Technologie / Technischer Leitfaden
Rippelstrom von DC-Kondensatoren, ESR & Frequenzabhängigkeit
Ein Gleichspannungskondensator kann auch dann einen veränderlichen Strom führen, wenn seine mittlere Klemmenspannung nahezu konstant erscheint. Die veränderlichen Stromanteile wechselwirken mit nichtidealem Widerstand und nichtidealer Induktivität. Dies erklärt, warum die Kapazität allein die Erwärmung durch Rippelstrom nicht beschreibt.
Unterscheiden Sie ideal gespeicherte Energie von nichtidealen Verlusten.
Das Rippelstromverhalten hängt von der Wellenform, dem frequenzabhängigen Bauteilmodell und der Kapazität ab.
01 / Strom und Spannung
Änderungen im Ladungsniveau erzeugen einen Strom in einem Kondensator.
Für einen idealen Kondensator mit konstanter Kapazität gilt i = C dv/dt bei konsistenten Bezugsrichtungen.
Für einen idealen Kondensator mit konstanter Kapazität gilt bei konsistenten Bezugsrichtungen i = C dv/dt. Eine sich schnell ändernde Spannung kann daher auch bei kleiner Spannungsänderung einen erheblichen Strom erzeugen. Bei konstanter Spannung fließt in diesem idealen Modell kein Strom.
Restwelligkeit bezeichnet einen veränderlichen Anteil, der einer mittleren Größe überlagert ist. Spannungswelligkeit und Stromwelligkeit sind unterschiedliche Signale mit unterschiedlichen Einheiten. Ohne ein Modell, das die relevanten Frequenzanteile berücksichtigt, lässt sich das eine nicht in das andere umrechnen.
02 / Ersatzmodell
Tatsächliche Kondensatoren weisen sowohl Widerstand als auch Induktivität auf.
Der äquivalente Serienwiderstand, ESR, beschreibt einen dissipativen Anteil des Kondensatorverhaltens.
Der äquivalente Serienwiderstand, ESR, stellt einen dissipativen Anteil des Kondensatorverhaltens dar. Die äquivalente Serieninduktivität, ESL, stellt einen induktiven Beitrag dar. Diese Elemente ergänzen das ideale kapazitive Element, statt dessen Funktion als Energiespeicher zu ersetzen.
Die technischen Informationen von TDK erläutern, dass das effektive Verhalten von Frequenz und Temperatur abhängt. Ein Ersatzschaltbild ist über einen angegebenen Bereich nützlich; derselbe skalare ESR-Wert sollte nicht stillschweigend auf jede Frequenz oder Betriebsbedingung angewendet werden.
03 / Erwärmung durch Rippelstrom
Verwenden Sie den Effektivwert des Stroms zusammen mit einem zutreffenden ESR.
Für eine Frequenzkomponente und einen unter dieser Bedingung näherungsweise konstanten ESR wird die ohmsche Verlustleistung durch P ≈ Irms² ESR dargestellt.
Für eine Frequenzkomponente und einen unter diesen Bedingungen annähernd konstanten ESR wird die ohmsche Verlustleistung durch P ≈ Irms² ESR beschrieben. Eine Verdopplung des Effektivstroms würde diese modellierte Verlustleistung vervierfachen, wenn ESR und die übrigen Bedingungen unverändert blieben.
Für einzelne stationäre harmonische Komponenten in einem linearen Modell lässt sich die mittlere Verlustleistung durch Summieren von I_h,rms² ESR(f_h) näherungsweise bestimmen. Jeder Frequenz wird der jeweils zutreffende Widerstand zugeordnet. Bei der Zusammenfassung des gesamten Stroms zu einem einzigen RMS-Wert ist Vorsicht geboten, wenn ESR über das Spektrum erheblich variiert.
04 / Frequenzgang
Die Kapazität ist nicht die einzige Impedanz bei hohen Frequenzen.
Der ideale kapazitive Blindwiderstand nimmt mit steigender Frequenz ab.
Der ideale kapazitive Blindwiderstand nimmt mit steigender Frequenz ab. Die parasitäre Induktivität verhält sich entgegengesetzt, sodass ein reales Bauteil einen Eigenresonanzbereich aufweisen kann. Seine Impedanz bleibt nicht bei jeder Frequenz rein kapazitiv.
Der Beitrag Leitfaden zur LC-Resonanz erläutert den Austausch von Blindenergie auf Netzebene. Die Eigenresonanz eines Bauteils und das Verhalten eines vollständig angeschlossenen Filters müssen unter Beibehaltung ihrer unterschiedlichen Schaltungsgrenzen betrachtet werden.
05 / Bemessungswerte
Eine Strombelastbarkeitsangabe gilt unter bestimmten thermischen und Frequenzbedingungen.
Eine angegebene Rippelstrombelastbarkeit ist an die für das Bauelement genannten Bedingungen gebunden, etwa Referenzfrequenz und Temperatur.
Eine angegebene Rippelstrombelastbarkeit ist an die für das Bauteil genannten Bedingungen gebunden, etwa die Referenzfrequenz und die Temperatur. Sie darf nicht als allgemeingültiger zulässiger Strom unabhängig von Wellenform oder Umgebung verstanden werden.
Eine mittlere Gleichspannung, eine Rippelstrom-Bemessungsangabe und ein thermisches Ergebnis beantworten unterschiedliche Fragen. Der Temperaturanstieg hängt auch vom Wärmeabfluss aus dem Bauteil ab. Diese Seite leitet aus berechneten ESR-Verlusten weder eine Lebensdauerprognose noch eine Austauschempfehlung ab.
06 / Energiegrenze
Unterscheiden Sie Verluste durch Welligkeit von der Energiebilanz des Zwischenkreises.
Der Leitfaden zur Energie im DC-Zwischenkreis behandelt die ideal gespeicherte Energie und das Leistungsungleichgewicht.
Der Beitrag Leitfaden zur Energie im DC-Zwischenkreis behandelt die ideal gespeicherte Energie und das Leistungsungleichgewicht. Das ESR-Modell erklärt, warum ein reales Bauelement zusätzlich Energie dissipiert, wenn ein sich ändernder Strom hindurchfließt.
Hier werden keine Angaben zu MARSTON-Kapazität, ESR, ESL, zulässigem Rippelstrom oder Kondensatorlebensdauer gemacht. Die Erklärung betrifft das nichtideale Verhalten von Bauelementen, ohne eine installierte Kondensatortechnologie, einen Zwischenkreisschwellwert oder ein Verfahren zur Bauelementauswahl festzulegen.
Setzen Sie die Prüfung fort mit LC-Filterresonanz: Eigenfrequenz und Dämpfung.
Setzen Sie die Prüfung fort mit Mechanismen von Durchlass- und Schaltverlusten in Halbleitern.
Setzen Sie die Prüfung fort mit PWM-Schaltfrequenz, Träger und Grundfrequenz.
Setzen Sie die Prüfung der Kondensatorbauteile fort mit Kondensatordielektrika und Aufbau und dielektrischer Verlustfaktor und Ersatzmodelle.
Erweitern Sie die Betrachtung des Gleichspannungskondensators mit Kondensatorladung und Einschaltstrom und den separaten Leitfaden zu Momentanleistung, Speicherung und Dissipation.
Allgemeiner Hintergrund: TDK Electronics: Ersatzparameter von Kondensatoren und Bedingungen für die Bemessung des Rippelstroms. Diese Quellen erläutern Branchenkonzepte; sie sind von den geltenden MARSTON-Produkt- und Projektunterlagen zu unterscheiden.
Zentrale Begriffe und Bedingungen.
Lesen Sie jede Größe mit ihrem Bezug, ihren Einheiten und den genannten Bedingungen. Ein allgemeiner Zusammenhang legt keinen modellspezifischen Wert fest.
| Begriff / Größe | Bedeutung / Zusammenhang | Bedingungen / Grenzen |
|---|---|---|
| Idealer Stromwert | i = C dv/dt in A | Konstantes C und konsistente Bezugsrichtungen für Spannung und Strom. |
| ESR | Effektiver Serienwiderstand in Ω | Die Angaben zu Frequenz und Temperatur sind maßgebend. |
| ESL | Effektive Serieninduktivität in H | Relevant für das Impedanzmodell des Bauelements. |
| Verluste durch Ripple-Effekte | Irms² ESR in W | Anwendbare Näherung für eine einzelne Frequenz oder einen konstanten ESR. |
| Bemessungswert für den Rippelstrom | Strom und Referenzbedingungen | Die Bemessungsangabe ist nicht unabhängig von den thermischen Bedingungen und der Frequenz. |
Technische Fragen.
Ist der Rippelstrom dasselbe wie die Spannungswelligkeit?
Nein. Ihr Zusammenhang hängt vom Bauteil und vom frequenzabhängigen Schaltungsmodell ab.
Bedeutet eine nahezu konstante mittlere DC-Spannung, dass kein Kondensatorstrom fließt?
Nein. Veränderliche Komponenten können weiterhin Strom erzeugen.
Kann ein einzelner ESR-Wert alle Frequenzen repräsentieren?
Nicht allgemein. Der jeweils maßgebliche Ersatzwiderstand kann von Frequenz und Temperatur abhängen.
Verdoppelt sich die ESR-Erwärmung, wenn der Strom verdoppelt wird?
Bei unverändertem ESR erhöht sich der Verlust im Modell auf Basis des Stromeffektivwerts um den Faktor vier.
Ist Selbstresonanz dasselbe wie die vollständige Filterantwort?
Nein. Ein Bauelement und das umgebende Netzwerk haben unterschiedliche Modellierungsgrenzen.
Lässt sich daraus eine Bemessungsgröße oder Lebensdauer des eingebauten Kondensators ableiten?
Nein. Es werden keine tatsächlichen Kondensatorparameter oder Lebensdauerprognosen für MARSTON angegeben.
Technische Anfrage
Die technische Frage besprechen.
Ein Gleichspannungskondensator kann einen veränderlichen Strom führen, selbst wenn seine mittlere Klemmenspannung nahezu konstant erscheint. Teilen Sie für eine technische Erörterung das Modell und die einschlägigen Betriebs- oder Auslegungsinformationen mit.