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Viele Sensoren und Aktoren im Internet der Dinge (IoT) müssen beispielsweise von einer Knopfzelle bedient werden. Bei den dafür benötigten DC/DC-Wandlern sind die Ableitströme der Kondensatoren für die Betriebszeit entscheidend.

Die Verbreitung des IoT hat zu einer steigenden Nachfrage nach Komponenten wie intelligenten Sensoren und Aktoren geführt, die über einen längeren Zeitraum bis zu mehreren Jahren mit nur einer einzigen kleinen Energiequelle wie einer Knopfzelle betrieben werden können. Die Kunst des Ultra-Low-Power-Designs ist extrem anspruchsvoll geworden – vom Energy Harvesting oder dem Batteriemanagementsystem über die Antenne bis hin zum Abschalten unterlagerter Systeme, wenn diese nicht benötigt werden. Aus jedem Joule Energie muss das Maximum herausgeholt werden.

Trotz stromsparender Schaltungs- und Softwaredesigns können Kondensatorleckagen und der damit verbundene Kapazitätsverlust dazu führen, dass die zur Verfügung stehenden mAh nicht lange genug gehalten werden können. Normalerweise werden mehrere Kondensatoren benötigt, um die Leistung eines Energy-Harvesting-Systems oder eines DC/DC-Wandlers zu stabilisieren. Beim Aufladen verhalten sie sich wie undichte Eimer, die ständig eine kleine Menge Ladung verlieren und so wertvolle Energie verschwenden.

Die Ableitströme betragen zwar nur wenige µA, sind aber vergleichbar mit denen, die beispielsweise über komplizierte Energiesparmodi vom Mikrocontroller abgezweigt werden. Daher ist es sinnvoll, den Ableitstrom von Kondensatoren in einer Schaltung zu analysieren und die Auswahl alternativer Komponenten zu prüfen, um ihn zu reduzieren.

Abbildung 1 zeigt ein Speicherkondensatornetzwerk, das für ein von Texas Instruments veröffentlichtes PIR-Sensor-Referenzdesign mit fünf Kondensatoren empfohlen wird. Wartungsfreier Betrieb von zehn Jahren ist das Ziel für diese Art von Produkten – allerdings könnten schlecht ausgewählte Kondensatoren mehr Strom verbrauchen, als die Knopfzelle zehn Jahre lang liefern kann.

Ebenso ist in einem Energy-Harvesting-System eine große Kapazität erforderlich, um die Anwendung am Laufen zu halten. Er wird nach dem durchschnittlichen Energieverbrauch berechnet. Ein kleiner Teil der Energie, die der Harvesting-Mechanismus, zB über eine Solarzelle oder ein Peltier-Modul, gesammelt hat, wird in den Kondensatoren gespeichert und geht durch diese Entladung mit der Zeit verloren.

Die Wahl der richtigen Technologie, Nennspannung und Kapazitätswert kann einen großen Einfluss auf den Energieverlust haben, der durch Ableitströme verloren geht. Schauen wir uns Keramikkondensatoren (MLCCs) genauer an. Diese werden häufig verwendet, um Netzstörungen zu filtern, bei Stromunterbrechungen gespeicherte Energie bereitzustellen oder sicherzustellen, dass Anlagen ordnungsgemäß heruntergefahren werden. Da der Ableitstrom klein ist, hängt die Wirkung vom Isolationswiderstand des Kondensators ab: Ein höherer Isolationswiderstand sorgt für einen kleineren Ableitstrom.

Ein MLCC besteht aus mehreren parallelen Platten, die durch das keramische Dielektrikum getrennt sind. Angestrebt wird ein möglichst hoher Kapazitätswert bei kleinstmöglicher Gehäusegröße. Kondensatorhersteller haben dünne dielektrische Schichten, feine Partikel und eine präzise Laminierung entwickelt, um die Kapazität innerhalb der Größenbeschränkungen von Standard-SMD-Gehäusen zu erhöhen. Andererseits sind dickere Dielektrikumsschichten erforderlich, um eine höhere Nennspannung zu erreichen: Eine Erhöhung der Nennspannung erhöht auch den Isolationswiderstand, was den Ableitstrom reduziert, obwohl auch die Kapazität bei gleichbleibender Gehäusegröße geringer ist.

Die Dicke des Dielektrikums, die angelegte Spannung und die Elektronenbeweglichkeit beeinflussen somit den Leckstrom. Das elektrische Feld im Kondensator übt auf die geladenen Teilchen eine Kraft F aus (Gleichung 1):

Diese Kraft treibt den Elektronenfluss innerhalb des Bauteils an, den Leckstrom. Bei gegebener angelegter Spannung nimmt die Kraft F und damit der Leckstrom zu, sobald die Dicke des Dielektrikums abnimmt.

Eine andere Möglichkeit, die Kapazität mit der Gehäusegröße in Beziehung zu setzen, besteht darin, Gleichung 2 zu verwenden:

Soll die gleiche Kapazität mit kleinerer Fläche (zB 0812 bis 0402) erhalten bleiben, wird entweder die Dielektrikumsdicke reduziert oder die Lagenzahl erhöht. Es ist am wahrscheinlichsten, eine Kombination aus beiden zu verwenden. Insgesamt kann festgestellt werden, dass die Verkleinerung eines Kondensators von Natur aus die Leckströme erhöht.

Auch die Änderung der Ableitströme über die Temperatur muss berücksichtigt werden. Die Beweglichkeit geladener Teilchen und damit der Ableitstrom nimmt mit der Temperatur zu. In der Praxis steigt der MLCC-Ableitstrom zwischen Raumtemperatur und 45 °C um mehr als den Faktor sieben an.

Mit der Berechnung des Ableitstroms lassen sich die Auswirkungen auf die Batterielebensdauer abschätzen. Es ist zu beachten, dass der anfänglich in den Kondensator fließende Strom unmittelbar nach dem Anlegen der Spannung den Ladestrom und die dielektrischen Absorptionsströme sowie den Leckstrom umfasst. Wenn der Ladestrom und die Absorptionsströme abnehmen, konvergiert der fließende Strom zum Leckstrom.

Das Datenblatt eines Keramikkondensators gibt den garantierten Mindestisolationswiderstand bzw. die Isolationswiderstandsgrenze in Ohm-Farad (Ω-F) in Abhängigkeit von der Gehäusegröße und dem Kapazitätswert an. Um den Isolationswiderstand für einen bestimmten Kondensator zu berechnen, ermittelt man einfach den angegebenen Ohm-Farad-Wert für das Bauteil und dividiert ihn durch den Kapazitätswert. Der Ableitstrom bei der Arbeitsspannung kann dann nach dem Ohmschen Gesetz (Gleichung 3) berechnet werden:

Betrachten wir folgendes Beispiel mit handelsüblichen X7R-MLCCs mit 10 x 47 µF in Sammelschienenfiltern bei einer Arbeitsspannung von 5 V. Das Datenblatt garantiert für dieses Bauteil einen Isolationswiderstand von 500 MΩ.µF (Gleichung 4):

Der DC-Leckstrom ´DCL für die Anordnung von 10 Kondensatoren kann wie folgt berechnet werden (Gleichungen 5 und 6):

Tantal-Kondensatoren zeichnen sich durch einen hohen volumetrischen Wirkungsgrad, geringes Rauschen und Langzeitstabilität aus und sind daher eine ausgezeichnete Wahl für energiesparende IoT-Geräte, die über eine lange Lebensdauer wartungsfrei betrieben werden müssen.

Bei diesen Kondensatoren ist die Bewertung des DC-Leckstroms etwas einfacher als bei Keramikkondensatoren. Das Datenblatt gibt den DC-Leckstrom direkt als Bruchteil des Kapazitätswerts und der Spannung an. Für die Standard MnO2-Kondensatorserie T491 von KEMET gilt (Gleichung 7):

Bei einer Kapazität von 470 µF bei einer angelegten Spannung von 5 V (vergleichbar mit dem vorherigen Beispiel) beträgt der DC-Leckstrom (Gleichung 8) daher:

Für die T489-Serie von KEMET, die speziell für niedrige Ableitströme entwickelt wurde, lautet Gleichung 9:

Werden die T491-Kondensatoren durch T489-Varianten mit 470 µF ersetzt, kann der Ableitstrom deutlich reduziert werden.

Bei Tantal-Kondensatoren hängt der Ableitstrom aufgrund des Verhältnisses zwischen Nennspannung und Dielektrikumsdicke stark vom Verhältnis der angelegten Nennspannung zur angegebenen Nennspannung ab. Bild 2 zeigt, wie der Ableitstrom deutlich reduziert wird, wenn die angelegte Spannung deutlich unter der Nennspannung liegt. Ein Kondensator mit einer Nennspannung, die zehnmal höher ist als die angelegte Spannung, reduziert den DC-Leckstrom um den Faktor 50. Designer können dies in Schaltungen verwenden, die einen sehr geringen Leckstrom benötigen - jedoch auf Kosten einer größeren Komponente.

Zu beachten ist, dass der Ableitstrom auch von der Temperatur abhängt. Dies sollte bei der Berechnung der Auswirkungen auf den Energiehaushalt der Anlage berücksichtigt werden.

DC-Ableitströme in Kondensatoren müssen bei der Entwicklung extrem stromsparender Systeme oder Geräte berücksichtigt werden, die über einen längeren Zeitraum ohne Laden oder Austauschen der Batterie betrieben werden müssen. Beispiele hierfür sind PIR-Sensoren oder Energy-Harvesting-Systeme, die eine große Kapazität benötigen, um eine stabile Energieversorgung des Systems zu gewährleisten.

Es lohnt sich, die Auswirkungen von Ableitströmen auf den Energiehaushalt des Gesamtsystems zu berechnen, um die notwendigen Gegenmaßnahmen zu ergreifen. Keramikkondensatoren mit hohen Kapazitätswerten haben tendenziell höhere DC-Leckströme. Auf der anderen Seite profitieren Kondensatoren mit höherer Spannung von niedrigeren Leckströmen – bieten jedoch eine geringere Kapazität in Bezug auf die Gehäusegröße. Ableitströme können durch die Auswahl von Kondensatoren aus einer speziellen Serie mit geringem Ableitstrom, zB der T489 Tantal Serie von KEMET, reduziert werden.

Lebenswichtig – MLCCs für sicherheitskritische Anwendungen in rauen Umgebungen

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* Axel Schmidt ist Senior Technical Marketing Manager Europe bei der KEMET Electronics GmbH in Landsberg am Lech.

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