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Fachzeitschrift für Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik

HF-Technik Bild 5:

HF-Technik Bild 5: Ersatz-Serienwiderstand (ESR) eines typischen Keramikkondensators mit 22 nF (magentafarbene Kurve) Bild 6: Angelegte Spannung und Ableitstrom Verlustleistung und damit Temperaturerhöhung ist extrem hoch. Da ein Durchführungskondensator über eine sehr geringe Serieninduktivität verfügt, kann die zu erwartende Verlustleistung (in Watt) einfach aus dem Produkt von Spannungsabfall und Strom berechnet werden. Den Durchgangsstrom kann man mit herkömmlichen Mitteln messen, aber kontaktlose Stromwandler oder Halleffekt-Sonden sind besser geeignet. Die besten Messpunkte, um den Spannungsabfall zu messen, zeigt Bild 4. Hier werde alle Serienwiderstände (gemäß Bild 3) erfasst. Manchmal ist es sogar notwendig, die Isolation des Kabels zu durchstechen, um einen Kontakt mit dem Kabel in der Nähe des Kabelschuhs herzustellen. Um die zu erwartende Verlustleistung abzuschätzen ist es nicht zwingend notwendig, alle Längswiderstände in Bild 3 zu kennen. Wenn man jedoch gerade auf der Suche nach einem Konstruktions- oder Fertigungsfehler ist, kann es sehr sinnvoll sein, die elektrischen Anschlüsse auf beiden Seiten des Durchführungskondensators unter die Lupe zu nehmen. Die Messung des Spannungsabfalls bei Hochstrominstallationen sollte immer die Kontrolle folgender Parameter beinhalten: - Güte der leitenden Oberflächen (Oxidation, Korrosion) - Anzugsdrehmomente - Qualität der Kabelschuhe und deren Anschlag an das Kabel - Oberflächenbehandlung / Überzüge. Die Messung des Spannungsabfalls kann aber auch von vorhandenen hochfrequenten Störspannungen beeinflusst werden. In Fällen, wo die Versorgungsspannung durch ein elektrisch verseuchtes Umfeld läuft, mag es sinnvoll sein, den Durchgangsstrom nicht als Gleich- sondern als Wechselstrom (Effektivwert) zu messen. Dazu wird „sauberer“ 50- oder 60-Hz-Wechselstrom angelegt und so der Spannungsabfall mit weniger Ungenauigkeit gemessen. Dieselbe Methode nützt auch, wenn der Spannungsabfall über den Durchführungskondensator in der realen Installation den Messbereich des Messgeräts überschreitet. Dabei ist immer ein Auge auf die entsprechenden Sicherheitsrichtlinien zu werfen. Außerdem muss auf die Spannungen und Strömen geachtet werden. Verlustleistung durch den hochfrequenten Ableitstrom Der Ableit- oder Bypass-Strom ist der Strom, der über den Filterkondensator nach Masse fließt. Er hängt ab von der Kurvenform der Spannung am durchgehenden Leiter und der Kapazität des Kondensators. Beispiel: Eine Spannung von 100 V eff mit einer Frequenz von 100 kHz wird an einen Kondensator mit einer Kapazität von 220 nF angelegt. In diesem Fall hat der Kondensator eine Impedanz von ca. 72,3 Ohm. Der daraus resultierende Ableitstrom wird ca. I = 1,38 A betragen. Der ESR wird mit steigender Frequenz immer niedriger. Nachdem er ein Minimum erreicht hat, wird er bei Frequenzen über 10 MHz wieder ansteigen. Bei 100 kHz beträgt der ESR des Kondensators ca. 0,12 Ohm. Daraus resultiert eine Verlustleistung (I2 x ESR) von ca. 1,9 W. Große Durchführungskondensatoren können leicht mehrere Ampere Ableitstrom verkraften. Wenn die Kurvenform der Spannung recht komplex ist, muss man auch die harmonischen Oberwellen betrachten. Denn auch diese tragen zur Verlustleistung gemäß I 2 x ESR bei. Die Verlustleistungen der Harmonischen müssen summiert werden, um sicherzustellen, dass der Kondensator nicht überlastet wird. Ein Beispiel dazu zeigt Bild 6: Der 220-nF-Kondensator wird mit einer trapezförmigen Spannung belastet. Diese hat eine Anstiegszeit von 20 µs bis zu 300 V, eine Haltezeit von 5 µs und fällt in 1 µs wieder auf 0 V ab. Die Periodendauer ist dabei 250 µs, was einer Wiederholfrequenz von 4 kHz entspricht. Das ist die blaue Kurve in Bild 6. Der Ableitstrom wird wie folgt berechnet: I = C dv/dt Er wird durch die magentafarbene Kurve in Bild 6 dargestellt und beträgt ca. 3,3 A während des Spannungsanstiegs bzw. ca. -38 A während des Spannungsabfalls. Die durchschnittlich Stromstärke liegt hier bei 1,13 A, der Effektivwert davon bei 3,0 A. Der Scheitelfaktor in diesem Beispiel ist mit 12,5 recht hoch, was auf das Vorhandensein eines hohen Oberwellenanteils hinweist. Der Verlauf des Ableitstroms im Zeitbereich kann mittels FFT (Schnelle Fourier-Transformation) in den Frequenzbereich transformiert werden. Die Ströme der Oberwellen verursachen ebenfalls Verlustleistungen - wegen des Ersatz- Serienwiderstands (ESR). Die Verlustleistung (P) jeder Oberwelle kann mit P = ESR (freq) x I (freq) 2 berechnet werden. Dazu sind die grünen Datenpunkte in Bild 6 zu beachten. Diese Verlustleistungen aufsummiert und geplottet zeigt Bild 7. Es zeigt, dass die größten Anteile im Frequenzbereich unter 100 kHz liegen. Die Verlustleistung nähert 20 hf-praxis 5/2015

HF-Technik Kurztips zum Anschluss • Messen Sie den Spannungsabfall von Anschlussleitung zu Anschlussleitung bei hoher Last und maximalem Strom. • Nur das ergibt eine Aussage über den Kondensator und die Qualität der elektrischen Verbindungen. Messungen ohne Last per Ohmmeter bringen keine vernünftige Ergebnisse. • Messen oder simulieren Sie die angelegte Spannung. Damit können Sie den Ableitstrom durch den Kondensator und die damit verbundene Erwärmung vorhersagen. Bild 7: Kumulierte Verlustleistungen • Messen oder berechnen Sie die Temperatur der durchgehenden Elektrode unter Berücksichtigung des Kurvenverlaufs der anliegenden Spannung. Achtung, Oberwellen! sich asymptotisch der 20-mW- Linie, bleibt aber darunter. Eine Verlustleistung von 20 mW ist für einen großen Durchführungskondensator vernachlässigbar. Diese Beispiele sind recht hilfreich, wenn man Prinzip und Funktionsweise von Filteranwendungen verstehen will. Änderungen der Werte des ESR und der Kurvenform der Spannung können große Auswirkungen haben. Deshalb sollten berechnete Werte immer in der Praxis getestet werden. Speziell dann, wenn das Design an die Belastungsgrenze der Filterelemente geht. Der Ableitstrom ist eine Funktion der Kurvenform der anliegenden Spannung, die Impedanz des Kondensators sinkt mit höherer Frequenz. Daraus folgt, dass die Ableitströme immer höherfrequenter sind als der Strom, der den durchgehenden Leiter durchfließt. Temperaturerhöhung Bei moderater effektiver Luftkühlung und einer Befestigung an massivem Metall wird ein Durchführungskondensator isothermisch sein, das heißt, an jeder Stelle so ziemlich die gleiche Temperatur haben. Wir haben das getestet und Temperaturabweichungen von nur ein bis zwei °C gemessen. Demnach kann man die durch Verlustleistung verursachte Erwärmung als eine einzige Größe ansehen. NexTeks Test haben aber auch ergeben, dass es sinnvoll ist, beim Thema Erwärmung herkömmliche lineare Modelle zu vermeiden. Bei vielen Bauteilen kann mit einem linearen “θ” oder einem Modell für den Verlustleistungsfaktor den Zusammenhang zwischen Erwärmung und Verlustleistung darstellen. Lineare Modelle sind auch anwendbar, wenn Baugruppen zwangsgekühlt sind. • Und als Qualitätskriterium: Definieren Sie den maximal akzeptablen Spannungsabfall über die gesamte Installation. Oberfläche der Kabelschuhe, der Leitungen oder Stromschienen. Die Messung des Spannungsabfalls über die gesamte Filteranordnung ist die beste Methode zur Beurteilung der Qualität des Durchführungskondensators und seines Einbaus. Im Gegensatz dazu ist der thermische Widerstand eines Hochstrom-Durchführungskondensators ganz stark von Wärmeleitungseffekten, auf natürlicher Zusammenfassung a) Hochstrom-Durchführungskondensatoren sind kompakte Konvektion basierend, abhängig. Und hier ist der Zusammenhang und preiswerte Elemente zur zwischen Verlustleistung und Eliminierung hochfrequenter Erwärmung eben nicht linear. leitungsgebundener Störungen Für natürliche Konvektion gibt - speziell über 10 MHz. Angenehmerweise ist die Filterwir- es ein einfaches, aber dennoch einigermaßen genaues Modell, kung dabei unabhängig von das wir empfehlen und nachfolgend beschreiben. Der Tempe- der Höhe des durchfließenden Stroms. raturanstieg - verursacht durch die Verlustleistung - für einen b) Applikationen mit Strömen durch freie Konvektion gekühlten Durchführungskondensator dere Sorgfalt beim elektrischen über 100 A erfordern beson- kann nach folgender Formel Anschluss des Durchführungskondensators. Hier gilt es, Über- berechnet werden: gangswiderstände und damit Delta T = C 1 x P (C2) Spannungsabfälle, die wiederum zu Verlustleistung führen, C 1 ist dabei eine empirische Konstante und C 2 eine empirische zu vermeiden, denn Verlustleistung führt zur Erwärmung. Leistungskonstante. Für eines unserer NexTek-400-A-Filter c) Zusätzlich können noch die liegt C 1 typischerweise zwischen 2,0 und 3,0, C 2 zwischen Betriebsspannung simuliert und gemessen werden, um den zu 0,80 und 0,85. P ist die gesamte erwartenden Ableitstrom und Verlustleistung eines Durchführungskondensators inklusive die damit verbundene Verlustleistung abschätzen zu können. aller elektrischer Anschlüsse. Der Wert von C 1 hängt ab von d) Wenn b) und c) kombiniert der Kühlwirkung der Befestigungsfläche des Durchführungsmung des Durchführungskon- werden, kann man die Erwärkondensators, der Größe und densators gut bestimmen. e) Messung und Kontrolle der gesamten Verlustleistung ist die beste Methode, einen Hochstrom-Durchführungskondensator inklusive seiner Anschlüsse telco_ins_291113 29.11.2013 1 zu beurteilen. Ein rundes Programm • AT Schnitt Quarze • Uhrenquarze • TCXO/VCTCXO • SAW Filter • Clock Oszillatoren • Quarzfilter www.telcona.de info@telcona.de hf-praxis 5/2015 21

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© beam-Verlag Dipl.-Ing. Reinhard Birchel