Abblockkondensator: Unterschied zwischen den Versionen

Aktuelle Version vom 24. April 2017, 11:54 Uhr

Viele Anfänger in Sachen Elektronik bekommen, wenn sie eine selbst entworfene Schaltung im Forum posten, als erstes zu hören: "Alle ICs mit Kondensatoren an den Stromversorgungspins versehen!!!". Die Erklärungen, die dazu geliefert werden, schwanken zwischen <nicht vorhanden>, und langen, ausführlichen, physikalisch korrekten, aber für Laien kaum verständlichen Ausführungen. Dieser Artikel soll nun dazu dienen, die Wirkung eines Abblockkondensators zu beschreiben und zu erklären, sodass in Zukunft vom Forum einfach hierhin verlinkt werden kann, wenn das Thema mal wieder zur Sprache kommt...

Theorie

Erklärung in wenigen Sätzen: Digitale ICs ziehen impulsweise sehr hohe Ströme, sodass die Spannung einbrechen kann. Das kann sich störend auf andere Teile der Schaltung auswirken. Ein Kondensator kann Energie speichern und sie sehr schnell wieder abgeben, wenn plötzlich viel Strom benötigt wird. Dadurch wird die Spannung im Rest der Schaltung stabiler gehalten. Aber jetzt Schluss mit der Theorie, die folgenden Bilder sprechen für sich (alle Aufnahmen mit Zeitbasis 0,5µs/Div):

So sieht es auf der 5V-Versorgungsleitung aus, wenn ein AVR (90S8515, 4MHz) ohne Abblockkondensatoren betrieben wird. Die periodische hohe Stromaufnahme führt zu kurzen Spannungseinbrüchen und -spitzen, die bis zu 0,25V erreichen können. Diese Störungen breiten sich über die Leitungen in die gesamte Schaltung aus, und selbst 30cm Kabellänge entfernt sieht es noch so aus:

Die Störungen werden schwächer, sind aber immer noch recht deutlich zu erkennen und können andere Bauteile stören.

Abhilfe schafft nun ein Abblockkondensator, der möglichst nahe am Stromversorgungspin des AVRs gegen Masse geschaltet wird. Ein Folien-oder Keramikkondensator mit 100nF schafft Ruhe auf der Leitung:

Das übrig bleibende "Grundrauschen" ist nun so gering, dass es sich in den allermeisten Fällen nicht mehr störend auswirkt.

Die Störungen auf der Versorgungsspannung stören nicht nur die zuverlässige Funktion der Schaltung selbst, sondern sind auch eine Quelle von Funkstörungen. Die Abblockkondensatoren sind also auch aus EMV-Gründen notwendig.

Praxis

Welchen Kondensatortyp verwenden?

Als Abblockkondensator werden üblicherweise keramische Kondensatoren verwendet. Geschichtete (flache, nicht gewickelte) Folienkondensatoren sind ebenfalls geeignet, allerdings normalerweise teurer. Elkos sind ungeeignet! Sie sind meist gewickelt, und haben deswegen auch einen induktiven Anteil, verhalten sich also auch ein wenig wie eine Spule, und können daher ihre Ladung nur langsam (im Verhältnis zu Keramik oder Folie) aufnehmen oder abgeben. Daher können sie die Stromspitzen digitaler ICs nicht so effektiv abfangen. Es treten also größere Störungen auf.

Welche Kapazität?

Die nötige Kapazität ist von der Schaltfrequenz des ICs abhängig. Im für Mikrocontroller wie AVRs oder PICs üblichen Frequenzbereich bis etwa 20MHz ist der genaue Wert allerdings recht unkritisch, und man kann gewöhnlicherweise einen Standardwert von 100nF verwenden. Bei größeren Frequenzen sollte man sich aber etwas eingehender mit der Thematik befassen und die optimale Größe bestimmen. "Viel hilft viel" gilt hier übrigens nicht! Ein sehr großer Kondensator hat unter Umständen einen größeren Innenwiderstand als ein kleinerer, und damit evtl. sogar eine geringere Wirkung.

Wo montieren?

Damit der Kondensator seine Wirkung optimal entfalten kann, sollte er so nahe wie möglich am IC platziert werden. Bei vielen ICs sind die Versorgungsanschlüssen VCC und GND direkt nebeneinander angeordnet. Hier kann man dann den Kondensator sehr einfach parallel neben dem IC einlöten. Manche ICs haben mehrere Anschlüsse für VCC/GND. Hier sollte man möglichst an jedem dieser Anschlüsse eine eigenen Kondensator setzen, wenn diese auf entgegengesetzten Seiten des ICs liegen. Damit sich Störungen nicht am Abblockkondensator vorbei schleichen können, sollten die Leitungen vom IC zum Abblockkondensator gehen und von da aus weiter zur Versorgung - nicht direkt vom IC aus.

Weiterführende Weblinks

• Cypress AN1032: Using Decoupling Capacitors
• Youtube-Video zum Thema Abblockkondensatoren