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Stützkondensatoren

Stützkondensatoren

Stützkondensatoren sind ein heiß diskutiertes Thema!

Bei Stützkondensatoren gibt es jede Menge Parameter, zu denen man eine Meinung vertreten kann:
Welcher Kapazitätswert ist der beste?
Welche Bauform?
Welche Technologie?
Welches ist das beste Layout?
Wo muss der Kondensator bestückt werden?
usw…
Den Einen lässt die Diskussion kalt: Er macht es so, wie es im Datenblatt oder in der Application-Note zu dem jeweiligen Bauteil steht. Der Andere recherchiert, überlegt und versucht die optimale Lösung zu ergründen. Eine gute Idee! Aber kein ganz einfaches Unterfangen…

In unserem Seminar begegnen uns die Stützkondensatoren im Kapitel „Power-Integrity„, welches insgesamt mehr als einen Tag umfasst; das Thema ist wichtig und vielfältig!

Dieser Beitrag kann den Bereich natürlich nicht abdecken. Ich beschränke mich daher auf einige Betrachtungen die nur dem Kondensator, weniger seiner Funktion als Teil des gesamten Systems gelten.

100nF ganz dicht am Vcc-Pin!

Warum 100nF?
Die Empfehlung stammt aus der grauen Vorzeit unserer Digitalelektronik, vermutlich gibt es verschiedene Thesen, warum es genau 100nF sein müssen. Zu dieser Zeit wurden noch bedrahtete Bauelemente und damit auch bedrahtete Kondensatoren eingesetzt. Es hat sich inzwischen herumgesprochen, dass Kondensatoren auch (parasitäre, unerwünschte) induktive Eigenschaften haben, die ihre Stützfunktion beeinträchtigen.
Diese Induktivität hat u.a. mit der Konstruktion und Baugröße des Kondensators zu tun. Mechanisch größere Bauteile fallen in der Regel durch ausgeprägtere induktive Eigenschaften auf.
Betrachtet man den „Stützvorgang“ im Zeitbereich, führen die induktiven Eigenschaften zu einem Spannungsabfall U=L*di/dt, der die vom Kondensator bereitgestellte „Stützspannung“ um einen der Stromänderung proportionalen Betrag reduziert.
Um also einen möglichst geringen Spannungseinbruch zu sichern, brauchen wir möglichst viel Kapazität bei möglichst wenig parasitärer Induktivität!

 

Oder anders formuliert: Wir wählen den größten Kapazitätswert, den wir ohne zusätzliche Induktivität (größere Bauform) bekommen können. Vielleicht war damals ein mechanisch größerer Keramikscheibenkondensator erforderlich, um bei der üblichen Spannung mehr als 100nF zu bekommen. Vielleicht auch nicht, aber es wäre wenigstens eine sinnvolle Argumentation gewesen. Da sie sich an physikalischen Gegebenheiten orientiert, ist sie auch heute noch zutreffend:

Wenn ich mich auf die Betrachtung eines einzelnen Kondensators beschränke, bekomme ich die beste Wirkung, wenn ich den größten Kapazitätswert innerhalb der Bauform wähle (alle anderen Parameter unverändert!).

Kleine Kapazitätswerte für hohe Frequenzen!

Diese irreführende Empfehlung hat ihren Ursprung in derselben Betrachtung: Kleinere Kapazitätswerte kommen in kleineren Bauformen, die kleineren Bauformen begünstigen geringere induktive Eigenschaften. Die geringeren induktiven Eigenschaften reduzieren den di/dt-abhängigen Spannungsabfall, was im Frequenzbereich betrachtet bedeutet: bessere Stützung bei höheren Frequenzen!
Richtiger wäre es also zu sagen: Kleine Bauformen für hohe Frequenzen!

Richtig ist auch diese Aussage nicht.

Das Gesamtsystem zählt!

Diese Betrachtungen klingen erstmal schlüssig. Sie beziehen sich aber leider nur auf den Stützkondensator selbst und vernachlässigen alles andere:
– Wie sieht das Layoutdetail aus?
– Wie ist der Lagenaufbau?
– Welche Kondensatoren sind außerdem bestückt?
– Welche weiteren Elemente des Versorgungssystem spielen eine Rolle?
– u.v.m.

Layoutdetails sind sehr wichtig! Wenn aber vor lauter Diskussion über Layoutdetails das Gesamtsystem aus dem Auge verloren wird, ist die Diskussion sinnlos. Ein Versorgungsspannungssystem, das gut funktioniert und obendrein gute EMV-Eigenschaften aufweist, ist das Ergebnis eines gezielten Designs!

Je eher wir uns von manchen Design-Gewohnheiten mit jahrzehntelanger Tradition verabschieden, desto eher verstehen wir, was heute in unseren Baugruppen los ist!

Gerade in unserer extrem schnell-lebigen Elektronikwelt müssen wir äußerst wachsam sein: Etwas, was früher gut funktioniert hat, kann heute schlicht überholt sein! Stellen Sie deshalb immer die Frage: Warum und wie soll das funktionieren? Und akzeptieren Sie nur eine Antwort, die sich mit den Grundsätzen unserer Physik vereinbaren lässt!
Das ist meistens gar nicht schwer und kann Ihnen manche Irrfahrt ersparen…

Zurück zum ursprünglichen Thema: Es gibt unheimlich viel Interessantes über Stützkondensatoren zu wissen, für die Realisierung optimaler Versorgungssysteme brauchen Sie mehr!

Bleiben Sie neugierig!

Ihr Nils Dirks

Ich freue mich über Ihre Kommentare, Anregungen, Fragen!

EMV Spezialist

Nils Dirks

Gründer und DCC-Inhaber

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