Wofür Abblock-, Sieb-, Pufferkondensatoren gut sind

dino03

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27 Okt 2008
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BascomAVR, Assembler
Hallo zusammen,

in der Letzten Zeit hab ich ein paar Thread gehabt, bei denen wegen fehlender Kondensatoren komische Phänomene aufgetaucht sind. Darum also nun dieser Thread. Bei manchen reicht es scheinbar aus einfach nur die Spannung an die Pins zu bringen :p :rolleyes:

Ein paar Links vorweg ...

- rn-wissen.de - Abblockkondensator recht guter Beitrag zu dem Thema.
Der Link unten auf der Seite (Cypress AN1032: Using Decoupling Capacitors) funktioniert leider nicht mehr. Man kann die Info aber im Internet über Suchmaschinen finden. Siehe hier ... AN1032 - Using Decoupling Capacitors - Cypress Semiconductor ;) Die ApplicationNote ist echt interessant.

- bascom-forum.de - Projekt Tacho Beispiel für Probleme wegen fehlender Kondensatoren

- avr-praxis.de - Display zeigt komische Symbole an hier liegt die Vermutung auch nahe.

Das Problem ist vor allem das man diese Kondensatoren meißt im Schaltplan nicht eingezeichnet hat oder die eingezeichneten auf der Platine falsch verteilt hat. Man sieht es also erst auf einem Foto der Platine was da wirklich fehlerhaft ist. Außerdem kommt es auch sehr auf die Leiterbahnführung an. Wenn man Leitungen mit starken Stromschwankungen (LED-Anzeigen, Relais, Motore, ...) an empfindlichen Bauteilen entlangführt, dann muß man sich nicht wundern wenn es nicht so funktioniert wie es soll. Wenn man dann noch die Kondensatoren vergißt, dann existiert meißt nur noch Chaos in der Schaltung.

Leiterbahnen wirken wie ein Widerstand und eine Spule. Sie arbeiten also als Tiefpaß. Wenn ein Baustein an ihnen Strom benötigt, dann fällt an der Leiterbahn eine Spannung ab. Wenn er schnell Strom benötigt dann bremst die induktive Komponente zusätzlich und die Spannung an diesem Baustein bricht regelrecht zusammen.

Grundsätzlich legt man an jedes Versorgungspin-Pärchen eines ICs einen 100nF Keramikkondensator. Um Größe zu sparen nimmt man für sowas Multilayer-Kondensatoren. Die gibt es zusätzlich noch mit verschiedenen Keramiksorten für das Dielektrikum (die Isolierschicht). Man kann guten Gewissens zu X7R oder auch Z5U greifen. Man will ja keine zeit- oder frequenzgenauen Dinge bauen sondern nur Energie zwischenspeichern. Also reichen 20% Toleranz absolut aus. Diese 100nF Keramikkondensatoren haben einen niedrigen Innenwiderstand und können sehr schnell Energie nachliefern wenn sie benötigt wird. Da die Kapazität aber auch nicht sonderlich groß ist sind sie auch entsprechend schnell leer. Wenn Bauteile also größere Energiemengen benötigen (Mikrocontroller, LED-Displays, Relais, Motore, ...) dann legt man parallel dazu noch einen kleinen Elko mit 10µF bis 47µF. Der liefert dann langfristiger Energie. Da Elkos aber einen höheren Innenwiderstand haben und der Folienwickel im Inneren eine Induktivität hat, liefert er langsamer nach und kann darum sehr kurze Pulse nicht ausgleichen. Die beiden Kondensatoren unterstützen sich also gegenseitig. Keiner von beiden ist überflüssig. Bei manchen ICs sind sogar drei Kondensatoren vorhanden (zB 1nF, 100nF 10µF).

Wie man sieht sollen die Kondensatoren einem Baustein genug Energie liefern wenn er mal etwas mehr Strom benötigt (Pufferwirkung). Sie haben aber noch eine andere Funktion. Wenn der Baustein mit hohen Frequenzen oder steilen Signalflanken arbeitet, dann breiten sich diese über die Versorgungsleitungen zu den anderen Bausteinen aus. Diese Störsignale können zum Beispiel bei einer ADC-Messung das Ergebnis stark verfälschen. Diese Frequenzen werden von den Kondensatoren kurzgeschlossen (Sieb-, Abblockwirkung).

...
..
.
to be continued :sleep: :goodnight:

... weiter gehts ;)
 

gp177

Mitglied
27 Jun 2013
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BascomAVR, LunaAVR
noch was zum Thema Abblock-, Sieb,- und Pufferkondensatoren

Hallo Zusammen,
ja, das Thema Kondensatoren wird oft unterschätzt.
Von mir noch ein paar Hinweise zu den Elkos - wer sich schon länger mit Elektronik beschäftigt oder von jemandem eine Sammlung von Bauteilen übernommen hat könnte auf die Idee kommen, Kondensatoren zu benutzen, die schon 10 Jahre oder länger in der Bastelkiste liegen - Finger weg, ab damit in die Tonne (Elektronikschrott). Kondensatoren haben die unangenehme Eigenschaft zu altern. Wer so etwas in seine Schaltung einbaut, kann sich eine Menge Probleme einhandeln.
Manche (ältere) Elkos, die nahe an ihrer Nennspannung betrieben werden (z.B. 5V an einem 6,3V Elko) neigen zum sporadischen Durchschlagen (zeitweiliger Kurzschluss) - Viel Spaß beim Suchen, warum der MC ohne erkennbaren Grund neu startet. Ich bevorzuge lowESR-Elkos, die haben einen besonderes geringen Innenwiderstand und eine geringe Induktivität und eignen sich sehr gut als Abblock- oder Pufferkondensator.
 

dino03

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27 Okt 2008
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die Fortsetzung ...

Hallo zusammen,

da fehlt ja noch so einiges. Also hab ich mal kurz etwas gepinselt ...

Zuerst mal eine Basisversorgung von einem Atmel Mega8 als Schaltplan und als Board. Einmal mit und einmal ohne Drossel für die AVcc-Versorgung (AVcc !MUSS IMMER! angeschlossen werden) ...

Abblockkondensatoren.sch.png . Abblockkondensatoren.brd.png

Beim Board sieht man die Anbindung der Kondensatoren über möglichst kurze Verbindungen. Das ist sehr wichtig! Der Elko kann dagegen ein wenig mehr Leitungslänge vertragen da er sowieso mehr Innenwiderstand hat wie so ein Keramikkondensator.

Und nun ein Schaltplan mit zwei Logik-ICs und einmal mit einem Leistungstreiber für zB Relais oder nen Motor.

Abblockkondensatoren2.sch.png . Abblockkondensatoren2.brd.png

Auch hier sitzen die Keramikkondensatoren möglichst dicht an den Versorgungsanschlüssen. Bei den Logik-ICs der alten 74er-Reihe ist das wegen der diagonal angeordneten Versorgungsanschlüsse natürlich etwas schwierig. Darum sind die Kondensatoren hier sogar unter dem Sockel. Alternativ kann man sie auch an eine der Stirnseiten des ICs setzen um dann nur einen längeren Anschluß zu haben. Es gibt für dieses Problem sogar IC-Sockel die zwischen den diagonal angeordneten Versorgungsanschlüssen bereits Keramikkondensatoren eingebaut haben. Der Elko sitzt wieder etwas weiter weg. Außerdem wurde nur ein Elko für beide ICs verwendet da die ICs etwas weniger Strom benötigen. Man beachte auch die Größe des Elkos. Beim Leistungstreiber habe ich 47µF verwendet und bei den Logik-ICs nur 10µF. Das hat mit der Last zu tun die am Leistungstreiber hängt. Der Elko muß ja Strom liefern können. Bei längeren Leiterbahnen vom IC bis zum Stromanschluß der Platine wirkt da aber der Widerstand und die Induktivität der Leiterbahn dagegen. Also benötigt man bei Leistungstreibern und allem anderen was mehr Strom benötigt auch einen Elko entsprechender Größe direkt in der Nähe.

Der Strom wird außerdem immer in einer gewissen Reihenfolge an den Kondensatoren vorbeigeführt. Die Leiterbahnen passieren zuerst den Elko, dann den Keramikkondensator und kommen zum Schluß an den Versorgungsanschluß.

Stellt euch einfach den Strom auf der Leiterbahn wie einen Kanal mit Wasser vor. Wenn das IC nun mehr Strom benötigt dann saugt es an diesem Kanal. Es entsteht ein Einbruch in der Wasserhöhe. Dieser Einbruch wandert nun vom IC-Beinchen bis zum Versorgungsanschluß und passiert dabei auch andere Bauteile die diesen Einbruch mehr oder weniger stark bemerken. Die Kondensatoren sind nun einfach kleinere oder größere Wasserbehälter die diesem Einbruch des Wasserstandes entgegenwirken können. Entweder schnell aber mit wenig Wassermenge (Keramikkondensator) oder langsam mit viel Wassermenge (Elko).

Wenn man zB die Leiterbahn zum Leistungstreiber am Prozessor vorbeiführt und zu wenige Kondensatoren benutzt, dann kann es zB beim Einschalten eines Relais oder Motors zum Reset des Prozessors kommen weil dem für einen kurzen Augenblick zu wenig Spannung zur Verfügung steht.

Merke also: Einfach einen Schaltplan irgendwie auf eine Platine zu nageln hilft wenig. Es ist wirklich wichtig wie die Bauteile angeordnet sind und wie man die Leiterbahnen führt. Das gilt besonders für die Versorgungsspannungen. Diese Anordnung auf der Platine ist aber in den seltensten Fällen im Schaltplan ersichtlich. Dazu gehört Grundlagenwissen und Erfahrung die man mit der Zeit sammelt.

Gruß
Dino
 

tenor

Mitglied
30 Sep 2012
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BascomAVR
Hallo Dino,
ich bin gerade dabei meine AQ Steuerung zu erneuern, da sich mal wieder die Gegebenheiten geändert haben, daher bietet es sich natürlich an
auch mal über die eingesetzten Kondensatoren nachzudenken.

Ich habe bisher keine Keramik Kondensatoren eingesetzt, sondern immer diese WIMA MKS teile.
Sind diese als Abblock Kondensator auch geeignet, oder sollten es lieber die Keramik teile sein?
 

dino03

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27 Okt 2008
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Hi,

mal nen Vergleich für Abblockkondensatoren ...

Wima MKS-2 100nF RM5mm 0,09eur/Stk.
Wima MKS-2 100nF RM2,5mm 0,155eur/Stk.
Wima MKS-4 100nF RM5mm 0,115eur/Stk.

Vielschicht Z5U 100nF 0,04eur/Stk.

Die MKS sind also schonmal mindestens doppelt so teuer wie die Keramiks.
Außerdem sind die Folienkondensatoren deutlich größer. Also eine Platzfrage.

Zu den elektrischen Werten habe ich mal mein Buch "Kondensatorenkunde für Elektroniker" herangezogen. Franzis Verlag RPB-Reihe 149 von 1981 :rolleyes:

Leider hab ich da so auf Anhieb keinen wirklichen Vergleich gefunden. Das was in Diagrammen zu sehen war, war der Verlustfaktor tangens-delta. Der ist bei Keramikkondensatoren mit zunehmender Frequenz gegenüber den Folienkondensatoren deutlich besser. Das macht sich aber vor allem in HF-Schaltungen zB bei Schwingkreisen bemerkbar. Die Filterkurve würde durch einen schlechteren Verlustfaktor also breiter werden, ähnlich einem parallelgeschalteten Widerstand. Nach dem Buch wird der Innenwiderstand vor allem durch den Aufbau des Kondensators beeinflußt. Also zB Schichtaufbau oder Kondensatorwickel. Da ein Keramik-Vielschicht vom Aufbau doch ähnlich den MKS-Schichtkondensatoren sind, sollte sich da nicht viel Unterschied zeigen.

Also würde ich mit dem aktuellen Kenntnisstand sagen das du da ruhig deine MKS-Kondensatoren verwenden kannst. Du hast aber mindestens doppelte Bauteilkosten und ich tippe mal mindestens den 3-4fachen (oder noch wesentlich mehr) Platzbedarf.

Gruß
Dino
 

tenor

Mitglied
30 Sep 2012
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Hey Dino,
Besten Dank!
Hab die halt noch hier rumliegen, bei den Stückzahlen die ich brauche, macht es preislich keinen
Großen Unterschied.
Aber bei der nächsten Bestellung werde ich mir auch von denen ein paar zulegen, die
Bauteilkiste hat noch etwas Platz :)
 

LotadaC

Sehr aktives Mitglied
22 Jan 2009
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Wie ist das mit den Lade-/Entladekurven? Ich hätte bei Folie eigentlich kürzere Zeiten erwartet. Und was ist mit Glimmer?
 

dino03

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Hi,

Wie ist das mit den Lade-/Entladekurven? Ich hätte bei Folie eigentlich kürzere Zeiten erwartet. Und was ist mit Glimmer?
Die Lade/Entladekurven sollten sich zusammen mit dem Innenwiderstand verändern. Nach meinem Buch hängt der aber wohl zum größten Teil mit dem Aufbau zusammen und nicht mit dem Dielektrikum.

Glimmer ist das ursprüngliche Dielektrikum von Kondensatoren und hat die besten Eigenschaften. Im zweiten Weltkrieg wurde in Deutschland als Ersatz für den zu importierenden Glimmer keramische Werkstoffe entwickelt. Daraus sind dann die Keramikkondensatoren entstanden. Glimmerkondensatoren sind als Abblockkondensatoren "Perlen vor die Säue" :p die sind in Meßgeräten oder HF-Schaltungen wesentlich besser aufgehoben.

Gruß und Gute Nacht
:vollkommenauf: :sleep:
Dino
 

Hackes

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26 Sep 2009
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Hallo Dino,

erstmal vielen Dank für Deine Erklärungen zu den Abblockkondensatoren. Ich komme selbst aus der Elektronik, aber ich lese solche Sachen immer gerne, denn wenn von Anwendern für Anwender geschrieben wird, dann ist das meißt viel besser erklärt als in einschlägiger Fachliteratur. TOP!!

Ich bastel schon ein paar Jahre inzwischen mit den AVRs, aber betrachte mich doch noch etwas als Semi-Anfänger. Auslernen wird man eh nie.

Ich bin nun aber ziemlich verunsichert, was Deine Angaben zur Drossel für AVCC angeht. :confused:
Ehrlich gesagt, war ich zuerst geschockt, als ich Deine Korrektur gelesen habe, daß 10mH richtig sind. Denn bisher habe ich auch immer 10µH Festinduktivitäten verwendet, weil ich mir das irgendwann mal ergooglet habe. Ich dachte also, ich Dähmel, vielleicht erklärt das die manchmal schwankenden ADC-Werte, weil ich die falsche Spule verwende.

Verunsichert habe ich also nochmal die Google-Kiste angeschmissen und finde immer wieder 10µH für AVCC. Ehrlich gesagt, habe ich noch nie danach in den AVR-Datenblättern gesucht, was da angegeben wird... Aber wäre eine 10mH-Spule nicht ziemlich groß, also von den Abmessungen meine ich?! *Kopfkratz*

Was verwendest Du denn jetzt in Deinen Schaltungen und hast Du vielleicht Erfahrungen, wie sich die Spule beim ADC auswirkt?!


Bin immer für Tipps und Anregungen dankbar!


Viele Grüße,

Dirk (Hackes)
 

caargoo

Mitglied
1 Jul 2008
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Hab für Dich im Datenblatt gesucht!
Will ja nicht, das Du in der Vorweihnachtszeit zuviel Stress bekommst! :tomato:

MfGZwischenablage01.jpg
 

dino03

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27 Okt 2008
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Hi,

Ich bin nun aber ziemlich verunsichert, was Deine Angaben zur Drossel für AVCC angeht. :confused:
Ehrlich gesagt, war ich zuerst geschockt, als ich Deine Korrektur gelesen habe, daß 10mH richtig sind. Denn bisher habe ich auch immer 10µH Festinduktivitäten verwendet, weil ich mir das irgendwann mal ergooglet habe. Ich dachte also, ich Dähmel, vielleicht erklärt das die manchmal schwankenden ADC-Werte, weil ich die falsche Spule verwende.
hab ich mich wohl ein wenig im Beitrag vertan haben :rolleyes: :eek: Notfalls ist natürlich die Angabe aus dem Datenblatt richtig. Werd ich mal hier im Beitrag anpassen.

Ich nehme eigentlich immer Drosseln die bei mir noch so rumfliegen und mindestens der Angabe im Datenblatt entsprechen. Also so 10µH ... 22µH ... 33µH ... 39µH je nach Griff in die Restekiste.

Ich weiß nicht wie ich da damals dann auf einmal auf die 10mH-Schiene gekommen bin.
Grenzfrequenz eines LC-Gliedes ... fg = 1 / ( 2 * PI * SQR( L * C ) )
also ...
fg = 1 / ( 6,283 * SQR( 10exp-6 * 100exp-9 ) )
fg = 1 / ( 6,283 * 0,000001 )
fg = 1 / 0,000006283
fg = 159159Hz = 159kHz Grenzfrequenz des LC-Filters am AVCC.
Alle Frequenzen über etwa 160kHz werden also um etwa 70% ( 1/SQR(2) ) bedämpft.
22µH würden eine Grenzfrequenz von etwa 107kHz ergeben.
Alle Frequenzen da drunter sollten eigentlich durch die Elkos aufgefangen werden die sich um den Atmel tummeln.

Je dicker die Drossel, desto größer der Innenwiderstand, desto kleiner der Strom den man aus den damit versorgten Portpins ziehen kann. Bei größerer Drossel ist die Filterwirkung aber auch besser. Man muß also schon beim Design darauf achten die Pins entsprechend für die Pheripherie zu verteilen um einen guten Kompromiss zwischen Filterwirkung und Stromversorgung zu bekommen.

Gruß
Dino
 

Hackes

Neues Mitglied
26 Sep 2009
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Hallo Dino,

vielen Dank für die sehr ausführliche Antwort!!! Dann kann ich ja beruhigt weiter meine Spulen benutzen.

@caargoo:

Hey, vielen Dank für die Suche im Datenblatt. :victory: Und ich habe gerade auch keine Tomaten da. :smile:

Iss ja nicht so, als wenn ich da noch niiie reingeschaut hätte, grins.
Aber ich gelobe, es irgendwann auch mal ganz zu lesen. :agree:


Vielen Dank und vorweihnachtliche Grüße,

Dirk (Hackes)
 

Janiiix3

Aktives Mitglied
28 Sep 2013
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Sehr gute Erklärung dino03...
Kann man nochmal viel draus lernen :p
 

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