Leistungselektronik Grundlagen X-Kondensator

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In der EMV ist es wichtig, den Störungen einen Weg zu geben. Im Eingangsbereich nutzt man hierfür häufig X-Kondensatoren. Doch was genau ist das und wie legt man diese aus?

X-Kondensatoren sind in der Leistungselektronik sehr wichtig. Sie sind gerade im Bereich der EMV-Entstörung ein wichtiges Werkzeug, um die Grenzwerte der EMV-Normen einzuhalten.

Was ist ein X-Kondensator

Ein X-Kondensator, ist eine Art um Kondensatoren als Entstörkondensator zu nutzen. Hierbei handelt es sich nicht um einen spezieller Typ von Kondensator, sondern um die Nutzung eines Kondensators in elektrischen Schaltungen, um elektromagnetische Störungen (EMV) zu unterdrücken. Solche Störungen können beispielsweise durch Schaltvorgänge oder elektromagnetische Felder verursacht werden. In Schaltnetzteilen werden zum Beispiel X-Kondensatoren verwendet, um die durch schnelles Schalten erzeugten hochfrequenten Störungen zu dämpfen.

Leistungselektronik Grundlagen

Y-Kondensator

Einsatz von X-Kondensatoren

In vielen EMV-Filteranwendungen wird der X-Kondensator direkt zwischen die zu filternden Leitungen geschaltet. Dies sorgt dafür, dass hochfrequente Störungen unterdrückt werden. In diesen Fällen sorgt der X-Kondensator alleine Ableitung der Störströme und er erzielt die gewünschte Filterwirkung ohne Widerstand. Der Kondensator stellt für hochfrequente Störsignale eine niederohmige Verbindung dar und leitet sie ab, während er für die Betriebsfrequenzen (z.B. 50 Hz bei Netzstrom) eine hohe Impedanz aufweist und daher kaum Einfluss hat.

Zusätzlich gibt es Szenarien, in denen der Kondensator mit einem Widerstand eingesetzt wird. Dies erfolgt wenn einer der folgenden Fälle vorliegt:

Dämpfung von Schwingungen: In Schaltungen, die zu Schwingungen neigen, kann ein Widerstand in Reihe mit dem X-Kondensator eingefügt werden, um die Dämpfung zu erhöhen und unerwünschte Resonanzen zu verhindern.

Entladewiderstand: In Anwendungen, bei denen die Sicherheit eine wichtige Rolle spielt, wird oft ein Entladewiderstand parallel zum X-Kondensator geschaltet. Der Widerstand sorgt dann dafür, dass der Kondensator nach dem Ausschalten der Schaltung entladen wird. Solche Entladewiderstände sind besonders in Netzfilteranwendungen wichtig.

Impedanzanpassung: In einigen Fällen wird der Widerstand zur Impedanzanpassung der Schaltung eingesetzt, um die Effektivität des Filters zu optimieren und Reflexionen oder Fehlanpassungen zu vermeiden.

Dimensionierung von X-Kondensatoren

Wenn ein X-Kondensator in Kombination mit einem Widerstand eingesetzt wird, um ein Tiefpassfilter zu bilden, bleibt die Berechnung der Grenzfrequenz (f_c​) dieselbe wie bei einem einfachen RC-Tiefpassfilter. Die Formel lautet:

Die wesentlichen Einflussfaktoren zur Dimensionierung des X-Kondensators:

1. Nennspannung

Die Nennspannung des X-Kondensators muss den maximalen Spannungen in der Schaltung standhalten können. Es ist wichtig, einen Kondensator zu wählen, der die erforderliche Spannungsfestigkeit inklusive aller Transienten aufweist. Ansonsten droht ein früher Ausfall.

2. Kapazitätswert

Die Kapazität des X-Kondensators bestimmt die Filterwirkung bei hohen Frequenzen. Typische Kapazitätswerte liegen zwischen 10 nF bis 1 µF. Ein höherer Kapazitätswert verbessert die Filterwirkung bei niedrigeren Frequenzen, kann jedoch auch zu höheren Ableitströmen führen. Die maximalen Ableitströme sind in der Regel in Normen oder Anforderungen eines Produktes oder eines Landes geregelt.

Wenn kein zusätzlicher Widerstand verwendet wird lässt sich nicht die klassische RC-Tiefpassfilterformel anwenden. In einem reinen Kondensatorszenario gibt es immer eine parasitäre (serienmäßige) Impedanz durch Leitungswiderstände und die Eigeninduktivität der Schaltung. Näherungsweise lässt sich dann die Grenzfrequenz in solchen Fällen errechnen. Ein Kondensator alleine stellt eine frequenzabhängige Impedanz dar, die durch die folgende Gleichung beschrieben wird:

3. Verlustfaktor und Impedanz

Der Verlustfaktor (tan δ) und die Impedanz des Kondensators sind ebenfalls wichtige Parameter. Ein niedriger Verlustfaktor weist auf geringe Verluste im Kondensator hin, was insbesondere bei höheren Frequenzen wichtig ist. Die Impedanz des Kondensators sollte bei den zu filternden Frequenzen möglichst niedrig sein, um eine effektive Filterung zu gewährleisten.

4. Betriebstemperaturbereich

X-Kondensatoren sollten in der Lage sein, bei den in der Anwendung typischen Temperaturen zuverlässig zu arbeiten. Je nach Einsatz muss dieser Typ entsprechend gewählt werden. In manchen Automotive Anwendungen fallen deshalb häufig Typen wie Folienkondensatoren aus, da diese nicht den maximalen Temperaturbereich abdecken.

5. Güte

Die Güte (Q-Faktor) gibt an, wie effizient und selektiv das Filter bei der Unterdrückung oder Durchlassung bestimmter Frequenzen ist. Eine hohe Güte bedeutet eine schmalbandige Frequenzselektivität und geringe Verluste, während eine niedrige Güte auf eine breitere Bandbreite und höhere Verluste hinweist. Bei der Auswahl von X-Kondensatoren sollten Bauteile mit niedrigem ESR und stabilen dielektrischen Materialien bevorzugt werden, um eine hohe Güte zu gewährleisten.

Anwendungen von X-Kondensatoren

X-Kondensatoren werden in vielen verschiedenen Anwendungen eingesetzt, um elektromagnetische Störungen zu unterdrücken. Sie werden oft in Kombination mit anderen Entstörkomponenten wie Y-Kondensatoren und Ferritkernen verwendet, um eine umfassende EMV-Filterwirkung zu erwirken.  (mr)

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