Ein umfassender Leitfaden zum Kondensator-ESR: Was er ist, gute Werte und wie man ihn misst

Die wichtigsten Erkenntnisse

• Definition: Der ESR (Ersatzserienwiderstand) eines Kondensators ist der einzelne Widerstand, der die Verluste in einem realen Kondensator repräsentiert – verursacht durch Elektroden, Anschlüsse, Elektrolyt und Dielektrikum.
• Warum er wichtig ist: Der durch den ESR fließende Rippelstrom erzeugt einen Rippelspannungsabfall auf der Versorgungsschiene und I²R-Erwärmung im Kondensator, was die Rippelstrombelastbarkeit und die Lebensdauer des Kondensators begrenzt.
• Die Bedingungen sind entscheidend: Der ESR variiert mit Frequenz, Temperatur, Kapazität, Bauform und Technologie. Ein ESR-Wert ist daher nur dann aussagekräftig, wenn die Testfrequenz und die Temperatur mit angegeben werden.
• Wie man misst: Ein ESR-Messgerät eignet sich für schnelle Prüfungen, während ein LCR-Messgerät mit Vierleiter-Kelvin-Messleitungen ein Bauteil mit seinem Datenblatt vergleicht. Ein Standard-Multimeter kann den ESR nicht messen.
• Niedriger ist nicht immer besser: Einige Linearregler sind für die Regelschleifenstabilität auf den ESR des Ausgangskondensators angewiesen und geben einen Mindest-ESR vor. Prüfen Sie daher das Regler-Datenblatt, bevor Sie ein Bauteil mit niedrigem ESR einsetzen.
  

Der ESR (Ersatzserienwiderstand) eines Kondensators ist die resistive Komponente der Impedanz eines realen Kondensators, die Rippelstrom in Rippelspannung und Wärme umwandelt. Er ist ein häufiger Grund dafür, dass ein Netzteil heiß läuft oder mehr Ausgangsrippel zeigt als im Design vorhergesagt – selbst wenn jeder Kondensator die korrekte Kapazität aufweist.

In diesem Leitfaden erfahren Sie:

• Was der Kondensator-ESR ist und woher er stammt
• Warum der ESR Rippelspannung, Eigenerwärmung und Reglerstabilität bestimmt
• Wie ein guter ESR-Wert für jede Kondensatortechnologie aussieht
• Wie man den ESR im Datenblatt findet und mit einem ESR- oder LCR-Messgerät misst
• Wie man die Symptome eines hohen ESR erkennt

Abbildung: Ersatzschaltbild eines idealen Kondensators mit ESR und ESL in Reihe

Was ist der Kondensator-ESR?

Ein realer Kondensator kann als ideale Kapazität in Reihe mit dem Ersatzserienwiderstand (ESR) und der Ersatzserieninduktivität (ESL) modelliert werden, wobei der Leckwiderstand parallel zum Kondensator dargestellt wird. Der ESR wird in Ohm oder Milliohm angegeben und repräsentiert die resistiven Verluste im Serienpfad des Kondensators.

Der ESR hat mehrere Ursachen:

• Elektroden- und Anschlusswiderstand: Metallfolien, interne Laschen, Elektroden und Anschlüsse tragen alle zum Serienwiderstand des Kondensators bei.
• Elektrolytwiderstand: Bei Nasse-Aluminium-Elektrolytkondensatoren kann der Ionenwiderstand des Elektrolyten einen wesentlichen Beitrag zum ESR leisten, und seine Leitfähigkeit ändert sich erheblich mit der Temperatur.
• Dielektrische Verluste: Energie wird auch durch dielektrische Verluste dissipiert, die zum Gesamt-ESR und zum Verlustfaktor des Kondensators beitragen.

Kondensator-ESR vs. ESL, Impedanz und Verlustfaktor

Jeder dieser Datenblattbegriffe beschreibt einen anderen Aspekt des Kondensatorverhaltens:

Warum ist der Kondensator-ESR wichtig?

Der Kondensator-ESR ist wichtig, weil jeder Ampere Rippelstrom, der durch ihn fließt, einen Spannungsabfall und Wärme erzeugt. In einem Netzteil trägt der ESR zum Ausgangsrippel bei, begrenzt den Rippelstrom, den der Kondensator führen kann, und kann die Reglerstabilität beeinflussen.

Wie der ESR die Rippelspannung beeinflusst

In einem Abwärtswandler im kontinuierlichen Leitmodus (CCM) erzeugt der ESR des Kondensators eine Spannungsrippelkomponente, die näherungsweise gleich dem Rippelstrom des Kondensators multipliziert mit dem ESR ist.

Eine vereinfachte Schätzung des gesamten Ausgangsspannungsrippels ist:

ΔV ≈ ΔI × ESR + ΔI / (8 × f × C)

wobei:

• ΔI der Induktor-Rippelstrom von Spitze zu Spitze ist
• f die Schaltfrequenz ist
• C die Ausgangskapazität ist

Zum Beispiel: Nehmen wir einen 100-µF-Ausgangskondensator in einem 100-kHz-Abwärtswandler mit 0,5 A Spitze-zu-Spitze-Rippelstrom an. Der kapazitive Rippelanteil beträgt etwa 6,25 mV. Unter Verwendung von Beispiel-ESR-Werten, gemessen bei derselben Frequenz von 100 kHz:

Dieses Beispiel zeigt, wie ein höherer ESR die ESR-Komponente des Ausgangsrippels viel größer machen kann als die kapazitive Komponente.

Das Parallelschalten von Keramik- oder Polymerkondensatoren mit niedrigem ESR kann den effektiven ESR und die Impedanz der Ausgangskondensatorbank reduzieren, sofern ihre Frequenzeigenschaften und das PCB-Layout für die Anwendung geeignet sind.

Eigenerwärmung und die Rippelstrombelastbarkeit

Rippelstrom dissipiert auch Leistung im Inneren des Kondensators:

P = I²rms × ESR

Ein Rippelstrom von 1 A rms dissipiert 100 mW in einem ESR von 100 mΩ, aber nur 10 mW in einem ESR von 10 mΩ. Die Rippelstrombelastbarkeit im Datenblatt leitet sich aus der zulässigen internen Temperaturerhöhung bei einer angegebenen Frequenz und Umgebungstemperatur ab. Bei Nasse-Aluminium-Elektrolytkondensatoren verkürzt eine höhere interne Temperatur auch die Lebensdauer.

Kann der Kondensator-ESR zu niedrig sein?

Ja, bei einigen Linearreglern. Einige LDO-Regler, insbesondere ältere Designs mit PNP-Durchgangstransistor, nutzen die durch den ESR des Ausgangskondensators gebildete Nullstelle, um die Regelschleife stabil zu halten. Diese Regler geben sowohl einen minimalen als auch einen maximalen ESR vor.

Der Austausch eines Tantal-Ausgangskondensators durch einen Keramikkondensator mit sehr niedrigem ESR kann in einem solchen Design dazu führen, dass der Regler schwingt. Prüfen Sie das Regler-Datenblatt auf seinen stabilen ESR-Bereich, bevor Sie ein Bauteil mit niedrigerem ESR einsetzen.

Wie ändert sich der Kondensator-ESR mit Frequenz und Temperatur?

Der Kondensator-ESR ist kein fester Wert. Typischerweise variiert der ESR mit der Frequenz, und seine Frequenzcharakteristik hängt von der Kondensatortechnologie und dem Aufbau ab.

Er nimmt im Allgemeinen ab, wenn sich die Frequenz der Eigenresonanzfrequenz nähert, und bei Nasse-Aluminium-Elektrolytkondensatoren steigt er bei sinkender Temperatur stark an.

Abbildung: Kondensator-ESR-Diagramm: ESR und Impedanz eines Kondensators über der Frequenz

• Niedrige Frequenzen: Dielektrische Verluste dominieren, daher ist der ESR typischerweise am höchsten.
• Mittlere Frequenzen: Elektrolyt- und Aufbaueffekte bestimmen den ESR, und die Kurve flacht ab.
• Hohe Frequenzen: Elektroden- und Anschlusswiderstand dominieren, und der Skineffekt kann den ESR bei sehr hohen Frequenzen wieder erhöhen.
• Eigenresonanzfrequenz: Bei der Eigenresonanzfrequenz (SRF) heben sich kapazitive und induktive Reaktanz auf, sodass die Impedanz gleich dem ESR ist.

Abbildung: Kondensator-ESR-Diagramm: ESR eines Kondensators über der Temperatur für einen Nasse-Aluminium-Elektrolytkondensator und einen Polymer-Aluminium-Kondensator.

Temperatur wirkt sich auf verschiedene Technologien unterschiedlich aus:

• Nasse-Aluminium-Elektrolyt: Der ESR nimmt mit der Temperatur ab und steigt bei niedrigen Temperaturen aufgrund der verringerten Elektrolytleitfähigkeit an. Viele Datenblätter geben dies als maximales Impedanzverhältnis an, z. B. Z(−25 °C) / Z(+20 °C) bei 120 Hz.
• Polymer-Aluminium und Polymer-Tantal: Das feste leitfähige Polymer hält den ESR über den Nenntemperaturbereich vergleichsweise stabil.
• Keramik (MLCC): Der ESR bleibt mit der Temperatur niedrig, obwohl Klasse-II-Dielektrika wie X7R einen höheren Verlustfaktor aufweisen als Klasse-I-Dielektrika (C0G), insbesondere bei niedriger Frequenz.

Auswahlregel: Vergleichen Sie ESR-Werte nur bei derselben Frequenz und Temperatur, und verwenden Sie die Frequenz, bei der Ihre Schaltung arbeitet.

Was ist ein guter ESR-Wert für einen Kondensator?

Ein guter ESR-Wert liegt beim oder unter dem Datenblatt-Maximalwert für dieses Bauteil, bei der angegebenen Frequenz und Temperatur. Es gibt keinen einzelnen Schwellenwert, der für jeden Kondensator gilt, da der ESR von Technologie, Kapazität, Nennspannung und Bauform abhängt.

Die Technologie bestimmt die Größenordnung. Dieser Vergleich verwendet Kondensatortypen mit derselben Nennung, 100 µF und 10 V, mit dem Datenblatt-Maximalwert jedes Bauteils bei 100 kHz und Raumtemperatur (20 °C oder 25 °C, je nach Hersteller).

Die Bauformen unterscheiden sich ebenfalls leicht; siehe unseren Leitfaden zu SMD-Kondensatorgrößen für Gehäuseabmessungen.

Hinweis: Die folgende Kondensator-ESR-Werttabelle vergleicht Beispiel-ESR- oder Impedanzwerte über gängige Kondensatortechnologien.

Tabelle: Kondensator-ESR-Tabelle

Die Rippelstrombelastbarkeiten folgen dem ESR: Die Polymerbauteile sind für ein Vielfaches des Rippelstroms des Nasse-Aluminium-Bauteils ausgelegt.

Hersteller geben diese Nennwerte bei unterschiedlichen Umgebungstemperaturen an, daher sollte vor dem Vergleich die Temperaturkorrektur des jeweiligen Datenblatts angewendet werden.

Keramikkondensatoren (MLCC) haben typischerweise den niedrigsten ESR unter den gängigen Technologien, oft nur wenige Milliohm bei ihrer Eigenresonanzfrequenz. Dieser niedrige ESR in Kombination mit niedrigem ESL ist der Grund, warum MLCCs die Standardwahl für Entkopplungskondensatoren in der Nähe von IC-Stromversorgungspins sind.

Auswahlregel: Wählen Sie die Technologie, deren Datenblatt-ESR bei Ihrer Betriebsfrequenz und niedrigsten Betriebstemperatur sowohl die Rippelspannung als auch den Rippelstrom innerhalb Ihrer Grenzen hält.

Vergleichen Sie Polymer-, Tantal- und MLCC-Optionen zusammen mit ihren Gehäuseinformationen, bevor Sie Ihre Stückliste und SMT-Bestellung finalisieren.

Wie findet man den ESR eines Kondensators im Datenblatt?

Wo finde ich den ESR im Datenblatt?

Der Kondensator-ESR erscheint im Datenblatt als ESR-Wert, üblicherweise bei 100 kHz und 20 °C oder 25 °C, als maximale Impedanz bei 100 kHz oder indirekt als Verlustfaktor (tan δ), üblicherweise bei 120 Hz oder 100 Hz. Wenn nur tan δ angegeben ist, können Sie den ESR daraus berechnen.

Polymer- und Tantal-Serien listen den ESR üblicherweise bei 100 kHz auf. Niedrigimpedanz-Aluminium-Serien geben oft die maximale Impedanz bei 100 kHz an, was den ESR näherungsweise angibt, wenn die kapazitive Reaktanz bei dieser Frequenz klein ist.

Universelle Aluminium-Elektrolyt-Serien listen oft nur tan δ und eine Rippelstrombelastbarkeit auf.

Abbildung: Datenblattauszug mit ESR, Verlustfaktor und Rippelstrom-Testbedingungen

Zur Umrechnung eines Verlustfaktors in ESR verwenden Sie:

ESR = tan δ / (2πfC)

Zum Beispiel hat ein 1.000-µF-Kondensator mit einem maximalen tan δ von 0,14 bei 120 Hz eine kapazitive Reaktanz von etwa 1,33 Ω bei 120 Hz. Sein maximaler ESR bei 120 Hz beträgt daher etwa 0,14 × 1,33 Ω, also 0,19 Ω. Bei Schaltwandlerfrequenzen ist der ESR desselben Bauteils typischerweise niedriger, daher sollten Sie den 100-kHz-Wert oder die Frequenzkorrekturdaten des Herstellers verwenden, sofern verfügbar.

Wie misst man den Kondensator-ESR?

Der Kondensator-ESR wird gemessen, indem ein kleines AC-Testsignal bei einer Frequenz durch den Kondensator getrieben wird, bei der seine Reaktanz niedrig ist, und dann die resultierende Spannung und der Strom gemessen werden.

Abbildung: Drei Methoden zur Messung des Kondensator-ESR: ESR-Messgerät, Vierleiter-Kelvin-LCR-Messgerät und Impedanzanalysator.

Verwenden Sie an einem LCR-Messgerät den Serienmodus (Cs–Rs) für große Kapazitäten, bei denen die Impedanz niedrig ist. Die Vierleiter-Kelvin-Verbindung trennt die Strom- und Spannungsleitungen, sodass Leitungs- und Kontaktwiderstände nicht zu einem Milliohm-Messwert addiert werden.

Wie man den ESR von Kondensatoren mit einem ESR-Messgerät prüft

So prüfen Sie einen Kondensator mit einem Handheld-ESR-Messgerät:

1. Schalten Sie die Stromversorgung ab und entladen Sie den Kondensator, und bestätigen Sie dann mit einem Multimeter, dass die Spannung über ihm nahe null ist.
2. Schließen Sie die Messspitzen des Messgeräts kurz und nullen Sie die Anzeige, um den Messspitzenwiderstand zu eliminieren.
3. Verbinden Sie die Messspitzen mit den Kondensatoranschlüssen und lesen Sie den ESR ab.
4. Vergleichen Sie den Messwert mit dem Datenblatt-Maximalwert bei derselben Frequenz oder mit einem neuen Kondensator derselben Teilenummer, der auf die gleiche Weise gemessen wurde.
5. Wenn ein In-Circuit-Messwert niedrig erscheint, die Schaltung aber weiterhin Symptome zeigt, entfernen Sie den Kondensator und messen Sie erneut, da parallele Kondensatoren auf der Platine den Messwert senken.

Hinweis: Ein ESR-Messgerät kann beschädigt werden, wenn es an einen geladenen Kondensator oder eine unter Spannung stehende Schaltung angeschlossen wird.

Was sind die Symptome eines Kondensators mit hohem ESR?

Wie erkenne ich, dass mein Kondensator einen hohen ESR hat?

Ein hoher Kondensator-ESR tritt am häufigsten bei alternden Nasse-Aluminium-Elektrolytkondensatoren auf. Die Kapazität kann noch innerhalb der Toleranz gemessen werden, selbst wenn der ESR bereits so stark angestiegen ist, dass er den Rippel erhöht, die Kondensatortemperatur steigert und die Stromversorgung destabilisiert.

Der flüssige Elektrolyt geht allmählich durch Verdunstung und Diffusion über die Dichtung verloren. Hohe Temperatur und Rippelstromerwärmung beschleunigen diesen Verlust, was den ESR erhöht.

Häufige Symptome sind:

• Erhöhter Rippel und Rauschen: Die Versorgungsschiene zeigt einen höheren Rippel als beim Neuzustand der Platine.
• Ein warmer Kondensator: Der Kondensator läuft merklich heißer als im Neuzustand oder heißer als dasselbe Bauteil auf einer bekanntermaßen guten Platine.
• Instabiles Netzteilverhalten: Ein Schaltnetzteil startet nicht, startet wiederholt neu oder bricht unter Last ein.
• Physische Schäden: Eine gewölbte Entlüftung oder Elektrolytleckage sind Anzeichen im Spätstadium, und viele ausfallende Kondensatoren zeigen keine sichtbaren Veränderungen.

Wann sollte ein Kondensator mit hohem ESR ersetzt werden?

Viele Datenblätter für Aluminium-Elektrolytkondensatoren geben Lebensdauergrenzen an, wie z. B. eine Kapazitätsänderung innerhalb von ±20 % und einen tan δ von nicht mehr als 200 % seines anfänglich angegebenen Werts. Die Grenzen variieren je nach Hersteller, daher sollten Sie immer das Datenblatt Ihres Bauteils prüfen. Bei fester Frequenz und Kapazität ist der ESR direkt proportional zu tan δ.

Wenn ein Kondensator deutlich über seinem Datenblatt-Maximalwert misst oder eindeutig höher als ein neues Bauteil, das auf die gleiche Weise gemessen wurde, ersetzen Sie ihn durch ein Bauteil, dessen ESR gleich oder niedriger und dessen Rippelstrombelastbarkeit gleich oder höher als die Datenblattwerte des Originalbauteils ist; an einem LDO-Ausgang bleiben Sie innerhalb des stabilen ESR-Bereichs des Reglers.

Fazit

Der Kondensator-ESR ist der Serienwiderstand, der Rippelstrom in Rippelspannung und Wärme umwandelt, daher ist er in jeder Stromversorgungsschaltung ebenso wichtig wie die Kapazität. Vergleichen Sie den ESR nur bei derselben Frequenz und Temperatur, wählen Sie ein Bauteil, dessen Datenblatt-ESR Ihre Rippel-, Erwärmungs- und Stabilitätsgrenzen erfüllt, und messen Sie mit einem ESR- oder LCR-Messgerät statt mit einem Multimeter.

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FAQs zum Kondensator-ESR

F: Ist der ESR eines Kondensators dasselbe wie seine Impedanz?

Nein. Der ESR ist nur der resistive Teil der Impedanz. Die Impedanz umfasst auch die kapazitive Reaktanz und die ESL, und sie entspricht dem ESR bei der Eigenresonanzfrequenz.

F: Kann man den Kondensator-ESR mit einem Multimeter messen?

Nein. Ein Standard-Multimeter misst DC-Widerstand oder Kapazität. Der ESR muss mit einem AC-Testsignal gemessen werden, unter Verwendung eines ESR-Messgeräts, eines LCR-Messgeräts oder eines Impedanzanalysators.

F: Haben Keramikkondensatoren einen ESR?

Ja. Keramikkondensatoren haben einen ESR, aber er ist typischerweise der niedrigste unter den gängigen Technologien, oft nur wenige Milliohm nahe ihrer Eigenresonanzfrequenz.

F: Was bedeutet „Low ESR" bei einem Kondensator?

Es bedeutet, dass die Serie für niedrigen ESR und hohen Rippelstrom ausgelegt und spezifiziert ist, wobei der ESR (Impedanz) bei 100 kHz angegeben wird. Vergleichen Sie die tatsächlichen Werte, da „Low ESR" kein standardisierter Schwellenwert ist.

F: Kann ich einen Kondensator durch einen Typ mit niedrigerem ESR ersetzen?

In der Regel ja, für Filterung und Entkopplung, sofern die Kapazitäts-, Spannungs- und Rippelstromnennwerte passen. An einem LDO-Ausgang prüfen Sie zuerst das Regler-Datenblatt, da einige LDOs einen Mindest-ESR für die Stabilität benötigen.