Was ist ein Kondensator und was sind die verschiedenen Typen?

Einführung

Zum Zeitpunkt der Erstellung dieses Artikels gab es nach einer vorsichtigen Schätzung mehr als 37.000 eindeutige Herstellernummern für Kondensatoren auf Lager bei Mein DigiKey, 114.000, wenn man die Verpackungsvarianten mit einbezieht. Allein die Aufrechterhaltung einer solchen Zählung ist mit einer Menge Papierkram, vielen Gabelstaplerkilometern und einer Menge an Bargeld verbunden, das in den Lagerbeständen gebunden ist. Es ist ein kleines Wunder der modernen Industrie, dass wir in der Lage sind, diese Produkte innerhalb von 15 Minuten nach Auftragseingang neu zu verpacken und versandfertig auf der Laderampe zu haben. Warum so viel Aufwand für einfache Komponenten mit zwei Anschlüssen betreiben? Die Kombinatorik der Spannungs- und Nenngrößen ist sicherlich ein Faktor, aber der subtilere Grund ist, dass Kondensatoren nicht wirklich so einfach sind. Die Schaltsymbole, mit denen wir sie darstellen, sind aus Bequemlichkeitsgründen Lügen und verschleiern Details, die oft a) ziemlich wichtig sind und b) in der Wissenschaft nicht gut behandelt werden. Einige Typen neigen dazu, aggressiv zu brennen oder giftige Dämpfe freizusetzen, wenn sie versagen oder falsch angewendet werden. Andere Typen werden bei Nichtgebrauch schwächer und können bei Belastungen weit innerhalb ihrer Einstufung versagen. Einige Typen weisen große parametrische Variationen mit Umgebungs- und Anwendungsvariablen auf, während andere mehr oder weniger unauffällig sind. Um fundierte Entscheidungen bei der Entwicklung treffen zu können, muss man sich dieser unterschiedlichen Qualitäten bewusst sein und sie berücksichtigen. Ziel dieses Leitfadens ist es, dem Leser die Technologie der Kondensatoren in einer leicht zu verschluckenden Kapsel mit einer (hoffentlich) nicht einschläfernden Formel näher zu bringen.

Was ist ein Kondensator?

Kondensatoren sind Komponenten, die elektrische Energie in der Form eines elektrischen Feldes speichern. Der Prozess ist der Art und Weise, wie mechanische Federn Energie in Form von elastischer Materialverformung speichern, recht ähnlich, so dass die mathematische Beschreibung beider, abgesehen von den verwendeten Variablen, recht ähnlich ist. Die Ähnlichkeit mag mit ein Grund dafür sein, dass Studenten der Elektrotechnik oder des Maschinenbaus die Studien der jeweils anderen oft als undurchsichtig und undurchschaubar empfinden; "v" bedeutet "Spannung" für einen Elektroingenieur (EE), aber "Geschwindigkeit" für einen Maschinenbauingenieur (ME), dessen Darstellungen von Federn für einen EE eher wie Induktivitäten aussehen können usw. Das Konzept des parallelen Plattenkondensators wird im Allgemeinen als Ausgangspunkt für die Erklärung der meisten praktischen Kondensator-Konstruktionen verwendet. Sie besteht aus zwei leitfähigen Elektroden, die parallel zueinander positioniert und durch einen Isolator getrennt sind, in der Regel eines von mehreren Polymeren, keramischen Materialien, Metalloxiden, Luft oder gelegentlich ein Vakuum. Der Wert eines solchen Kondensators, im Wesentlichen seine "Federkonstante" für die mechanisch Interessierten, wird durch die Formel in Abbildung 1 angenähert, wenn der Abstand zwischen den Platten relativ zu ihrer Fläche klein ist. Es sollte jedoch beachtet werden, dass mechanische Federkonstanten und Werte von Kondensatoren üblicherweise mit reziproken Dimensionen ausgedrückt werden; eine mechanische Federkonstante wird typischerweise als Kraft pro Einheit der Verschiebung ausgedrückt (z. B. Newton pro Meter oder Pfund-Kraft pro Zoll), während ein Wert der Kapazität als Verschiebung pro Einheit der Kraft ausgedrückt wird, d. h. Coulomb pro Volt.

Abbildung 1: Das Modell der Kapazität einer parallelen Platte.

Praktisch gesehen müssen die Platten nicht flach sein; gerollte, gefaltete, zerknitterte, gestapelte, in Scheiben, Würfel und Juliennescheiben geschnittene Geometrien funktionieren auch, obwohl die damit verbundene Mathematik ziemlich unübersichtlich werden kann, wenn die Geometrien komplexer werden. Um also einen Kondensator mit einem größeren Wert herzustellen, kann man Platten mit einer größeren Fläche verwenden, den Trennungsabstand (d.h. die Dicke des Dielektrikummaterials) verringern oder die Dielektrizitätskonstante des Materials erhöhen. Um mit ε0 herumzuprobieren, muss man ein alternatives Universum schaffen, was außerhalb der Politik nur schwer möglich ist. Aber was zum Teufel ist diese "Dielektrizitätskonstante"? Ausgezeichnete Frage; es handelt sich im Wesentlichen um eine Eigenschaft von Materialien, die ihre Fähigkeit beschreibt, sich in Gegenwart eines angelegten elektrischen Feldes durch einen von mehreren Mechanismen elektrisch zu polarisieren. Diese Mechanismen können sich auf atomarer Ebene abspielen, wo die Elektronenwolke, die den Atomkern umgibt, verschoben wird, was dazu führt, dass ein Atom auf einer Seite leicht formschlüssig und auf der anderen Seite entsprechend negativ geladen ist. Sie kann auch auf molekularer Ebene auftreten, und zwar aufgrund von Änderungen in der Ausrichtung elektrisch polarisierter Moleküle als Reaktion auf ein angelegtes Feld oder durch Biegung und Dehnung der Bindungen zwischen den Atomen innerhalb eines Moleküls, ganz ähnlich wie das Material einer mechanischen Feder gebogen oder gedehnt wird. Unter der Voraussetzung, dass die Elektronen im atomaren Fall nicht "wegfliegen" und sich wieder mit einem benachbarten Kern verbinden, und im molekularen Fall, dass die Moleküle nicht durch die Kraft des elektrischen Feldes auseinandergerissen werden, funktioniert das Material als Isolator; es unterstützt keinen anhaltenden Fluss von Ladung, wenn ein elektrisches Feld angelegt wird, obwohl es tatsächlich erlaubt, dass etwas Ladung fließt, wenn das Feld aufgrund der Verschiebung von Elektronen um ein Atom oder der Neuausrichtung/Verzerrung von Molekülen aufgebaut wird. Durch das Entfernen des angelegten elektrischen Feldes können die Elektronen im Dielektrikum in ihre normale Verteilung um die Kerne, an die sie gebunden sind, oder die Moleküle in der Substanz in ihre ursprüngliche zufällige Ausrichtung oder Form zurückkehren. Dabei wird der größte Teil der Ladung, die beim Anlegen des elektrischen Feldes durch den Kondensator geflossen ist, in den Schaltkreis zurückgeführt und fließt in die entgegengesetzte Richtung. Die (relative) Dielektrizitätskonstante eines Materials beschreibt das Ausmaß, in dem ein Material diesen vorübergehenden Stromfluss erleichtert, relativ zu dem Ausmaß, in dem ein Vakuum dies tut. Ein Material, das bei einer gegebenen Fläche, einem gegebenen Trennungsabstand und einer gegebenen Spannungsfestigkeit die gleiche Menge an Ladungsübertragung wie ein Vakuum ermöglicht, hat eine Dielektrizitätskonstante von 1. Ein Material, das einen doppelt so hohen Ladungstransfer wie ein Vakuum ermöglicht, hat eine Dielektrizitätskonstante von 2 usw. Die Nuancen der verschiedenen Typen von Kondensatoren werden größtenteils durch die Eigenschaften des verwendeten Dielektrikums und die Art und Weise, wie eine bestimmte Komponente aufgebaut ist, bestimmt. Alle dielektrischen Materialien haben Grenzen, und zwar in Bezug auf das maximal angelegte Feld, dem sie bei einer bestimmten Materialdicke standhalten können, ihre Dielektrizitätskonstante, die Verluste, die im dielektrischen Material und in den Elektroden auftreten, und die Strommenge, die durch das Dielektrikum fließt oder "sickert", wenn das angelegte elektrische Feld konstant ist.

Nicht-ideale Eigenschaften von Kondensatoren

Für viele Zwecke können reale Kondensatoren durch ein relativ einfaches Modell aus einem idealen Kondensator und mehreren zusätzlichen Komponenten dargestellt werden.

ESR

Der Gleichwertige Reihenwiderstand (in dem in Abbildung 2 gezeigten Modell durch_Fotolack dargestellt) beschreibt die Verluste, die mit der Bewegung der Ladung durch einen Kondensator verbunden sind. Der Widerstand der Elektroden- und Kabelmaterialien trägt dazu bei, und auch im dielektrischen Material selbst treten Verluste auf, die oft dominieren. Der ESR ist für die Auswahl von Kondensatoren in zweierlei Hinsicht von Bedeutung: 1) Er beeinflusst die Reaktion des Kondensators auf Wechselstrom und 2) er setzt Grenzen für die Menge an Wechselstrom, die aufgrund thermischer Begrenzungen durch den Kondensator fließen darf. Der Stromfluss durch den ESR eines Kondensators führt wie bei jedem anderen Widerstand zu I2 R-Verlusten, die zu einem Temperaturanstieg im Kondensator führen und die Lebensdauer der Komponente beeinträchtigen. Der ESR wird vom Typ und der Konstruktion der Komponente und auch von der Temperatur und der Testfrequenz in unterschiedlichem Maße beeinflusst. In vielen Fällen wird der ESR eines Kondensators nicht direkt in einem Datenblatt angegeben, sondern in Form einer zusammenfassenden Abbildung wie Q, Verlustfaktor (DF) oder Gelbbraun δ kommuniziert. Alle sind Quotienten aus dem ESR eines Kondensators und der kapazitiven Reaktanz (_XC), die unterschiedlich ausgedrückt werden. Gelbbraun δ und Verlustfaktor werden als _ESR/XC berechnet und sind im Wesentlichen dieselbe Zahl, wobei zu beachten ist, dass der Verlustfaktor in der Regel als Prozentsatz und nicht als einfacher dimensionsloser Faktor ausgedrückt wird. Q ist einfach der Kehrwert von Gelbbraun δ, oder _XC/ESR.

Abbildung 2: Ein typisches Kondensator-Symbol, das mit einem Schaltplan kontrastiert wird, der nicht-ideale Eigenschaften enthält, die als "lumped elements" modelliert werden.

ESL

Die äquivalente Induktivität in Serie ergibt sich aus der teilweisen Selbstinduktivität der Kabel der Komponente, aus Spulen, die sich aufgrund der Geometrie der Kabel der Komponente im Schaltkreis bilden, usw. Bei der Annäherung durch ein Pauschalmodell wird die ESL durch eine ideale Induktivität (_Lesl) in Reihe mit dem idealen Kondensator (_Cnom) dargestellt, der den Nennwert der Kapazität der Komponente darstellt. Die Bedeutung der ESL für die Auswahl von Kondensatoren liegt in erster Linie in ihrer Auswirkung auf die AC-Reaktion. Wie das pauschale Modell vermuten lässt, verhalten sich reale Kondensatoren wie in Serie geschaltete LCR-Schaltkreise. Mit zunehmender Frequenz einer angelegten Wechselspannung steigt die induktive Reaktanz des ESL bis zu einem Punkt, an dem sie gleich der kapazitiven Reaktanz der Komponente ist, und der Kondensator verhält sich wie ein Widerstand. Bei Frequenzen oberhalb dieses Punktes ist der Kondensator effektiv eine Induktivität.

Durchsickern

Die Leckage wird als relativ großer Widerstand parallel zum idealen Kondensator im Lumped Model modelliert. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die im Kondensator verwendeten dielektrischen Materialien keine perfekten Isolatoren sind und bei Anlegen einer konstanten Spannung einen gewissen Gleichstrom durch den Kondensator fließen lassen. Die Bedeutung von Streuverlusten für die Auswahl von Kondensatoren ist anwendungsabhängig; sie können ein Problem des Stromverbrauchs bei Mikrostromanwendungen, eine Fehlerquelle bei analogen Präzisionsanwendungen oder ein Problem des Zuverlässigkeits-/Wärmemanagements bei Leistungsanwendungen sein.

Polarisation

Polarisation ist eine nicht ideale Eigenschaft der meisten Elektrolytkondensatoren, die auf einem Dielektrikum beruhen, das durch elektrochemische Vorgänge gebildet wird. Das Beantragen einer Spannung an einen solchen Kondensator mit falscher Polarisierung bewirkt eine Umkehrung des elektrochemischen Prozesses, der zur Herstellung der dielektrischen Ebene des Kondensators verwendet wird. Dieser Prozess der elektrochemischen Zerstörung der dielektrischen Ebene führt zu überhöhten Leckströmen, die sich noch verschlimmern, wenn die dünnere dielektrische Ebene unter der Spannung der Anwendung zerlegt wird. Da Leckstrom zu interner Heizung führt und Temperaturerhöhungen einen Anstieg des Leckstroms bewirken, tritt ein Kaskadierungseffekt auf, der zu ziemlich spektakulären katastrophalen Ausfällen führen kann, wenn die Impedanz der (falsch) angelegten Spannung niedrig ist. Nicht polarisierte Elektrolytkondensatoren (d. h. zwei polarisierte Kondensatoren, die Rücken an Rücken angeordnet sind) sind für Anwendungen verfügbar, bei denen die Polarität der angelegten Spannung nicht bekannt ist oder gelegentlich umgekehrt werden kann, obwohl ihre Verwendung eine gewisse Vorsicht erfordert.

Dielektrische Absorption

Die dielektrische Absorption, auch "Soakage" genannt, bezieht sich auf die Speicherung von Energie im Dielektrikum eines Kondensators, die über einen längeren Zeitraum absorbiert und freigesetzt wird, als es die Nennkapazität und der ESR der Komponente vorhersagen würden. Im Modell mit konzentrierten Elementen kann sie mithilfe einer Reihenschaltung aus einem Widerstand und einem Kondensator (oder Gruppen dieser) parallel zur Nennkapazität einer Komponente dargestellt werden. In der Praxis bedeutet dies, dass ein Kondensator, der für eine gewisse Zeit auf DC-Potenzial gehalten und dann kurz entladen wird, sich bis zu einem gewissen Grad wieder aufzuladen scheint. Ein anderes Beispiel: Die Entladung eines Kondensators, der eine Zeit lang auf einem DC-Potential gehalten wird, durch einen Widerstand wird durch die übliche Exponentialgleichung während des sich schnell ändernden Teils der Entladungskurve gut modelliert. Während des sich langsam ändernden Abschnitts der Kurve liefert der Kondensator jedoch einen höheren Strom, als den durch die gewöhnliche Gleichung für die R-C-Entladung vorhergesagten. Das Phänomen kann in analogen Präzisionsschaltkreisen problematisch sein, stellt aber eine potenziell tödliche Sicherheitsgefahr im Zusammenhang mit Hochspannungsgeräten mit hoher Kapazität dar, wie sie in vielen Anwendungen zur Leistungsfaktorkorrektur oder DC-Busspannung verwendet werden. Viele Typen von Kondensatoren, die derzeit und in der Vergangenheit für solche Anwendungen verwendet wurden, gehören zu den anfälligsten für die Lagerung von Energie durch dielektrische Absorption, wobei einige tauglich sind für eine "Selbstaufladung" auf vielleicht ein Fünftel der zuvor angelegten Spannung. Bei größeren Komponenten kann die Energie und Spannung, die bei diesem Prozess an den Anschlüssen anliegt, ausreichen, um direkt (Verbrennungen oder Herzstillstand sind zwei Möglichkeiten) oder indirekt durch unwillkürliche Reaktionen auf einen Stromschlag Verletzungen zu verursachen.

Abhängigkeit von ____ von _____

In den ersten leeren Einsatz können Sie jeden interessierenden Parameter der Komponente einfügen: Kapazität, ESR, ESL, Leckage, Lebensdauer usw. In den zweiten Einsatz können Sie fast alle Anwendungsparameter eingeben: Temperatur, Spannung, Frequenz, Zeit usw. Es gibt eine Beziehung zwischen den beiden, und sie hängt vom Typ und der Konstruktion der Komponente ab. Einige der Beziehungen sind nicht besonders stark und in der Regel vernachlässigbar, während andere stärker und weniger vernachlässigbar sind als ein 800 Pfund schwerer Gorilla. Daher sollten das Vorhandensein und die Relevanz solcher Beziehungen bei der Auswahl der Komponenten berücksichtigt werden.

Alterung

Einige Typen von Kondensatoren weisen erhebliche Schwankungen in ihren Eigenschaften auf, die auf Zeitskalen auftreten, die viel länger sind als die meisten elektrischen Signale, die von Interesse sind, etwa so wie ein Krispy Kreme®-Donut seinen Charakter mit der Zeit verändert, nachdem er die Fritteuse verlassen hat. Dies kann aus Sicht der Entwicklung, des Herstellers oder der Kalibrierung problematisch sein; eine Komponente, die frisch aus dem Reflow-Ofen kommt und gut getestet ist, entspricht beispielsweise nach einer Woche nicht mehr den Spezifikationen.

Mikrofone/Piezo-Effekt

Es sei daran erinnert, dass die Gleichung für die Kapazität zwischen zwei parallelen Platten eine starke Funktion des Elektrodenabstands bzw. der dielektrischen Dicke ist; wird der Abstand zwischen den Platten verändert (z. B. durch Anwendung einer mechanischen Kraft), ändert sich auch die Kapazität. Ändert sich die Kapazität, aber die Menge der gespeicherten Ladung bleibt konstant, ändert sich die Spannung an den Anschlüssen des Kondensators umgekehrt proportional zur Kapazitätsänderung. Das Ergebnis ist, dass Kondensatoren einen Transduktionsmechanismus zwischen dem mechanischen und dem elektrischen Bereich bereitstellen, der wegen seiner Ähnlichkeit mit/der Anwendung in Audio-Mikrofonen, wie sie bei Bühnenauftritten, tragbarer Elektronik usw. verwendet werden, gemeinhin als Mikrofon-Effekt bezeichnet wird. Der Effekt ist für diese Anwendungen äußerst nützlich, kann aber auch problematisch sein, wenn er zu einer unbeabsichtigten Einkopplung mechanischer Signale in einen elektrischen Schaltkreis führt und so zu einer Rauschquelle oder, noch schlimmer, zu einer unbeabsichtigten Rückkopplung wird. Der Transduktionsmechanismus ist ebenfalls bidirektional; das Anlegen einer Spannung an die Anschlussklemmen eines Kondensators führt dazu, dass mechanische Kräfte auf die Elektroden einwirken, die wiederum mechanisch in die Umgebung einkoppeln können, z. B. als hörbares Rauschen. Obwohl es aufgrund elektrostatischer Kräfte in allen Kondensatoren vorkommt (das Phänomen, das hinter dem "statischen Kleben" steht), ist es in Komponenten mit piezoelektrischen dielektrischen Materialien am ausgeprägtesten. Solche Materialien entwickeln als Reaktion auf mechanische Beanspruchung eine elektrische Ladung und verformen sich in der anderen Richtung mechanisch, wenn sie einem elektrischen Feld ausgesetzt werden. Da der Piezoeffekt in der Regel deutlich mehr mechanische Kraft pro angelegtem Volt erzeugt als elektrostatische Kräfte, ist die Kopplung zwischen dem elektrischen und dem mechanischen Bereich in Kondensatoren, die piezoelektrische Materialien enthalten, viel stärker.

Abbildung 3: Illustration, die die Fähigkeit von Kondensatoren präsentiert, als Audio/mechanische Transducer zu fungieren.

Versagensmechanismen von Kondensatoren

Kondensatoren (wie alle anderen menschlichen Erfindungen) versagen irgendwann, entweder parametrisch oder katastrophal. Parametrische Ausfälle sind solche, bei denen eine Komponente weiterhin funktioniert, aber langsam bis zu einem Punkt degradiert ist, an dem sie die Performance-Spezifikationen nicht mehr erfüllt. Katastrophale Ausfälle hingegen sind durch abrupte, dramatische Veränderungen der Komponenten charakterisiert, die zu einem Verhalten außerhalb der Spezifikation führen, wie z. B. Selbstzerlegung, Verbrennung, Glühen usw.

Dielektrischer Durchschlag

Ein Durchschlag ist ein elektrischer Zustand, bei dem die Isolationseigenschaften eines dielektrischen Materials nicht in der Lage sind, den Leckstrom unter einer bestimmten Ebene zu halten. Bei Ausfällen durch dielektrischen Durchschlag, die häufig auf die Anwendung von Spannungen über der Nenngrenze eines Geräts oder den Betrieb außerhalb der spezifizierten thermischen Grenzen zurückzuführen sind, handelt es sich in der Regel um sich selbst verstärkende Ausfälle mit niedriger Impedanz (Kurzschluss). Folglich sind sie oft spektakulär, obwohl einige Typen von Kondensatoren in der Lage sind, kleinere Durchschläge gut zu überstehen. Da dielektrischer Durchschlag und thermische Ausfälle sowohl Ursache als auch Wirkung sein können, kann es gelegentlich schwierig sein, ein Ausfallereignis dem einen oder dem anderen zuzuordnen.

Wärmemanagement

Thermische Ausfälle sind solche, die aufgrund einer zu hohen Temperatur der Komponente auftreten. In Fällen, in denen eine Übertemperatur einen dielektrischen Durchschlag verursacht, handelt es sich in der Regel um Kurzschluss-Fehler. Thermische Ausfälle können auch als langfristiges Phänomen betrachtet werden, bei dem ein längerer Betrieb bei erhöhter Temperatur zu einer Verschiebung der Komponentenparameter über die zulässigen Grenzen hinaus führt.

Mechanische Merkmale

Mechanische Fehler sind solche, bei denen die physische Beschädigung einer Komponente die unmittelbare Ursache für das Versagen ist und die sich in Form von Parametern außerhalb der Spezifikation, Kurzschlüssen oder Leitungsunterbrechungen äußern können. Bei Keramikkondensatoren kommt es häufig zu mechanischen Ausfällen während des Herstellungs- und Baugruppen-Prozesses, aber auch im Außendienst kann es zu Fehlern kommen, die auf Missbrauch oder schlechte mechanische Konstruktion zurückzuführen sind.

Was sind einige allgemeine Spezifikationen für Kondensatoren?

Nenngrößen der Spannung

Die Einstufung eines Kondensators ist ein Hinweis auf die maximale Spannung, die an die Komponente angelegt werden sollte. Der Kontext der Einstufung ist von Bedeutung; in einigen Fällen kann sie eine maximale sichere Arbeitsspannung angeben, in anderen Fällen kann sie eher mit der "absoluten maximalen" Spannung eines Halbleiters vergleichbar sein, auf die ein angemessener De-Rating-Faktor angewendet werden sollte.

Toleranz

Die Toleranz eines Kondensators beschreibt die Grenzen der Abweichung vom Nennwert der Kapazität, die bei einer Komponente unter bestimmten Prüfbedingungen, insbesondere bei Wechselspannung und Frequenz, zu erwarten sind. Die in der Angebotserstellung angegebenen Toleranzwerte beinhalten die gleichmäßige Abweichung vom Nennwert aufgrund von Fertigungsschwankungen und können (in seltenen Fällen) auch temperaturbedingte Schwankungen des Wertes der Kapazität über den angegebenen Betriebstemperaturbereich beinhalten. Es ist zu beachten, dass die Prüfbedingungen (u. a. Temperatur, Frequenz, Amplitude und DC-Vorspannungswert der Spannung) häufig einen starken Einfluss auf die beobachteten Komponentenparameter haben.

Nenngrößen für die Sicherheitsbewertung

Kondensatoren, die für den Einsatz in Anwendungen bestimmt sind, bei denen ein Ausfall ein Risiko für die Sicherheit von Personen oder Sachen darstellen kann (typischerweise solche, die mit Netzspannungen arbeiten), werden mit einer alphanumerischen Sicherheitseinstufung gekennzeichnet, z. B. X1, X2, Y1, Y2 usw., gemäß den gesetzlichen Normen. "Nenngrößen von Komponenten mit der Einstufung X" sind für Anwendungen zertifiziert, bei denen bei einem Ausfall keine Stromschlaggefahr zu erwarten ist, wie z. B. bei Anwendungen von Leitung zu Leitung", während Komponenten mit der Einstufung Y" für Anwendungen zertifiziert sind, bei denen ein Ausfall eine Stromschlaggefahr darstellen würde, wie z. B. bei Anwendungen von Leitung zu Erdung". Die Zahl in der Bezeichnung gibt eine Toleranzstufe für Überspannungen an, wie sie in den geltenden Normen wie IEC 60384-14 festgelegt ist. Komponenten können auch mehrere Sicherheitseinstufungen tragen, die ihre Zertifizierung für den Einsatz unter verschiedenen Bedingungen angeben; so kann ein Kondensator mit einer Sicherheitszertifizierung von X1Y2 sowohl in Anwendungen verwendet werden, die eine Einstufung von X1 erfordern, als auch in solchen, die eine Einstufung von Y2 verlangen.

Dielektrikum/Elektroden-Typ

Kondensatoren unterscheiden sich durch die für ihre Konstruktion verwendeten Materialien und bis zu einem gewissen Grad durch ihren Betriebsmechanismus. Bei "Keramik"-Kondensatoren werden beispielsweise keramische Materialien als Dielektrikum verwendet; "Aluminium-Elektrolytkondensatoren" werden mit Aluminium-Elektroden und einer Elektrolytlösung hergestellt, usw. Weitere Spezifikationen der dielektrischen Eigenschaften (und damit der Leistungscharakteristiken der Komponenten) innerhalb eines allgemeinen Typs von Kondensatoren werden häufig vorgenommen, insbesondere bei Keramikkondensatoren. Eine Signalmasse, die zu beachten ist, ist die zwischen Elektrolytkondensatoren und nicht-elektrolytischen Kondensatoren. Elektrolytkondensatoren verwenden ein Dielektrikummaterial, das an Ort und Stelle elektrochemisch geformt wird, in der Regel durch Oxidation der Oberfläche des Elektrodenmaterials, wohingegen nicht-elektrolytische Kondensatoren (oft als "elektrostatische" Kondensatoren bezeichnet) Dielektrikummaterialien verwenden, die im Allgemeinen durch verschiedene mechanische Prozesse geformt werden und kein chemisches Derivat des Elektrodenmaterials selbst sind. Diese Unterscheidung ist nützlich, weil die beiden Kategorien von Komponenten allgemeine Eigenschaften gemeinsam haben und es ermöglichen, die Eigenschaften und die Eignung für eine bestimmte Komponente grob vorherzusagen, indem man einfach feststellt, ob es sich um einen elektrolytischen Typ handelt oder nicht. Im Allgemeinen bieten Elektrolytkondensatoren eine hohe Kapazität pro Volumeneinheit, sind polarisiert, kostengünstig, verlustarm und weisen eine miserable Parameterstabilität auf. Nicht-elektrolytische Typen hingegen sind für ihre Einstufung eher sperrig, nicht polarisiert, relativ teuer, verlustarm und weisen mit einigen wenigen Ausnahmen eine gute bis sehr gute Parameterstabilität auf.

Betriebstemperaturbereich

Der (Betriebs-)Temperaturbereich eines Kondensators gibt den Temperaturbereich an, für den eine Komponente zugelassen ist. Ein gesondert angegebener Bereichstemperaturbereich ist derjenige Temperaturbereich, in dem eine Lagerung im inaktiven Zustand nicht zu einer Beschädigung der Komponente oder zu irreversiblen Parameterverschiebungen beim Betrieb innerhalb des normalen Temperaturbereichs führt. Für unmontierte Komponenten können weitere (strengere) umweltbezogene Spezifikationen für die Lagerung festgelegt werden, um sicherzustellen, dass die Materialien für die Endbearbeitung von Kabeln nicht so weit abgebaut werden, dass eine ordnungsgemäße Montage nicht mehr möglich ist. Im Gegensatz zu den meisten anderen zugelassenen Parametern ist ein Betrieb außerhalb des spezifizierten Temperaturbereichs eines Geräts (insbesondere bei niedrigeren Temperaturen) oft problemlos möglich, sofern Vorkehrungen getroffen werden, um die dabei auftretenden Parameterverschiebungen zu berücksichtigen, und die Temperaturausschläge nicht zu einer mechanischen Beschädigung des Geräts führen. Der Betrieb bei Temperaturen oberhalb der Nenngrenze einer Komponente ist aufgrund des temperaturbedingten Verschleißes und der Ausfallmechanismen gefährlicher, ist aber oft möglich, wenn die Langlebigkeit der Komponente keine große Rolle spielt. Ein solcher Betrieb außerhalb der Spezifikation erfolgt jedoch auf Risiko des Entwicklers und erfordert eine sorgfältige Qualifizierung der Komponente.

Nenngrößen für die Welligkeit des Stroms

Die Einstufung der Welligkeit des Stroms eines Kondensators gibt den maximalen Wechselstrom an, der durch den Kondensator fließen darf. Da der Stromfluss durch einen Kondensator aufgrund von ohmschen und dielektrischen Verlusten zur Selbsterhitzung führt, ist die Menge des Stromflusses, die eine bestimmte Komponente tolerieren kann, endlich und wird von den Umgebungsbedingungen beeinflusst.

Lebensdauer

Viele Kondensatoren, vor allem Aluminium-Typen, weisen starke Verschleißmechanismen auf, die ihre Lebensdauer begrenzen. Eine Spezifikation der Lebensdauer ist ein Hinweis auf die zu erwartende Lebensdauer einer Komponente unter bestimmten Betriebsbedingungen. Hinweis: Die Definition der Lebensdauer kann variieren; eine gängige Definition ist die Betriebsdauer unter festgelegten Bedingungen (die in der Regel nahe den maximalen Werten der Einstufung liegen), innerhalb derer ein Ausfall von 50 % der im Feld eingesetzten Komponenten zu erwarten ist. Einige Spezifikationen sind strenger, andere können nachsichtiger sein.

Militär, hohe Zuverlässigkeit und bewährte Zuverlässigkeit

Für Anwendungen, die eine geringe Toleranz gegenüber dem Ausfall von Komponenten aufweisen, stehen Kondensatoren zur Verfügung, die nach festgelegten Protokollen hergestellt und getestet werden, um die Zuverlässigkeit der Komponenten statistisch abzusichern. Bei besonders sensiblen Anwendungen ist es in der Regel erforderlich, dass die Komponenten über dokumentierte Kanäle beschafft werden, die es ermöglichen, die Herkunft einer bestimmten Komponente durch die Produktionsprozesse zurückzuverfolgen, um die Integrität der Komponenten zu gewährleisten und die Ursachenanalyse im Falle eines Fehlers zu erleichtern. MIL-HDBK-217F Notice 2 ist zum Zeitpunkt der Erstellung dieses Dokuments der am weitesten verbreitete Leitfaden für die Vorhersage der Zuverlässigkeit von Elektronikausrüstungen, obwohl die von Telcordia festgelegten Verfahren ebenfalls weit verbreitet sind, insbesondere in der Telekommunikationsindustrie.

Verpackung und Befestigungstypen

Wie die meisten elektronischen Komponenten sind auch Kondensatoren in einer Vielzahl von Verpackungs- und Befestigungstypen erhältlich. Die Komponentencharakteristika und allgemeine Anwendungsbeschränkungen beeinflussen die verfügbaren Optionen, die oberflächenmontierbare Typen, axial und radial verdrahtete Typen mit Durchkontaktierung und Typen mit Chassismontage umfassen können.

Was sind Aluminiumkondensatoren?

Aluminiumkondensatoren sind eine Familie von Komponenten, die unter den Begriff "Elektrolytkondensatoren" fallen. So bieten sie hohe Werte für die Kapazität in kleinen Verpackungen zu relativ geringen Kosten. Im Gegenzug zu diesen wünschenswerten Eigenschaften sind ihre elektrischen Eigenschaften und ihre Lebensdauer relativ schlecht. Obwohl Aluminiumkondensatoren nur für die barbarischsten signalbezogenen Anwendungen geeignet sind, sind sie ein Grundnahrungsmittel für DC-leistungsbezogene Funktionen. Es gibt drei verschiedene Typen: den Standard Aluminium-Elektrolytkondensator, eine bipolare Variante dieses Themas und einen neueren Typ, der eine leitfähige Polymerelektrode enthält. Die Bezeichnung der Familie als "Aluminiumkondensatoren" anstelle von "Aluminium-Elektrolytkondensatoren" ist eine Referenz an den letztgenannten Typ, der keinen herkömmlichen Flüssigelektrolyten enthält.

Abbildung 4: Aluminiumkondensatoren in verschiedenen Stilen der Verpackung. L-R, oberflächenmontierbar, Durchgangsloch- und Chassismontage. (Nicht maßstabsgetreu)

Konstruktion der Komponente

Standard Aluminium-Elektrolytkondensatoren bestehen aus zwei Blättern hochreiner Aluminiumfolie, die durch ein mit einer Elektrolytlösung getränktes Distanzhülsenmaterial wie Papier voneinander getrennt sind. Diese Blätter werden in der Regel auf mikroskopischer Ebene geätzt, wodurch ihre effektive Oberfläche um das Hundertfache vergrößert wird, wenn die Folie glatt bleibt. Auf einem der Blätter der Folie (bei Standard Aluminium-Elektrolytkondensatoren) bildet sich eine Ebene aus Aluminiumoxid, die als Dielektrikummaterial des Kondensators dient, indem eine Spannung durch eine sauerstoffhaltige Elektrolytlösung an die Folie angelegt wird. Dabei bindet sich der Sauerstoff aus dem Elektrolyt an der Oberfläche der Aluminiumfolie und bildet eine Oxidschicht mit einer Dicke, die proportional zur Spannung ist, die während der Verarbeitung angelegt wird, und die durch die vorgesehene Betriebsspannung der herzustellenden Kondensatoren bestimmt wird. Typischerweise liegt die Dicke dieser Oxid-Ebene in der Größenordnung von 1 Mikrometer oder 0,00004 Zoll. Das darunter liegende, nicht oxidierte Metall bildet eine der Elektroden des Aluminium-Elektrolytkondensators. Die andere Elektrode ist nicht das zweite Blatt der Folie, sondern die Elektrolytlösung. Bei Standard Aluminium-Elektrolytkondensatoren hat das zweite Blatt keine absichtlich gebildete Oxidschicht und dient lediglich dazu, den elektrischen Kontakt mit dem Elektrolyten herzustellen, da es ziemlich hart ist, eine Flüssigkeit auf eine Platine zu löten... Bei bipolaren Kondensatoren bildet sich auf beiden Aluminium-Blättern eine Oxid-Ebene, so dass die Komponente aus zwei in umgekehrter Reihe vernetzten Kondensatoren besteht. Da der Elektrolyt flüssig ist (außer bei Aluminium-Polymer-Kondensatoren, bei denen es sich um ein leitfähiges Polymermaterial handelt), kann er sich der Mikrostruktur des geätzten und oxidierten Blattes anpassen, so dass eine große Fläche zwischen den beiden Elektroden des Kondensators entsteht. Da das dielektrische Material (Aluminiumoxid) recht dünn ist, ergibt sich ein Kondensator mit einem hohen Wert; gemäß der grundlegenden Kondensatorgleichung steigt die Kapazität proportional zur Elektrodenfläche und umgekehrt proportional zum Elektrodenabstand bzw. zur dielektrischen Dicke. Die Kabel werden an den Folienblättern befestigt, die Baugruppe wird gewickelt, gefaltet oder auf andere Weise so geformt, dass sie in einen Behälter (in der Regel ebenfalls aus Aluminium) passt, und die Baugruppe wird mit einem Dichtungsstecker aus Gummi abgedichtet. Da Fehlerzustände zu einem Aufbau von internem Druck führen können, enthalten die meisten Aluminiumkondensatoren auch Vorkehrungen, um diesen Druck auf relativ sichere Weise abzulassen. Bei größeren Komponenten wird zu diesem Zweck in der Regel ein spezieller Mechanismus verwendet, während bei kleineren Komponenten die Funktion der schützenden Belüftung durch eine sorgfältige Konstruktion des Gummidichtungssteckers und/oder eine Rillung des Behälters erreicht wird, so dass dieser bei einem übermäßigen Innendruck relativ kontrolliert zerreißt. Standard-, bipolare und polymere Typen sind enthalten.

Bereich von verfügbaren Kapazitäten und Spannungen

Abbildung 5: Eine Illustration des Bereichs der Spannungs-/Nenngrößen für Aluminiumkondensatoren, die zum Zeitpunkt der Erstellung dieses Artikels über DigiKey erhältlich sind.

Stärken und Schwächen der Anwendung

Die Hauptstärke von Aluminiumkondensatoren liegt darin, dass sie einen großen Kapazitätswert in einer kleinen Verpackung bieten und dies zu relativ günstigen Kosten. Darüber hinaus weisen sie in der Regel gute Selbstheilungseigenschaften auf; wenn sich eine örtlich begrenzte Schwachstelle in der dielektrischen Schicht aus Aluminiumoxid bildet, bewirkt der verstärkte Fluss des Leckstroms durch die Schwachstelle im Dielektrikum eine ähnliche chemische Reaktion wie bei der ursprünglichen Bildung der dielektrischen Schicht, was zu einer Verdickung des Dielektrikums an der Schwachstelle und folglich zu einer Verringerung des Leckstroms führt. Die Unzulänglichkeiten von Aluminiumkondensatoren hängen vor allem mit (a) der chemischen Reaktivität der für ihren Bau verwendeten Materialien, (b) den leitfähigen Eigenschaften der Elektrolytlösungen und (c) der Flüchtigkeit der flüssigen Elektrolyten zusammen. Die chemisch reaktive Natur der in Aluminiumkondensatoren verwendeten Materialien ist in zweierlei Hinsicht problematisch: die Stabilität der dielektrischen Ebene und die langfristige mechanische Integrität der Komponente. Da die dielektrische Ebene aus Aluminiumoxid in diesen Komponenten durch einen elektrochemischen Prozess gebildet wird, kann sie auch durch einen elektrochemischen Prozess erodiert werden, indem einfach die angelegte Spannung umgekehrt wird. Aus diesem Grund sind die meisten Aluminiumkondensatoren polarisiert; das Anlegen einer Spannung mit falscher Polarität führt zu einer schnellen Erosion und Ausdünnung des Dielektrikums, was einen hohen Leckstrom und eine übermäßige interne Heizung zur Folge hat. Unter dem Gesichtspunkt der mechanischen Integrität ist das Mischen eines hochreaktiven Metalls (Aluminium) mit einer korrosiven Elektrolytlösung eine heikle Angelegenheit; Fehler in der Elektrolytzusammensetzung können zu einem vorzeitigen Ausfall führen, wie die "Kondensatorplage" der frühen 2000er Jahre gezeigt hat. Ein weiteres Manko von Aluminium-Elektrolytkondensatoren ist die Tatsache, dass die verwendeten Elektrolyte keine besonders effizienten Leiter sind, da die Leitung in Elektrolytlösungen durch ionische und nicht durch elektronische Leitung erfolgt; anstelle von losen Elektronen, die sich zwischen den als Ladungsträger dienenden Atomen bewegen, bewegen sich Ionen (Atome oder kleine Gruppen von Atomen, die aufgrund eines Elektronenüberschusses oder -defizits eine Ladung haben) durch die Lösung. Da Ionen sperriger sind als Elektronen, können sie sich nicht so leicht bewegen und daher hat die ionische Leitung im Allgemeinen einen höheren Widerstand als die elektronische Leitung. Inwieweit dies der Fall ist, hängt wesentlich von der Temperatur ab; je niedriger die Temperatur, desto schwieriger ist es für die Ionen in einer Elektrolytlösung, sich durch die Lösung zu bewegen, was sich in einem höheren Widerstand niederschlägt. So haben Elektrolytkondensatoren in der Regel einen relativ hohen ESR-Wert, der eine starke inverse Korrelation mit der Temperatur aufweist. Der dritte große Nachteil von Aluminiumkondensatoren (mit Ausnahme der Typen aus festem Polymer) besteht darin, dass die flüssigen Elektrolytlösungen dazu neigen, im Laufe der Zeit zu verdampfen und schließlich durch Diffusion durch den Dichtungsstecker aus Gummi, undichte Stellen in den Strukturen der Belüftung oder ähnliche Phänomene in die Atmosphäre zu gelangen.

Gemeinsame Verwendungen und Anwendungen

Aluminiumkondensatoren werden in erster Linie in DC-Anwendungen eingesetzt, die einen relativ großen Wert und einen kostengünstigen Kondensator erfordern, wenn die AC-Leistung und die Stabilität der Parameter über die Zeit nicht besonders wichtig sind. Zu diesen Anwendungen gehören die Massenfilterung gleichgerichteter Netzwechselspannung in Spannungsversorgungsanwendungen und die Ausgangsfilterung in Niederfrequenz-Schaltnetzteilen usw. Aufgrund der Zeitkonstante, die durch ihren relativ hohen ESR in Reihe mit ihrer großen Nennkapazität gebildet wird, verlieren Aluminiumkondensatoren als Klasse tendenziell schnell an Attraktivität, wenn sich die Welligkeitsfrequenzen etwa 100 kHz nähern. Die Optimierungen der Komponenten sind jedoch sehr unterschiedlich, und die nützliche Grenze für jede Komponente kann minimal bei einigen kHz bis 1 MHz liegen. Aluminium-Elektrolytkondensatoren eignen sich im Allgemeinen nicht für Anwendungen, bei denen hohe Verluste und eine große Variabilität der Komponentenparameter in Abhängigkeit von den Umgebungs- und Betriebsbedingungen unerwünscht sind, wozu die meisten analogen Signalwege gehören.

Gemeinsame Fehlermechanismen/kritische Überlegungen zur Entwicklung

Elektrolyt-Verlust

Der flüssige Elektrolyt, der in den meisten Aluminiumkondensatoren enthalten ist, verdampft mit der Zeit, was zu einem Anstieg des ESR und einer Verringerung der Kapazität führt. Dies ist ein Verschleißmechanismus, der typischerweise der begrenzende Faktor für die Lebensdauer eines Aluminium-Elektrolytkondensators ist. Der Takt beginnt sofort nach der Herstellung einer Komponente und bleibt nicht stehen, obwohl die Anwendungs- und Lagerungsbedingungen die Geschwindigkeit der Zeigerbewegung beeinflussen. Die Temperatur ist der wichtigste Faktor bei der Bestimmung der Geschwindigkeit des Elektrolytverlustes und wird durch die Arrhenius-Gleichung gut beschrieben, die für jede Temperaturänderung von 10 °C eine Änderung der Prozessgeschwindigkeit um etwa den Faktor 2 vorhersagt. Anders ausgedrückt: Die Senkung der Temperatur eines Elektrolytkondensators um 10°C verdoppelt bei sonst gleichen Faktoren in etwa seine zu erwartende Lebensdauer. Der Elektrolytverlust wird auch durch den atmosphärischen Druck beeinflusst, wobei ein niedrigerer Druck zu einem beschleunigten Elektrolytverlust führt. In Umgebungen mit extrem niedrigem Druck kann es bei Komponenten, die nicht für solche Umgebungen entwickelt wurden, zu einem Bruch des Behälters oder einer Öffnung der Belüftung kommen, was zu einem viel früheren Ausfall führt, als dies bei höheren Umgebungsdrücken der Fall wäre. Bei der Abschätzung der Lebensdauer von Kondensatoren auf der Grundlage der Arrhenius-Beziehung und der vom Hersteller angegebenen Lebensdauer-Spezifikation muss die Eigenerwärmung durch den Brummstrom berücksichtigt werden; die Innentemperatur des Kondensators ist die interessierende Anzahl, nicht einfach die Umgebungstemperatur der Anwendung. Für den Betrieb in großen Höhen oder bei niedrigem Druck sind die Spezifikationen des Herstellers zu konsultieren, da bei einem Umgebungsdruck, bei dem die Differenz zwischen dem Dampfdruck des Elektrolyten und dem äußeren Umgebungsdruck zum Öffnen der Belüftung des Kondensators führt, eine Einstufung der angegebenen Lebensdauer bis auf Null erforderlich ist. Hinweis: Der Dampfdruck nimmt im Allgemeinen mit der Temperatur zu, was zu einem Kompromiss zwischen Betriebstemperatur und maximal zulässiger Betriebshöhe führt.

Defekter Elektrolyt

Eine ungeeignete Elektrolytformulierung kann zu schneller Korrosion der internen Komponenten und/oder zum Aufbau von Gasdruck in einem Aluminiumkondensator führen, was einen vorzeitigen Ausfall zur Folge hat. Dieser Mechanismus ist Berichten zufolge für die weit verbreiteten vorzeitigen Ausfälle von Aluminium-Elektrolytkondensatoren in vielen Geräten der Unterhaltungselektronik in den frühen 2000er Jahren verantwortlich. Abgesehen von unabhängigen Tests und Bewertungen lässt sich dieses Problem (das sich für viele Unternehmen als äußerst kostspielig erwiesen hat) am besten dadurch vermeiden, dass man Produkte nur von seriösen Herstellern bezieht, entweder direkt oder über einen vom Hersteller autorisierten Händler. Der Kauf von billigen Elektronikkomponenten aus fragwürdigen Quellen ist in etwa so, als würde man um 2 Uhr morgens von einem Fremden an einer Straßenecke im schlechten Teil der Stadt Arzneimittel in Plastikbeuteln kaufen... Tun Sie es nicht.

Spannung überlastet

Wenn die an einen Aluminium-Elektrolytkondensator angelegte Spannung die vorgeschriebenen Grenzen überschreitet, steigt der Leckstrom durch die dielektrische Ebene des Aluminiumoxids rasch an, beginnend an lokalisierten "dünnen" Stellen innerhalb des dielektrischen Materials. Dieser Anstieg des Leckstroms führt zu einer erhöhten lokalen Heizung innerhalb der Komponente. Wird der Leckstrom nicht begrenzt, kann die erhöhte örtliche Heizung zu einer weiteren Schädigung der dielektrischen Ebene führen, was einen Kaskadierungsversagen des dielektrischen Materials und die Zerstörung des Kondensators zur Folge hat.

Stromüberlastung

Aluminium-Elektrolytkondensatoren haben oft einen vergleichsweise hohen ESR-Wert, der meist auf den Widerstand der Elektrolytlösung zurückzuführen ist. Wechselströme, die durch diesen Widerstand fließen, führen zu einer ohmschen Heizung, die zum Verlust von Elektrolyt beiträgt und das Risiko eines dielektrischen Durchschlags erhöht. Es ist zu beachten, dass die scheinbare Kapazität eines Aluminium-Elektrolytkondensators frequenzabhängig ist. Daher sollte die vom Hersteller angegebene Spezifikation des Brummstroms im Hinblick auf die in der Anwendung vorhandenen Frequenzen interpretiert werden. Die maximalen Werte für den Welligkeitsstrom von Aluminium-Elektrolytkondensatoren werden in der Regel bei 120 Hz und 100 kHz angegeben. Daher sollte man bei der Auswahl der Komponente nicht nur auf den angegebenen Wert für den Welligkeitsstrom achten, sondern auch auf die Testfrequenz, für die der Wert angegeben ist.

Überlastung der Spannung durch Alterung

Aufgrund des elektrochemischen Prozesses der Dielektrikumsbildung führt die Lagerung bei null angelegter Spannung über längere Zeiträume zu einer Degradation der dielektrischen Ebene aus Aluminiumoxid. Mit geschwächtem Dielektrikum kann es zu Spannungsüberlastungen kommen, auch wenn die angelegte Spannung innerhalb der Einstufung der Komponente liegt. In leichten Fällen können die einzigen Symptome ein erhöhter Leckstrom und erhöhte Temperaturen der Komponente für eine gewisse Zeit sein, bis sich die Komponente selbst heilt. In schwerwiegenden Fällen, in denen die maximale Nennspannung über eine niedrige Impedanz an ein schlechtes Dielektrikum angelegt wird, kann eine Komponente einen Kurzschluss erleiden und auf spektakuläre Weise zerbrechen. Zwar wurden und werden Elektrolyt-Formulierungen entwickelt, um dieses Problem zu lösen, aber die Lagerungsstabilität variiert erheblich zwischen den verschiedenen Produkten, wobei bei einigen bereits nach 1 bis 3 Jahren Lagerung im entladenen Zustand eine messbare Verschlechterung eintritt. Bei der Entwicklung von Anwendungen, die über längere Zeiträume ruhen können, wird eine moderate Einstufung der Spannung von Komponenten empfohlen, um die Sicherheit gegenüber diesem Effekt zu erhöhen. Es wird auch empfohlen, Produkte zu verwenden, die speziell für den Schutz vor Verschlechterung bei der Lagerung entwickelt wurden. In Reparatur-/Wiederinbetriebnahmesituationen besteht die allgemein vorgeschriebene Behandlung für verkümmerte Aluminium-Elektrolytkondensatoren darin, die Systemspannung schrittweise über einen Zeitraum von 4-8 Stunden anzulegen. Vergewissern Sie sich vorher, dass die Ausrüstung nicht durch einen längeren Betrieb bei Spannungen unterhalb der Spezifikation beschädigt wird.

Funktionen, Optionen und gezielte Anwendungen der Komponente

Audio

Bei Aluminium-Elektrolytkondensatoren, die für Audio-Anwendungen vermarktet werden, handelt es sich in der Regel um Typen mit niedrigem ESR-Wert, und bei ihrer Entwicklung können Kompromisse zugunsten der elektrischen Performance und der Parameterstabilität auf Kosten von Faktoren wie Größe und Kosten eingegangen werden. Es sollte jedoch beachtet werden, dass der Audio-Bereich mit Subjektivismus und Marketing durchsetzt ist, die darauf abzielen, Dummköpfe von ihrem Geld zu trennen, und dass sich dieser Effekt sogar bis auf die Ebene der Komponenten durchsetzt. Wenn Kondensator A ein hübscheres Etikett hat und zehnmal so viel kostet wie Kondensator B, dann ist Kondensator A natürlich besser, oder? Nicht unbedingt. Prüfen Sie die Spezifikationen, wissen Sie, welche für die jeweilige Anwendung wichtig sind, und wählen Sie die Komponente, die die Anforderungen der Anwendung am besten erfüllt. Es sei denn, Sie bauen etwas, das Sie an Leute verkaufen wollen, die bereit sind, Hunderte oder Tausende von Dollar für "richtungsweisende" Lautsprecherkabel auszugeben. In diesem Fall sollten Sie sich für das entscheiden, was Ihnen das meiste Bling für Ihr Geld bietet...

Automobilelektronik

Die für Automobilanwendungen hervorgehobenen Komponenten sind in der Regel für eine lange Lebensdauer und den Betrieb in einem erweiterten Temperaturbereich ausgelegt, der mindestens bis 105°C reicht. Die meisten sind nach den Standards des AEC (Automotive Elektronik Council) zugelassen.

Bi-polar

Bipolare Elektrolytkondensatoren sind so konstruiert, dass sie bei Spannungen, die die Polarität ändern, unbeschadet arbeiten, indem sie eine Oxidschicht auf beiden der in einem Standard-Aluminium-Elektrolytkondensator verwendeten Blätter bilden, anstatt nur auf einem. Aufgrund des hohen ESR dieser Komponenten gelten sie im Allgemeinen als ungeeignet für den Betrieb mit kontinuierlich anliegender Wechselspannung und werden daher gelegentlich auch als "unpolare DC-Kondensatoren" bezeichnet, um dies zu unterstreichen. Ihr Einsatz ist in der Regel auf DC-Anwendungen beschränkt, bei denen die anzulegende Polarität ungewiss ist, sich gelegentlich vorübergehend umkehren kann oder bei denen der Stromfluss durch das Gerät auf Werte begrenzt werden kann, die nicht zu einer übermäßigen Selbsterhitzung führen.

Allgemeine Anwendungen

"Allgemeine Verwendung" ist ein Sammelbegriff für Komponenten, die nicht ausdrücklich für eine bestimmte Anwendungskategorie konstruiert sind und keine wesentlichen Unterscheidungsmerkmale in ihrer Konstruktion aufweisen.

Hochtemperatur-Reflow

Geräte, die als "Hochtemperatur-Reflow"-Typen bezeichnet werden, sind für den Einsatz in Anwendungen konzipiert und qualifiziert, bei denen während der Fertigung höhere Prozesstemperaturen auftreten, wie sie üblicherweise bei bleifreien/RoHS-konformen Reflow-Lötverfahren anzutreffen sind.

Motorlauf

Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit dieser Bezeichnung sind für Anwendungen mit kontinuierlicher Belastung und hoher Welligkeit konzipiert, z. B. für Motoren mit variabler Drehzahl und Inverter-Anwendungen.

Motorstart

Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit dieser Bezeichnung sind in der Regel für den Einsatz in AC-Motor-Startanwendungen konzipiert. Typischerweise sind sie bipolar, für mehrere hundert Volt eingestuft und haben Werte zwischen einigen zehn und einigen tausend uF.

Polymer

Diese Bezeichnung steht für Aluminium-Elektrolytkondensatoren, die ein festes leitfähiges Polymer als Elektrolyt verwenden, anstatt eines flüssigen Elektrolyts. Typischerweise weisen sie eine bessere Stabilität, einen niedrigeren ESR und eine längere Lebensdauer bei erhöhter Temperatur auf als vergleichbare Elektrolyt-Bauelemente mit Flüssigelektrolyt, obwohl die Verfügbarkeit auf relativ niedrige Kapazitäten und Nennspannungen beschränkt ist und die Kosten der Komponenten für eine bestimmte Kapazität und Nennspannung deutlich höher sind als bei einem ähnlichen Typ mit Flüssigelektrolyt.

Behälter aus rostfreiem Stahl

Geräte mit dieser Bezeichnung sind mit robusten Behältern aus rostfreiem Stahl gekapselt, die tauglich sind, höheren als den typischen Druckunterschieden zwischen Innen- und Außenseite des Kondensators standzuhalten. Dies ermöglicht den Betrieb bei niedrigeren atmosphärischen Drücken als bei den meisten anderen Komponenten und erlaubt eine längere Lebensdauer, da der Elektrolytverlust verringert werden kann. Typischerweise sind diese Komponenten auch recht kostspielig.

Was sind Keramikkondensatoren?

Keramikkondensatoren sind elektrostatische Komponenten, die sich durch die Verwendung verschiedener keramischer dielektrischer Materialien auszeichnen, die in der Regel auf Bariumtitanat (_BaTiO3) basieren. Sie sind nicht polarisiert und decken mit ihren Merkmalen einen Großteil des Quantitäts-Qualitäts-Spektrums ab, vielleicht mit einer leichten Tendenz zur Qualität. Umfassende Anwendungsmöglichkeiten und relativ kostengünstige Strukturen machen Keramikkondensatoren, gemessen an der Zahl der verkauften Komponenten, zum beliebtesten Kondensatortyp, der derzeit verwendet wird.

Konstruktion der Komponente

Abbildung 6: Links: Mehrschichtkeramikchipkondensator (MLCC); Rechts: Durchkontaktierung Scheiben-Kondensator.

Frühe Komponenten bestanden aus einer einzigen Ebene aus keramischem Dielektrikummaterial (in der Regel in runder Form) zwischen zwei Metallelektroden. Die Kabel wurden an den Elektroden aus Metall befestigt und die Baugruppe mit einem Isoliermaterial gekapselt, in der Regel Keramik oder Epoxidharz. Dieser Typ ist zwar immer noch bei Komponenten für Wechselstromleitungen oder Hochspannungen zu finden, aber nur wenige Komponenten in dieser Bauweise sind für die Oberflächenmontage geeignet, was ihre Attraktivität für viele Anwendungen einschränkt. Weitaus verbreiteter sind heute Mehrschichtkeramikkondensatoren (MLCCs), bei denen abwechselnd dünne Ebenen aus Elektroden- und Dielektrikummaterialien verwendet werden, um eine große Elektrodenoberfläche bei geringem Gesamtvolumen der Verpackung zu erreichen. Solche Komponenten werden durch das Extrudieren dünner Blätter aus ungebranntem Keramik-"Ton" hergestellt, auf die ein Elektrodenmaterial in fein verteilter Form durch einen dem Siebdruck ähnlichen Prozess aufgebracht wird. Mehrere dieser "Blätter" werden gestapelt und zusammengepresst, um die gewünschte Anzahl von Elektrodenschichten zu erzeugen, in einzelne Kondensatoren geschnitten und in einem Hochtemperaturofen gebrannt, um das keramische Dielektrikum zu härten und die Partikel im Elektrodenmetall zu sichern. Anschließend werden die Abschlüsse beantragt und die Komponenten, die die Endkontrolle bestanden haben, für den Versand verpackt.

Abbildung 7: Vereinfachter MLCC-Produktionsprozess. (Quelle: WikiMedia Commons)

Bereich der verfügbaren Kapazitäten und Spannungen:

Abbildung 8: Eine Veranschaulichung des Bereichs von Keramikkondensator-Spannungs-/Kapazitätskombinationen, die zum Zeitpunkt der Erstellung dieses Dokuments von DigiKey erhältlich sind.

Stärken und Schwächen der Anwendung

Keramikkondensatoren (insbesondere MLCCs) haben sich aufgrund ihrer Vielseitigkeit, Wirtschaftlichkeit, Haltbarkeit und ihrer allgemein günstigen elektrischen Eigenschaften weithin durchgesetzt. Dort, wo sich ihre Anwendungsgebiete überschneiden, haben Keramikkondensatoren im Allgemeinen günstige Eigenschaften im Vergleich zu anderen Typen (Aluminium, Tantal usw.), die für Lose im Beutel verwendet werden, und etwas schlechtere Eigenschaften im Vergleich zu Dünnschicht- oder anderen Typen, die dort eingesetzt werden, wo ein Höchstmaß an Stabilität und Präzision erforderlich ist. Die Vielseitigkeit von Keramikkondensatoren spiegelt sich in der Bandbreite der verfügbaren Werte wider, die, wie in Abbildung 8 dargestellt, etwa 9 Größenordnungen bei der Kapazität und 4 bei der Spannung umfassen; es gibt nicht viele Technologien, die eine so große Bandbreite abdecken. Die für den Bau von Keramikkondensatoren verwendeten Rohstoffe sind in der Regel nicht besonders kostspielig und werden effizient genutzt. Obwohl ein hohes Maß an Präzision und Prozesssteuerung erforderlich ist, sind die grundlegenden Herstellungsprozesse nicht sonderlich komplex. Zusammengenommen ermöglichen diese Eigenschaften, dass MLCCs jedes Jahr milliardenfach produziert werden können, oft zu Stückkosten unter einem Pfennig. Aus der Sicht der Anwendung sind sie für langlebige Anwendungen gut geeignet; da sie im Wesentlichen aus einem Schichtkuchen haltbarer Materialien (Metalle und Keramik) bestehen, weisen sie keine starken Verschleißmechanismen auf, sind nicht akut anfällig für Temperatur-, Druck- oder Spannungsumkehrungen und bergen auch nicht das Risiko von Leckagen, Verbrennung oder Toxizität, wie es bei elektrolytischen Komponenten häufig der Fall ist. Da sie für ihren Betrieb nicht wie elektrolytische Bauelemente auf relativ hochohmige Elektrolytlösungen angewiesen sind, ist der ESR von Keramik-Kondensatoren in der Regel recht niedrig, und ihre internen Geometrien (und kurze Kabellängen im Fall von MLCCs) machen das Platinenlayout in vielen Fällen zum Hauptfaktor für ESL. Zu den Anwendungsschwächen von Keramikkondensatoren gehören die mechanische Anfälligkeit, das Fehlen von Selbstheilungsfähigkeiten, die Kosten bei hohen Kapazitätswerten und die mehr oder weniger starke Abhängigkeit der Parameter von den Umgebungs- und elektrischen Betriebsbedingungen, je nach der spezifischen Formulierung des keramischen Dielektrikummaterials. Wie die meisten keramischen Gegenstände sind auch Keramikkondensatoren recht spröde und unflexibel. Folglich sind sie anfällig für Beschädigungen durch mechanische Beanspruchung oder thermische Schocks, und es bedarf einer sorgfältigen Abmilderung solcher Faktoren während der Baugruppe und der Wartung des Endprodukts. Der Nachteil der relativ trägen "Stahl- und Stein"-Konstruktion von Keramikkondensatoren besteht darin, dass kein Selbstheilungsmechanismus vorhanden ist; Spannungen, die zu einem Durchschlag des Dielektrikums führen, führen in der Regel zu irreparablen Schäden an der Komponente, so dass substanzielle Sicherheitsfaktoren in Form einer zusätzlichen Dicke des Dielektrikums eingebaut werden müssen, da Schwachstellen im Dielektrikum während der Produktion nicht einfach "ausgebrannt" werden können. Dies trägt zu den relativ hohen Kosten von Keramikkondensatoren pro Farad bei (im Vergleich zu Elektrolyt-Typen) und führt zusammen mit dem zunehmenden Risiko mechanischer Beschädigungen bei größeren Komponenten dazu, dass die Attraktivität/Verfügbarkeit von Keramikkondensatoren bei Werten jenseits einiger 10 Mikrofarad abnimmt. Schließlich sind viele keramische dielektrische Formulierungen nicht parametrisch stabil oder linear mit Temperatur und dielektrischer Spannung, und zwar in einem Ausmaß, das im Allgemeinen proportional zu ihren Dielektrizitätskonstanten ist. Hochwertige Keramikkondensatoren sind daher für Präzisionsanwendungen häufig ungeeignet.

Wichtige Überlegungen zur Entwicklung

Temperatur-Charakteristika und dielektrische Klassifizierungen

Zahlreiche keramische dielektrische Materialien sind weit verbreitet und unterscheiden sich stark in ihrem volumetrischen Wirkungsgrad, ihrer Temperaturabhängigkeit, ihren Verlustcharakteristiken und anderen nicht idealen Verhaltensweisen. Die verschiedenen Komponenten werden nach ihren Temperaturmerkmalen kategorisiert, wobei im Laufe der Jahre von der EIA (Elektronik Industry Association) und der IEC (International Electrotechnical Commission) sowie dem US-Militär und anderen Normungsgremien verschiedene Abgrenzungs- und Identifizierungssysteme festgelegt wurden. Das gemeinsame Gewinde zwischen diesen Systemen ist die Unterscheidung zwischen Qualität und Quantität der Kapazität; verlustarme/hochstabile/temperaturlineare Typen, die für analoge Präzisions- und Resonanzkreisanwendungen verwendet werden, werden anders behandelt als Typen, die eine hohe Kapazität pro Volumen auf Kosten einer schlechteren Stabilität und Linearität bieten. Die IEC-Norm bezeichnet Dielektrika, die für Qualität und Anzahl der Kapazität entwickelt wurden, als Klasse 1 bzw. Klasse 2. Wie die IEC-Norm bezeichnet auch die EIA-Norm qualitätsorientierte Dielektrika als Klasse I (römische Ziffer, nicht immer verwendet), unterteilt jedoch die IEC-Klasse-2-Komponenten in die EIA-Klassen II und III. EIA-Klasse-II-Komponenten sind solche, die ein gewisses Maß an Würde in Bezug auf die Parameterstabilität über die Temperatur beibehalten (+/- 15 % oder besser über einen bestimmten Bereich, in der Regel -50 °C bis 85 °C oder höher), während die EIA-Klasse-III-Dielektrika in ihrem Streben nach volumetrischem Wirkungsgrad jeden Anschein von Temperaturstabilität aufgeben und größere Parameterschwankungen in engeren Bereichen aufweisen; +22 %/-56 % im Bereich von +10 °C bis +85 °C oder +22 %/-82 % im Bereich von -30 °C bis +85 °C sind gängige Grenzen der Klasse III. Abbildung 9 veranschaulicht das Phänomen grafisch, indem sie die Charakterisierungen eines Herstellers von Dielektrika mit mehreren unterschiedlichen Temperaturkennwerten zeigt.

Abbildung 9: Typische Veränderung der Kapazität in Abhängigkeit von der Temperatur für Keramikkondensatoren verschiedener dielektrischer Klassifizierungen. (Quelldaten: AVX Oberflächenmontage Keramikkondensator Produktkatalog, v13.10)

In jeder allgemeinen dielektrischen Klasse stehen verschiedene dielektrische Formulierungen zur Verfügung, kategorisiert nach dem Temperaturkoeffizienten der Kapazität im Falle von Dielektrika der Klasse 1 und den Grenzen der Veränderung der Kapazität über einen bestimmten Temperaturbereich für die anderen Geräteklassen. "Geheime Decoder Ringe" für einige Klassifizierungsschemata sind in den Tabellen der Abbildung 9A dargestellt. MLCCs mit IEC Klasse 1 (EIA Klasse I) Dielektrika sind mit kontrollierten, spezifizierten Temperaturkoeffizienten der Kapazität entwickelt; die Kapazität dieser Komponenten ist eine lineare Funktion der Temperatur. Die dielektrische Klassifizierung für Komponenten der EIA-Klasse I gibt sowohl die Steigung dieser Linie als auch die Toleranz dieser Steigung an. Im Gegensatz dazu gibt die dielektrische Klassifizierung für Keramiken der Klassen II und III äußere Grenzen für zwei Größen an: 1) Änderungen der Kapazität in Abhängigkeit von der Temperatur, als Prozentsatz relativ zum Wert bei einer Standardtemperatur (in der Regel 25 °C) und 2) der Bereichswahl, für die die Grenzen gelten. Über die Steigung der Temperaturkennlinie innerhalb dieser Grenzen wird nichts ausgesagt; die meisten sind nicht einmal monoton, geschweige denn linear.

Abbildung 9A: Tabellen mit den Grenzen des Verhaltens, die durch die verschiedenen Bezeichnungen in den Klassifizierungssystemen der EIA und des US-Militärs gekennzeichnet sind...

Zu den Klassifizierungen der IEC-Klasse 2 (EIA-Klasse II/III) für Dielektrika sind zwei wichtige Feststellungen zu treffen:

1. Sie zeigen nur die Veränderung der Kapazität in Abhängigkeit von der Temperatur an. Andere Einflüsse sind in den ∆C-Zahlen NICHT enthalten, und diese Einflüsse können SIGNIFIKANT sein. (Siehe Abschnitt über den Spannungskoeffizienten der Kapazität)
2. Sie sind KEINE absoluten Vorschriften für eine dielektrische Formulierung, sondern nur ein Mittel zur Gruppierung von Komponenten allein auf der Grundlage des Temperaturverhaltens. Verschiedene Teilenummern (insbesondere solche mit unterschiedlichen Baugrößen) können sich in einer bestimmten Anwendung unterschiedlich verhalten, selbst wenn sie denselben Wert, dieselbe Toleranz, dieselbe Spannung und dieselbe dielektrische Klassifizierung haben.

Spezifikationen für Toleranzen

Die Unterscheidung zwischen Herstellungstoleranz und Spezifikationen für das Temperaturverhalten von Keramikkondensatoren wird leicht missverstanden, was wahrscheinlich auf die häufige Ähnlichkeit der Größenordnungen der Zahlen, die gängige Praxis, beide als Prozentsatz auszudrücken, und die unzureichende Sprachdisziplin zurückzuführen ist. Die Spezifikation "Toleranz" auf einem Keramikkondensator gibt die zulässigen Schwankungen des Wertes der Komponente unter Standard-Testbedingungen an, die sich aus den Fertigungsschwankungen ergeben. Er wird in der Regel als Prozentsatz des Nennwerts angegeben und bezieht sich auf Abweichungen zwischen verschiedenen Komponenten mit derselben Teilenummer unter standardisierten Prüfbedingungen, relativ zum Nennwert. Anders ausgedrückt: Sie ist ein Maß für die Gleichmäßigkeit der Teile, die die Fertigungsstraße verlassen. Im Gegensatz dazu gibt die "Temperatur-Charakteristik" eines Keramikkondensators an, inwieweit die Kapazität einer bestimmten Komponente über den angegebenen Betriebstemperaturbereich des Geräts mit der Temperatur schwankt. Der Begriff "Temperaturkoeffizient" ist am besten für Komponenten mit Dielektrika der Klasse I geeignet, die eine mehr oder weniger lineare Temperaturabhängigkeit aufweisen, während der Begriff "Temperaturcharakteristik" eher für Kondensatoren mit Dielektrika der EIA-Klassen II und III geeignet ist, die ausgesprochene nichtlineare Verschiebungen der Kapazität mit der Temperatur aufweisen.

Abbildung 10: Toleranz in Abhängigkeit von der Temperatur eines Keramikkondensators von Vishay BC Komponenten D471K20Y5PH6UJ5R.

P/N BC5214CT-ND ist zum Beispiel ein scheibenförmiger Keramikkondensator mit einer nominalen Kapazität von 470 pF, einer Toleranz von +/-10% und einer Y5V-Temperaturkennlinie. Gemessen unter den spezifizierten Testbedingungen sollten Komponenten mit dieser P/N eine Kapazität zwischen 423 pF und 517 pF aufweisen; dies ist die Toleranz der Komponente und besagt, dass ein bestimmter Punkt auf der roten Linie in der Grafik links in Abbildung 10 eine Komponente mit dieser Teilenummer beschreiben sollte. Die Y5V-Temperaturkennlinie zeigt jedoch an, dass die Kapazität der Komponente bei Temperaturen zwischen -30°C und +85°C um zusätzliche +22%/-82% relativ zu ihrem Wert unter den Standard-Testbedingungen variieren kann. Mit anderen Worten: Eine Komponente kann die Spezifikation erfüllen, solange der Verlauf ihrer Kapazität in Abhängigkeit von der Temperatur (gemessen mit dem spezifizierten Prüfsignal, mit dem spezifizierten Temperaturverlauf usw.) vertikal innerhalb der blauen Box bleibt und die rote Linie durchläuft; außerhalb der horizontalen (Temperatur-)Grenzen der Box ist alles möglich. Wenn man die Temperaturkennlinie mit einbezieht, stellt man fest, dass dieser (nominell) 470 pF Kondensator eine Kapazität zwischen 76 und 630 pF (außer bei 25°C) aufweisen kann und dennoch vollständig innerhalb der Spezifikation bleibt. Mit der Hinzunahme von Alterungs- und Spannungseffekten als Variablen kann die tatsächlich beobachtete Kapazität in einem noch breiteren Bereich variieren, ohne die spezifizierten Grenzen der Komponente zu verletzen. Die Unterscheidung zwischen "Toleranz" und "Temperaturcharakteristik" ist hier offensichtlich sehr wichtig; ein Entwickler, der fälschlicherweise glaubt, dass die Komponente einen Wert innerhalb von 10 % des Nennwerts aufweisen wird, wird wahrscheinlich enttäuscht sein, wenn die Anwendung jemals weit von der Raumtemperatur abweicht. Vergleichen Sie P/Ns 490-3271-2-ND und 490-5920-2-ND; beide 0,1 uF, 25 V Kondensatoren in einer EIA 0402 Verpackung. Ersteres verwendet ein Dielektrikum der Klasse III mit einer Y5V-Charakteristik, hat eine Toleranz von -20%~+80% und einen Stückpreis von $0,00399 in Stück zum Zeitpunkt der Erstellung dieses Artikels. Letzteres verwendet ein Dielektrikum der Klasse II mit einer X5R-Charakteristik, hat eine Toleranz von +/-10% und wird für 0,00483 $ verkauft. Die Toleranzbänder und -fenster, die sich aus der Berücksichtigung der Temperaturmerkmale ergeben, sind in dem Diagramm rechts in Abbildung 10 zusammen dargestellt. Wie in der vorherigen Tabelle sind Komponenten, die vom Band kommen, spezifiziert, wenn ihre tatsächliche Kapazität als Funktion der Temperatur innerhalb ihrer jeweiligen Box bleibt und die vertikale Linie bei 25°C durchläuft. Das Gerät X5R (Klasse II) liegt mehr als dreimal näher am Nennwert als das Gerät Y5V (Klasse III) und dies über einen größeren Temperaturbereich, während das Verhältnis zwischen maximalen und minimalen Werten des Geräts aufgrund der kombinierten Auswirkungen von Fertigungsvariabilität und Temperatur bei dem Gerät der Klasse II fast zehnmal geringer ist. Mit weniger als 1/10 Cent lassen sich die erforderlichen Begrenzungen für die Entwicklung, die Produktionsausbeute, die Prüfanforderungen, die Produktlebensdauer usw. verringern. Solche Vorteile wären jeden Cent wert, aber sie kosten nicht so viel.

Spannungskoeffizient der Kapazität

Bei Keramikkondensatoren ändert sich die Kapazität mit den Schwankungen der DC-Bias-Ebene. Anders ausgedrückt: Die Messung der Kapazität einer Komponente mit einer_1-VP-P-Welle mit einem Mittelwert von 0 V ergibt einen anderen (typischerweise größeren) Wert als die Prüfung derselben Komponente mit einer 1-V-Sinuswelle mit einem DC-Versatz von 10 V. Der Effekt ist auf die Belastung der Kristallstruktur des Dielektrikums infolge eines angelegten Spannungsgradienten zurückzuführen und skaliert folglich mit der Dicke des Dielektrikums bzw. der Nenngröße des Geräts. Wenn alle anderen Faktoren gleich sind (was selten der Fall ist...), benötigt eine Komponente mit einer Einstufung von 100 _VDC eine viermal größere Gleichstromvorspannung als eine Komponente mit einer Einstufung von 25 _VDC, um die gleiche proportionale Änderung der Kapazität zu erzielen. Es überrascht nicht, dass der Effekt auch von der dielektrischen Formulierung beeinflusst wird. Dielektrika der EIA Klasse I weisen relativ kleine Spannungskoeffizienten auf, wobei sich die beobachtete Kapazität typischerweise um höchstens ein paar Prozent (oft weniger) ändert, wenn die DC-Vorspannung zwischen 0 und 100 % der Nennspannung einer Komponente variiert wird. Dielektrika der EIA-Klasse II werden durch DC-Vorspannung deutlich stärker beeinflusst, wobei Kapazitätsänderungen in der Größenordnung von 20-60 % an der Tagesordnung sind. Solche Schwankungen sind sicherlich nicht zu verachten, aber sie sind deutlich weniger gravierend als bei Dielektrika der EIA Klasse III, die in der Regel Kapazitätsschwankungen von 80-90 % oder mehr gegenüber ihrer Nennspannung aufweisen. Nein, das ist kein Tippfehler; die effektive Kapazität eines keramischen Kappens mit einem Dielektrikummaterial der EIA-Klasse III kann sich allein durch die DC-Vorspannung um eine Größenordnung ändern. Der Effekt kann auch ungünstig nichtlinear sein; einige Komponenten können eine Verringerung der Kapazität um 75 % aufweisen, wenn sie auf nur 20 % ihrer Nennspannung eingestuft werden. Erschwerend kommt hinzu, dass der Effekt mit den Temperatureffekten kumulativ (wenn auch nicht linear additiv) ist. -100 -80 -60 -40 -20 0 20 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Kapazitätsänderung (%) DC-Vorspannung (V) DC-Vorspannung Merkmale 0402(CGB2A1X5R1C105K033BC) 0603(C1608X5R1C105K080AA) 0805(C2012X5R1C105K085AA).

Abbildung 11: Der Einfluss der Baugröße auf den DC-Bias-Effekt. Quelle: Daten des Online-Tools TDK Komponenten Characteristic Viewer.

Überraschender (und heimtückischer) ist vielleicht der Zusammenhang zwischen der Größe des DC-Bias-Effekts und der Baugröße der Komponenten. Immer größere Kapazitäten in immer kleinere Gehäuse zu packen, bringt irgendwann Kompromisse mit sich, wie Abbildung 11 zeigt, die die Änderung der Kapazität in Abhängigkeit von der DC-Vorspannung für drei verschiedene 1 uF/16 V/ X5R Kondensatoren aus der Produktserie desselben Herstellers zeigt; der Hauptunterschied zwischen ihnen ist einfach die Baugröße. Die Kosten für die kleinere Verpackung sind offensichtlich; die Komponente in einem EIA0805-Gehäuse (grün) weist einen Kapazitätsverlust von wenigen Prozent bei einer Vorspannung von 5 V auf, während die aggressivere Komponente in einer 0402-Verpackung (blau) unter denselben Bedingungen fast 70 % verliert und die Komponente in einer 0603-Verpackung (rot) irgendwo dazwischen liegt. Da bei vielen Anwendungen sowohl eine DC-Vorspannung als auch ein Interesse an der Aufrechterhaltung einer gewissen Mindestkapazität (z. B. Ausgangsfilter für Spannungsregler mit geringem Ausfall) vorhanden ist, kann Unwissenheit hier unangenehm ins Gewicht fallen. Leider sind Beschreibungen dieser spannungsabhängigen Effekte nicht de facto Bestandteil der Datenblätter von Komponenten, so dass ihre Existenz leicht übersehen oder ignoriert werden kann, was den Vergleich verschiedener Produkte erschwert. Seien Sie jedoch versichert, dass es sie gibt, und berücksichtigen Sie diese Tatsache bei der Auswahl der Komponenten.

Knacken

Aufgrund der spröden und relativ unflexiblen Beschaffenheit keramischer Materialien sind mechanische Beschädigungen die Hauptausfallursache bei Keramikkondensatoren. Elektrische Fehlersymptome können sich in einer Verringerung der Kapazität sowie in kurzen oder offenen Schaltkreisen äußern. In einigen Fällen scheinen diese Symptome mit äußeren Einflüssen wie der Temperatur zu kommen und zu gehen. Manchmal sind Risse in Keramikkondensatoren mit bloßem Auge sichtbar, manchmal sind sie zu klein, um gesehen zu werden, oder sie verstecken sich auf der Unterseite einer befestigten Komponente oder am Rand einer Anschlussklemme. Mechanische Schäden werden typischerweise durch einen von mehreren Mechanismen verursacht:

• Biegung der Platine bei der Baugruppe oder infolge von Steckkräften beim Stecken von Steckverbindern, grober Handhabung usw.
• Thermisch bedingte Spannungen durch betriebsbereite Temperaturänderungen oder Baugruppen.
• Direkte Schäden durch falsche Handhabung vor oder während der Baugruppe.

Aufgrund der engen mechanischen Kopplung zwischen dem Keramikmaterial, den Anschlüssen und der Platine kommt es bei Mehrschichtkeramik-Chips (MLCC) mit Abstand am häufigsten zu Rissbildung. Die relativ langen und flexiblen Anschlüsse von Geräten mit Durchgangsbohrung oder Befestigung im Rahmen reduzieren die Kräfte, die durch Temperaturzyklen oder die Biegung der Platine auf das Gehäuse des Keramikkondensators einwirken, so dass Risse bei diesen Geräten weitaus seltener auftreten. Für Anwendungen, die rauen Betriebsbedingungen ausgesetzt sind, stehen MLCCs zur Verfügung, die mit einer verbesserten mechanischen Flexibilität zwischen den Anschlüssen und der Bauform der keramischen Komponente konzipiert sind, sowie Bauelemente, die das Risiko eines Kurzschlusses mindern. Viele der Ursachen für die Rissbildung bei Kondensatoren hängen mit der Baugruppe zusammen und entziehen sich der direkten Kontrolle des Konstrukteurs. Es liegt in der Verantwortung des Monteurs, das Zerquetschen und Zertrümmern von Komponenten während der Bestückung zu vermeiden und für angemessene Vorheiz- und Abkühlzeiten für die verwendeten Montageprozesse zu sorgen. Andere Faktoren wie die Menge der verwendeten Lötpaste bzw. die Dicke der Schablone sind so etwas wie eine gemeinsame Verantwortung, während Faktoren wie die Größe der Beläge, das Layout der Platinen und die Auswahl der Verpackungen eindeutig in der Verantwortung des Designers liegen. Ausführliche Diskussionen über MLCC-Rissphänomene und deren Vermeidung sind in der Literatur der Industrie zu finden und werden hier der Kürze halber nicht wiederholt. Einige Faustregeln für den Entwickler, die aus diesem hart erarbeiteten Wissen destilliert wurden, lauten jedoch wie folgt:

• Entscheiden Sie sich für einen erfahrenen, qualitätsbewussten Montagebetrieb.
• Vermeiden Sie thermische Schocks; Wellenlöten und herkömmliche Lötkolben sind besonders riskante Methoden der Baugruppen- und Nachbearbeitung für MLCCs.
• Reduzieren Sie die Größe der Komponenten; größere Komponenten werden durch die Biegung der Platine stärker belastet und sind anfälliger für Schäden durch thermische Schocks. Empfohlen werden Komponenten in der Verpackung 0805 (2012 metrisch) oder kleiner.
• Seien Sie beim Vereinzeln von Platinen nach der Baugruppe äußerst vorsichtig, um ein Verbiegen der Platine zu vermeiden. Das manuelle Brechen von Arrays entlang der Ritzlinien ist die am wenigsten bevorzugte Methode, mit einer Schere nicht weit dahinter. Verwenden Sie nach Möglichkeit eine Säge oder eine andere Trennmethode, die keine Biegebeanspruchung auf die Platine ausübt.
• Halten Sie MLCCs fern von Platinenrändern, Steckverbindern, Befestigungslöchern, großen/schweren Komponenten, Laschen für die Verkleidung oder anderen Punkten, an denen mechanische Spannungen in die Platine eingeleitet werden können. Es wird ein Mindestabstand von 0,2" oder 5 mm empfohlen.

Alterung

Keramikkondensatoren unterliegen einem Alterungsphänomen, das mit Veränderungen der dielektrischen Kristallstruktur zusammenhängt, die sich nach dem ersten Brennen des dielektrischen Materials in Veränderungen der Kapazität und des Verlustfaktors äußern. Nach den bekannten Mustern sind die Dielektrika der EIA-Klasse I am wenigsten betroffen und gelten allgemein als alterungsbeständig, während die Dielektrikummaterialien der EIA-Klasse II mäßig betroffen sind und die Materialien der EIA-Klasse III in der Regel recht stark betroffen sind. Dieser Alterungsprozess kann zurückgesetzt (oder eine Komponente "de-gealtert") werden, indem sie einer Temperatur oberhalb der Curie-Temperatur des Dielektrikums für einen Zeitraum ausgesetzt wird, der lang genug ist, um die Neubildung der Kristallstruktur zu ermöglichen; je höher die Temperatur, desto kürzer die benötigte Zeitspanne. Da die Curie-Temperaturen vieler keramischer Dielektrika unter den Temperaturen liegen, die bei vielen Lötvorgängen auftreten, ist es wahrscheinlich, dass die Komponenten während der Baugruppe zumindest teilweise gealtert werden. Dieses Alterungsverhalten einer Komponente wird typischerweise als prozentuale Änderung der Kapazität pro Dekade angegeben, relativ zur Kapazität, die bei der "letzten Hitze" gemessen wurde, d. h. als die Komponente das letzte Mal lange genug über ihre Curie-Temperatur erhitzt wurde, um ihre Kristallstruktur vollständig zu reformieren. Anders ausgedrückt: Bei einem Kondensator mit einer Alterungsrate von (-) 5 %, der im "ofenfrischen" Zustand 100 uF misst, würde man erwarten, dass er nach 1, 10 und 100 Stunden außerhalb des Ofens etwa 95, 90 bzw. 85 uF misst. Dies wirft natürlich die Frage auf, wie hoch die nominale Kapazität der Komponente sein sollte, wenn sich diese Größe ständig ändert, selbst wenn die Komponente unbenutzt in der Originalverpackung im Regal steht. Die branchenüblichen Standards EIA-521 und IEC-384-9 gehen auf diese Frage ein und besagen im Wesentlichen, dass eine Komponente 1000 Stunden (ca. 42 Tage) nach der letzten Heizung ihre spezifizierten Toleranzwerte einhalten sollte. Die Flecken der nächsten Dekade (10.000 und 100.000 Stunden) entsprechen etwas mehr als 1 Jahr und 11 Jahren. Erschwerend kommt hinzu, dass der Alterungsprozess mit einer temperaturabhängigen Rate abläuft; bis zur Curie-Temperatur des Dielektrikums beschleunigt eine Erhöhung der Temperatur der Komponente im Allgemeinen den Alterungsprozess. Da Alterungsphänomene dazu führen können, dass die Becher außerhalb der angegebenen Toleranzen zu liegen scheinen, ist es wichtig, dass das Personal für Produktentwicklung und Produktionstests diese Tatsache berücksichtigt. Bei der Prüfung von Baugruppen, die erst vor kurzem in Betrieb genommen wurden, sollte man davon ausgehen, dass die Werte für die Kapazität etwas hoch sind, und die Konstruktion sollte über einen ausreichenden Spielraum verfügen, damit die Komponenten bei Alterung ordnungsgemäß funktionieren. Leistungswandlungskreise sind ein gutes Beispiel dafür, wo dieser Effekt akute Gefahren birgt, da Keramikkondensatoren als Komponenten von Kompensationsnetzwerken oder als Filterelemente oft einen starken Einfluss auf den Regelkreis solcher Schaltungen haben. Ein System, das unter dem Einfluss eines während der Baugruppe gealterten Kondensators stabil erscheint, kann mit der Zeit an Stabilität verlieren, da der Verlust der Kapazität aufgrund der Alterung die Dynamik des Regelkreises beeinträchtigt. Vor allem, wenn ein über die Zeit stabiler Wert der Kapazität wichtig ist, sollten Kondensatoren, die stark altern, vermieden werden. Wäre Sisyphos eine Figur des 21. Jahrhunderts, hätte seine Aufgabe vielleicht darin bestanden, einen aktiven Filter abzustimmen, der aus oberflächenmontierbaren Y5V-Keramikkondensatoren besteht...

Piezoeffekt/Mikrofonie

Die keramischen Dielektrika der IEC-Klasse 2 (EIA-Klasse II und III) sind insbesondere piezoelektrisch, was zu einem nicht unbedeutenden Transduktionsmechanismus zwischen elektrischen und mechanischen Bereichen führt. Das Anlegen einer Spannung an ein piezoelektrisches Material bewirkt eine mechanische Verformung und umgekehrt bewirkt die mechanische Verformung eines piezoelektrischen Materials, dass eine Spannung an ihm erscheint. Dies kann insbesondere bei oberflächenmontierbaren MLCCs wegen der engen mechanischen Kopplung zwischen dem Kondensator und der Platine problematisch sein. Einerseits können sich Brummspannungen an einem Kondensator in lästiges Rauschen verwandeln, andererseits können externe mechanische Vibrationen als Signale in einen elektronischen Schaltkreis eingekoppelt werden. Keramikkondensatoren auf Basis von Dielektrika der Klasse 1 sind am wenigsten betroffen, da diese Dielektrika wenig bis gar keinen piezoelektrischen Effekt aufweisen. Der elektromechanische Übertragungsmechanismus über den elektrostatischen Effekt (der allen Kondensatoren innewohnt) ist jedoch nach wie vor vorhanden, so dass mikrofonische Effekte bei Komponenten der Klasse I zwar im Allgemeinen vernachlässigbar sind, aber dennoch auftreten können.

Metallurgie der Elektroden

Die Elektrodenmaterialien in MLCCs folgen einem von zwei allgemeinen metallurgischen Pfaden, die als Edelmetallelektroden (NME) oder Basismetallelektroden (BME) bezeichnet werden. Obwohl die beiden Technologien für die meisten Anwendungen kein gemeinsames Auswahlkriterium darstellen, ergeben sich doch unterschiedliche Charakteristika, die zu beachten sind. Edelmetall-Elektroden basieren in der Regel auf einer Palladium-Silber-Legierung und können auch als Edelmetall-Elektroden (PME) bezeichnet werden, da Edelmetalle (solche, die relativ nicht reaktiv sind, insbesondere mit Sauerstoff) in der Regel auch teuer sind. Da diese Elektroden-Materialien wegen ihrer geringen Reaktivität und nicht, weil sie teuer sind, verwendet werden, könnte man argumentieren, dass der erstgenannte Begriff der richtige ist, auch wenn Vernunft und Marketing in diesem Punkt nicht übereinstimmen... Elektroden aus Basismetall sind in der Regel auf Nickelbasis. Das Hauptproblem aus Produktionssicht ist die chemische Reaktion der Elektrodenmetalle bei den hohen Temperaturen, die für das Brennen der keramischen Dielektrikummaterialien erforderlich sind; die Edelmetall-Elektrodensysteme vertragen die Anwesenheit von mehr Sauerstoff bei erhöhten Temperaturen und können daher mit Luft-Atmosphären-Öfen und dielektrischen Formulierungen hergestellt werden, die Sauerstoff benötigen, um richtig auszuhärten. Elektroden-Systeme aus Basismetall haben nicht die gleiche Toleranz gegenüber Sauerstoff bei hohen Temperaturen und müssen daher mit anderen Ausrüstungen und dielektrischen Formulierungen hergestellt werden. Der NME-Ansatz war der ursprüngliche Weg und hat einige Vorteile in Bezug auf die Zuverlässigkeit und die gesammelte Erfahrung in der Industrie. Folglich wird ein Großteil der zum Zeitpunkt der Abfassung dieses Artikels erhältlichen hochzuverlässigen und mil-spec Produkte mit diesem Prozess hergestellt. Hauptnachteile sind die hohen Kosten für Elektrodenmaterialien und die relativ zu BME-Bauteilen geringere erreichbare Kapazität pro Volumen, was auf die typische Verwendung dickerer dielektrischer Ebenen in NME-Komponenten als Folge charakteristischer Material- und Prozessunterschiede zurückzuführen ist.

Funktionen, Optionen und gezielte Anwendungen der Komponente

Automobilelektronik

Kondensatoren, die als "Automotive"-Typen vermarktet werden, sind für die Anwendung in mechanisch anspruchsvollen Umgebungen, wie z.B. in Kraftfahrzeugen, konzipiert. Typischerweise werden sie auch nach einem Protokoll hergestellt und getestet, wie z. B. dem AEC-Q200 Standard des Automotive Elektronik Council, der Testmethoden und Leistungsstufen für verschiedene Belastungsmechanismen wie ESD, mechanische Kraft auf die Anschlüsse, Überspannungen usw. vorschreibt.

Kontrollierte ESR

Kondensatoren, die als "ESR-kontrolliert" bezeichnet werden, sind mit einem geringen, absichtlich hinzugefügten ESR ausgelegt, um den "Q"-Faktor des L-C-Schaltkreises zu verringern, der durch eine Kapazität mit ihren parasitären Induktivitäten entsteht. Dies ist hilfreich für Anwendungen wie die Entkopplung von Versorgungsschienen, wo das Vorhandensein eines geringen ESR das "Klingeln" eines Kondensators mit Leiterbahninduktivität dämpfen oder Antiresonanzbedingungen zwischen parallelen Kondensatoren vermeiden kann.

Epoxidharz-montierbar

Als Epoxidharz-Montage bezeichnete Komponenten sind für die Befestigung mit leitfähigen Klebstoffen anstelle der üblichen Lötvorgänge konzipiert. Der Unterschied liegt in erster Linie in den Materialien für die Endbearbeitung der Klemmen, die sich unterscheiden, um eine gute Verbindung für die zu verwendende Befestigungsmethode zu erreichen; Standard-Lötverfahren funktionieren nicht gut mit Geräten, die mit Epoxidharz befestigt werden können, und umgekehrt. Die Befestigung auf Epoxidharz ist vorteilhaft bei Anwendungen, die großen, häufigen Temperaturschwankungen ausgesetzt sind (wie z. B. Automobilanwendungen), bei denen die höhere mechanische Flexibilität einer Epoxidverbindung im Vergleich zu einer Lötverbindung die mechanischen Spannungen reduziert, die aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen Schaltkreis, Lötstelle und Kondensatorgehäuse auftreten. Die Befestigung mit Epoxidharz eignet sich auch für Anwendungen, die hitzeempfindlich sind, wie z. B. LCD-Panels.

Potentialfreie Elektrode

Die als "schwebende Elektroden" bezeichneten Typen bestehen aus mehreren Kondensatoren in Reihe mit inneren Elektroden, die nicht mit den Anschlüssen der Komponenten vernetzt sind, sondern "schweben". Diese Konstruktionsmethode dient in erster Linie dazu, das Risiko von Kurzschlussausfällen zu verringern, die häufig als Nebeneffekt von Kondensatorrissen auftreten, bietet aber auch Vorteile in Bezug auf die Robustheit gegenüber ESD und Überspannungen.

Hohe Temperaturbeständigkeit

Als "Hochtemperatur"-Typen bezeichnete Komponenten sind (wenig überraschend) für Anwendungen bestimmt, bei denen die Temperaturen über denen der meisten Elektronikausrüstungen liegen. Üblicherweise bedeutet dies auch "weiter Temperaturbereich", da Geräte mit dieser Bezeichnung in der Regel auch für den Einsatz bis zu den unteren Enden der üblichen Betriebstemperaturbereiche für elektronische Komponenten spezifiziert sind. Was an dieser Bezeichnung nicht so offensichtlich ist, ist die Tatsache, dass die meisten Komponenten, die diese Bezeichnung tragen, eine für ihre Art recht beeindruckende Parameterstabilität aufweisen, und zwar sowohl in Bezug auf die Temperatur als auch oft auch auf die DC-Vorspannung.

Hochspannung/Arc Guard™/Arc Abschirmung™

Kondensatoren mit der Bezeichnung "Hochspannung" und/oder proprietärem Lichtbogenschutz sind für den Einsatz bei Spannungen ausgelegt, die über die für elektronische Komponenten typischen Spannungen hinausgehen. Die Definitionen des Begriffs "Hochspannung" variieren von Hersteller zu Hersteller, doch scheint die Grenze im Bereichswahl von 100 V bis 1 kV zu liegen. Bei solchen Potenzialen kommt es bei der MLCC-Technologie zu Komplikationen durch Oberflächenüberschläge zwischen den Komponenten oder zwischen einer Anschlussklemme und einer Elektrode, die über die äußere Abdeckung der Komponente mit der anderen Komponente vernetzt ist. Das ist natürlich keine gute Sache. Die MLCC-Technologie ist besonders anfällig, da die kompakte Bauweise die beiden Anschlüsse der Komponenten und die mit ihnen vernetzten Elektroden zwangsläufig in unmittelbarer Nähe zueinander platziert, was das Risiko von Durchschlägen und Lichtbögen erhöht, während Oberflächenlichtbögen bei ausreichend hohen Spannungen für alle Komponenten ein Problem darstellen. Die Vergrößerung der Komponente zum Ausgleich ist eine Option, aber sie geht auf Kosten eines stark erhöhten Risikos, dass die Komponente bricht. Komponenten wie die Produktserien Arc Guard™ und Arc Abschirmung™ wurden entwickelt, um diese Auswirkungen zu mindern und den Kompromiss zwischen dem Risiko eines Ausfalls durch dielektrischen Durchschlag und mechanischer Rissbildung zu verbessern.

Hoher Q-Wert/niedriger Verlustfaktor/niedriger Verlustfaktor

Komponenten, die als Typen mit hohem Q-Wert, niedrigem Verlustfaktor oder niedrigem Verlustfaktor vermarktet werden, sind so entwickelt, dass der ESR minimiert wird. Typischerweise werden diese Komponenten aus dielektrischen Materialien der Klasse I hergestellt und in HF- oder anderen Hochfrequenz-Anwendungen eingesetzt, wo nahezu ideale Kondensatoren zur Frequenzunterscheidung erwünscht sind.

Integrierter Widerstand zur Anzapfung

In Komponenten mit dieser Bezeichnung ist ein parallel geschalteter Widerstand integriert, um sicherzustellen, dass keine Ladung auf dem Kondensator verbleibt oder sich ansammelt, wenn das Equipment nicht mit Strom versorgt wird. Zum Zeitpunkt der Erstellung dieses Artikels listet DigiKey nur 3 Artikelnummern mit dieser Bezeichnung auf, die alle nicht auf Lager sind und einen hohen Preis haben. Warum? Nun, auf der ersten Seite des Datenblatts für diese Komponenten werden unter anderem Anwendungen wie "Detonationsvorrichtungen" und "elektronische Zünder" vorgeschlagen, was nicht gerade das ist, was man in den meisten Datenblättern für Kondensatoren findet. (Nein, Anwendungshinweise sind nicht verfügbar...)

Niedrige ESL

Niedrige ESL-Keramikkondensatoren sind so entwickelt, dass die Serieninduktivität minimiert werden kann. Bei oberflächenmontierbaren MLCCs ist der größte Teil dieser Induktivität nicht auf das Bauteil selbst zurückzuführen, sondern auf die Geometrie der Verpackung und die Kabel, die es mit dem Schaltkreis vernetzen. So sind niedrige ESL-MLCCs zum größten Teil geometrische und Kabel-Konfigurationsvarianten von Standard-Komponenten. Low-ESL-Komponenten mit mehreren Anschlüssen verwenden mehrere physische Anschlüsse für jeden logischen Kondensator und verschachteln diese so, dass sich die magnetischen Felder, die durch die in die Komponente ein- und austretenden Ströme erzeugt werden, weitgehend aufheben, was zu einer geringeren Induktivität führt. Bei Keramikkondensatoren mit umgekehrter Geometrie befinden sich die Anschlussklemmen an den Längsseiten des Kondensators und nicht an den Enden, wie es bei anderen Komponenten üblich ist. Gestapelte Keramikkondensatoren mit niedrigem ESL-Wert fügen mehrere MLCC-Komponenten auf einem Rahmen zusammen, so dass sie als eine Einheit gehandhabt und montiert werden können und das Risiko von Rissen und mikrofonischen Effekten reduziert wird. Die Beschreibung solcher Komponenten als "niedrige ESL" ist eine Art Marketing-Trick, da sie nur im Rahmen eines Vergleichs mit verschiedenen Kondensator-Technologien korrekt ist. Im Vergleich zu den gleichen Keramikkondensatoren, die direkt auf einer Platine befestigt sind, weisen Geräte, die an einem Rahmen befestigt sind (der sie über die Platine erhöht), eine deutlich höhere ESL auf. Die Bezeichnung X2Y für MLCCs mit niedrigem ESL-Wert ist ein Markenzeichen und sollte nicht mit den ähnlich aussehenden Sicherheitsbezeichnungen wie "X1Y2" verwechselt werden. Auch wenn zwischen den beiden Komponenten eine gewisse Ähnlichkeit in Bezug auf die Verwendungszwecke besteht, so unterscheiden sie sich doch grundlegend. X2Y-Kondensatoren mit niedrigem ESL sind nur für 6,3 V eingestuft und dürfen jedes Mal einen Kurzschluss verursachen, während sicherheitsbewertete Komponenten Überspannungen auf kV-Ebene tolerieren und Kurzschlussausfälle peinlichst vermeiden müssen. Dennoch sind X2Y-Kondensatoren mit niedrigem ESR-Wert für Anwendungen zur Entkopplung von Spannungsversorgungen, zur Gleichtaktfilterung und ähnliche Anwendungen von großem Vorteil. Sie zeichnen sich durch ihre Konstruktion mit vier Anschlüssen aus; zwei Anschlüsse sind elektrisch vernetzt und dienen sowohl als "Durchgang" als auch als Signalmasse für zwei separate Kondensatoren im Gerät, von denen jeder einen der verbleibenden Anschlüsse für seinen zweiten Elektrodenanschluss verwendet. Die Geometrie dieser Anordnung ermöglicht eine Reduzierung der layoutbedingten Induktivität für Entkopplungsanwendungen, Signalmasseunterdrückung usw.

Flach

Niedrige Bauformen der Kondensatoren sind dünner als typische Komponenten mit vergleichbarer Länge und Breite, um den Einsatz in Anwendungen mit starken Höhenbeschränkungen zu erleichtern. Komponenten mit einer Dicke von nur 0,006" (0,15 mm) sind erhältlich. Es sollte beachtet werden, dass die reduzierte Dicke dieser Geräte sie anfälliger für Risse macht, die durch die Biegung der Platine entstehen, was eine sorgfältige Entwicklung, Baugruppe und Handhabung doppelt wichtig macht, da Anwendungen, die die zusätzliche Höhenreduzierung von ein oder zwei Millimetern benötigen, wahrscheinlich auch dünnere (und damit flexiblere) Schaltungssubstrate verwenden.

Militär

Produkte, die als "militärisch" bezeichnet und nach dem standardisierten Teilenummerierungsschema des US-Militärs beschafft werden, werden nach den vom Militär festgelegten Spezifikationen hergestellt, um die Produktkonsistenz über mehrere Bezugsquellen hinweg zu gewährleisten. Die traditionellen "Mil-Spec"-Standards legten nicht nur das "Was", sondern auch das "Wie" der Produktion fest, um die Einheitlichkeit und Austauschbarkeit von Produkten verschiedener Lieferanten zu gewährleisten. Die neueren MIL-PRF-Standards sind leistungsorientiert und legen fest, wie ein Produkt funktionieren muss, während die genauen Methoden zur Erreichung des Ziels weitgehend dem Hersteller überlassen bleiben. Die Flexibilität des letztgenannten Ansatzes bietet einen größeren Spielraum für die Einführung neuer Technologien und Fertigungsprozesse, wobei das Risiko, dass das Produktverhalten zwischen den Herstellern und im Laufe der Zeit variiert, etwas größer ist. In jedem Fall sind "echte" Militärprodukte, die nach militärischen Spezifikationen beschafft werden, aufgrund der umfangreichen Test- und Dokumentationsanforderungen eher kostspielig. Als Mittelweg stehen Produkte zur Verfügung, die nach militärischen Spezifikationen hergestellt, aber als kommerzielle Standardprodukte vermarktet werden, allerdings ohne die umfangreiche Dokumentation.

Nicht magnetisch

Nicht magnetische Kondensatoren werden mit Materialien hergestellt, die von Magneten weder angezogen noch nachteilig beeinflusst werden und ein magnetisches Feld, in dem sie sich befinden, nicht beeinflussen. Sie werden häufig nach der Herstellung geprüft, um sicherzustellen, dass das Endprodukt diese Eigenschaften behält. Diese Produkte werden in medizinischen Bildgebungs- und Diagnosegeräten, Navigationssystemen, Laborausrüstungen und anderen Anwendungen eingesetzt, bei denen es unerwünscht ist, dass eine Komponente durch Magnetfelder oder Rückhaltefelder beeinflusst wird, die den Betrieb des Applikationskreises oder anderer Ausrüstungen beeinträchtigen würden.

Offener Modus

MLCCs, die als "Open Mode"-Komponenten vermarktet werden, sind so konzipiert, dass sie das Risiko von Kurzschluss- oder niederohmigen Fehlermodi, die durch mechanische Rissbildung entstehen können, verringern. Eine gängige Methode zur Erreichung dieses Ziels besteht darin, den Überlappungsbereich zwischen den beiden Elektroden-Sortimenten so zu verkleinern, dass der typische Weg von Spannungsrissen auf der Platine nicht durch den Bereich verläuft, in dem sich die Elektroden überlappen. Dadurch verringert sich die im Kondensator verfügbare aktive Fläche und damit auch die bei einer bestimmten Baugröße maximal erreichbaren Werte für die Kapazität. Dieser Ansatz kann mit Technologien für potentialfreie Elektroden und weiche Abschlüsse kombiniert werden, um die Risiken im Zusammenhang mit rissbedingten MLCC-Ausfällen weiter zu verringern. MLCCs mit offenem Modus verringern zwar das Risiko von Kurzschlussausfällen erheblich, doch ist die Wahrscheinlichkeit solcher Ausfälle immer noch nicht gleich Null. Wenn die Wahrscheinlichkeit eines Kurzschlusses noch weiter reduziert werden soll, wird in der Literatur der Industrie die Verwendung von zwei in Reihe geschalteten Komponenten vorgeschlagen, die um 90° relativ zueinander ausgerichtet sind.

Weicher/flexibler Abschluss

MLCCs, die mit weichen oder flexiblen Abschlüssen vermarktet werden, sind so konzipiert, dass sie eine Verbindung zwischen den metallischen Anschlussklemmen und der Bauform des Keramikkondensators herstellen, die mechanisch nachgiebiger ist als die von Standard-MLCCs. Dadurch wird das Risiko von Rissen verringert, da die auf das Keramikmaterial einwirkenden Spannungen infolge von Biegung der Platine oder zyklischen Temperaturänderungen reduziert werden.

Was sind elektrische Doppelschichtkondensatoren?

Elektrische Doppelschicht und Superkondensatoren:

Konstruktion der Komponente und Unterscheidungsmerkmalen:

Elektrische Doppelschichtkondensatoren (ELDCs) und Superkondensatoren sind eine Gruppe elektrolytähnlicher Komponenten, die sich durch eine extrem hohe Kapazität pro Volumen und niedrige Nenngrößen auszeichnen, in der Regel nicht mehr als ein paar Volt. Die Konstruktionsarten und Funktionsprinzipien dieser Komponenten unterscheiden sich und sind Gegenstand laufender Forschungs- und Entwicklungsarbeiten. Gemeinsam ist ihnen jedoch die Verwendung von Elektroden-Materialien, die eine extrem große Oberfläche pro Volumen bieten (z. B. Aktivkohle, Aerogele usw.), und das Fehlen eines herkömmlichen festen Dielektrikums. Anstelle herkömmlicher Keramik-, Polymer- oder Metalloxid-Dielektrika, wie sie in anderen Typen von Kondensatoren zu finden sind, stützen sich ELDCs, Superkondensatoren und ähnliche Geräte mit anderen Namen auf verschiedene elektrochemische, elektrostatische und Ladungstransfereffekte, die für extrem kleine Ladungstrennungsabstände sorgen; der Abstand, um den die "Platten" des Kondensators getrennt sind, wird üblicherweise in Bruchteilen eines Nanometers gemessen. In der Praxis können ELDCs, Superkondensatoren und ähnliche Komponenten mit anderem Namen als eine Art Mittelweg zwischen traditionellen Kondensatoren und sekundären (wiederaufladbaren) Zellen betrachtet werden. Sie haben eine höhere Energiespeicherdichte als herkömmliche Kondensatoren, aber niedrigere Werte als elektrochemische Zellen, ESR-Werte, die für Kondensatoren hoch, für elektrochemische Zellen aber minimal sind, und eine nahezu unbegrenzte Zykluslebensdauer im Vergleich zu chemischen Zellen mit einer Zykluslebensdauer von nur ein paar hundert bis ein paar tausend Zyklen. Wie bei elektrochemischen Zellen können mehrere ELDCs in eine einzige Verpackung integriert werden, um eine zusammengesetzte Komponente mit einer höheren Nennspannung zu erhalten. Die Kombination aus hohem ESR und schlechten Linearitätseigenschaften im Vergleich zu anderen Kondensatoren macht ELDCs und Superkondensatoren für die meisten Anwendungen im Signal- und Hochfrequenzbereich (>kHz) ungeeignet, aber sie sind für die Energiespeicherung in Zeiträumen von menschlichem Ausmaß recht nützlich. Innerhalb dieses Bereichs gibt es ein Kontinuum von Komponenten für unterschiedliche Anwendungen. Kleinere Geräte können ESR-Werte von bis zu einigen hundert Ohm aufweisen und sind für Anwendungen wie Speicher- und Echtzeituhr-Sicherungen mit Stromanforderungen auf uA-Ebene vorgesehen. Am anderen Ende stehen Komponenten mit ESR-Werten im Bruchteil eines Milliohms, die für Anwendungen mit Strömen von mehreren hundert Ampere, wie z. B. regenerative Bremssysteme für Fahrzeuge, vorgesehen sind.

Bereich der verfügbaren Kapazitäten und Spannungen:

Abbildung 12 zeigt die Spannungs- und Kapazitätseinstufungen von ELDCs und Superkondensatoren, die Mein DigiKey zum Zeitpunkt der Erstellung dieses Berichts auf Lager hat. Hinweis: Die vertikale Skala hat die Einheit Farad, im Gegensatz zu den Einheiten Mikrofarad, die in ähnlichen Tabellen zu finden sind.

Abbildung 12: Darstellung der Kapazitätswerte im Vergleich zu den Nenngrößen für ELDC/Superkondensatoren und deren Arrays, die zum Zeitpunkt der Erstellung dieses Artikels über DigiKey erhältlich sind.

Gemeinsame Ausfallmechanismen/kritische Überlegungen zur Entwicklung:

Die technologischen Unterschiede zwischen den Komponenten des ELDC/Superkondensators lassen eine detaillierte Diskussion der Fehlermechanismen und der kritischen Aspekte der Implementierung für die gesamte Gruppe nicht zu. Aus der Sicht der Anwendung genügt jedoch der Hinweis, dass die für Aluminium-Elektrolytkondensatoren geltenden Bedenken mehr oder weniger direkt auf ELDCs und Superkondensatoren übertragbar sind:

• Sie enthalten eine flüssige Elektrolytlösung, die der Verdunstung unterliegt, und die Arrhenius-Faustregel, die eine Halbierung der Lebensdauer der Komponenten pro 10 °C Temperaturerhöhung vorhersagt, gilt. Es sei darauf hingewiesen, dass die Nenngrößen vieler ELDC/Superkondensatoren relativ niedrig sind und dass Selbsterhitzungseffekte bei Anwendungen, die längere Ladezyklen erfordern, erheblich sein können. Außerdem vertragen viele auf Platinen montierte Komponenten keine Reflow-Lötvorgänge und erfordern daher besondere Sorgfalt bei der Befestigung.
• Sie sollten nicht über ihrer Nennspannung betrieben werden. Dies führt zu einem Ausfall durch Elektrolytverlust und/oder Durchschlag. Dies ist insbesondere bei Komponenten mit organischen Elektrolyten von Bedeutung, da die bei einem Ausfall freigesetzten Materialien sehr giftig sein können.
• Sie weisen eine signifikante dielektrische Absorption und eine Veränderung der charakteristischen Komponenten in Abhängigkeit von der Temperatur auf. Außerdem ist der Leckstrom bei ELDCs/Superkondensatoren oft recht hoch, insbesondere bei Komponenten, die aus in Reihe geschalteten Kondensatoren bestehen. Diese Komponenten erfordern häufig eine Form von Schaltkreisen, um die an sie angelegten Spannungen auszugleichen, um eine Überspannung an einer bestimmten Zelle zu vermeiden, die durch ein Ungleichgewicht der Kapazität oder des Leckstroms verursacht wird.
• Kondensatoren weisen eine lineare Beziehung zwischen Ladungszustand und Ausgangsspannung gemäß der Gleichung Q=C*V auf. Dies unterscheidet sich von elektrochemischen Zellen, die im Allgemeinen ein breites, mehr oder weniger flaches Plateau der Ausgangsspannung in Abhängigkeit von ihrem Ladungszustand aufweisen. In vielen/den meisten Anwendungen bedeutet dies, dass eine Form von Energiemanagement-Schaltung erforderlich ist, um die volle Kapazität eines ELDC/Superkondensators zu nutzen.

Was sind Folienkondensatoren?

Abbildung 13: Beispiele für Folienkondensatoren in einer Vielzahl von Verpackungsstilen und Kabel-Konfigurationen. (Nicht maßstabsgetreu)

Konstruktion der Komponente

Komponenten in der Kategorie Folienkondensatoren sind elektrostatisch und werden aus dielektrischen Materialien wie Papier oder verschiedenen Polymeren hergestellt, die zu dünnen Blättern oder "Folien" geformt und mit Elektrodenmaterialien zu einem Kondensator verschachtelt werden. Der Begriff "Folienkondensator" bezieht sich allgemein auf alle Komponenten, die nach diesem Verfahren hergestellt werden, und der Begriff "Folie" bezieht sich auf die Art des verwendeten dielektrischen Materials. Wenn der Begriff "Metall" als Qualifizierer für "Folie" verwendet wird, wie in "Metallfolie" oder "metallisierte Folie", handelt es sich um einen spezifischeren Bezug auf einen Untertyp von Folienkondensatoren, bei dem die Elektroden auf einem Trägersubstrat in einer sehr dünnen (10 Nanometer) Schicht aufgebaut werden, in der Regel durch einen Vakuumabscheidungsprozess. Häufig dient das verwendete Substrat auch als dielektrisches Material für den Kondensator, dies ist jedoch nicht immer der Fall. Im Gegensatz dazu wird bei einem "Folien"-Elektrodenkondensator ein Elektrodenmaterial verwendet, das eher einer Haushaltsaluminiumfolie ähnelt und dick genug ist (in der Größenordnung von Mikrometern), um mechanisch selbsttragend zu sein.

Abbildung 14: Veranschaulichung der Unterscheidung zwischen Metallfolien- und Folienelektroden in Folienkondensatoren.

Folienkondensatoren auf der Basis von Metallfolien-Elektroden haben den Vorteil, dass sie sich selbst heilen können; das Elektroden-Material in der Nähe eines lokalen Fehlers im Dielektrikum ist dünn genug, um durch den Leckstrom, der durch den Fehler verursacht wird, verdampft zu werden und so den Fehler zu beseitigen (oder zu "löschen"), was mit einem gewissen Verlust an Kapazität einhergeht. Diese Fähigkeit zur Selbstheilung ermöglicht die Verwendung dünnerer Dielektrika, als dies aus Gründen der Zuverlässigkeit oder der Produktionsausbeute sonst möglich wäre, und führt zu einer hohen Kapazität pro Volumen. Der Vorteil von Folien-Elektroden-Kondensatoren besteht darin, dass die dickeren Elektroden zu einem niedrigeren ESR-Wert führen, der eine bessere Fördertechnik für RMS- und Impulsströme ermöglicht - auf Kosten der Selbstheilungsfähigkeit und einer geringeren erreichbaren Kapazität pro Volumen. Zahlreiche clevere Kombinationen und Abwandlungen der grundlegenden Typen von Folien- und Elektroden sind in der Signalmasse gebräuchlich. So werden beispielsweise Folien- und Film-Elektroden häufig in einem einzigen Gerät kombiniert, wobei eine "schwebende Elektroden"-Konfiguration verwendet wird, bei der (wie bei ähnlich bezeichneten Keramikkondensatoren) zwei oder mehr Kondensatoren in Reihe geschaltet sind. Indem man die "äußeren" Elektroden zu einem Folientyp und die "potentialfreien" Elektroden zu einem Folientyp macht, kann man einen Kondensator mit guter Strom-Fördertechnik, Selbstheilungsfähigkeit und verbesserter Kapazität pro Volumen realisieren. Eine weitere häufig angewandte Technik ist die Verwendung von gemusterten Folienelektroden. Durch die Unterteilung einer Elektrode in mehrere miteinander verbundene Segmente können die Verbinder als Sicherungen fungieren, die die Strommenge begrenzen, die einer Fehlerstelle während eines Selbstheilungsereignisses zur Verfügung steht, wodurch das Risiko von Kaskaden- oder Kurzschlussausfällen verringert werden kann.

Gebräuchliche Anwendungen und Einsatzbereiche:

Folienkondensatoren in irgendeiner Form sind die vorherrschende Technologie für Kondensatoren in Leistungsanwendungen, bei denen die an die Komponente angelegte Spannung umgekehrt wird. Metallisierte Folien eignen sich aufgrund ihrer selbstheilenden Eigenschaften und ihrer Fähigkeit, unter vielen Fehlerzuständen zu versagen, gut für sicherheitsbewertete Anwendungen. Metallisierte Folien werden häufig in Anwendungen eingesetzt, bei denen höhere Stromamplituden zu erwarten sind, z. B. beim Starten/ Laufen von AC-Motoren oder bei der Bereitstellung von kapazitiven Drosselspulen für die Verteilung von Massenstrom. Darüber hinaus werden Folienkondensatoren häufig in Niederspannungs-Signalanwendungen eingesetzt, bei denen relativ hohe Kapazitätswerte sowie Linearität und Stabilität über die Temperatur erforderlich sind, wie z. B. in analogen Audioverarbeitungsgeräten. Bei Anwendungen wie der DC-Bus-Filterung, bei denen die Polarisation am Bauelement nicht umgekehrt wird, können Folienkondensatoren eine Alternative zu Aluminium-Elektrolyt-Typen sein (und umgekehrt). Vergleicht man Folienkondensatoren mit Aluminium-Elektrolyt-Typen ähnlicher Spannungs- und Nenngrößen, so sind Folienkondensatoren in der Regel um etwa den Faktor 10 größer und teurer, haben aber um etwa den Faktor 100 niedrigere ESR-Werte. Da Folienkondensatoren keinen flüssigen Elektrolyten enthalten, entfällt das Problem des Austrocknens und des Anstiegs des ESR bei niedrigen Temperaturen, wie es bei Aluminium-Elektrolyt-Bauteilen auftritt, und sie erleiden keinen dielektrischen Abbau bei längerem Nichtgebrauch, wie es bei Aluminium-Elektrolytkondensatoren der Fall ist. Darüber hinaus kann der niedrigere ESR-Wert von Folienkondensatoren in einigen Anwendungen die Verwendung eines kleineren Kapazitätswerts ermöglichen, als dies bei elektrolytischen Typen erforderlich wäre, wodurch der Kostennachteil der Folientechnologie gegenüber elektrolytischen Typen ausgeglichen wird.

Gemeinsame Ausfallmechanismen/kritische Überlegungen zur Entwicklung:

Obwohl Folienkondensatoren im Allgemeinen recht langlebig sind, sind sie für einige langfristige Verschleißmechanismen empfindlich. Im Laufe der Zeit werden die verwendeten dielektrischen Materialien schwächer, spröder und verlieren an Spannungsfestigkeit, was schließlich zu einem dielektrischen Durchschlag führt. Der Prozess wird durch Temperatur- und Spannungsbelastungen beschleunigt, und eine Reduzierung beider Faktoren kann die Lebensdauer verlängern. Im Bereichswahl von relativ harmlosen bis hin zu spektakulären Durchschlägen, je nach Schwere des dielektrischen Durchschlags. Ein leichter Durchschlag, der entweder durch die Selbstheilungseigenschaften eines Folienkondensators aufgehalten wird, äußert sich in einer inkrementellen Verringerung der Kapazität. Wenn im Laufe der Zeit mehr solcher Ereignisse auftreten, führt die kumulative Wirkung zu einer Verringerung der Kapazität und einem Anstieg des ESR, bis zu dem Punkt, an dem die Performance der Komponente nicht mehr innerhalb der Spezifikation liegt und sie als parametrisch ausgefallen gilt. In einem extremeren Fall, der auf ein parametrisches Versagen folgen kann, wenn parametrisch geschädigte Behälter nicht aus dem Verkehr gezogen werden, kann es zu einem Kaskadierungsversagen kommen, wenn die bei der Selbstheilung freigesetzte thermische Energie weitere dielektrische Durchschläge in der Nähe auslöst. Da bei Selbstheilungsereignissen Teile des Kondensators aus dem Schaltkreis entfernt werden, verteilen sich die Anwendungsspannungen auf einen immer kleiner werdenden Teil der Komponente, während die Selbstheilung fortschreitet, was zu einem Anstieg der Spannungen in den Teilen der Komponente führt, die tatsächlich im Schaltkreis verbleiben. Der nächst schwächere Teil des Kondensators fällt dann aus und lädt seine Last auf den verbleibenden Teil ab, was zu weiteren Durchschlägen, mehr Spannungskonzentration, weiteren Durchschlägen usw. führt, und zwar auf exponentielle Weise. Wenn dieser Prozess schnell genug abläuft, können die gasförmigen Nebenprodukte des Selbstheilungsprozesses genügend Druck aufbauen, um das Gehäuse der Komponente gewaltsam zu zerreißen. Größere Komponenten verfügen häufig über einen Belüftungsmechanismus, um Kollateralschäden durch umherfliegende Trümmer zu begrenzen/verhindern, und können auch einen Sicherungsmechanismus enthalten, um die Komponente im Falle eines internen Überdrucks vom Schaltkreis zu trennen. Becher weist darauf hin, dass parametrische Ausfälle aufgrund wiederholter Selbstheilung lediglich ein Zwischenschritt auf dem Weg zu einem katastrophaleren, explosiven Ausfall sein können, wenn Komponenten, die parametrisch ausgefallen sind, in Betrieb bleiben. Ein weiterer Modus, der bei Folienkondensatoren auftritt, ist die Überschreitung der Spitzenstrombegrenzung, die durch eine schmelzsicherungsähnliche Wirkung an der Verbindungsstelle zwischen den Platten" des Kondensators und den externen Kabeln verursacht wird. Dies ist vor allem bei den metallisierten Folien der Fall, da die Dicke der Elektroden sehr gering ist und die Anbindung an die Außenseite entsprechend schwierig ist. Bei vielen Typen von Folienkondensatoren wird eine maximale Rate der Spannungsänderung (dV/dt) angegeben, die an den Kondensator angelegt werden soll. Dies ist gleichbedeutend mit der Angabe eines Spitzenstroms durch die Komponente, da I(t)=C*dV/dt, obwohl Spannungen normalerweise praktischer zu messen sind als Ströme. Auch die Umgebungsbedingungen spielen eine Rolle für die Langlebigkeit von Folienkondensatoren. Wie bei anderen Komponenten verringern erhöhte Temperaturen die Lebensdauer der Komponenten erheblich. Eine Besonderheit von Foliengeräten ist die Anfälligkeit für Feuchtigkeit; wenn sie längere Zeit einer Umgebung mit hoher Luftfeuchtigkeit ausgesetzt sind oder nach der Baugruppe gewaschen werden, kann Feuchtigkeit in das Gerät eindringen, und zwar durch Unvollkommenheiten in den Epoxid-Metall-Dichtungen um die Gerätekabel herum oder durch Diffusion durch das Polymer-Gehäuse des Geräts. Das Eindringen von Feuchtigkeit ist in mehrfacher Hinsicht schädlich: Es verschlechtert sowohl das Dielektrikummaterial als auch die Korrosion der Elektrodenmaterialien. Vor allem bei Komponenten vom Typ Metallfilm, bei denen die Elektroden zunächst nur einige Dutzend Nanometer dick sind, ist die Korrosion sehr gering, um Probleme zu verursachen. Darüber hinaus können auch stark vibrierende Umgebungen zu Problemen führen, indem sie ein mechanisches Versagen der Komponenten, der Verbindung zwischen Kabeln und Elektroden oder das Eindringen von Feuchtigkeit verursachen. Der wichtigste Faktor für die Zuverlässigkeit und Langlebigkeit von Folienkondensatoren ist die angelegte Spannung, gefolgt von der Temperatur. Die Lebensdauermodelle der Anbieter variieren, basieren aber im Allgemeinen auf dem Verhältnis von Nennspannung und angelegter Spannung mit einem großen Exponenten (in der Regel zwischen 5 und 10), während der Einfluss der Temperatur der Arrhenius-Beziehung folgt, die eine Änderung um den Faktor 2 mit jeder Temperaturerhöhung um 10°C vorsieht. Durch die Herabstufung der Spannung um 30 % und der Temperatur um 20 °C erhöht sich die geschätzte Lebensdauer um fast zwei Dezimalstellen.

Dielektrische Typen, Funktionen und gezielte Anwendungen:

Acryl:

Acrylat-Materialien sind relativ neu als dielektrisches Material für Folienkondensatoren. Derzeit verfügbare Komponenten werden häufig als reflowfähige Folien-Alternativen zu Keramik-Dielektrika vermarktet, die piezoelektrische Effekte und Kapazitätsverluste mit DC-Bias vermeiden, oder als Tantal-Alternativen mit niedrigerem ESR.

Papier:

Kraftpapier war eines der ersten dielektrischen Materialien, die für Folienkondensatoren verwendet wurden, da es vor der Entwicklung moderner Polymere kostengünstig und verfügbar war. Da es üblicherweise mit Wachs, verschiedenen Ölen oder Epoxidharz imprägniert wird, um Hohlräume zu füllen und die Feuchtigkeitsaufnahme zu verhindern, ist Papier aufgrund seiner geringen Spannungsfestigkeit und hohen Feuchtigkeitsaufnahmefähigkeit als Dielektrikummaterial weitgehend in Ungnade gefallen. Es wird jedoch immer noch in begrenztem Umfang für Anwendungen verwendet, die extrem kostenempfindlich sind oder bei denen Änderungen der alten Spezifikationen nur sehr schwer zu realisieren sind. Da sich Metallfolien im Vergleich zu Polymeren relativ leicht auf Papier aufbringen lassen, wird Papier gelegentlich nicht als dielektrisches Material an sich, sondern als mechanischer Träger von metallisiertem Elektrodenmaterial verwendet, wobei ein nicht metallisiertes Polymer wie Polypropylen als eigentliches Dielektrikum dient.

Polyester/Polyethylenterephthalat (PET):

Polyester, auch bekannt als Polyethylenterephthalat oder PET, ist neben Polypropylen eines der am häufigsten verwendeten dielektrischen Materialien in Folienkondensatoren. Relativ zu Polypropylen hat Polyester im Allgemeinen eine höhere Dielektrizitätskonstante, eine geringere Spannungsfestigkeit, eine höhere Temperaturtoleranz und höhere dielektrische Verluste. Kurz gesagt, Polyester-Dielektrika eignen sich gut für Anwendungen mit Folienkappen, bei denen die Anzahl der Kapazitäten wichtiger ist als die Qualität und die keinen oberflächenmontierbaren Formfaktor erfordern. Es gibt bestimmte Polyesterformulierungen, die für eine hohe Temperaturtoleranz ausgelegt sind und die Verwendung von Polyester-Folienkondensatoren in oberflächenmontierbaren Verpackungen erleichtern, auch wenn die Zahl dieser Komponenten relativ gering ist.

Polyethylennaphthalat (PEN):

Polyethylennaphthalat (PEN) ist ein polymeres dielektrisches Material, das für höhere Temperaturen ausgelegt ist und den Einsatz der Folienkondensator-Technologie in oberflächenmontierbaren, reflowfähigen Verpackungen ermöglicht. In der Anwendung kann man es sich als eine Reflow-kompatible Version von Polyethylen (PET) vorstellen, bei der die Anzahl der Kapazitäten über der Qualität steht. Als Gegenleistung für die bessere Reflow-Lötkompatibilität gibt PEN ein wenig spezifische Kapazität (Kapazität pro Volumen) auf, hat eine höhere dielektrische Absorption und ist anfälliger für Probleme mit der Feuchtigkeitsabsorption, obwohl der Verlustfaktor bei niedrigen Frequenzen relativ zu Polyethylen leicht verbessert werden kann.

Polypropylen (PP):

Polypropylen weist die geringsten dielektrischen Verluste, die niedrigste Dielektrizitätskonstante und die niedrigsten maximalen Arbeitstemperaturen unter den gängigen Signalmassen für Folienkondensatoren auf. Es weist außerdem eine der höchsten Spannungsfestigkeiten unter diesen Polymeren auf und verfügt über eine gute Parameterstabilität über die Temperatur. Insgesamt ist Polypropylen das Dielektrikum der Wahl für Anwendungen mit Kappen, bei denen die Qualität der Kapazität wichtiger ist als ihre Anzahl. Aufgrund seiner geringen Temperaturtoleranz sind Polypropylen-Dielektrika nicht mit Reflow-Lötprozessen kompatibel und werden daher fast ausschließlich in Verpackungen mit Durchgangslöchern oder Chassismontage in irgendeiner Form verwendet. Aufgrund ihrer überragenden Verlusteigenschaften sind Polypropylen-Folienkondensatoren die erste Wahl bei Hochstrom- und Hochfrequenzanwendungen wie Induktionserwärmung und Thyristor-Kommutierung sowie bei Anwendungen, bei denen eine stabile, lineare Kapazität erwünscht ist und andere Kondensatoren nicht verfügbar oder aus irgendeinem Grund nicht realisierbar sind.

Polyphenylensulfid (PPS):

Polyphenylensulfid (PPS) kann als reflowfähige Alternative zu Polypropylen für Anwendungen angesehen werden, bei denen die Qualität der Kapazität wichtiger ist als die Anzahl. Im Vergleich zu Polypropylen weisen PPS-Kondensatoren eine um etwa den Faktor 2 bis 3 höhere spezifische Kapazität und einen höheren Verlustfaktor über den Bereich der anwendbaren Frequenzen auf, obwohl die Stabilität der Kapazität über den Temperaturbereich leicht verbessert ist.

Andere Dielektrika

Eine Reihe von dielektrischen Materialien für Folienkondensatoren sind entweder mit der Zeit gekommen und gegangen oder blieben im Verborgenen. Obwohl sie nicht ohne weiteres verfügbar oder für neue Anwendungen ratsam sind, werden sie hier als Referenz und zum Vergleich erwähnt.

Polycarbonat

Polycarbonat ist ein starrer, transparenter Thermoplast, der häufig zur Herstellung von Linsen für Schutzbrillen, Helmvisiere oder andere schlagfeste Optiken verwendet wird. Seine Herstellung für die Verwendung als dielektrische Folie wurde um das Jahr 2000 eingestellt, und die verbleibenden Materialbestände für Anwendungen in Kondensatoren sind weitgehend verbraucht worden. Als Dielektrikummaterial war es recht gut, mit elektrischen Eigenschaften, die denen von Polypropylen in den meisten Fällen ähnlich, wenn auch leicht unterlegen waren, jedoch mit überlegenen Temperatureigenschaften, die einen Einsatz im militärischen Temperaturbereich (-55°C bis +125°C) mit relativ stabilen Parametern und häufig ohne De-Rating bei erhöhten Temperaturen ermöglichten. Polyphenylensulfid (PPS) wird allgemein als verfügbare Alternative genannt, die für Anwendungen geeignet sein dürfte, bei denen bisher Komponenten auf Polycarbonatbasis verwendet wurden.

Polyimid

Polyimid ist ein Hochtemperaturpolymer, das häufig unter dem Handelsnamen Kapton verkauft wird und in vielen Anwendungen der Elektronik als Substrat für flexible Schaltkreise zum Einsatz kommt. Als Dielektrikum für Kondensator-Anwendungen bietet es eine mäßige Performance, die mit Polyester/PET vergleichbar ist, wobei seine hohe Temperaturstabilität den Betrieb bei erhöhten Temperaturen von über 200°C vorbereitet. Während seine hohe Spannungsfestigkeit auf ein Potenzial für Komponenten mit hoher volumetrischer Dichte schließen lässt, haben die Schwierigkeiten bei der Herstellung des Materials als sehr dünne Folie die Attraktivität/Verfügbarkeit von Kondensatoren auf der Grundlage dieses dielektrischen Materials eher begrenzt.

Polystyrol

Polystyrol-Folienkondensatoren sind heute weitgehend ausgestorben, da sie vor allem wegen der Schwierigkeiten bei der Baugruppe und der Herstellung mit einer sehr niedrigen Temperaturtoleranz von nur 85 °C in Ungnade gefallen sind. Bei bescheidenen Betriebstemperaturen ist die elektrische Leistung von Polystyrol-Kondensatoren recht gut, und eine Zeit lang waren solche Komponenten eine erste Wahl, wenn Stabilität und elektrische Leistungsmerkmale die entscheidenden Auswahlkriterien waren. Diese Komponenten wurden größtenteils durch Polypropylen-Folienkondensatoren verdrängt.

Polysulfon

Polysulfon ist ein starrer, transparenter Thermoplast, der den Polycarbonaten sowohl in elektrischer Hinsicht als auch in Bezug auf die hohen Kosten und die relative Unverfügbarkeit ähnelt.

Teflon/PTFE

"Teflon" ist ein Handelsname von DuPont, der eine Reihe von Fluorpolymeren umfasst, vor allem Polytetrafluorethylen (PTFE), aber auch fluoriertes Ethylen-Propylen (FEP) und andere finden sich unter dem Namen "Teflon". Diese Polymere sind in der Regel sehr stabil und besitzen viele bewundernswerte Eigenschaften als Präzisionsdielektrika, darunter eine hohe Temperaturtoleranz und eine hervorragende Stabilität über Zeit, Temperatur, Spannung und Frequenz usw. Die mechanischen Eigenschaften von PTFE-Folien und die Schwierigkeiten bei ihrer Metallisierung machen die Herstellung von Folienkondensatoren auf PTFE-Basis zu einer schwierigen und kostspieligen Angelegenheit, so dass nur wenige solcher Komponenten auf dem Markt erhältlich sind.

Was sind Glimmer/PTFE-Kondensatoren?

Abbildung 15: Glimmerkondensatoren in einer Vielzahl von Verpackungsformaten. (Nicht maßstabsgetreu)

Konstruktion der Komponente

Glimmer ist eine natürlich vorkommende Gruppe von Mineralien, die sich durch die Fähigkeit auszeichnen, sich leicht in flache, dünne Folien aufzuspalten, wobei der als "Muskovit"-Glimmer bekannte Typ für Anwendungen in Kondensatoren bevorzugt wird. Als Dielektrikum bietet Glimmer eine ausgezeichnete Stabilität über die Zeit und die angelegte Spannung, einen niedrigen Temperaturkoeffizienten, eine hohe Temperaturtoleranz, eine sehr gute Durchschlagsfestigkeit und geringe Verluste über einen breiten Frequenzbereich. Abgesehen davon, dass Glimmer (ein natürlich vorkommendes Mineral) ein hervorragendes Dielektrikummaterial ist, hat er mit PTFE (einem synthetischen Fluorpolymer) so gut wie nichts gemeinsam. Da es jedoch mindestens eine Serie von Kondensatoren auf dem Markt gibt, die für einige Werte der Kapazität PTFE anstelle von Glimmer verwendet, werden beide Materialien in dieser Rubrik erwähnt... Die Bauweise von Glimmerkondensatoren variiert je nach Anwendung, obwohl Ähnlichkeiten mit Keramik- und Folientypen festzustellen sind. Unabhängig davon, ob der Glimmer als monolithische, aus einem Stück Rohmaterial gespaltene Blätter oder als "Papier" aus vielen kleinen Flocken verwendet wird, wird eine Elektroden-/Anschlussschicht (in der Regel Silber) auf zwei Seiten abgeschieden und dann entweder einzeln (wie eine einschichtige Keramik-Komponente), zusammengeschichtet wie ein MLCC oder gewickelt wie ein Folienkondensator verwendet. Frühe Komponenten, die vor der Entwicklung von Metallisierungsprozessen hergestellt wurden, klemmten Glimmerblätter zusammen mit Elektroden-Folien mechanisch ein. Wie andere geklemmte Kondensatoren waren auch diese Typen in Bezug auf Stabilität und Zuverlässigkeit moderneren Typen unterlegen, so dass geklemmte Glimmerkondensatoren spätestens seit dem Zweiten Weltkrieg obsolet sind.

Gebräuchliche Anwendungen und Einsatzbereiche:

Glimmerkondensatoren sind eine zeitgemäße technologische Weiterentwicklung der Staubsauger-Röhre und waren in der Vergangenheit eine Komponente der Wahl, wenn eine stabile, hochwertige Kapazität benötigt wurde. Wie bei den Vakuumröhren haben sich neuere Technologien mit einem besseren Preis-Leistungs-Verhältnis durchgesetzt und die Glimmertechnologie in Nischenmärkte verdrängt, in denen ungewöhnliche Stressfaktoren wie Kernstrahlung, extreme Temperaturen oder hohe Spannungen die Kosten für eine Glimmerkomponente rechtfertigen.

Abbildung 16: Darstellung der Werte der Kapazität im Vergleich zu den Nenngrößen der Spannung für Glimmer/PTFE-Kondensatoren, die zum Zeitpunkt der Erstellung dieses Artikels bei Mein DigiKey erhältlich sind.

Gemeinsame Ausfallmechanismen/kritische Überlegungen zur Entwicklung:

Moderne Glimmerkondensatoren sind aufgrund der Stabilität der bei ihrer Herstellung verwendeten Materialien in der Regel recht zuverlässig und können für die meisten Anwendungen ähnlich wie eine C0G-Keramik-Komponente behandelt werden. Mechanisch bedingte Ausfälle durch Vibrationen, Stöße, Temperaturschwankungen usw. sind wie bei anderen Typen von Kondensatoren möglich, und auch Elektrodenkorrosion durch eindringende Feuchtigkeit ist ein potenzielles Problem.

Was sind Tantalkondensatoren?

Abbildung 17: Tantalkondensatoren in einer Vielzahl von Verpackungskonfigurationen. (Nicht maßstabsgetreu)

Konstruktion der Komponente und Unterscheidungsmerkmalen

Tantalkondensatoren sind Elektrolytkondensatoren, die in erster Linie dort eingesetzt werden, wo eine kompakte, langlebige Komponente mit relativ stabilen Parametern benötigt wird und bescheidene Kapazitäts- und Nenngrößen ausreichend sind. Die Vorteile von Tantal gegenüber Aluminium-Elektrolyten liegen traditionell in der Kapazität pro Volumen, der Parameterstabilität über die Temperatur und der Langlebigkeit; Tantal hat im Allgemeinen keine Probleme mit dem Austrocknen oder dem Abbau des Dielektrikums, wenn es über längere Zeiträume entladen gelagert wird. Tantal ist jedoch in der Regel teurer, hat einen begrenzteren Bereich verfügbarer Kapazitäten und Werte, wird aus selteneren Materialien hergestellt, die anfälliger für Versorgungsstörungen sind, und erfordert möglicherweise besondere Sorgfalt bei der Entwicklung, da einige Untertypen dazu neigen, mit großer Begeisterung auszufallen.

Abbildung 18: Darstellung der Werte von Kapazitäten im Vergleich zu den Nenngrößen von Tantalkondensatoren, die zum Zeitpunkt der Erstellung dieses Artikels bei DigiKey erhältlich sind.

Abbildung 18 veranschaulicht die Kombinationen von Spannungs- und Strom-Einstufungen für verschiedene Arten von Tantalkondensatoren, die zum Zeitpunkt der Erstellung dieses Dokuments bei Mein DigiKey erhältlich sind. Unabhängig vom Untertyp ist die Anodenkonstruktion von Tantalkondensatoren recht ähnlich; fein pulverisiertes, hochreines Metallpulver wird in die gewünschte Form gebracht und bei hoher Temperatur gesintert, um die einzelnen Metallpulverkörner zu einer hochporösen Masse zu verschmelzen, die als "Butzen" bezeichnet wird und im Verhältnis zu ihrem Volumen eine extrem große innere Oberfläche aufweist. Das Dielektrikum des Kondensators wird dann elektrochemisch in einem Flüssigkeitsbad gebildet, wobei eine Ebene aus Tantalpentoxid (_Ta2O5) über die gesamte innere Oberfläche des Rohlings entsteht, ähnlich wie das Dielektrikum von Aluminium-Elektrolytkondensatoren gebildet wird. Von diesem Punkt aus geht die Konstruktion der verschiedenen Tantal-Subtypen auseinander, wobei die unterschiedlichen Kathodensysteme, die verwendet werden, die Charakteristika der verschiedenen Typen bedingen.

_{Ta/MnO2-Kappen}

Es gibt drei grundlegende Kathodensysteme, die zu den verschiedenen Untertypen von Tantalkondensatoren führen: Mangandioxid (_MnO2), leitfähiges Polymer und "nass". Beim Mangandioxid-System werden die Tantal-Butzen nach der Dielektrikumsbildung in eine Reihe von Mangannitrat (Mn(_NO3)2)-Lösungen getaucht und nach jedem Tauchgang gebacken, wodurch die flüssige Lösung in festes (halb-)leitfähiges Mangandioxid umgewandelt wird, das die Mikrostruktur des Tantal-Butzens gründlich durchdringt und als Kathode der Komponente dient. Anschließend wird eine Ebene aus Schnittstellenmaterial wie Graphit beantragt, um zu verhindern, dass das _MnO2 mit der Metallschicht (in der Regel Silber) reagiert, die benötigt wird, um ein Kabel daran zu befestigen, bevor die gesamte Baugruppe in Epoxidharz verpackt und vor dem Versand getestet wird. Das Endprodukt ist ein Elektrolytkondensator mit hoher spezifischer Kapazität, ohne Austrocknungsprobleme, guter Zuverlässigkeit, relativ guter Stabilität über die Temperatur und einem eher unangenehmen Ausfallmodus... Da die Zusammensetzung und der Aufbau eines _{Tantal-MnO2-Kondensators} dem eines Feuerwerkskörpers ähnelt (ein fein verteiltes Metall in inniger Mischung mit einer Substanz, die bei Erwärmung Sauerstoff freisetzt), sind diese Kondensatoren dafür bekannt, dass sie pyrotechnisch versagen und sich durch Explosionen und/oder heftige Flammenausbrüche auszeichnen. Aus diesem Grund wird besondere Sorgfalt bei der Auswahl und Anwendung empfohlen.

Militär/hohe Zuverlässigkeit/ausfallsicher

Es wurden einige praktische Verbesserungen an der grundlegenden Technologie der _{Ta/MnO2-Kondensatoren} vorgenommen, und es gibt Mechanismen zur Minderung oder zumindest zur Quantifizierung des Ausfallrisikos. Produkte, die als militärisch eingestuft und unter einer MIL-Spezifikationsnummer beschafft werden, werden nach den Vorschriften der referenzierten MIL-Spezifikation hergestellt und getestet, die in der Regel Losprüfungen und Testverfahren zur statistischen Absicherung der Zuverlässigkeit umfassen. In den MIL-Spezifikationen wird häufig auch eine (nicht RoHS-konforme) Oberfläche für Anschlussklemmen mit Bleilagern gefordert, was der Systemzuverlässigkeit insgesamt zugute kommt, da das Risiko der Bildung von Zinnwhiskern und niedrigeren Spitzentemperaturen während der Baugruppe verringert wird. Teile mit hoher Zuverlässigkeit werden oft aus MIL-spezifischen Materialien mit unterschiedlicher Beschriftung und Endbearbeitung hergestellt, können aber auch technologische Verbesserungen enthalten, die von den MIL-spezifischen Bauvorschriften noch nicht übernommen wurden. In jedem Fall wurde ein Hi-Rel-Produkt, das diesen Namen verdient, geprüft, getestet und/oder eingebrannt, um eine statistische Garantie für die Zuverlässigkeit zu bieten. Ausfallsichere Komponenten enthalten eine Art von Sicherung, um Kurzschluss-Fehler in Leitungsunterbrechungen umzuwandeln, bevor sie sich zu Fehlern mit offener Flamme entwickeln können. Diese Mechanismen sind nicht perfekt, aber sie verringern das Risiko von Brandausbrüchen um einige Dezimalstellen.

Tantal-Polymer

Tantal-Polymer-Kondensatoren dosieren das Mangandioxid ganz und verwenden stattdessen ein leitfähiges Polymer als Kathodenmaterial, was das Risiko pyrotechnischer Ausfälle weitgehend ausschließt. Aufgrund des geringeren Widerstands der verwendeten Polymer-Materialien im Vergleich zu _MnO2 haben Tantal-Polymer-Kappen im Allgemeinen bessere ESR- und Welligkeitsstrom-Spezifikationen sowie eine bessere Performance bei hohen Frequenzen im Vergleich zu ihren _{MnO2-basierten} Gegenstücken. Zu den Nachteilen von Polymer-Kathodensystemen gehören ein begrenzterer Temperaturbereich, eine größere Empfindlichkeit gegenüber Feuchtigkeit und eine geringere Wirksamkeit der Selbstheilung, die zu höheren Leckströmen beiträgt.

Oberflächenbenetzung von Tantal

Tantalkondensatoren verwenden, wie der Name schon sagt, einen flüssigen Elektrolyten in ihren Kathodensystemen. Da es schwierig ist, an eine Flüssigkeit zu löten, wird eine Kathoden-Gegenelektrode benötigt, um den Schaltkreis durch den gesinterten Tantal-Anoden-Butzen zu vervollständigen, und die Entwicklung dieser Gegenelektrode ist eines der Alleinstellungsmerkmale der verschiedenen Linien von Nass-Tantal-Geräten. Moderne Komponenten verwenden hermetisch abgedichtete/geschweißte Tantal-Behälter, die weniger anfällig für Elektrolytverluste und toleranter gegenüber zufälligen Spannungsumkehrungen sind als frühere Komponenten, die ein silbernes Gehäusematerial und eine Elastomerdichtung enthalten. Die Hauptvorteile von nassen Tantal-Bauelementen sind ihre Zuverlässigkeit und ihre relativ hohe spezifische Kapazität; der flüssige Elektrolyt sorgt für eine kontinuierliche Selbstheilung des Dielektrikums, was zu geringen Leckströmen und einem größeren Bereich anwendbarer Betriebsspannungen führt. Aufgrund des Widerstands des flüssigen Elektrolyts ist der ESR der meisten nassen Tantale jedoch nicht besonders gut, was zu einem Verlust an Kapazität bei relativ niedrigen Frequenzen führt. Auch nasse Tantale sind recht kostspielig, etwa 100-mal teurer als eine elektrolytische Komponente aus Aluminium mit vergleichbarer Einstufung. Zusammengenommen machen diese Faktoren nasse Tantale zu einer Art Nischentechnologie, die vor allem in Anwendungen zum Einsatz kommt, bei denen ein Versagen keine Option ist und Geld keine Rolle spielt: Raumfahrt-/Satellitenanwendungen, lebenswichtige Avioniksysteme usw.

Versagensmechanismen und Überlegungen zur Entwicklung

Für Tantal im Allgemeinen

Die Hauptursache für dielektrische Fehler in Tantalkondensatoren sind Verunreinigungen in den pulverförmigen Tantal-Pulvern, aus denen die Anodenbutzen gebildet werden. Wie die Lücken, die entstehen, wenn die Straßenarbeiter beim Streichen der Linien auf den Straßen die überfahrenen Tiere nicht aus dem Weg räumen, führen Verunreinigungen im Tantal zu Fehlern in der dielektrischen Ebene. Da das Dielektrikum in einem Tantalkondensator nur wenige Nanometer dick ist, können schon sehr kleine Verunreinigungen Probleme verursachen. Andere dielektrische Fehler in Tantalkondensatoren sind mechanisch induziert. Da das Tantal-Pentoxid-Dielektrikum eine etwas spröde, glasartige Substanz ist, neigt es bei mechanischer Beanspruchung zum Zerbrechen. Von besonderer Bedeutung sind die Wärmeausdehnungen beim Löten, wenn Teile auf einer Platine montiert werden. Da diese Belastungen zu Fehlern führen können, die zum Zeitpunkt der Produktion noch nicht existierten (und daher nicht erkennbar sind), ist der Ausfall von Tantalkondensatoren bei der ersten Anwendung von Leistung nach der Baugruppe ein bekanntes Phänomen. Da polymere Kathodenmaterialien (und natürlich auch flüssige Kathoden) relativ zu Mangandioxid weicher und biegsamer sind, haben diese Typen einen Vorteil gegenüber Kondensatoren auf _MnO2-Basis, was die Kindersterblichkeit angeht.

Für Komponenten auf _MnO2-Basis

Der Selbstheilungsmechanismus in _{Ta/MnO2-Kondensatoren} beruht auf der thermischen Zersetzung des _{MnO2-Materials} in das wesentlich weniger leitfähige _Mn2O3. Wenn der Leckstrom in der Nähe einer Fehlerstelle die lokale Temperatur hoch genug ansteigen lässt, zerlegt sich der Bereich des _{MnO2-Kathodenmaterials}, der den Fehler mit Strom versorgt, und isoliert so den Fehler vom weiteren Stromfluss. Leider entsteht bei diesem Prozess loser Sauerstoff: 2(_MnO2) + (Energie) --> _Mn2O3 + O. Der Unterschied zwischen einer erfolgreichen Selbstheilung und einem pyrotechnischen Fehlschlag besteht darin, ob dieser Sauerstoff bei einer ausreichend hohen Temperatur auf Tantal-Metall trifft, um sich selbst zu zünden oder nicht. Sowohl die Umgebungstemperatur als auch die Menge des elektrischen Stroms, der für die ohmsche Heizung an einer Fehlerstelle zur Verfügung steht, sind Faktoren, die das Ergebnis beeinflussen.

Überlegungen zur Entwicklung von _MnO2

Es wird zwar empfohlen, die Anwendungsliteratur der Hersteller sorgfältig zu studieren, aber für Ungeduldige sind die folgenden Leitlinien für die Anwendung von _{Ta/MnO2-Kondensatoren} gedacht:

1. Verwenden Sie einen Serienwiderstand: Durch die Begrenzung des externen Stroms, der für einen Fehler zur Verfügung steht, wird die Wahrscheinlichkeit, dass eine Fehlerstelle die kritische Temperatur für die Zündung erreicht, erheblich verringert. In der Vergangenheit wurde ein Serienwiderstand von 1 bis 3 Ohm pro angelegtem Volt empfohlen. Moderne Entwicklungen tolerieren möglicherweise nicht so viel ESR, und größere Komponenten können im geladenen Zustand genügend elektrische Energie enthalten, um sich bei einem plötzlichen Fehler selbst zu entzünden. In diesen Fällen sind die Einstufung und die Überprüfung der Komponenten besonders wichtig.
2. Spannung einstufen: Um die Zuverlässigkeit im eingeschwungenen Zustand (deutlich) zu erhöhen, sollten die Komponenten um die Hälfte der Nennspannung herabgestuft werden, und zwar um bis zu 70 %, wenn der Serienwiderstand extrem niedrig ist, in der Größenordnung von 0,01 Ohm pro angelegtem Volt oder weniger. Wenn die Ströme extern begrenzt werden, kann eine Einstufung von nur 20 % ausreichen. Es wird ein weiterer (zusammengesetzter) De-Rating-Faktor für die Temperatur empfohlen, der linear von 0 @ 85°C bis 33% @ 125°C ansteigt, obwohl Hochtemperatur-Produktreihen davon abweichen können.
3. Sorgfältig einbrennen: Viele Tantal-Ausfälle treten beim ersten Hochfahren einer zusammengebauten Komponente auf, und zwar als Folge von baugruppenbedingten dielektrischen Fehlern. Die Erleichterung einer erfolgreichen Selbstheilung durch schrittweises Anlegen von Spannung über eine strombegrenzte Quelle kann einige dieser Ausfälle verhindern. Die anschließende Beanspruchung durch die maximal zu erwartenden elektrischen und umweltbedingten Belastungen dient als Bewährungsprobe, denn _{Ta/MnO2-Kondensatoren}, die eine bestimmte Belastung einmal überstehen, werden diese wahrscheinlich fast unbegrenzt überstehen.
4. Begrenzung des transienten Stroms: Stromflüsse, die die vom Hersteller angegebene Grenze des Stoßstroms überschreiten, sind zu vermeiden, einschließlich solcher, die durch nicht routinemäßige Ereignisse entstehen, wie z. B. das Einstecken von Batterien oder Netzteilen bei laufendem Betrieb, Kurzschlussfehler von Systemausgängen usw. In Ermangelung einer Spezifikation des Überlaststroms wurde ein Wert _{Imax<V/ratio/}(1+ESR) vorgeschlagen.
5. Beachten Sie die Grenzen der Welligkeit von Strom und Temperatur: Die Nenngrößen für die Welligkeit des Stroms basieren in der Regel auf der Welligkeit, die erforderlich ist, um einen bestimmten Anstieg der Temperatur der Komponente über die Umgebungstemperatur hinaus zu erzeugen. Mit Ausnahme der Fälle, in denen die resultierenden Wellenformen die Grenzen für Spannung oder Stromstoß verletzen würden, sind die Grenzen für die Welligkeit des Stroms ein Problem des Wärmemanagements. Bewerten Sie die Prüfbedingungen, unter denen die Welligkeits-Grenzwerte des Datenblatts angegeben sind, und passen Sie diese Grenzen an die tatsächlichen Anwendungsbedingungen an.

Für polymere und nasse Tantale

Wenn sie ausfallen, werden Tantal-Polymer-Kondensatoren eher zu einem warmen Widerstand, als zu einer sich schnell ausbreitenden Wolke aus heißen Gasen und Schrapnellen. Aus diesem Grund und wegen des geringeren Risikos von baugruppenbedingten Defekten sind ihre Anwendungsregeln etwas einfacher: Sie müssen die Spannung um 20 % herabsetzen, die empfohlenen Grenzen des Nennstroms einhalten und den vom Hersteller empfohlenen Terminplan für die Herabstufung bei erhöhten Temperaturen befolgen. Bei nassen Tantalen erfordern die Anwendungen, die die Kosten für die Teile rechtfertigen können, wahrscheinlich auch eine detaillierte Zuverlässigkeitsanalyse des Systems für jedes einzelne Teil, so dass Faustregeln weniger wertvoll sind als bei anderen Anwendungen. Vor diesem Hintergrund wird ein Standardabstufungsfaktor von 20 % vorgeschlagen, und es wird empfohlen, die relativ niedrigen Frequenzgänge zu berücksichtigen, die für diese Komponenten charakteristisch sind.

Was sind Niobiumoxid-Kondensatoren?

Abbildung 19: Ein Kondensator aus Niobiumoxid.

Konstruktion der Komponente und Unterscheidungsmerkmalen

Niobiumoxid-Kondensatoren sind ähnlich aufgebaut wie Tantal- und Mangandioxid (_Ta/MnO2)-Komponenten und verwenden gesintertes Niobiumoxid (NbO) anstelle von Tantalmetall als Anodenmaterial. Niobiumoxid-Kondensatoren werden hauptsächlich von AVX als Alternative zu _{Ta/MnO2-Kondensatoren} hergestellt, die nicht die unangenehme Neigung haben, bei einem Ausfall zu verpuffen, und die auch das Potenzial für eine verbesserte Logistik der Rohstoffversorgung haben. Sie konkurrieren mit Tantalkondensatoren aus Polymeren für eine Vielzahl von Anwendungen. Der Aufbau von Kondensatoren aus Nioboxid ähnelt dem von _{Ta/MnO2-Komponenten}; das Anodenmaterial besteht aus einer hochporösen, schwammartigen Masse aus Niob(mon)oxid (NbO), auf der eine dielektrische Ebene aus Niob(pent)oxid (_Nb2O5) aufgebracht ist und um die herum eine Gegenelektrode aus Mangandioxid aufgebaut ist, ähnlich wie bei den üblichen _{Ta/MnO2-Komponenten}. Kondensatoren auf der Basis von Niobmetall (anstelle des Oxids NbO) und Polymerelektrolyt-Technologien wurden ebenfalls entwickelt, werden aber zum Zeitpunkt der Erstellung dieses Berichts nicht in nennenswerter Anzahl hergestellt.

Abbildung 20: Darstellung der Kapazitätswerte im Vergleich zu den Nenngrößen von Niobiumoxid-Kondensatoren, die zum Zeitpunkt der Erstellung dieses Artikels über DigiKey erhältlich sind.

Warum Niob?

Eine Verknappung der Versorgung mit Tantal bei gleichzeitig hoher Nachfrage um die Jahrtausendwende führte dazu, dass Tantalkondensatoren eine Zeit lang ein seltener und teurer Artikel waren, was zu Produktionsproblemen führte, die zur Entwicklung von Komponenten auf Niobbasis führten. Im Vergleich zu Tantal, das in erster Linie in der Elektronikindustrie verwendet wird, kommt Niob in der Natur schätzungsweise 20 Mal häufiger vor und wird auch als Legierungselement in der Stahlproduktion in weitaus größeren Mengen verwendet, als dies für die Elektronik denkbar wäre. Da es zunächst mehr von diesem Material gab und die Elektronikindustrie nicht der Hauptabnehmer war, wurde angenommen, dass die langfristigen Aussichten für die Versorgung mit Rohstoffen Niob gegenüber Tantal bevorzugen würden.

Stärken und Schwächen der Anwendung

Niobiumoxid/Mangandioxid-Kondensatoren haben gegenüber ihren Tantal-Verwandten den großen Vorteil, dass sie sich bei einem katastrophalen Ausfall im Allgemeinen nicht entzünden. Dies ist darauf zurückzuführen, dass für die Zündung von Nioboxid im Vergleich zu Tantal eine viel größere Energiemenge erforderlich ist, sowie auf einen sekundären Selbstheilungseffekt, bei dem das Nioboxid-Anodenmaterial, das an einer Fehlerstelle exponiert ist, in einen weniger leitfähigen Zustand weiter oxidiert wird. Zwischen den beiden Effekten wird das Verhalten von Nioboxid-Kondensatoren mit katastrophalen Ausfällen als hochohmiger Schaltkreis im Kohm-Bereich bezeichnet; ein Wert, der hoch genug ist, um zu verhindern, dass die resultierenden Fehlerströme genügend Energie liefern, um das Gerät bei Nennspannungen zu zünden. Im Vergleich zu _{Ta/MnO2-Bauelementen} sind _{NbO/MnO2-Kondensatoren} derzeit etwas leistungsschwächer, da sie auf Nennspannungen von 10 V oder weniger beschränkt sind, etwa doppelt so hohe Leckströme wie Tantal-Bauelemente haben, eine etwas geringere Kapazität pro Volumen aufweisen und eine höhere Temperaturdeklassifizierung über 85 °C haben. Andererseits ist "nicht in Flammen aufgehen" eine sehr angenehme Funktion, und die bessere Verfügbarkeit von Rohstoffen verspricht niedrigere Kosten. Obwohl der Tantal-Polymer-Ansatz zur Lösung des Problems der pyrotechnischen Kondensatoren immer beliebter zu werden scheint, soll die Niobiumoxid-Technologie in Bezug auf die langfristige Lebensdauer und die Umwelttoleranz, insbesondere bei Anwendungen mit hoher Luftfeuchtigkeit, weiterhin Vorteile bieten. Wenn auch aus keinem anderen Grund, so ist es doch eine interessante Technologie, denn wenn man das Thema mit den Vertriebs- und Marketingfachleuten der verschiedenen Fraktionen anspricht, scheint es sehr unterschiedliche Perspektiven und Meinungen zu geben...

Überlegungen zur Anwendung

Der zündungsresistente Charakter von Niobiumoxid-Kondensatoren ermöglicht eine aggressivere Anwendung von Komponenten auf NbO-Basis relativ zu ihren Pendants auf Tantal-Basis. Während die Faustregel für die Entwicklung mit _{Ta/MnO2-Kondensatoren} darin besteht, die Spannung um 50 % zu verringern (oder mehr, wenn der Serienwiderstand sehr niedrig ist), hat der führende Hersteller von Geräten auf NbO-Basis (AVX) vorgeschlagen, dass eine Verringerung der Spannung um nur 20 % für einen sicheren Betrieb ausreichend ist. Eine zusätzliche Einstufung über diese Stufen hinaus kann die langfristige Zuverlässigkeit beider Typen von Komponenten erheblich verbessern. Da die interne Struktur der Komponente und die thermomechanischen Eigenschaften des festen _{MnO2-Elektrolyten} erhalten bleiben, sollten die Benutzer von Nioboxidkondensatoren auch auf die Gefahr von Fehlern achten, die durch den Prozess der Baugruppe verursacht werden.

Was sind Silizium- und Dünnschichtkondensatoren?

Abbildung 21: Silizium- und Dünnschichtkondensatoren in verschiedenen Verpackungsformaten. (Nicht maßstabsgetreu)

Konstruktion der Komponente und Unterscheidungsmerkmalen

Silizium- und Dünnschichtkondensatoren sind eine relativ neue Art von Komponenten, die mit Werkzeugen, Methoden und Materialien aus der Halbleiterindustrie hergestellt werden. Die präzise Kontrolle der Struktur und der Materialien, die diese Techniken ermöglichen, erlaubt die Herstellung von nahezu idealen Kondensatoren mit ausgezeichneter Parameterstabilität, minimalem ESR und ESL, einem breiten Betriebstemperaturbereich und einer vergleichbaren bis besseren Kapazität pro Volumen im Vergleich zu den Keramiktypen der Klasse 1, mit denen sie direkt konkurrieren. Zu ihren größten Nachteilen zählen die hohen Kosten und, damit zusammenhängend, ein relativ begrenzter Bereich von verfügbaren Werten für die Kapazität. Typischerweise basieren sie auf einem Siliziumoxid/Nitrid-Dielektrikum. Die Unterscheidung zwischen "Dünnschicht"- und "Silizium"-Kondensatoren ist so etwas wie ein Marketing-Zugeständnis, obwohl es je nach der beabsichtigten Anwendung erhebliche Unterschiede zwischen den beiden gibt. Bei Komponenten für HF-Abstimmungs- und Anpassungsanwendungen handelt es sich in der Regel um einlagige Komponenten mit geringer Kapazität, die auf Parameterstabilität und Konsistenz optimiert sind und in der Regel in JEDEC-Standard Baugrößen vorliegen. Im Gegensatz dazu erlauben Bauelemente, die für die Entkopplung der Spannungsversorgung, die breitbandige DC-Blockierung und ähnliche Anwendungen bestimmt sind, größere Toleranzen zugunsten der Erzielung einer höheren spezifischen Kapazität und sind eher in Verpackungen zu finden, die an fortschrittliche Montagemethoden wie Drahtbonden oder Eingebettetheit in eine Platine angepasst sind. Unabhängig von der beabsichtigten Anwendung handelt es sich bei den Geräten aus der Familie der Dünnschicht- und Siliziumkondensatoren jedoch um hochklassige Produkte, die dementsprechend auch preislich angesiedelt sind und zum Zeitpunkt der Erstellung dieses Berichts etwa das 5- bis 5.000-fache des Preises von Keramikgeräten mit ähnlicher Kapazität und Nenngröße erzielen. Teile, die als hochpräzise Komponenten konzipiert sind, konkurrieren meist mit Keramikkondensatoren auf der Basis von C0G (NPO)-Dielektrika als leistungsstärkere Alternative für HF- und Mikrowellenanwendungen. Während diese keramischen Komponenten der Klasse I recht gut sind und sich nach einigen Jahrzehnten der Verfeinerung der Idealität annähern, sind Dünnschicht-/Silikon-Komponenten aufgrund charakteristischer Unterschiede in der Herstellung etwas besser in Bezug auf die Konsistenz zwischen den Komponenten und den Fertigungslosen. Dünnschicht-/Siliziumkondensatoren mit höherer Kapazität konkurrieren bei Entkopplungs- und Breitband-DC-Blockierungsanwendungen direkter mit den auf X7R- und X8R-Dielektrika basierenden Klasse-II-Keramiken. Für diese Zwecke bieten Dünnschicht-/Silikon-Bauteile bemerkenswerte Vorteile, wie z. B. einen deutlich niedrigeren Verlustfaktor und eine viel bessere Stabilität der Kapazität über Temperatur und Spannung.

Abbildung 22: Darstellung der Kapazitätswerte im Vergleich zu den Nenngrößen für Silizium- und Dünnschicht-Kondensatoren, die zum Zeitpunkt der Erstellung dieses Artikels bei Mein DigiKey erhältlich sind.

Was sind Trimmkondensatoren und variable Kondensatoren?

Abbildung 23: Trimm- und variable Kondensatoren in einer Vielzahl von Stilen und Verpackungen. (Nicht maßstabsgetreu)

Konstruktion der Komponente und Unterscheidungsmerkmalen

Trimmer und variable Kondensatoren sind Komponenten, deren Kapazität innerhalb eines bestimmten Bereichs einstellbar ist, wobei der Unterschied zwischen den beiden Begriffen hauptsächlich in der Absicht der Entwicklung liegt; ein "Trimmer"-Kondensator soll in der Regel nur wenige Male während seiner Lebensdauer eingestellt werden, während ein "variabler" Kondensator eine Routineeinstellung vorsieht. Es werden zahlreiche verschiedene Typen verwendet, die jedoch mit wenigen bis gar keinen Ausnahmen elektrostatisch sind und ihre Einstellbarkeit durch Veränderung der wirksamen Fläche zwischen den Elektroden, des Abstands zwischen ihnen oder vielleicht beidem erreichen.

Abbildung 24: Darstellung der Kapazitätswerte im Vergleich zu den Nenngrößen von Trimmern und variablen Kondensatoren, die zum Zeitpunkt der Erstellung dieses Artikels bei DigiKey erhältlich sind.

Eine gängige Entwicklung ähnelt zwei kleinen Rädern auf einer gemeinsamen Achse, die mit einem Halbkreis (oder einer ähnlichen Form) aus Elektrodenmaterial beschichtet sind. Durch Änderung des Rotationswinkels der beiden "Räder" relativ zueinander kann die effektive Kapazität zwischen ihnen variiert werden. Darüber hinaus kann durch eine Änderung der Form der Elektroden auf jedem "Rad" ein unterschiedliches Verhältnis zwischen dem Drehwinkel und der Kapazität der Komponente hergestellt werden, wie es für eine bestimmte Anwendung erforderlich ist. Eine Abwandlung des Ansatzes kann darin bestehen, ein Schneckengetriebe oder eine ähnliche mechanische Anordnung zu verwenden, um die relative Rotation der beiden "Räder" zu variieren, um eine höhere Auflösung innerhalb der Bereichswahl der Komponente zu erreichen. Andere Entwicklungen umfassen variable Kolben-Kondensatoren, die durch den Grad der Überlappung zwischen konzentrischen Zylindern arbeiten, und Vakuum-Kondensatoren, die eine Schraube oder einen anderen Mechanismus verwenden, um die mechanische Beziehung zwischen Elektroden-Platten in einem Vakuum zu variieren, das durch die Verwendung einer flexiblen Membran aufrechterhalten wird.

Gebräuchliche Anwendungen und Einsatzbereiche

Trimmer und variable Kondensatoren werden im Allgemeinen für Abstimmungs- und Anpassungsanwendungen in HF-Schaltkreisen verwendet. Bei Radioempfängern, die die gewählte Frequenz durch Durchlauf eines mechanischen Indikators über eine Skala (oder umgekehrt) anzeigen, besteht in der Regel eine mechanische Verbindung zwischen dem Indikator und dem/den variablen Kondensator(en), die im Abstimmkreis verwendet werden. Die meisten dieser Empfänger sind älteren Datums oder haben eine kostengünstigere Entwicklung, obwohl auch moderne Anwendungen Trimmkondensatoren zur Feinabstimmung oder Kalibrierung enthalten können. Variable Kondensatoren (die für häufiges Einstellen ausgelegt sind) sind dagegen so etwas wie eine vom Aussterben bedrohte Spezies; die Verwendung alternativer Entwicklungstechniken, die durch bessere Fertigungstoleranzen und neuere Technologien vorbereitet werden, macht den charakteristischen sperrigen, treibenden, mechanisch schwerfälligen und teuren variablen Kondensator zu einem weniger wünschenswerten Designelement als die Alternativen.

Gemeinsame Fehlermechanismen/kritische Überlegungen zur Entwicklung

Aufgrund der großen Unterschiede in der Konstruktion der Komponenten, die bei Trimmern und variablen Kondensatoren zu finden sind, können ihre spezifischen Vor- und Nachteile hier nicht ausführlich erörtert werden. Betrachtet man jedoch das Grundprinzip eines elektrostatischen Kondensators, so lassen sich die Vorzüge einer bestimmten Komponente oft durch Beobachtung erkennen; alles, was das Dielektrikum, die Elektrodengeometrie oder die Elektrodenpositionierung beeinflusst, wirkt sich auf die Kapazität der Komponente aus. Bei einer luftdynamischen Komponente beispielsweise ändert sich die Kapazität bei einer bestimmten Einstellung mit Änderungen des barometrischen Drucks, der Temperatur und der Luftfeuchtigkeit, da alle diese Faktoren die Dielektrizitätskonstante der Luft in geringem Maße beeinflussen. Ähnlich verhält es sich mit einem dielektrischen Vakuumkondensator, der durch Leckagen oder Vakuumverlust beeinträchtigt wird. Aus mechanischer Sicht wirkt sich die Steifigkeit der endgültigen Baugruppe auf die Stabilität der Kapazität mit mechanischen Stößen oder Vibrationen aus, und die Entwicklung des Einstellmechanismus beeinflusst auch die Tendenz zur Drift im Laufe der Zeit. Schnellreferenz-Leitfaden für Kondensatoren Die Tabelle auf der nächsten Seite gibt einen kurzen Überblick über die verschiedenen Typen von Kondensatoren und ihre relativen Vorzüge, ungefähr geordnet nach abnehmender Anzahl (oder zunehmender Qualität) der Kapazität, die jeder Typ bietet.

Abbildung 25: Leitfaden zur Schnellreferenz für Kondensatoren.

Weitere Informationen zu Kondensatoren oder Fragen finden Sie im DigiKey TechForum im Bereich Kondensatoren.