DC Filter

Kondensatoren

In einem DC-Eingangsfilter kann ein Elektrolytkondensator mit höherem ESR ein Überschwingen verhindern und eventuell auftretende Oszillationen dämpfen. Mit einer Kapazität von mehreren hundert µF kann er zudem als Pufferspeicher dienen.

Überspannungsschutz

Varistoren können große Ströme ableiten, die Klemmspannung ist aber wesentlich größer als die Betriebsspannung. Überspannungsschutz auf Basis von Halbleitern, also TVSP-Dioden, haben Vorteil, dass die Klemmspannung sehr nahe an der Betriebsspannung liegt – Im Gegenzug ist das Energieabsorbtionsvermögen aber kleiner. Daher kann ein kaskadierter Überspannungsschutz sinnvoll sein.

PCB Ferrite

SMD-Ferrite, die hohe Einschaltströme verkraften, sind eine sinnvolle Ergänzung.

MLCC & Aluminium-Polymer-Kondensatoren

Beachten Sie bei der Auswahl von MLCCs für Filteranwendungen den DC-Bias und die SRF. DC-Folienkondensatoren haben keinen DC-Bias, benötigen jedoch deutlich mehr Platz im Design.

DC & Data Line Chokes

Für Gegentaktstörer <30 MHz eignen sich Ferrit-Drosseln am besten.

Grundlagen eines DC Filters

Ein DC-Eingangsfilter wirkt als Barriere gegen elektrische Störungen und schützt sowohl das Gerät als auch dessen Stromquelle. Er blockiert unerwünschte Störungen, bevor diese in das Gerät gelangen (Erhöhung der Störfestigkeit), und verhindert gleichzeitig, dass das Gerät Störungen in die Versorgungsleitung einspeist (Reduzierung der Emissionen). Um sowohl Gleichtakt- als auch Gegentaktstörungen zu unterdrücken, wird eine Gleichtaktdrossel mit Leitungsfiltern und Kondensatoren kombiniert. Falls ein Überspannungsschutz erforderlich ist, sollte dieser direkt am Eingang des Filters platziert werden.

Mehr Wissen zum Thema DC Filter

Schematische Darstellung des Signalbereichs.

Kennlinie für ein unidirektionales Überspannungsschutzelement: Im normalen Betrieb sollte das Signal im grau gezeichneten Spannungsbereich bleiben. Steigt die Spannung weiter an, werden zunächst Überströme abgeleitet und die Spannung geklemmt, bevor bei noch höherer Überlastung der rote Bereich erreicht wird und das Überspannungsschutzelement Schaden nimmt.

Man sieht die Kennlinie für ein bidirektionales Überspannungsschutzelement

Kennlinie für ein bidirektionales Überspannungsschutzelement: Im normalen Betrieb sollte das Signal in einem der grau gezeichneten Spannungsbereiche bleiben. Steigt die Spannung weiter an (in positiver oder negativer Richtung) werden zunächst Überströme abgeleitet und die Spannung geklemmt, bevor bei noch höherer Überlastung der rote Bereich erreicht wird und das Überspannungsschutzelement Schaden nimmt.

Die Grafik zeigt die Abhängigkeit der Dämpfung mit der Frequenz

Da Mangan-Zink-Kerne bei niedrigeren Frequenzen arbeiten als Nickel-Zink-Kerne, werden NiZn-Kerne hauptsächlich für Datenleitungen und MnZn-Kerne für Gleichstromleitungen verwendet.

Auf dem Bild sieht man eine Bifilare-und Sectionale Wicklung

Für DC-Filter sind Gleichtaktdrosseln mit bifilarer (siehe links) oder sektionaler (siehe rechts) Wicklung erhältlich. Aufgrund der zusätzlichen Gegentakt-Dämpfung wird für DC-Leitungen die sektionale Wicklung  empfohlen.

Die Grafik zeigt die Abhängigkeit der Dämpfung mit der Frequenz

Mit der Online-Simulationsplattform RedExpert lassen sich die passenden Impedanzen von SMT-Ferriten für Ihre Anwendung auf Basis von Frequenz, DC Bias, Systemimpedanz und erforderlicher Dämpfung berechnen.

Die Grafik zeigt die Abhängigkeit des maximalen Impulsstroms von der Impulslänge.

Für hohe Spitzenströme eignen sich besonders die pulsbelastbaren SMT-Ferrite aus der Familie WE-MPSB, die einen sehr niedrigen DC-Widerstand Rdc und einen Nennstrom von bis zu 10,5 A vertragen.

Die Grafik zeigt die Abhängigkeit der Impedanz von der Frequenz.

SMT-Ferrite lassen sich nach vier Anwendungsgebieten charakterisieren: 1) Hohe Ströme, 2) hohe Frequenzen, 3) große Bandbreite und 4) hohe Geschwindigkeit. Das Diagramm zeigt die Impedanzcharakteristik in Abhängigkeit der Frequenz für die vier Anwendungsbereiche.

Das Diagramm zeigt die Impedanz in Abhängigkeit von der Frequenz für Kondensatoren mit unterschiedlichen Kapazitätswerten

Das Frequenz-/Impedanz-Diagramm zeigt die Eigenresonanzfrequenzen der MLCC-Kondensatortypen mit 100 nF, 10 nF und 1 nF. Die Eigenresonanzfrequenzen steigen mit abnehmenden Kondensatorkapazitäten.

Das Bild zeigt, wie sich die Kapazität bei steigender DC-Bias-Spannung verändert

Die Kapazität eines Kondensators ist typischerweise auch von einer gleichzeitig angelegten Gleichspannung (DC Bias) abhängig und kann mit zunehmender Gleichspannung deutlich geringer ausfallen. Aus dem DC-Bias-/Kapazitätsdiagramm ist deutlich erkennbar, dass mit zunehmender Miniaturisierung des Bauteils der Nominalwert von 470 nF absinkt (rote Kurve).

Auf dem Bild kannst du die Platinenbiegung erkennen.

Für Anwendungen mit hoher mechanischer Beanspruchung empfiehlt es sich, Soft-Termination-Kondensatoren einzusetzen. Diese verfügen über eine Terminierung mit Ag-Polymer/Ni/Si und minimieren das Risiko, dass Risse auftreten.

Der Graph beschreibt die Kapazitätsveränderung bei den unterschiedlichen Kondensatorenmodellen

Kondensatoren sollten ihre Kapazität möglichst über die Temperatur hinweg konstant halten. Dies erfüllen drei der eingesetzten Materialien NP0, X7R und X5R deutlich besser als Y5V, wie im Diagramm gut zu erkennen ist. NP0 weist über einen weiten Betriebstemperaturbereich praktisch keine Veränderungen in der Kapazität auf.

Die Lebensdauer eines Kondensators hängt von der maximal erlaubten Betriebstemperatur, der Umgebungstemperatur, dem Rippelstrom und der angelegten Spannung ab. Die vereinfachten Formeln verzichten auf den Einfluss von Strom und Spannung. In RedExpert lässt sich die Lebensdauer detailliert für Ihre Anwendung berechnen.

Schaubild eines echten Simulationsmodells.

Für die Simulation von Kondensatoren für Stromversorgungen stehen reale Modelle auf Basis der gezeigten Ersatzschaltung mit äquivalanter Serieninduktivität ESL und äquivalentem Serienwiderstand sowie parallelem Widerstand für Leckströme zur Verfügung.

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