ESR

Jeder Kondensator, egal wie ideal er im Schaltplan aussieht, enthält einen kleinen Seriewiderstand. Das ist der äquivalente Serienwiderstand oder ESR: der kombinierte Widerstand der internen Verbindungen des Kondensators, des Plattenmaterials, des Elektrolyten und der Anschlussdrähte. In einem echten Bauteil muss der Strom durch all diese Materialien fließen, um zum Ladungsspeichermechanismus des Kondensators zu gelangen, und jeder Pfad führt Widerstand ein. Der ESR wird in Milliohm gemessen und fungiert als echtes Serienelement mit der Kapazität, nicht als parallele Leckleitstelle.

Der ESR variiert je nach Kondensatortyp erheblich. Keramikkondensatoren haben typischerweise ESR-Werte zwischen 10 und 100 Milliohm; Folienkondensatoren liegen zwischen 50 und 500 Milliohm; Aluminium-Elektrolytkondensatoren bewegen sich je nach Alter und Zustand zwischen 50 und 1000 Milliohm; und Superkondensatoren können bereits bei 1 bis 10 Milliohm liegen. Temperatur, Frequenz und angelegte Spannung verändern den ESR während des Betriebs. Alternde Elektrolytkondensatoren zeigen einen steigenden ESR, wenn der Elektrolyt austrocknet, was die Leistung lange vor dem Kapazitätsabfall unter die Toleranz beeinträchtigt.

Der ESR ist vor allem in Hochfrequenz- oder Hochstromschaltungen entscheidend. In Schaltreglern bestimmt der ESR die Welligkeit und die Energiedissipation im Ausgangsfilter. Ein Kondensator mit 1 Ohm ESR bei 10 Ampere Welligkeit setzt 100 Milliwatt um und trägt 10 Millivolt Rauschen bei; ein Kondensator mit 100 Milliohm setzt nur 1 Milliwatt um, aber fügt 1 Millivolt hinzu. In Audiogeräten ist niedriger ESR hörbar: hochohmige Elektrolytkondensatoren in Signalpfaden führen zu Verzerrungen und Phasenverschiebungen, die versierte Konstrukteure vermeiden.

Messung und Auswahl

Der ESR wird nicht mit einem einfachen Ohmmeter gemessen. Spezialisierte Impedanzanalysatoren überstreichen den Frequenzbereich von 10 Hertz bis 1 Megahertz und zeichnen die Impedanz gegen die Frequenz auf; der Mindestwert der Impedanz ist der ESR. Viele moderne Handmultimeter haben jetzt einen ESR-Modus, der diesen Wert schätzt, indem ein bekanntes Wechselsignal eingeprägt und die Widerstandskomponente berechnet wird. Bei höheren Frequenzen kann die Kondensatorimpedanz aufgrund von Induktivität wieder ansteigen, was einen zweiten Minimumpunkt erzeugt, den Ingenieure berücksichtigen müssen, wenn sie Komponenten für spezifische Anwendungen wählen.

Die Komponentenauswahl erfordert eine Anpassung des ESR an die Last. Laptop-Ladegeräte und Server-Stromversorgungen geben ESR-Grenzen ausdrücklich vor, da die Welligkeit-Unterdrückung und thermische Stabilität davon abhängen. Ein Kondensator mit einer Nennkapazität von 10 Mikrofarad bei 16 Volt mit 500 Milliohm ESR wird nicht die gleiche Rolle erfüllen wie einer mit 50 Milliohm ESR, obwohl beide die gleiche Nominalkapazität aufweisen. Konstrukteure, die mit engen Grenzen arbeiten, messen oder testen tatsächliche Teile aus der Produktionscharge, da die Herstellertoleranz beim ESR großzügig sein kann.