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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Toleranzen von Bauteilen


Autor: Christoph Wagner (Gast)
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Hallo.

Ich habe hier ca. 200 Keramik-SMD-Kondensatoren einer Größe und Toleranz 
hier liegen. Laut Angabe in der Artikelbeschreibung haben die eine 
Toleranz von 10%.

Heißt das, dass alle tatsächlichen Werte +/- 10% um den Sollwert 
schwanken oder, dass die Schwankungsbreite 10% ist und sie somit +-5% 
schwanken?
Ich denke, dass man davon ausgehen kann, dass keiner der Kondensatoren 
außerhalb dieser Grenzen liegt.

Wie genau befindet sich der Mittelpunkt des Toleranzbereiches am 
Sollwert? Wird bei den Herstellern mit genauen Messgeräten nachgemessen?

Wenn das der Fall ist, könnte man ja die Kondensatoren durchmessen und 
man müsste in der Mitte der Messwertverteilung einen Kondensator finden, 
der näher am Sollwert ist als die meisten anderen und somit eine weit 
geringere "Abweichung" aufweist als der Schnitt mit 10%?

Was meint ihr zu dieser Überlegung?

Autor: Thomas B. (yahp) Benutzerseite
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> Heißt das, dass alle tatsächlichen Werte +/- 10% um den Sollwert
> schwanken oder, dass die Schwankungsbreite 10% ist und sie somit +-5%
> schwanken?

+/- 10% afaik


> Ich denke, dass man davon ausgehen kann, dass keiner der Kondensatoren
> außerhalb dieser Grenzen liegt.

Naja, von "keinem" würde ich mal nicht ausgehen.


> Wie genau befindet sich der Mittelpunkt des Toleranzbereiches am
> Sollwert? Wird bei den Herstellern mit genauen Messgeräten nachgemessen?

Ich könnte mir vorstellen, dass das bei eingefahrenen 
Produktionsprozessen nicht jeder Kondensator ausgemessen wird. 
Wahrscheinlich liegt dann jede Charge leicht anders.


> Wenn das der Fall ist, könnte man ja die Kondensatoren durchmessen und
> man müsste in der Mitte der Messwertverteilung einen Kondensator finden,
> der näher am Sollwert ist als die meisten anderen und somit eine weit
> geringere "Abweichung" aufweist als der Schnitt mit 10%?

Auf jeden Fall. Neben so einer Auswahl muss dann aber oft auch das 
Temperaturverhalten beachtet werden, insbesondere auch im Zusammenspiel 
mit dem Temperaturverhalten anderer Bauteile.

Autor: Christoph Wagner (Gast)
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gibts nicht Festlegungen, die genau beschreiben wie die Messwerte in 
einem Kondensatorhaufen verteilt sein müssen? Sodass man dann sagen 
kann, dass mit einer x-Prozentigen Wahrscheinlichkeit die Abweichung von 
dem Kondensator weit geringer als 10% ist? Letztere Aussage auch 
dahergehend ziehen, dass ich noch 3-4 Beutelchen mit anderen Grundwerten 
durchmesse und die Ergebnisse gegeneinanderstelle ;)

Autor: Christoph Wagner (Gast)
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Die Kondensatoren sind allesamt X7R-Typen und bei 25°C spezifiziert. 
Wenn ich die Messungen bei exakt 25°C durchführe, dürfte ein evtl. 
Temperaturdrift eigentlich minimal sein.

Autor: Michael Waiblinger (wiebel42)
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Ich könnte mir schon vorstellen das die mittlerweile vollautomatisiert 
wirklich jeden einzelnen der Kondensatoren ausmessen und im Rahmen der 
Genauigkeit der Messgeräte tatsächlich auch JEDER Kondensator in dem 
Toleranzbereich liegt, dafür müssen die im Zweifelfall ja auch 
gradestehen.
Häufig gibt es auch einseitige Toleranzen, grade bei Kondensatoren die 
sind dann aber auch deutlich gekenzeichnet (+10%) oder so, die Frage 
nach dem Mittelwert (nicht der Statistische sonder der mittlere Wert) 
der Toleranzen ist ja wohl hoffentlich nicht ganz ernst gemeint, 
selbstverständlich ist dieser EXAKT der Sollwert, sonst wäre das ganze 
Toleranzgedöns doch völlig sinnfrei. Also ein 100nF Kondensator liegt 
zw. 90 und 110nf, wäre ja auch zu drollig wenn man dem Toleranzbereich 
noch eine Toleranz aufbügelt. 100nF liegt als heute mal zw. 85.5 und 
104.5 (weil heute unser sollwert mal eben 95nF ist) und morgen 
vielleicht bei 94.5 und 115.5, das wäre ja echt mal Unfug. Neineinein 
das ist Quatsch die Mitte ist exakt der Sollwert zumindestens bei 
allgemeinen Fertigungstoleranzen. Einseitige (-5%+10% oder nur +10%) 
haben die Mitte natürlich verschoben aber die Basis der Prozente liegt 
immer beim Sollwert. Also 100nF (+10%) liegt zw. 100 und 110 und nicht 
zw. 99.5 und 110.5. Das ist so schrecklich logisch, dass es mir nie in 
den Sinn gekommen darüber nachzudenken. -wiebel

Autor: Wabberer (Gast)
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Die gemessene Verteilung der Werte wird keine Gaussverteilung sein 
sofern ein Markt fuer enger spezifizierte Teile vorhanden ist. Bei 
Widerstaenden zB werden einfach welche gemacht. Dann wird durchgemessen. 
Die mit 1% gehen weg als 1%, die mit 5% gehen als 5% weg, wobei da keine 
mit 1% dabei sind. Die mit 10% gehoeren dann zum naechsten Wert.

Autor: Michael Waiblinger (wiebel42)
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Christoph Wagner wrote:
> gibts nicht Festlegungen, die genau beschreiben wie die Messwerte in
> einem Kondensatorhaufen verteilt sein müssen? Sodass man dann sagen
> kann, dass mit einer x-Prozentigen Wahrscheinlichkeit die Abweichung von
> dem Kondensator weit geringer als 10% ist? Letztere Aussage auch
> dahergehend ziehen, dass ich noch 3-4 Beutelchen mit anderen Grundwerten
> durchmesse und die Ergebnisse gegeneinanderstelle ;)

Du musst dir mal genau überlegen wozu Toleranzen gut sind, gäbe es eine 
solche "Festlegung" würde das vorraussetzen das die Fabriken die 
Kondensatoren in beliebiger Genauigkeit fertigen können, es aber nicht 
tun weil ihnen eben danach ist. Die Gaussverteilung ergibt sich bei dem 
natürlichen Prozess, wenn die es Versuchen so gut wie möglich zu machen 
eine Festlegung ist völlig ausgeschlossen. Es steht ihnen aber frei 
einen Prozess zu wählen der zufällige Werte produziert und danach 
einfach alles was nicht in der Toleranz liegt wegzuwefen. Du hast ja 
noch nichtmal bei Ü-Eiern eine garantie das du nach 7 Eiern das bekommst 
was du willst und da gibt es ja immerhin so eine Festlegung wie du sie 
haben möchtest. Die Chance das du bei 100 Kondensatoren ein paar 
erwischst die +/-0.1% haben sind ganz gut aber es bleibt eine Chance, 
keine Garantie. Schlimm ist es natürlich wenn der Hersteller selbst 
selektiert und die Bauteile im +/-0.1% Bereich einfach für viel mehr 
Geld als genau solche vertickt, dann hast du in der 10% Marge nämlich 
eine dolle Lücke im mittleren Bereich und du hast überhaut keine Chance 
auf ein exaktes Bauteil. Aber die Festlegungen oder Garantien an die du 
da denkst, führen den gesammten Gedanken der Toleranzbereiche völlig ad 
absurdum. Da ist ganz klar der Wunsch Vater des Gedanken. Reality sucks 
;)

Autor: Christoph Wagner (Gast)
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so unlogisch wäre das nicht. mal angenommen ein Hersteller misst nicht 
jeden einzelnen nach und fertigt die Dinger so, dass eine gewisse 
Toleranz im Fertigungsprozess durch die Bauteilgröße, etc. entsteht. 
Jetz hat er an einem Tag aber ein geringfügig anderes Keramikgemisch als 
an einem anderen, welches jedem Kondensator nochmal einen gleichmäßigen 
Fehler verpasst. So könnte an einem Tag eine Charge von was-weiß-ich 
94-104 und am nächsten von 97-107 entstehen. Alle sind sie dann noch um 
die 100nF +-10% rum. Letztendlich stammen 3 von den 4 Beuteln 
(untereinander unterschiedlicher Werte) aus einer Charge. Lediglich in 
einem Beutel sind mehrere Serien eines gleichen Wertes enthalten - aber 
wesentlich weniger als in den anderen 3en


mit Festlegung meinte ich lediglich eine Aussage wie z.B. "mit 99%-iger 
Wahrscheinlichkeit befindet sich ein Kondensator im Toleranzbereich"
Bei der Berechnung von MTBF und MTTF bauen Ingenieure doch auf solche 
Aussagen, um das wahrscheinliche Verhalten bestimmen zu können. Irgend 
ein Leitfaden muss da doch existieren. Entweder müssen alle exakt im 
Schwankungsbereich sein (um ein hochgenaues Messreferenz herum) oder 
irgendwo muss stehen, wieviele Prozent mindestens drin sein müssen.
Sonst könnte ein Hersteller ja behaupten, dass die mehrzahl der Bauteile 
in der Toleranz sind, obwohl das nur für 51% der Bauteile zutrifft 
(Recht hätte er ja dann ;) )

Autor: Wabberer (Gast)
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Was will man denn mit exakten Bauteilen ? Dass eine Versterkung auf 4 
Kommastellen stimmt ? Bei den ueberaus meisten Anwendungen kann man mit 
einer Toleranz sehr gut leben. Dann macht man eine Fehlerrechnung 
(Physik fuer Anfaenger) und gut ist. Vielleicht benoetigt man an 
irgendeinem Sensor mal einen 0.1% Widerstand. Der kostet dann. Das ist 
so.

Autor: Michael Wilhelm (Gast)
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Oder man heißt Burmester, Audiofreak in Berlin. Gerüchte aus den 80er 
Jahren besagen, dass er eine Charge Kondensatoren nach seinem 
errechneten Wert durchgemessen hat, um die Kondensatoren zu finden, die 
seinem Wunsch am nächsten kamen. War damals wohl so, weil die 
Fertigungstoleranzen größer waren.

MW

Autor: Willi Wacker (williwacker)
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Wabberer wrote:
> Was will man denn mit exakten Bauteilen ? Dass eine Versterkung auf 4
> Kommastellen stimmt ? Bei den ueberaus meisten Anwendungen kann man mit
> einer Toleranz sehr gut leben. Dann macht man eine Fehlerrechnung
> (Physik fuer Anfaenger) und gut ist. Vielleicht benoetigt man an
> irgendeinem Sensor mal einen 0.1% Widerstand. Der kostet dann. Das ist
> so.

Also die Fehlerrechnung ist sicher nichts aus der Ecke "Physik fuer 
Anfänger". Schließlich sind es ja nicht nur die Kondensatoren allein, 
die Toleranzen aufweisen, sondern JEDES Bauteil tut dies. Bei den Dioden 
ist das z.B. die Durchlassspannung, bei den Widerständen der eigentliche 
Widerstandswert (Überraschung!), bei den Transistoren z.B. die 
Verstärkung und wer "richtige" Toleranzen sehen will, der schaue sich 
die Pullups bei den Atmel-megas an.

Und trotz aller Toleranzen soll die Schaltung tun, in allen 
Kombinationen.

Da braucht es dann Fingerspitzengefühl der Art : Ungünstigster Fall 
liegt vor wenn Widerstand am oberen Toleranzwert, Kondensator am 
unteren, Verstärker unten oder wie auch immer. Schließlich kann man 
nicht alle Variationen durchrechnen.

Nur mal "laut gedacht"

Ciao

Autor: Michael Waiblinger (wiebel42)
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Ok jetzt versteh ich dich besser, sicher ist die Produktion gewissen 
Schwankungen unterlegen und was du sagst trifft sicher zu, nach dem 
Motto: heute produzieren wir mehr Ausschuss nach unten und morgen nach 
oben. Aber ich  meine schon das die Toleranzangaben bindend sind. Die 
letzte Rechnung bleibt natürlich: Was ist teuerer, alle Schaltjahre mal 
ein Gerichtsverfahren weil was kaputt gegangen ist oder mehr Bauteile 
wegwerfen die evtl noch knapp im Toleranzbereich sein könnten. In jedem 
Fall denke ich schon das du den Hersteller belangen könntest wenn du 
einen 100nF Kondensator einbaust und "nachweislich" etwas kaputtgeht, 
oder du 10 Mio. Geräte (nein bei der Xbox ist das sicher was anderen ;) 
zurückrufen musst, weil der dann leider doch nur 88nF hatte, aber ich 
bin kein Anwalt, denke aber logisch, dass Toleranzen so funktionieren 
müssen. Du kannst ja mal die AGBs und DBs von Wiha durchlesen vielleicht 
findest du ja entsprechende Passagen. -wiebel

Autor: Michael Waiblinger (wiebel42)
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Wen's Interessiert ist in det Tat nicht aus der Ecke der "Physik für 
Anfänger" hat aber Methode. ;)

http://www.ee.iitb.ac.in/~apte/CV_PRA_TAGUCHI.htm
Wichtiger als der Link ist das Stichwort: Taguchi Matrix


Das erstzt das von Willi angesprochene "Fingerspitzengefühl" durch einen 
optimierten Algoritmus bei dem man mit möglichst wenigen Versuchen 
möglichst viel herausbekommen kann. Imho für nahezu alle 
mehrdimensionalen Optimierungen nutzbar. -wiebel

Autor: Christoph Wagner (Gast)
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@wabberer: "was will man damit..."
nichts für ungut, aber ich kann mir vorstellen, dass in den 70ern auch 
Leute gefragt haben, wozu wir noch schnellere Mikroprozessoren brauchen, 
wenn wir mit unseren schon auf dem Mond gelandet sind...

Vielen Dank für alle eure Antworten.
Aber weiß jemand, wie Hersteller wirklich herstellen? Sortieren die wie 
wabberer oben erwähnt habt aus, oder machen die alles auf 
Verdachtstoleranzen (akribischere Fertigung -> engere Toleranzen)? 
Wieviel Verlass ist auf die Toleranzgrenzen?

Autor: Martin Planer (maruchinu)
Datum:

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Kein Hersteller fertigt fixe Toleranzen à la "Heute mal ein paar 
+-0,1%ige" ;)

Meines Wissens nach werden die einfach produziert, danach werden alle, 
die im 0,1% Bereich liegen aussortiert und als solche verkauft, genau 
das selbe mit den +-1%igen, mit den +-5%igen, usw. ...

Also ist die Chance bei den 10%igen einen 1%igen oder noch weniger zu 
finden nicht sehr groß, da die alle schon als 1%ige verpackt wurden...

MfG
maru

Autor: Wabberer (Gast)
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Fehlerrechnung (Physik fuer Anfaenger) war kein Witz. Jeder Messwert hat 
Fehler, jedes Instrument hat Fehler, und wie die Fehler durch Formeln 
propagieren ist zentrales Thema der Fehlerrechnung. Ohne die 
Fehlerrechnung begriffen zu haben muss man zumindest in der Physik gar 
nicht erst anfangen zu messen. Gewisse Groessen muessen auf 10^4 bekannt 
und stabil sein, bei anderen genuegen 10%. Und bevor man in der 
Elektronik sein Geld fuer unnoetige Genauigkeit rausblaest sollte man 
die Fehlerrechnung des Aufbaus anschauen. Es gibt Widerstaende mit 
0.01%, es gibt auch Kondensatoren mit 0.5% und deren Preise kann man nur 
rechtfertigen indem man mit der Fehlerrechnung zum Aufbau zeigt, dass 
genau dieses Bauelement in dieser Praezision den Durchbruch bringt.

Autor: Christoph Wagner (Gast)
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Ich bin mal gespannt auf die ersten Messungen. Wenn tatsächlich diese 
Bereiche restlos fehlen, dann lässt sich der genaue Wert der 
Kondensatoren besser ermitteln. Es geht letztendlich darum, den 
Grundfehler meines Messgeräts dadurch zu senken, dass dessen 
Kalibrierung mit einem genauer bekannten Referenzkondensator als einem 
10% 100nF passiert. Für eine relative Genauigkeit von <0,01% passt ein 
Grundfehler von 5% (evtl. fehlende Bereiche) nicht ganz.

Ich weiß auch, dass ich einfach einen Kondensator mit entsprechender 
Genauigkeit kaufen könnte - aber spaßenshalber will ich mal die Methode 
testen. Insbesondere weil ich vom genauen Zahlenwert unabhängig bin. 
(mein Messgerät kalibriert auf den Wert, den ich eingebe)

Autor: Willi Wacker (williwacker)
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Wabberer wrote:
> Fehlerrechnung (Physik fuer Anfaenger) war kein Witz. Jeder Messwert hat
> Fehler, jedes Instrument hat Fehler, und wie die Fehler durch Formeln
> propagieren ist zentrales Thema der Fehlerrechnung. Ohne die
> Fehlerrechnung begriffen zu haben muss man zumindest in der Physik gar
> nicht erst anfangen zu messen. Gewisse Groessen muessen auf 10^4 bekannt
> und stabil sein, bei anderen genuegen 10%. Und bevor man in der
> Elektronik sein Geld fuer unnoetige Genauigkeit rausblaest sollte man
> die Fehlerrechnung des Aufbaus anschauen. Es gibt Widerstaende mit
> 0.01%, es gibt auch Kondensatoren mit 0.5% und deren Preise kann man nur
> rechtfertigen indem man mit der Fehlerrechnung zum Aufbau zeigt, dass
> genau dieses Bauelement in dieser Praezision den Durchbruch bringt.

Es lag mir fern den Physikern auf die Füsse zu treten! Auch ich habe ein 
paar Semester Physik gehört, Physik-Praktika gemacht (Schule und 
Studium) und die Fehlerbetrachtung war - natürlich - immer Thema.

Ich wollte einfach nur auf die Komplexität hinweisen, ohne den Physikern 
abzusprechen, diese Komplexität zu beherrschen.

Ansonsten ist es in der Tat so, wie schon beschrieben, die Bauteile, die 
man so kauft, nutzen ihre Toleranzbereiche aus. Man findet z.B. nur dann 
einen 1%er in einer 5%er-Charge, wenn der Hersteller zu viele von den 
1%ern hatte und sie anderweitig verhökern will (oder zu wenige in der 
5%er Charge).

Im Übrigen altern die Bauteile, so dass sie nach einigen Jahren ihre 
Toleranzen nicht mehr unbedingt einhalten. Ein gutes Design zeichnet 
sich auch dadurch aus, dass die Schaltung dann immer noch "tut".

Zum Altern trägt u.a. bei: Umweltbedingungen (Wärme ist schlecht, Kälte 
auch), hohe Last (unter Umständen Wärmeentwicklung), radioaktive 
Strahlung, Feuchtigkeit, und und und

Ciao und Gruß an die Physiker

Autor: Michael Waiblinger (wiebel42)
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Willi Wacker wrote:
> ... Man findet z.B. nur dann
> einen 1%er in einer 5%er-Charge, wenn der Hersteller zu viele von den
> 1%ern hatte und sie anderweitig verhökern will (oder zu wenige in der
> 5%er Charge).

Ich denke aber, dass das die Regel ist, wenn die Ihre Prozesse schön 
eingefahren haben werden die sehr viel mehr im 1% Bereich produzieren 
als sie absetzen können, von daher hat man imho bei den 5%igen eher 
sowas wie ne abgeflachte Gauskurve, oder wegen mir auch oben 
abgeschnitten, aber ich kann mir nicht vorstellen das bei Rs und Cs in 
der 5% marge die 1%igen ganz fehlen. Auswählen macht sicher sinn, zumal 
meist ist es ja auch egal ob 100Ohm oder 91Ohm hauptsache das 
Verhältniss zu einem anderen R stimmt, oder so. -wiebel

Autor: Dieter Werner (Gast)
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> ... aber ich kann mir nicht vorstellen das bei Rs und Cs in der
> 5% marge die 1%igen ganz fehlen.

Keine Ahnung wie es bei Rs ist, aber wenn man z.B. Folienkondensatoren 
(Polyester oder Polycarbonat) von Epcos oder Wima kauft sind die 
meistens aussortiert.
Bei 5% ist alles drin, bei 10% nur +5 bis +10 und -5 bis -10% und bei 
20% entsprechend + und - 10 bis 20%.
Die Steuerung bei der Herstellung ist einfach nicht exakt genug um sich 
das Messen und Sortieren sparen zu können.

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