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5-2015

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Fachzeitschrift für Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik

HF-Technik HF-Filterung

HF-Technik HF-Filterung sehr hoher Ströme mit Durchführungskondensatoren Die Filterung von Versorgungs- oder Datenleitungen dient dazu, einer Elektronik in einem HF-dichten Gehäuse eine „saubere“ Versorgungsspannung bzw. ein störungsfreies Datensignal anzubieten. Das funktioniert nach folgendem Prinzip: Hochfrequente leitungsgebundene Störspannungen werden von einem Filterelement (Durchführungskondensator) nach Masse abgeleitet. Es entsteht Verlustleistung, und das Bauteil erwärmt sich. Bei Anwendungen mit sehr hohen Versorgungsströmen (über 30 A) kann sich der Durchführungskondensator, bedingt durch interne Übergangswiderstände, noch zusätzlich weiter erwärmen. Es ist wichtig, diese Erwärmung zu dimensionieren und zu kontrollieren, damit der Durchführungskondensator nicht beschädigt oder zerstört wird. Grundsätzliches Verlustleistung und Temperaturanstieg - das sind die wichtigsten Parameter zur richtigen Auslegung von Hochstrom-Durchführungskondensatoren Hochstrom - Hochfrequenzfilterung? Charakteristisch für die effektive Filterung hoher Ströme bei hohen Frequenzen sind: George M. Kauffman PE Vice President of Engineering NexTek, Inc., Westford, Mass Bearbeitet und übersetzt von Dipl.Ing. Erich Thomich ELECTRADE GmbH Gräfelfing Bild 1: Vergleich von Kondensatoren für Filteranwendungen • Geforderte Einfügungsdämpfung >30 dB • Frequenzbereich bis 1 GHz • Stromstärke >30 A Die Dimensionierung des Filterelements - hier des Durchführungskondensators - beginnt mit zunächst einer Analyse der zu erwartenden Störfrequenzen. Darauf basierend wird die Kapazität des Filterelements passend zu den Stromstärken und Spannungen im System ausgewählt. Ziel dabei ist, den Pegel der Störsignale auf einen akzeptablen Wert zu beschränken. Da Durchführungskondensatoren erst oberhalb von 1 MHz ihre beste Wirkung zeigen, können in manchen Fällen zusätzliche diskrete Bauelemente die Einfügungsdämpfung bei niedrigeren Frequenzen verbessern. Arten von Kondensatoren Die Filterwirkung eines Durchführungskondensators, verglichen mit einem diskreten Bild 2: Typischer Hochstrom- Durchführungskondensator oder bedrahteten Kondensator, zeigt Bild 1. Wenn gute Filterwirkung oberhalb von 10 MHz gefragt ist, können Durchführungskondensatoren leicht Einfügungsdämpfungen von über 40 dB bereitstellen. Der bedrahtete Kondensator kann bis ca. 3 MHz mit der Dämpfung mithalten, darüber nimmt diese jedoch dramatisch ab (Blaue Kurve - Leaded). Beste Dämpfungsergebnisse bis weit über 1 GHz werden mit keramischen Durchführungskondensatoren erzielt. Gewickelte Durchführungskondensatoren (Filmkondensator, metallisiert oder Folie) zeigen dagegen gern mal eine Delle in der Dämpfungskurve (Film - Lila Kurve, bei ca. 17 MHz) - der Grund dafür sind interne Resonanzeffekte. Diese Delle ist umso ausgeprägter, je höher die Kapazität des Kondensators ist. Das Defizit in der Filterwirkung eines Filmkondensators kann im Bereich der Delle bei über 30 dB liegen. Ein Keramikkondensator jedoch (Rote Kurve) wird bis in den Bereich sehr hoher Frequenzen seine Dämpfungseigenschaften erhöhen, bzw. beibehalten. Deswegen verwendet NexTek ausschließlich Keramik-Durchführungskondensatoren. Eigenschaften von Keramik-Durchführungskondensatoren Durchführungskondensatoren enthalten keine nennenswerten internen Induktivitäten, die unter Umständen zu Sättigungseffekten beitragen könnten. Die Höhe des durch den Durchführungskondensator fließenden Stroms beeinflusst deshalb auch die Filterwirkung praktisch nicht. Neben dem Thema Einfügungsdämpfung gibt es weitere Gesichtspunkte, die Hochstromvon Anwendungen mit niedrigen Strömen unterscheiden: Hohe Ströme, also sowohl Durchfluss- als auch Ableit- 18 hf-praxis 5/2015

HF-Technik Bild 3: Vereinfachtes Ersatzschaltbild eines Durchführungskondensators Bild 4: Messung des gesamten Spannungsabfalls; hier könnte zum Beispiel der Spannungsabfall zwischen dem oberen Ende der Elektrode und der Kupferschiene deutlich kleiner sein als der vom unteren Ende zum Kupferkabel. Grund: Dazwischen befindet sich noch der Kabelschuh. strom, stressen das Filterelement gewaltig. Sie erzeugen Verlustleistungen, die zur Erwärmung des Durchführungskondensators führen. Wenn dessen Temperatur extrem ansteigt, kann dies zur Fehlfunktion oder gar zum Totalausfall führen. Deswegen wollen wir hier auch zu den Geheimnissen des Temperaturmanagements von Hochstrom- Durchführungskondensatoren vordringen. Ersatzschaltbild Durchführungskondensator Ein vereinfachtes aber hilfreiches Ersatzschaltbild eines Durchführungskondensators zeigt Bild 3. Der Hauptstrom fließt durch die diversen Widerstände, die entlang des roten vertikalen Strangs eingezeichnet sind. Es sind hier übrigens auch die Widerstände der Anschlussleitungen und Verbindungselemente berücksichtigt. Der Widerstand der durchgehenden Elektrode ist hier in zwei Hälften (Electrode/2) aufgeteilt, da der Keramikkondensator normalerweise mittig auf der durchgehenden Leitung angebracht ist. Der Durchgangsstrom ist abhängig von der Stromquelle und der Lastimpedanz. Der Durchgangsstrom kann beliebiger Art sein, nur DC, Wechselspannung einer bestimmten Frequenz - oder irgend eine beliebige komplexe Wellenform. Das Ersatzschaltbild des filternden Kondensators ist blau eingezeichnet, „C“ ist der Kapazitätswert. Es ist auch eine Ersatz-Serieninduktivität (ESL) vorhanden. Diese ist übrigens auch für die fallende Einfügungsdämpfung bei bedrahteten Kondensatoren im Bereich höherer Frequenzen verantwortlich. In einem Durchführungskondensator ist die ESL allerdings ziemlich vernachlässigbar, bedingt durch die Geometrie der Konstruktion und einfach weil keine Anschlussdrähte da sind. Einen Ersatz-Serienwiderstand (ESR) gibt es auch - er ist üblicherweise eine Funktion der Frequenz des Durchgangsstroms. Der ESR wird hauptsächlich von den Materialeigenschaften des Dielektrikums und der leitenden Oberflächen bestimmt. Schließlich gibt es noch den Ersatz-Parallelwiderstand (EPR), der den Leckstrom oder Isolationswiderstand beeinflusst. Er hat aber normalerweise keinen Einfluss auf die Wirksamkeit der Filterung. Der Leckstrom von der Elektrode über den Kondensator nach Masse hängt in erster Linie von den Eigenschaften der angelegten Spannung ab. Bei Betrieb mit Wechselspannung muss die Höhe des Leckstroms auch aus Sicherheitsgründen sehr genau beobachtet werden. Dasselbe gilt für die Rest-Welligkeit im Gleichstrombetrieb. Verlustleistung des Durchgangsstroms Der Durchgangsstrom verursacht einen Spannungsabfall über die durchgehende Elektrode und damit eine Verlustleistung. Die durchgehende Elektrode wird durch die diversen vertikal angeordneten Widerstände in Bild 3 dargestellt. In Durchführungskondensatoren mit Nennströmen von 50 A und mehr spielt der Durchgangswiderstand eine große Rolle bei der Generierung der Verlustleistung. Tabelle 1 zeigt die Verlustleistungen für drei Durchführungskondensatoren mit unterschiedlichem Nennstrom. Der Durchgangswiderstand der durchgehenden Elektrode wird etwa 10 mOhm beim 30-A-Durchführungskondensator betragen. Bei der 400-A-Version dürfen 100 µOhm jedoch nicht überschritten werden, um die Erwärmung im Zaum zu halten. Man sieht dabei auch, dass eine Streuung des Widerstands der durchgehenden Elektrode (von 100 µOhm bis zu 8.000 µOhm) bei einem 30-A-Durchführungskondensator nicht sonderlich kritisch wäre. Die gleiche Bandbreite könnte jedoch für die 400-A-Version wegen der (bei 8.000 µOhm) fast 10-fachen Verlustleistung das rauchende Ende bedeuten. Es ist also erstes Ziel für jede Hochstrom-Installation, den Spannungsabfall am und über den Durchführungskondensator zu minimieren. Hier sind speziell die Zuleitungen, Kabelschuhe und sonstige verbundene Teile kritisch zu betrachten. Natürlich muss auf korrekte Verbindung geachtet werden. Die Spannungsabfälle über die Anschlüsse sind meist höher als die über die durchgehende Elektrode. Der Einfluss schlechter elektrischer Verbindungen auf Nennstrom Durchgangswiderstand Verlustleistung 30 A 8.000 µOhm 7,2 W 100 A 1.000 µOhm 10 W 400 A 100 µOhm 16 W Tabelle 1: Durchgangswiderstand und Verlustleistung für typische Durchführungskondensatoren hf-praxis 5/2015 19

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