Leitfaden zu Keramikkondensator-Dielektrika und anderen Typen

Kondensatoren bilden einen wichtigen Bestandteil der meisten elektronischen Schaltungen. Aber was machen sie eigentlich, und was veranlasst sie dazu, so zu funktionieren?

Es handelt sich um passive Bauelemente, die elektrische potenzielle Energie als Spannung zwischen zwei geladenen Leitern speichern, die durch ein isolierendes Dielektrikum getrennt sind. Das isolierende Dielektrikum verhindert Gleichstrom und ermöglicht es dem Wechselstrom, einen Verschiebungsstrom über die beiden Platten zu induzieren, vermittelt durch Polarisation in Anwesenheit einer angelegten Spannung. Diese Komponenten finden ihren Einsatz in allem, von analogen Filternetzwerken bis hin zu Stromversorgungen und hochgeschwindigkeitsdigitalen Komponenten.

Was ermöglicht es Kondensatoren, die Funktion auszuführen, für die sie vorgesehen sind? Die Stärke des elektrischen Feldes im Dielektrikum des Kondensators bestimmt, wie der Verschiebungsstrom durch das Gerät entsteht, daher können wir Kondensatoren basierend auf ihrem isolierenden Dielektrikum kategorisieren. In diesem Artikel diskutieren wir die Kategorisierung von Kondensatordielektrika, einschließlich eines Abschnitts, der den keramischen Kondensatordielektrika gewidmet ist.

Keramikkondensatoren und ihre Dielektrika im Überblick

Das Dielektrikum bestimmt maßgeblich, wie sich ein Kondensator verhält – die wichtigsten Punkte:

• Das Dielektrikum entscheidet: Kapazitätsdichte, Durchbruchspannung, Temperaturverhalten und Polarität hängen vom Isoliermaterial zwischen den Platten ab, nicht allein vom Kapazitätswert.
• Keramikkondensatoren (Kerkos): Sie sind meist unpolarisiert, haben eine niedrige ESR und eine hohe Dielektrizitätskonstante – ideal für Hochfrequenz-, Entkopplungs- und Leistungsanwendungen.
• Klassen 1, 2 und 3: Die Klasse beschreibt die dielektrische Festigkeit und das Temperaturverhalten – von präzisen, temperaturstabilen Klasse-1-Typen bis zu kapazitätsstarken Klasse-2-Kondensatoren.
• Der 3-Zeichen-Code: Codes wie X7R oder C0G geben Temperaturbereich und Kapazitätstoleranz an – standardisiert nach EIA, ergänzend zu IEC/EN 60384.

Gängige Kondensatordielektrika

Es gibt verschiedene Arten von Kondensatordielektrika, die jeweils in einer Vielzahl von Gehäusegrößen erhältlich sind. Einige Materialien haben im Allgemeinen eine viel höhere Dielektrizitätskonstante als andere und können als solche mit einer höheren „Kapazitätsdichte“ betrachtet werden, was bedeutet, dass sie eine höhere Kapazität in kleineren Gehäusen bieten. Designer, die das Innere eines Netzteils betrachtet haben, haben wahrscheinlich große radiale Kondensatorgehäuse gesehen, die vertikal auf der Platine stehen; dies sind elektrolytische Kondensatoren, und sie benötigen eine Verpackung dieser Größe, um solch hohe Kapazitätswerte bereitzustellen.

Andere Kondensatordielektrika haben über die Bereitstellung einer hohen Kapazitätsdichte hinaus andere Vorteile. Sie können eine sehr hohe Durchbruchspannung aufweisen, sie können für Wechselstrom sehr nützlich sein, da sie keine spezifische Polarität erfordern, oder sie können einen sehr niedrigen Temperaturkoeffizienten haben, der sie zu einer besseren Option für Präzisionsanwendungen macht. Dies ist ein Grund, warum Datenblätter und Anwendungshinweise empfehlen, Kondensatoren basierend auf ihrem Dielektrikummaterial auszuwählen, anstatt auf einem tatsächlichen Kapazitätswert. In diesen Anwendungen könnte der Kondensatorwert weniger wichtig sein als die spezifischen Vorteile des Kondensatordielektrikummaterials selbst. Behalten Sie dies im Hinterkopf, wenn Sie Kondensatorempfehlungen in Datenblättern oder Anwendungshinweisen sehen.

Arten von Kondensatordielektrika

Keramik

Die Kapazität von keramischen Kondensatordielektrika wird durch Temperatur und angelegte Spannung beeinflusst. Sie weisen auch niedrigere Gleichstrom-Leckströme und eine niedrigeren äquivalenten Serienwiderstand (ESR) auf. Keramikkondensatoren (im Fachjargon auch „Kerkos" genannt) sind in der Regel nicht polarisiert und können daher in jeder Orientierung auf einem PCB-Layout platziert werden; dies ist einer der Gründe, warum sie in Hochfrequenz-Wechselstrom- und Leistungsanwendungen bevorzugt werden. Ihre niedrige ESR kann jedoch starke Transienten in Stromsystemen zulassen, was mit einem kontrollierten ESR-Kondensator vermieden werden könnte.

Keramikkondensatoren werden hergestellt, indem zwei Seiten einer kleinen Keramikscheibe mit einem Metallfilm (wie Silber) beschichtet und dann im Kondensatorgehäuse übereinander gestapelt werden. Eine einzelne Keramikscheibe von etwa 3-6 mm kann verwendet werden, um eine sehr niedrige Kapazität zu erreichen. Die Dielektrizitätskonstante (Dk) von keramischen Kondensatordielektrika ist sehr hoch, sodass relativ hohe Kapazitäten in kleinen Gehäusen erzielt werden können.

Elektrolytische (d.h. Tantal, Aluminium usw.) oder Oxid-Dielektrika

Diese Kondensatoren werden in Schaltkreisen verwendet, in denen eine sehr hohe Kapazität erforderlich ist. Als Dielektrikum dient eine dünne Oxidschicht auf einer Elektrode. Bei Aluminium-Elkos kommt ein flüssiges oder gelartiges Elektrolyt zum Einsatz, während moderne Tantal-Typen meist ein festes Elektrolyt aus Mangandioxid oder einem leitfähigen Polymer verwenden. Elektrolytkondensatoren erreichen sehr hohe Kapazitätswerte, sind jedoch gepolt und reagieren empfindlich auf Verpolung sowie Überspannung. Zudem weisen sie höhere ESR-Werte als Keramikkondensatoren auf.

Kunststofffolie (Folienkondensatoren)

Die Dielektrika dieser Kondensatoren tendieren dazu, einen niedrigeren Dk-Wert zu haben und daher viel größer zu sein, aber sie sind sehr nützlich in Hochfrequenzschaltungen. Filmkondensatoren sind die am häufigsten verfügbare Art von Kondensatoren, die eine relativ große Familie von Kondensatoren mit verschiedenen dielektrischen Eigenschaften umfassen. Daher kann es eine breite Palette von Materialspezifikationen für diese Kondensatoren geben.

PCB-Substrate

Technisch gesehen ist eine PCB ein großer Kondensator, wann immer sie große benachbarte Plattenebenen enthält. Ebenen in einer PCB können etwa 50 pF/cm² Kapazität mit sehr niedrigem ESL bieten, weshalb Plattenkondensatoren oft die effektivste Form von Kondensator sind, die Sie zur Entkopplung von paketinduzierten Transienten im PDN einer Hochgeschwindigkeits-PCB verwenden können.

Keramikkondensator-Dielektrika und ihre Einteilung nach dielektrischer Festigkeit

Die Klasse eines Keramikkondensators hängt von seiner dielektrischen Festigkeit ab, die die Durchbruchspannung im Kondensatordielektrikum bestimmt.

• Klasse 1: Keramikkondensatoren der Klasse 1 werden üblicherweise aus Oxidmaterialzusätzen von Zn, Zr, Nb, Mg, Ta, Co und Sr hergestellt. Diese Kondensatoren würden in Anwendungen gewählt, die einen Wechselstromkreis erfordern, der relativ unempfindlich gegenüber Temperaturänderungen ist. Ein Beispiel wäre in Resonanzkreisen wie Filtern oder Anpassungsnetzwerken, wo ein Produkt hohe Präzision unter harten Betriebsbedingungen haben muss.
• Klasse 2: Diese Keramikkondensatoren bestehen aus einem dielektrischen Material auf Bariumtitanatbasis, das temperaturempfindlich ist. Diese Keramikkondensatoren haben eine hohe Kapazitätsdichte, d.h., man kann eine hohe Kapazität in einem kleinen Volumen erreichen. Im Allgemeinen werden Keramikkondensatoren der Klasse 2 für Glättungs-, Bypass-, Kopplungs- und Entkopplungsanwendungen verwendet.
• Klasse 3: Diese Gruppe von Keramikkondensatordielektrika bietet im Vergleich zu Keramikmaterialien der Klasse 2 eine hohe Kapazität. Kondensatoren der Klasse 3 gelten als veraltet und werden von der IEC nicht mehr standardisiert. Moderne mehrschichtige Keramikkondensatoren der Klasse 2 können höhere Kapazitäten mit besserer Stabilität und engerer Genauigkeit in einem kompakteren Paket bieten.

Beachten Sie, dass die obigen Definitionen in IEC/EN 60384-1 und IEC/EN 60384-8/9/21/22 standardisiert sind. Die EIA hat ihre eigene Reihe von Definitionen mit vier Klassen von Keramikkondensator-Dielektrika. Jede Klasse wird mit einer römischen Ziffer bezeichnet, daher sollten Sie dies im Hinterkopf behalten, wenn Sie Produktseiten sehen, die einen Kondensator als Klasse 3 im Gegensatz zu Klasse III definieren; diese Bezeichnungen sind nicht äquivalent.

Kondensator-Kodierungssystem

Es gibt ein dreizeichiges alphanumerisches Kodierungssystem, das verwendet wird, um Keramikkondensatoren zu bezeichnen, wobei das System von der Klasse der Keramik abhängt. Zusätzliche Code-Markierungen auf dem Gehäuse eines Kondensators können die Nennbetriebsspannung, Toleranzen und den Temperaturkoeffizienten angeben.

Als Beispiel werden Keramikkondensatoren der Klasse 2 nach ihren Betriebstemperaturgrenzen und der Empfindlichkeit der Kapazität gegenüber Temperaturänderungen kategorisiert. Der Empfindlichkeitswert wird innerhalb der oberen und unteren Temperaturgrenzen bewertet und ist außerhalb dieser Grenzen nicht garantiert. Beachten Sie, dass diese Codes keine Namen sind, die den dielektrischen Materialien von Keramikkondensatoren gegeben werden. Keramikverbindungen könnten ein proprietärer Produktname oder ein chemischer Verbindungsname sein. Stattdessen werden diese Codes verwendet, um einen Anwendungsbereich mit einem erforderlichen Toleranzniveau abzugleichen.
Die Tabelle unten zeigt die Zeichen im 3-Zeichen-Namenscode für Klasse 2 Keramikkondensatoren (X5R, X7R, usw.).

Wie man Kondensatoren mit spezifischen Dielektrika findet

Wenn Sie nach Kondensatoren mit einem elektrolytischen, Kunststoff- oder sogar Polyester-Dielektrikum suchen, können Sie einfach in Ihren PCB-Teilebibliothekswerkzeugen danach suchen. Ein Dienst wie Octopart kann viele Optionen mit spezifischen Dielektrika, Gehäusegrößen, Montagestilen usw. anzeigen. Es gibt einige Hauptpunkte, die bei der Auswahl von Dielektrika zu berücksichtigen sind:

• Kapazität und Temperaturkoeffizient: Beide Punkte sollten zusammen betrachtet werden, wenn man eine dielektrikumbasierte Komponentensuche durchführt.
• Toleranzen: Dies ist nicht dasselbe wie der Temperaturkoeffizient; es ist die Variation um den Nennkapazitätswert herum (genau wie bei anderen passiven Bauteilen).
• Lebensdauer: Kondensatordielektrika haben eine Lebensdauerbegrenzung, bei der die Kapazität mit der Zeit langsam abnehmen wird und schließlich über das durch die Toleranz des Geräts definierte Limit hinaus verändern wird.
• Parasitäre Effekte: ESL und ESR sind wichtig für Hochfrequenzanwendungen, in einigen Leistungsanwendungen mit schnellem Schalten oder für die Leistungsintegrität digitaler Systeme.
• Gehäusegröße: Bei Chipkondensatoren und radialen/axialen Elektrolytkondensatoren führen größere Gehäuse zu größeren Kapazitäten. Diese können einer Standardbezeichnung folgen, wie den SMD-Gehäusecodes für Chipkondensatoren. Kleinere Gehäuse haben kleinere Pad-Größen und damit geringere ESL.

Für Keramikkondensatoren sind unter diesen grundlegenden Spezifikationen nur die Punkte 1 und 2 standardisiert, basierend auf dem 3-Zeichen-Namenscode. Wenn Sie wissen, dass ein spezifischer Code in Ihrer Anwendung funktionieren wird, dann können Sie nach diesem Code suchen. Andere Arten von Kondensatoren haben nicht das gleiche Typ von standardisiertem Namenssystem wie Keramiken, daher finden Sie möglicherweise nicht die benötigten Elektrolytkondensatoren, wenn Sie einfach mit der Suche nach Codierungszeichen beginnen.

Schließlich ist für Leistungsanwendungen die Durchbruchspannung wichtig. Beachten Sie, dass die Dielektrika von Kondensatoren in Bezug auf ihre dielektrische Festigkeit charakterisiert werden, welche die elektrische Feldstärke ist, die erforderlich ist, um das Dielektrikum zu durchbrechen. Die Durchbruchspannung ist gerätespezifisch und wird die wichtige Spezifikation beim Entwerfen von Stromsystemen sein. Vergessen Sie nicht, diese Spezifikation beim Entwurf für eine Stromversorgung zu berücksichtigen, und stellen Sie sicher, dass die Bewertung für Wechsel- oder Gleichspannung gilt; dies ist ein häufiger Fehler, der dazu führen kann, dass Ihr System ausfällt!

Egal, ob Sie ein Netzteil oder ein drahtloses Gerät sind, Sie müssen Kondensatoren einbeziehen und müssen diese möglicherweise basierend auf dem Dielektrikum des Kondensators auswählen. Wenn Sie die Kondensatoren, die Sie in Ihrem Design benötigen, gefunden haben, verwenden Sie die PCB-Design-Tools in CircuitMaker, um Ihre Schaltpläne und Ihr PCB-Layout vorzubereiten. Alle CircuitMaker-Nutzer können Schaltpläne, PCB-Layouts und die zur Umsetzung einer Idee in die Produktion benötigte Fertigungsdokumentation erstellen. Nutzer haben auch Zugang zu einem persönlichen Arbeitsbereich auf der Altium 365™ Plattform, wo sie Design-Daten in der Cloud hochladen und speichern können und Projekte sicher über einen Webbrowser einsehen können.

Häufige Fragen zu Keramikkondensatoren

Was macht ein Keramikkondensator?

Ein Keramikkondensator (auch Kerko genannt) speichert kurzzeitig elektrische Energie, glättet Spannungen und filtert störende Signale. Als Isolierschicht dient ein keramisches Dielektrikum, und das Bauteil besitzt in der Regel keine feste Polung. Seine drei Hauptaufgaben sind:

• Energie speichern: Er nimmt kurzzeitig Strom auf und gibt ihn bei Bedarf sofort wieder ab.
• Rauschen filtern: Er fängt schnelle Spannungsspitzen ab und schützt so empfindliche Bauteile.
• Signale trennen: Er lässt Wechselstrom passieren, blockiert aber Gleichstrom.

Dank seiner niedrigen ESR reagiert ein Keramikkondensator sehr schnell auf Wechselsignale – ideal für Hochfrequenz- und Entkopplungsanwendungen.

Was bedeuten Codes wie X7R oder C0G?

Der dreistellige Code kennzeichnet das Dielektrikum eines Keramikkondensators und beschreibt, wie sich seine Kapazität bei Temperaturänderungen verhält. Am Beispiel X7R: Das X steht für die Mindesttemperatur −55 °C, die 7 für die Höchsttemperatur +125 °C und das R für die zulässige Kapazitätsänderung von ±15 % in diesem Bereich.

Zwei gängige Vertreter im Vergleich:

• C0G (auch NP0, Klasse 1): äußerst stabil und temperaturkompensiert (nahezu 0 ppm/°C) – ideal für Hochfrequenz, Oszillatoren und Präzisionsfilter, aber nur geringe Kapazität.
• X7R (Klasse 2): höhere Kapazität auf kleinem Raum, dafür temperatur- und spannungsabhängig – für Pufferung, Kopplung und allgemeine Entkopplung, wenn absolute Präzision nicht im Vordergrund steht.