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Was bedeutet ESR?von Prof. Jürgen Plate |
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Was bedeutet ESR?von Prof. Jürgen Plate |
ESR ist die Abkürzung für die englische Bezeichnung Equivalent Series Resistance. ESR bezeichnet den inneren Verlustwiderstand eines Kondensators. Der ESR geht als nicht erwünschter Innenwiderstand zusammen mit der Equivalent Series Inductance (ESL) in die Impedanz des Kondensators ein. Er erhöht die Verlustleistung und beeinträchtigt die Störunterdrückung. Er bildet mit der Kapazität und der Induktivität ESL des Kondensators eine Reihenschaltung.
Der ESR ist in der Regel nur bei der Auswahl von Elektrolytkondensatoren relevant. Er wird durch Material, Konstruktion und die Leitfähigkeit des flüssigen Elektrolyts (Kathode) beeinflusst. Er ist frequenzabhängig und ändert sich durch Temperatureinflüsse und Lagerung. Bei Tantal-Kondensatoren, Elkos oder Keramikkondensatoren kann sich die damit einhergehende Veränderung des ESR-Wertes schaltungstechnisch bemerkbar machen, da in Kondensatoren mit großen Kapazitäten auch hohe Ladeströme fließen. Der ESR wirkt sich auf den Wirkungsgrad und damit auf die Leistungsaufnahme der Schaltung aus. Eingangsseitig dienen die Elkos als Glättungskondensatoren oder sie minimieren das Schaltrauschen eines AC/DC-Wandlers. Am Ausgang einer Stromversorgung fungieren sie als Filter und Stromsenke für induktive Elemente. ESR-bedingte Verluste hindern den Elko daran, sich schnell aufzuladen bzw. zu entladen. Ausserdem erhöht sich die Restwelligkeit und damit sinkt die Stabilität des Regelkreises.
Wie an jedem normalen Widerstand entsteht auch in einem Kondensator aufgrund des Innenwiderstands Wärme. DIe Verlustleistung berechnet sich nach der Formel P = I2 * ESR. Je größer der ESR ist, desto größer ist auch die Wärmeentwicklung im Kondensator. Auf diese Temperatur beruht auch die Lebenserwartung. Je geringer der ESR-Wert ist, desto höher ist die Stromaufnahmefähigkeit des Kondensators. Kondensatoren mit besonders geringem ESR werden mit "Low-ESR" oder mit "Ultra-Low-ESR" bezeichnet. Wegen des geringeren Innenwiderstands haben sie einen besseren Wirkungsgrad. Die Serieninnenwiderstände von Low-ESR-Kondensatoren liegen unter 1 Ω, jene von Ultra-Low-ESR unter 0,1 Ω, jeweils bezogen auf 100 kHz und 25° Umgebungstemperatur. Je nach Aufbau und Elektrolyt liegen die ESR-Werte für Elkos zwischen 20 mΩ und 100 mΩ. Bei Superkondensatoren erstreckt sich der Bereich zwischen einigen wenigen mΩ und einigen zehn mΩ. Manche Hersteller spezifizieren den ESR bei anderen Frequenzen und geben dann einen Verlustfaktor an, mit dessen Hilfe man den Wert für die gewünschte Frequenz errechnen kann.
Elektrolytkondensatoren werden hauptsächlich in Schaltungen zur Stromversorgung eingesetzt, z. B. als Siebkondensatoren. Häufig dienen sie auch als Stützkondensator, wenn ein Verbraucher kurzzeitig viel Strom zieht, bis der Spannungsregler nachgeregelt hat. Man ist deshalb an Elkos mit einem möglichst geringen Verlustwiderstand ESR interessiert. Dies gilt insbesondere für Schaltnetzteile und alle anderen Formen von Abwärts- oder Aufwärtswandlern. Durch den geringen Innenwiderstand tragen Low-ESR-Elkos zu einem guten Wirkungsgrad von Spannungswandlern bei. Oft werden statt eines Low-ESR-Elkos mit großer Kapazität mehrere Elkos mit geringerer Kapazität parallelgeschaltet. So können der ESR und auch die Induktivität ESL reduziert werden, was aber zulasten der Platinenfläche geht.
Aufgeplatzter Elko (Quelle: http://fotosbsb.com.br, Mataresephotos)
Der ESR kann sich im Lauf der Betriebszeit eines Kondensators verändern. Vor allem Kondensatoren mit einem flüssigen Elektrolyt sind betroffen, denn das Elektrolyt kann verdampfen. Keramik-Kondensatoren und Elkos mit einem festen Elektrolyt unterliegen nicht diesem Alterungsprozess. Wesentliche Faktoren für das Altern sind Betriebstemperatur und Betriebsfrequenz. Aber auch nach ca. 10 Jahren Lagerzeit sollte ein Elko nicht mehr verwendet werden (also gelegentlich die Bastelkiste ausmisten). Fehlerhafte Elkos mit einem zu hoch gewordenen ESR können elektrische Geräte ausfallen lassen. Insbesondere sind Schaltnetzteile betroffen, denn hier sind die Kondensatoren bedingt durch hohe Schaltfrequenzen und daraus resultierendem Temperaturanstieg extremem Stress ausgesetzt. Die durchschnittliche Lebensdauer beträgt ca. 1000 bis 3000 Betriebsstunden. Viele Hersteller bieten Low-ESR-Elkos an, die neben einem geringen Innenwiderstand speziell für hohe Temperaturen ausgelegt sind. Solche Elkos sind meist am Aufdruck "105 °C" erkennbar (ein Standard-Elko ist nur für Temperaturen bis 85 °C geeignet).