AKKN Electronics GermanySchaltnetzteile führen im Gleichspannungspfad stark pulsierende Ströme. Der Kondensator trägt nicht nur die mittlere Ausgangsspannung, sondern muss einen zeitlich veränderlichen Strom aufnehmen und wieder abgeben. Maßgeblich für die Erwärmung sind dabei der Rippelstrom und der Ersatzserienwiderstand (ESR). Wer diese beiden Größen nicht belastungsgerecht auswählt, erhält trotz korrekter Nennspannung eine deutlich verkürzte Lebensdauer oder einen Ausfall durch thermische Überlast. Der Beitrag erläutert die Zusammenhänge, leitet konkrete Anforderungen ab und gibt Hinweise für Einbau und Prüfung.
Elektrische Belastung am Stützkondensator
In Sperrwandlern, Durchflusswandlern und PFC-Stufen fließen im Ausgangs- und Zwischenkreis dreieck- oder trapezförmige Ströme. Neben der Grundschwingung der Taktfrequenz – typisch 50 kHz bis 500 kHz – enthält das Spektrum ausgeprägte Oberschwingungen. Für die Verlustleistung gilt frequenzgewichtet:
PVerlust = Σ [IRMS(f)² · ESR(f)]
Eine einfache Multiplikation mit einem einzelnen ESR-Nennwert bleibt daher eine Näherung. Der Rippelstrom wird im Datenblatt auf eine Bezugsfrequenz angegeben, meist 100 kHz oder 10 kHz, und auf eine zulässige Übertemperatur bezogen. Wird der Kondensator bei abweichenden Frequenzen betrieben, ist der zulässige Strom entsprechend zu reduzieren.
Anforderungen an die Kondensatorauswahl
Die Auswahl beginnt mit der Nennspannung. Sie sollte mindestens das 1,2- bis 1,5-fache der maximal auftretenden Gleichspannung einschließlich Überschwingern abdecken; für einen 400-V-Zwischenkreis sind Bauelemente der 450-V- oder 500-V-Klasse üblich. Die Kapazität ergibt sich aus der zulässigen Restwelligkeit
ΔU = I/(f · C)
oder aus der geforderten Überbrückungszeit:
C = (2 · P · tBrücke) / (UEin² – UMin²)
Anschließend ist der Rippelstrom zu prüfen: Der Effektivwert der auftretenden Wechselkomponente sollte mit einem Sicherheitsfaktor von mindestens 1,5 auf die Nennfrequenz des Bauelements bezogen werden. Hohe Spitzenströme oder geringe zulässige Übertemperatur führen zu Folienkondensatoren mit niedrigerem ESR; Aluminium-Elektrolytkondensatoren bleiben bei 105 °C Nenntemperatur und langen Lebensdaueranforderungen wirtschaftlich. Eine Parallelschaltung teilt den Rippelstrom auf und senkt den wirksamen ESR annähernd proportional – vorausgesetzt, der Aufbau ist symmetrisch, sodass sich die Ströme gleichmäßig verteilen.
| Kenngröße | Auslegungsvorgabe | Praxisbezug |
|---|---|---|
| Nennspannung UN | ≥ 1,2 · Umax zzgl. Überschwinger | 400-V-Zwischenkreis: 450-V- oder 500-V-Klasse |
| Kapazität C | nach ΔU = I/(f · C) und Überbrückungszeit C = (2 · P · t)/(UEin² – UMin²) | maßgeblich ist die größere der beiden Anforderungen |
| Rippelstrom IRMS | ≥ 1,5 · auftretender Effektivwert | auf 100 kHz oder 10 kHz bezogen; bei anderen Frequenzen derating |
| ESR | PVerlust = IRMS² · ESR unterhalb ΔTmax/Rth halten | Parallelschaltung senkt den wirksamen ESR |
| Betriebstemperatur | 85 °C oder 105 °C Nenntemperatur | oberhalb der Nenntemperatur gelten reduzierte Rippelstromwerte |
| Lebensdauer | z. B. 10.000 h bei Nennrippel und Nenntemperatur | je 10 K niedrigerer Wickeltemperatur etwa doppelte Lebensdauer |
Einbau- und Prüfhinweise
- Kondensatoren so anordnen, dass benachbarte Wärmequellen wie Drosseln, Kühlkörper oder Längstransistoren die Gehäusetemperatur nicht zusätzlich erhöhen.
- Bei parallelen Kondensatoren jede Zuleitung gleich lang und mit geringer Schleifeninduktivität ausführen; die Stromaufteilung ist messtechnisch zu verifizieren.
- Den Rippelstrom mit einer HF-tauglichen Stromzange direkt an der Kondensatorzuleitung erfassen – im Nennlastfall und bei minimaler Eingangsspannung, da dort der Tastgrad am höchsten ist.
- Die Gehäusetemperatur im thermischen Gleichgewicht messen und die Übertemperatur gegenüber der Umgebung dokumentieren; die zulässigen Grenzwerte sind dem Datenblatt zu entnehmen.
- In der Instandhaltung Kapazität und ESR mit einem LCR-Meter bei 100 kHz und kleiner Messamplitude prüfen. Ein Kapazitätsabfall um mehr als 20 % oder eine Verdopplung des ESR gegenüber dem Neuwert gilt als Austauschkriterium.
- Für die normgerechte Bewertung gelten DIN EN IEC 60384-4 für Aluminium-Elektrolytkondensatoren sowie DIN EN IEC 60384-16/-17 für Folienkondensatoren.
Erst wenn der Rippelstrom frequenzrichtig erfasst und der ESR bei der tatsächlichen Betriebstemperatur berücksichtigt ist, lässt sich die Lebensdauer eines Kondensators im Schaltnetzteil belastbar abschätzen.
