Häufige Missverständnisse über Kondensatoren – und wie man den richtigen auswählt

Ein Kondensator, auch Kapazität genannt, bezeichnet die Fähigkeit eines Bauteils, elektrische Ladung bei einer gegebenen Potenzialdifferenz zu speichern. Sie wird mit C bezeichnet, wobei die internationale Einheit Farad (F) ist.

Vereinfacht ausgedrückt: Beim Anlegen eines elektrischen Feldes werden Ladungen unter Krafteinwirkung bewegt. Wird ein dielektrisches Material zwischen Leitern platziert, blockiert es die Ladungsbewegung, wodurch sich Ladungen auf den Leiteroberflächen ansammeln. Die Menge der gespeicherten Ladung wird als Kapazität bezeichnet.

Doch in der Praxis kursieren viele Missverständnisse über Kondensatoren. Welche Fehler werden häufig gemacht und wie wählt man den richtigen Kondensator aus?

Vier Missverständnisse über Kondensatoren

1. „Je größer die Kapazität, desto besser.“

Kondensatoren werden häufig durch solche mit höherer Kapazität ersetzt, da man davon ausgeht, dass größer besser ist. Ein größerer Kondensator kann zwar eine stärkere Stromkompensation für ICs bieten, es gibt jedoch auch Nachteile: größere Größe, höhere Kosten und mögliche Auswirkungen auf Luftstrom und Wärmeableitung.

Noch wichtiger ist, dass Kondensatoren eine parasitäre Induktivität aufweisen. In einer Entladeschleife tritt bei einer bestimmten Frequenz Resonanz auf, bei der die Impedanz am geringsten ist und die Energiekompensation am effektivsten ist. Jenseits dieses Resonanzpunkts steigt jedoch die Impedanz und die Stromlieferfähigkeit des Kondensators nimmt ab.

Eine höhere Kapazität senkt die Resonanzfrequenz und verengt den effektiven Frequenzbereich. Aus Sicht der Hochfrequenzstromkompensation ist die Annahme „größer ist besser“ ein Irrglaube. Das Schaltungsdesign basiert in der Regel auf klar definierten Referenzwerten.

2. „Die Verwendung mehrerer kleiner Kondensatoren parallel ist immer besser.“

Zu den wichtigsten Parametern eines Kondensators gehören Nennspannung, Temperaturbeständigkeit, Kapazität und ESR (Äquivalenter Serienwiderstand). Im Allgemeinen ist ein niedrigerer ESR besser. Der ESR hängt von Kapazität, Frequenz, Spannung und Temperatur ab. Bei konstanter Spannung bedeutet eine höhere Kapazität in der Regel einen niedrigeren ESR.

Beim PCB-Design werden aufgrund von Layout- und Platzbeschränkungen häufig mehrere kleine Kondensatoren parallel geschaltet. Manche gehen davon aus, dass mehr parallele Kondensatoren automatisch den ESR senken und die Leistung verbessern. Theoretisch mag dies zwar stimmen, in der Praxis können jedoch die Lötstellen und die Verbindungsimpedanz mehrerer Kondensatoren die Vorteile zunichtemachen.

3. „Je niedriger der ESR, desto besser.“

Bei der Entwicklung von Stromversorgungen erfüllen Eingangs- und Ausgangskondensatoren unterschiedliche Aufgaben:

• Eingangskondensatoren erfordern eine höhere Kapazität und eine ausreichende Nennspannung. Die ESR-Anforderungen sind weniger streng, da ihre Hauptfunktion darin besteht, Schaltimpulse von MOSFETs zu absorbieren.
• Ausgangskondensatoren können eine geringere Kapazität und Nennspannung aufweisen, erfordern jedoch eine strengere ESR-Leistung, da sie einen höheren Welligkeitsstrom verarbeiten müssen.

Ein extrem niedriger ESR ist jedoch nicht immer wünschenswert. Sehr niedriger ESR kann Schwingungen in Schaltkreisen verursachen, die zusätzliche Dämpfungsschaltungen erfordern, was wiederum die Komplexität und die Kosten erhöht. Aus diesem Grund werden bei der Auswahl von Kondensatoren in der Regel Referenzrichtlinien verwendet, um Leistung und Stabilität in Einklang zu bringen.

4. „High-End-Kondensatoren bedeuten immer hochwertige Produkte.“

In der Vergangenheit haben einige Hersteller ihre Produkte stark beworben, indem sie die Verwendung von „Premium-Kondensatoren“ hervorgehoben haben, wodurch die Illusion entstand, dass allein die Kondensatoren die Qualität bestimmen.

Tatsächlich ist das Schaltungsdesign die wahre Grundlage für die Leistung. Beispielsweise kann ein gut konzipiertes Zweiphasennetzteil die Leistung eines schlecht konzipierten Vierphasennetzteils übertreffen, unabhängig von der Kondensatorqualität. Eine Überbetonung der Kondensatoren und die Vernachlässigung des Gesamtsystemdesigns ist irreführend. Ein Produkt muss aus mehreren Perspektiven bewertet werden, nicht nur anhand der verwendeten Komponenten.

So wählen Sie den richtigen Kondensator

• Niederfrequenzschaltungen sind nachsichtiger und Kondensatoren mit schwächeren Hochfrequenzeigenschaften können immer noch eine angemessene Leistung erbringen.
• Hochfrequenzschaltungen stellen jedoch wesentlich höhere Anforderungen. Die falsche Wahl des Kondensators kann den Betrieb des gesamten Systems stören.

Im Allgemeinen:

• In Stromversorgungen werden typischerweise Elektrolyt- und Keramikkondensatoren verwendet.
• Hochfrequenzanwendungen erfordern Kondensatoren mit hervorragender Hochfrequenzleistung, wie beispielsweise Glimmerkondensatoren.
• Polyesterfolien- und Elektrolytkondensatoren sind aufgrund ihres induktiven Verhaltens, das die Präzision und Stabilität beeinträchtigt, in Hochfrequenzschaltungen ungeeignet.

Zusammenfassend : Eine höhere Kapazität oder ein niedrigerer ESR bedeuten nicht immer besser. Der richtige Kondensator hängt von der Anwendung, der Frequenz und den Designüberlegungen ab. Optimale Leistung ergibt sich nicht nur aus der Qualität der Komponenten, sondern auch aus einem durchdachten, ausgewogenen Schaltungsdesign.