damit
schlechter geeignet.
Wenn man es unbedingt mit der Zeitkonstante betrachten will, kann man
eine Viertelwelle betrachten und sich vorstellen, dass ein sehr großer
Kondensator bei fließendem Strom nur sehr langsam eine Spannung aufbaut,
weil die Zeitkonstante groß ist. An einem kleinen Kondensator steigt die
Spannung schnell an und der über den Kondensator fließende Strom wird
'gebremst'.
Dussel schrieb:> Warum das?> Die Kondensatoren sollen für hohe Frequenzen möglichst als Kurzschluss> wirken. Ein kleiner Kondensator hat eine höhere Impedanz und ist damit> schlechter geeignet.
Ein "kleinerer" Kondensator (und zwar "klein" im Sinne "kleine Bauform")
hat auch eine kleine Serieninduktivität. Und die sorgt dafür, dass der
Kondensator tatsächlich auch bei hohen Frequenzen wirken kann. Dazu muss
man sich einfach mal den Impedanzverlauf über die Frequenz ansehen.
Dort z.B. die Abhandlung in der Mitte des Beitrags:
https://de.wikipedia.org/wiki/Elektrolytkondensatorhttps://de.wikipedia.org/wiki/Datei:Kondensator-Impedanzverl%C3%A4ufe-Wiki-1.jpg
Während beim 100µF Elko die Impedanz wegen der ESL schon wieder ansteigt
(und der deshalb weniger wirksam ist), haben die "kleineren"
Kondensatoren bei hohen Frequenzen eine niedrigere Impedanz. Und können
sich daher bei hohen Frequenzen besser Laden und Entladen (oder eben die
Wechselspannung besser "kurzschließen").
Lothar M. schrieb:> Ein "kleinerer" Kondensator (und zwar "klein" im Sinne "kleine Bauform")> hat auch eine kleine Serieninduktivität.
Darum ging es ja explizit nicht. Es ging nur um den Einfluss der
Zeitkonstante und damit der Kapazität.
Die Induktivität wurde in den anderen Punkte behandelt.
Ich empfehle die Kemet-Webseite. Da kann man mit den weitgehend realen
Modellen der Kemet-Cs u.a. den Impedanzverlauf einzelner oder parallel
liegender Cs simulieren.
Das Parallelschalten unterschiedlicher Kapazitäten hat mehrere
Resonanzfrequenzen zur Folge. Das kann zu unvorhergesehenen
EMV-Problemen führen. Herr Joachim F***z (in EMV-Fachkreisen sehr
bekannt) hat uns gelehrt, am besten Keramik-Kondensatoren (manche
Schaltregler mögen die allerdings nicht wegen zu niedrigem ESR) mit
gleichen Kapazitäten parallel zu schalten. Und zwar mit möglichst
kleinen Gehäusebauformen mit einem möglichst breiten Gehäuse im
Verhältnis zur Länge (geringere Induktivität).
Das mit der Zeitkonstante tau kannst Du in dem Zusammenhang vergessen.
Lothar M. schrieb:> Ein "kleinerer" Kondensator (und zwar "klein" im Sinne "kleine> Bauform") hat auch eine kleine Serieninduktivität.
Weshalb die Parallelschaltung vieler Elkos auch bei gleicher Kapazität
bessere ESR- und ESL-Charakteristika aufweist.
Man macht das aber natürlich nicht immer, sondern auch nur dort, wo
man von dem Effekt wirklich profitiert. Für 100Hz (als Glättelko nach
einem Netzfrequenz-Gleichrichter [2-Wege bzw. Vollwelle]) kann man
z.B. auch mit einzelnen, großen Elkos arbeiten - es ist einfacher.
Besser nicht schrieb:> Das Parallelschalten unterschiedlicher Kapazitäten hat mehrere> Resonanzfrequenzen zur Folge. Das kann zu unvorhergesehenen> EMV-Problemen führen. Herr Joachim F***z (in EMV-Fachkreisen sehr> bekannt) hat uns gelehrt, am besten Keramik-Kondensatoren (manche> Schaltregler mögen die allerdings nicht wegen zu niedrigem ESR) mit> gleichen Kapazitäten parallel zu schalten. Und zwar mit möglichst> kleinen Gehäusebauformen mit einem möglichst breiten Gehäuse im> Verhältnis zur Länge (geringere Induktivität).
Eine Kapazität allein aus MLCC ist sehr gut für moderne, relativ
hochfrequent arbeitende Schaltregler. Jedoch ist das Verhältnis von
Baugröße zu Kapazität häufig immer noch auf Seiten der Elkos, und
die Fortschritte bei der Polymer-Technik sorgen auch für niedrigere
ESR-Werte.
Auch der Rest kann in manchen Fällen ein Problem darstellen, doch im
Allgemeinen bleibt es eher ein Vorteil, diverse Typen und Bauarten
in einer Parallelschaltung (und/oder als PI-Filter) kombinieren zu
können. Um das so festzulegen, gibt es zu viele Spielarten.
Etwas/alles zu verallgemeinern zu versuchen, ist meistens von wenig
Erfolg gekrönt. Es kommt halt auch drauf an, was gerade benötigt wird.
Prioritäten bei der Herstellung: Kosten oder Bauraum oder sonstiges.
Z.B. gewisse Mindestkapazität (offensichtliche Schwächen vieler MLCC),
wenn es nicht allein um geringsten Ausgangsripple geht (Stärke vieler
MLCCs, durch ihren extrem niedrigen Innenwiderstand mit geringerer C).
Elkos werden sicher noch sehr lange verwendet, auch in Schaltreglern.
Alex G. schrieb:> Oder anders ausgedrückt. Aufgrund der kleineren Zeitkonstante eignen> sie sich besser für höhere Frequenzen.
Völliger Unsinn. Alles folgende völlig ohne ESR und ESL "mit drin":
Wenn - angenommen - 1000 parallele 1µF Kondensatoren je über 1kOhm
aufge-
und entladen werden, kommt nichts anderes dabei heraus, als wenn man 1
einzigen 1000µF Kondensator über 1 Ohm auf- und entlädt.
(Sofern der 1000µF Kondensator 1/1000 des ESR eines der 1µF hätte.)
Dussel schrieb:> Wenn man es unbedingt mit der Zeitkonstante betrachten will, kann man> eine Viertelwelle betrachten und sich vorstellen, dass ein sehr großer> Kondensator bei fließendem Strom nur sehr langsam eine Spannung aufbaut,> weil die Zeitkonstante groß ist.
Deshalb glättet höhere Kapazität i.A. besser Spannung etc.
> An einem kleinen Kondensator steigt die Spannung schnell an> und der über den Kondensator fließende Strom wird 'gebremst'.
Das bedeutet einfach noch einmal dasselbe, da zwei mal negiert:
Eine kleinere Kapazität hat geringere Glättwirkung.
Tatsächlich wirken natürlich die Typ-/Bauart-bedingten "Parasiten" mit.
(Grundlegend für die Entscheidung des Verfassers obigen Datenblattes.)
TAU hat damit einfach null zu tun, = falsch aufgefaßte Eselsbrücke.
Dussel schrieb:> Lothar M. schrieb:>> Ein "kleinerer" Kondensator (und zwar "klein" im Sinne "kleine Bauform")>> hat auch eine kleine Serieninduktivität.> Darum ging es ja explizit nicht. Es ging nur um den Einfluss der> Zeitkonstante und damit der Kapazität.
Die Filterwirkung beruht allein auf der komplexen Impedanz (bestehend
aus Xc, Xl und R) des Kondensators im Zusammenspiel mit der komplexen
Impedanz der Versorgung (vorrangig bestehend aus dem komplexen
Innenwiderstand der Quelle sowie Leiterbahnwiderständern und
-induktivitäten).
Irgendeine für sich allein betrachtete "Zeitkonstante" ist bei dieser
Betrachtung vollkommen uninteressant und irreführend. Man sollte sich
damit gleich gar kein "Gedankenmodell" aufbauen. Die Zeit ist vertan, so
ein simples Modell versagt eher früher als später.
