Eine Einführung in die Einfügedämpfung und die Leistung von Filterkondensatoren

von Anthony Kenny. Kondensatoren werden sowohl in analogen als auch in digitalen Schaltungen verwendet, um unerwünschte Signale zu entfernen. Die Filterleistung eines Kondensators oder einer Filterschaltung wird allgemein als Einfügungsdämpfung beschrieben. Einige der Faktoren, die die Einfügungsdämpfungsleistung einer Filterschaltung signifikant beeinflussen, umfassen die Konfiguration der Filterelemente, die Impedanz und den Laststrom.

Filtern von EMI in Schaltkreisen
Elektrische Störungen, sowohl natürliche als auch vom Menschen verursachte, können die Leistung einer elektronischen Schaltung erheblich beeinträchtigen. Diese unerwünschten Signale werden zusammenfassend als elektromagnetische Interferenz (EMI) bezeichnet. Filterschaltungen werden in den meisten analogen und digitalen Schaltungen verwendet, um diese unerwünschten Signale zu eliminieren. Zu den häufigsten Quellen dieser Signale gehören Beleuchtung, Stürme, Niederschlag, Stromleitungen, Motoren, Zündsysteme, Radarsender, Leistungsverstärker, Computeruhren und kosmische Quellen.

Die Konfiguration der Elemente in einer Filterschaltung bestimmt maßgeblich ihre Filterleistung. Die einfachste Filterkonfiguration, allgemein als C-Filter bekannt, besteht aus einem einzelnen Durchführungskondensator. Die Leistung einer Filterschaltung wird durch die Verwendung einer Kombination aus kapazitiven und induktiven Elementen verbessert. Zu den gängigsten Konfigurationen gehören L-C-, T- und Pi-Konstruktionen. Die Erhöhung der Anzahl kapazitiver und induktiver Elemente trägt zur Verbesserung der Leistung einer Filterschaltung bei.

vorgestelltes Bild:Einfügedämpfungsdiagramm für verschiedene Filtertopologien; Quelle: S.Nelson, Mittel

Einfügedämpfungseigenschaften von Kondensatoren und Schaltungen
Einer der Schlüsselfaktoren, die bei der Auswahl eines Kondensators für die EMI-Filterung zu berücksichtigen sind, ist seine Einfügedämpfungscharakteristik. Dieser Parameter wird üblicherweise als das Spannungsverhältnis vor und nach dem Hinzufügen eines Filters definiert. In einer Grundschaltung wird der Wert durch Dividieren der Spannungswerte erhalten, die vor und nach dem Einfügen einer Filterkomponente erhalten werden. Dieser Parameter bestimmt maßgeblich den Dämpfungsgrad einer Filterschaltung. Die Einfügedämpfungsleistung einer Schaltung oder Komponente wird üblicherweise in Dezibel angegeben.

Gewöhnliche Kondensatoren haben keine guten Leistungsmerkmale der Einfügungsdämpfung. Das Vorhandensein einer inhärenten Induktivität verringert ihre Fähigkeit, unerwünschte elektrische Störungen zu erden. Diese Restinduktivität nimmt mit zunehmender Elektrodenlänge zu. Außerdem ist die Induktivität umso höher, je schmaler die Elektrode ist. Um diese unerwünschte Induktivität zu reduzieren und die Filterleistung von Kondensatoren zu verbessern, ist es notwendig, die Architektur dieser passiven Komponenten zu modifizieren. Das Ändern der Architektur eines Kondensators und das Hinzufügen eines dritten Anschlusses hilft, die Restinduktivität zu minimieren. Auf dieser modifizierten Architektur basieren Durchführungskondensatoren, eine spezielle Klasse kapazitiver Elemente, die häufig für Filteranwendungen verwendet werden.

Bei Kondensatoren mit zwei Anschlüssen ist die Restinduktivität höher, da sich die Zuleitungen eines Bauteils wie Induktivitäten verhalten. Das Einführen eines dritten Anschlusses hilft, die Induktivitätskomponente in Reihe mit der kapazitiven Komponente zu reduzieren. Dies verbessert die Einfügedämpfungseigenschaften eines Kondensators erheblich. Durch Reduzieren dieser Restinduktivität wird die Eigenresonanzfrequenz eines Siebkondensators erhöht.

Durchführungskondensatoren wurden speziell entwickelt, um eine außergewöhnliche Einfügedämpfungsleistung zu bieten. Diese Kondensatoren werden häufig für EMI-Unterdrückungs- und Umgehungsanwendungen verwendet. Die gebräuchlichsten Ausführungen von keramischen Durchführungskondensatoren, die in heutigen Filterschaltungen verwendet werden, sind Scheiben- und Röhrenkondensatoren. Durchführungskondensatoren aus Kunststofffolie werden häufig in Anwendungen verwendet, die eine hohe Zuverlässigkeit erfordern.

Einfügedämpfung variiert mit der Frequenz
Die Einfügedämpfungseigenschaften von idealen und tatsächlichen Kondensatoren unterscheiden sich geringfügig. Die Einfügedämpfung eines idealen Kondensators nimmt mit steigender Frequenz zu. Im Vergleich dazu steigt die Einfügedämpfung eines realen Bauteils mit der Frequenz bis zu einem bestimmten Niveau. Dieser Pegel wird als Eigenresonanzfrequenz bezeichnet. Nach diesem Wert nimmt die Einfügedämpfung einer tatsächlichen Komponente mit steigender Frequenz ab.

Bei Frequenzen über der Resonanzfrequenz ändert sich die Einfügedämpfungsleistung eines Filters nicht, wenn die Restinduktivität konstant gehalten wird. Das Erhöhen oder Verringern der Kapazität einer Komponente unter diesen Bedingungen hat keinen Einfluss auf die Einfügungsdämpfung. Dies bedeutet, dass zur Rauschunterdrückung bei hohen Frequenzen ein Kondensator mit einer hohen Eigenresonanzfrequenz benötigt wird. Für solche Anwendungen sollten Bauteile mit kleinen Restinduktivitäten verwendet werden.

Faktoren, die die Einfügedämpfungsleistung bestimmen
Die Einfügedämpfungsleistung einer Schaltung oder Komponente wird von vielen Faktoren bestimmt; Einige der Hauptfaktoren sind die elektrische Konfiguration, der Laststrom, die Quellimpedanz, die Lastimpedanz, die Erdungsimpedanz, die Eigenschaften der dielektrischen Materialien der Komponenten und die Integrität der Abschirmung.

Konfiguration von Komponenten
Obwohl einzelne Elemente zum Entfernen unerwünschter Signale verwendet werden können, verwenden die meisten Filterschaltungen eine Kombination aus kapazitiven und induktiven Komponenten. Die Wahl der Konfiguration wird hauptsächlich durch die gewünschte Einfügedämpfungsleistung bestimmt. Die gängigsten Konfigurationen sind C, C-L, L-C, Pi und T. Siehe Abbildung unten:

Theoretisch ergibt ein Einzelelementfilter eine Einfügungsdämpfung von 20 dB pro Dekade, während ein Zweielementfilter 40 dB pro Dekade ergibt. Filterschaltungen mit drei oder mehr Elementen können eine noch bessere Einfügedämpfungsleistung erzielen. Filterschaltungen mit mehreren kapazitiven und induktiven Elementen werden in Schaltungen verwendet, in denen eine hohe Filterleistung erforderlich ist. Die tatsächliche Einfügedämpfungsleistung wird durch die tatsächlichen Eigenschaften der verwendeten Komponenten bestimmt. Diese Informationen werden normalerweise in Datenblättern bereitgestellt. Es ist wichtig, Ihre Quell- und Lastimpedanzen zu berücksichtigen, wenn Sie eine Konfiguration für Ihre Filterschaltung auswählen.

Aktuell laden
Der Einfluss des Laststroms auf die Einfügedämpfung wird maßgeblich von den Eigenschaften der verwendeten Filterelemente bestimmt. Bei Filterschaltungen mit induktiven Elementen kann die Einfügedämpfung bei Verwendung von Ferrit-Induktivitäten sinken. Der Grad dieses Effekts hängt von den spezifischen Eigenschaften des Ferritmaterials ab.

Schaltungsimpedanzen
Die Einfügedämpfungsleistung einer Filterschaltung hängt stark von der Quell- und Lastimpedanz ab. Diese Leistung wird normalerweise durch die Wahl einer geeigneten Konfiguration von kapazitiven und induktiven Elementen optimiert.

Schlussfolgerung
Kondensatoren werden sowohl in analogen als auch in digitalen Schaltungen verwendet, um unerwünschte Signale zu entfernen. Die Filterleistung eines Kondensators oder einer Filterschaltung wird allgemein als Einfügungsdämpfung beschrieben. Zu den Faktoren, die die Einfügedämpfungsleistung einer Filterschaltung erheblich beeinflussen, gehören die Konfiguration der Filterelemente, die Impedanz und der Laststrom.

Herkömmliche Kondensatoren liefern keine gute Leistung bei der Einfügungsdämpfung, und Komponenten mit drei Anschlüssen werden verwendet, wenn eine bessere Leistung erforderlich ist. Für eine optimale Einfügedämpfungsleistung werden Filterschaltungen verwendet, die aus mehreren kapazitiven und induktiven Elementen bestehen.