Welche Kondensatortypen sollten Sie verwenden?

Wie man Kondensatortypen auswählt

Kondensatoren sind eines der Hauptkomponenten in allen elektronischen Geräten und für deren Betrieb unerlässlich. In der modernen Elektronik findet man am häufigsten keramische Kondensatoren zur Entkopplung von Stromversorgungen für nahezu jeden integrierten Schaltkreis (IC) auf einer Leiterplatte oder Aluminium-Elektrolytkondensatoren als Bulk-Kapazität für einen Spannungsregler. Kondensatoren werden jedoch in weit mehr Anwendungen als nur zur Geräuschunterdrückung eingesetzt, und es gibt viele mehr Typen von Kondensatoren als nur die keramischen und Aluminium-Elektrolytkondensatoren.

Unterschiedliche Typen von Kondensatoren werden verwendet für:

• Kopplung 
• Entkopplung 
• Filter
• Energiespeicherung/-versorgung
• Impedanzanpassung 
• Snubber
• und viele weitere Anwendungen

In diesem Artikel werden wir uns alle verschiedenen Typen von Kondensatoren anschauen, wo sie eingesetzt werden könnten und gängige Kondensatorspannungen. Obwohl wir Kondensatoren als eine stabile Technologie betrachten könnten, die sich seit Jahrzehnten nicht verändert hat, ist die Realität, dass der Kondensator von heute sehr unterschiedlich ist im Vergleich zu vor nur einem Jahrzehnt, ganz zu schweigen von 20 Jahren in der Vergangenheit. Anwendungen, bei denen man sich früher nie vorstellen konnte, einen bestimmten Typ von Kondensator zu verwenden, sind heute mit den Fortschritten in der Kondensatortechnologie durchaus vernünftig. Im Gegensatz dazu könnten einige Kondensatoren heute als veraltet angesehen werden, ohne praktische Anwendungen im Vergleich zu anderen Kondensatortypen, aber sie haben immer noch ihre Nischenanwendungen, in denen sie hervorragend sind.

Obwohl alle verschiedenen Typen von Kondensatoren Kapazität bieten - sie sind nicht alle gleich. Kapazität ist nicht der einzige kritische Parameter bei der Auswahl eines Kondensators, und jeder Typ von Kondensator wird in unterschiedlichen Anwendungen verwendet, so dass manchmal die richtige Wahl keine leichte Aufgabe ist. Man sollte Kapazität, maximale Spannung, äquivalenten Serienwiderstand (ESR), äquivalente Serieninduktivität (ESL), Langlebigkeit, Größe, Preis, Verfügbarkeit, temperaturabhängige Parameter und so weiter berücksichtigen. Zum Beispiel sind beim Wählen eines Bypass-Kondensators die ESR- und ESL-Parameter wesentlich. Andererseits kann beim Wählen eines Kondensators für Energiespeicherung oder plötzliche Laständerung der Stromverlust kritischer sein.

Die Auswahl Ihres Kondensators hängt in erster Linie von Ihrer Anwendung und Ihren Budgetbeschränkungen ab. Die Preise für Kondensatoren können variieren, von weniger als einem Cent bis zu mehr als 100 Dollar.

Lassen Sie uns einen Blick auf die verschiedenen Kondensatortypen werfen, wo sie verwendet werden und wann einer geeigneter ist als ein anderer.

Keramikkondensatoren

Keramikkondensatoren gehören zu den beliebtesten und am häufigsten verwendeten Kondensatortypen. In den Anfangszeiten hatten Keramikkondensatoren eine sehr niedrige Kapazität, aber heutzutage ist das nicht mehr der Fall. Mehrschichtige Keramikkondensatoren (MLCC) werden in Schaltkreisen umfangreich eingesetzt; ihre Kapazitätswerte können Hunderte von Mikrofaraden (µF) erreichen. Moderne Keramikkondensatoren können anstelle anderer Kondensatortypen für veraltete Hardware/Designs, wie z.B. Elektrolyt- oder Tantalkondensatoren, verwendet werden. Der Unterschied zwischen einem Elektrolytkondensator und einem Keramikkondensator besteht darin, dass letzterer eine höhere Leistung zu niedrigeren Kosten bietet.

MLCCs haben einen keramischen Dielektrikkörper, der eine Mischung aus fein gemahlenen Granulaten von paraelektrischen oder ferroelektrischen Materialien und anderen Komponenten ist, um die gewünschten Parameter zu erreichen. Sie haben mehrere Schichten von Elektroden, die die Kapazität erzeugen. Die Keramik wird bei hohen Temperaturen gesintert, um die elektrische und mechanische Basis des Kondensators zu bilden.

Die Keramikschichten sind normalerweise sehr dünn; dies hängt jedoch von der Spannungsbewertung der Komponente ab. Je höher die Spannung, desto größer die Dicke und Größe des Kondensators bei gleicher Kapazität. Der Kondensator wird normalerweise durch eine dünne Beschichtung vor Feuchtigkeit und anderen Verunreinigungen geschützt.

Obwohl es nach wie vor durchkontaktierte/geleitete Versionen von Keramikkondensatoren gibt, sind es die Oberflächenmontage-Typen, die wirklich herausragen. Interessanterweise findet man, wenn man viele durchkontaktierte Keramikkondensatoren heute auseinandernimmt, möglicherweise einen Oberflächenmontage-Kondensator, der unter der Perle an Leitungen befestigt ist! Das Produktionsvolumen und die durch dieses Volumen ermöglichten Skaleneffekte machen es für Hersteller günstiger, einfach eine Oberflächenmontage-Komponente in ein durchkontaktiertes Gehäuse umzupacken. Oberflächenmontierte Keramikkondensatoren können für ihre winzige Größe äußerst wettbewerbsfähige Kapazitätswerte bieten. MLCCs sind die kleinsten Kondensatoren auf dem Markt, mit Gehäusegrößen bis hinunter zu 08004 (0201 metrisch). Ohne diese winzigen Kondensatorgrößen wären leistungsfähige, hochdichte Platinen nicht realisierbar.

MLCCs sind nicht nur wegen ihrer Kompaktheit bei relativ hoher Kapazität beliebt, sondern auch, weil sie für viele Anwendungen kritisch sind, bei denen der Elektrolyttyp völlig ungeeignet wäre. Als oft übersehener Vorteil neigen keramische Kondensatoren im Allgemeinen nicht dazu, in Flammen aufzugehen oder zu explodieren, wenn sie nicht richtig behandelt werden. Sie haben keine Polarität und können Spannungen, die deutlich über ihren Nennwerten liegen, ausgesetzt werden, ohne dass der Kondensator selbst Schaden nimmt. Im Gegensatz dazu neigen Aluminiumelektrolyt- und insbesondere Tantal- gegenüber Keramikkondensatoren dazu, bei auch nur geringfügiger Anwendung einer falschen Spannung oder leichter Überschreitung ihrer Nennwerte zu kleinen Raketenmotoren zu werden oder zu explodieren.

Weitere Vorteile dieser Art von Kondensator:

• Breiter Kapazitäts- und Spannungsbereich 
• Zuverlässige Leistung 
• Tape & Reel für die Oberflächenmontage 
• Niedriger ESR 
• Hohe Q bei hohen Frequenzen

Trotz ihrer allgemeinen Vorteile und Nutzen sind nicht alle keramischen Kondensatoren gleich, einige sind extrem billig, während andere teuer sind. Die Parameter des Kondensators hängen auch von mehreren Faktoren ab, wie zum Beispiel davon, welcher keramische Dielektrikumstyp verwendet wird. Die am häufigsten gelagerten Dielektrikumstypen sind C0G, NP0, X7R, Y5V und Z5U.

Es gibt zwei Hauptklassen von keramischen Kondensatoren:
Klasse 1: bietet hohe Stabilität und geringe Verluste für Anwendungen in Resonanzkreisen (NP0, P100, N33, N75 usw.).
Klasse 2: bietet hohe volumetrische Effizienz für Puffer-, Bypass- und Kopplungsanwendungen (X7R, X5R, Y5V, Z5U usw.).

Keramikkondensatoren der Klasse 1

Keramikkondensatoren der Klasse 1 bieten die höchste Stabilität und die geringsten Verluste. Sie haben eine hohe Toleranz und Genauigkeit und sind stabiler bei Änderungen in Spannung und Temperatur. Kondensatoren der Klasse 1 eignen sich für den Einsatz als Oszillatoren, Filter und anspruchsvolle Audioanwendungen.

Die Toleranzcodes für Keramikkondensatoren der Klasse 1 sind unten angegeben:

Erster Buchstabe		Zweiter Buchstabe		Dritter Buchstabe
Buchstabe	Signifikante Ziffern	Ziffer	Multiplikator (10x)	Buchstabe	Toleranz
C	0.0	0	-1	G	+/- 30
B	0.3	1	-10	H	+/- 60
L	0.8	2	-100	J	+/- 120
A	0.9	3	-1000	K	+/- 250
M	1.0	4	+1	L	+/- 500
P	1.5	6	+10	M	+/- 1000
R	2.2	7	+100	N	+/- 2500
S	3.3	8	+1000
T	4.7
V	5.6
U	7.5

 

Der erste Buchstabe ist ein Zeichen, das die signifikante Ziffer der Änderung der Kapazität über die Temperatur in ppm/°C angibt. Das zweite Zeichen ist numerisch und bezeichnet den Multiplikator für das erste Zeichen. Das dritte Zeichen ist ein Buchstabe, der den maximalen Fehler in ppm/°C darstellt.

Beispiel: C0G-Keramiken bieten eines der stabilsten Kondensatordielektrika, die verfügbar sind. Die Kapazitätsänderung mit der Temperatur beträgt 0 +/- 30ppm/°C, was weniger als +/- 0,3% der Nennkapazität von -55°C bis +125°C entspricht. Die Kapazitätsdrift oder Hysterese für C0G-Keramiken ist vernachlässigbar bei weniger als ±0,05% im Vergleich zu bis zu ±2% bei Folienkondensatoren.

Das C0G (NP0) Keramikdielektrikum hat in der Regel ein „Q“ von mehr als 1000 und zeigt wenig Kapazitäts- oder „Q“-Änderungen mit der Frequenz. Zusätzlich dazu ist die dielektrische Absorption typischerweise weniger als 0,6%; dies ist ähnlich wie bei Glimmer, der für seine sehr niedrige Absorption bekannt ist. Das macht Keramikkondensatoren ausgezeichnet für HF-Anwendungen, und man findet typischerweise Keramikkondensatoren, die speziell für HF-Schaltungen entworfen sind.

Klasse 2 Keramikkondensatoren

Klasse 2 Keramikkondensatoren haben eine viel höhere Permittivität als die in Klasse 1. Dies verleiht ihnen ein viel höheres Kapazitätsniveau pro Volumeneinheit. Allerdings haben sie als Kompromiss für diese höhere Dichte eine niedrigere Gesamtgenauigkeit und Stabilität. Zusätzlich zur niedrigeren Präzision und Stabilität zeigen Klasse 2 Keramikkondensatoren auch einen nichtlinearen Temperaturkoeffizienten und eine Kapazität, die in geringem Maße von der angelegten Spannung abhängig ist.

Solche Kondensatoren eignen sich ideal für Entkopplungs- und Kopplungs-Anwendungen, bei denen der genaue Kapazitätswert nicht kritisch ist, aber wo Platz ein Problem sein könnte. Sie sind auch ideal für die Bulk-Kapazität in Schaltungen, die schnell wechselnde Lasten haben, aber einen kompakten Fußabdruck benötigen, wie z.B. HF-Sender/Empfänger-ICs.

Die Zeichencodes für die Toleranzen von Klasse 2 Keramikkondensatoren lauten:

Erster Buchstabe		Zweiter Buchstabe		Dritter Buchstabe
Buchstabe	Niedrige Temp	Ziffer	Hohe Temp	Buchstabe	Änderung
X	-55°C (-67°F)	2	+45°C (+113°F)	D	+/- 3,3%
Y	-30°C (-22°F)	4	+65°C (+149°F)	E	+/- 4,7%
Z	+10°C (+50°F)	5	+85°C (+185°F)	F	+/- 7,5%
		6	+105°C (+221°F)	P	+/- 10%
		7	+125°C (257°F)	R	+/- 15%
				S	+/- 22%
				T	+22% / -33%
				U	+22% / -56%
				V	+22% / -82%

 

Der erste Buchstabe ist ein Buchstabe, der das untere Ende des Betriebstemperaturbereichs darstellt. Die zweite ist die Zahl und gibt die obere Grenze der Betriebstemperatur an. Der dritte Buchstabe ist ein Buchstabe, der die Kapazitätsänderung über den gesamten Betriebstemperaturbereich angibt.

Eine der häufigsten und beliebtesten Klasse 2 Keramikdielektrika ist X7R, das einen Temperaturbereich von −55°C bis +125°C aufweist und eine Kapazitätsänderung von ±15% hat, was relativ kostengünstig ist und dennoch eine relativ gute Toleranz aufweist. Y5V Kondensatoren sind ebenfalls sehr verbreitet, wenn die Kapazität oder Spannung das obere Ende eines gegebenen Pakets erreicht. Es hat einen Temperaturbereich von −30 bis +85°C und eine Toleranz über den Bereich von +22/−82%, was immer noch für viele Entkopplungs- oder Bulk-Kapazitätsanforderungen geeignet ist, die kompakt und kosteneffektiv sein müssen.

Klasse 3 Keramikkondensatoren

Historisch gesehen gibt es auch Klasse 3 Keramikkondensatoren, die eine hohe Kapazität pro Volumeneinheit bieten. Diese Dielektrika sind immer noch schwer in Produktion zu finden, da moderne Klasse 2 Mehrschichtkeramiken ähnliche oder höhere Kapazitäten kombiniert mit besserer Leistung in einem kompakteren Paket bieten können.

Tantal-Kondensatoren

Tantal ist eine Art von Elektrolytkondensator, der unter Verwendung von Tantalmetall als Anode hergestellt wird, bedeckt von einer dünnen Oxidschicht, die als Dielektrikum dient. Tantal bietet eine sehr dünne dielektrische Schicht, was zu höheren Kapazitätswerten pro Volumeneinheit führt.

Tantal-Kondensatoren sind polarisiert, was bedeutet, dass sie nur mit einer Gleichstromversorgung verwendet werden können und nur in der richtigen Ausrichtung platziert werden dürfen. Ein Tantal-Kondensator, der außerhalb seiner Nennspannung/-temperatur oder mit falscher Polarität verwendet wird, führt schnell zu thermischem Durchgehen, was Brände und sogar kleine Explosionen verursachen kann. Dies kann durch die Verwendung von Sicherheitskomponenten, wie Strombegrenzern oder thermischen Sicherungen in Ihrem Design, gemildert werden. Dennoch ist dies etwas, dessen man sich bewusst sein sollte, wenn Tantal-Kondensatoren in der Nähe ihrer Bewertungen verwendet werden.

Im Vergleich zu Keramikkondensatoren ist der äquivalente Serienwiderstand eines Tantal-Kondensators relativ hoch, typischerweise um Größenordnungen höher. Dies macht Tantal-Kondensatoren zu einer schlechten Wahl für Hochfrequenzanwendungen.

Tantal-Kondensatoren sind typischerweise deutlich teurer als MLCCs, daher ist die Verwendung von Tantal-Kondensatoren für allgemeine Anwendungen zunehmend selten geworden. Sie haben jedoch einige herausragende Merkmale, die sie für bestimmte Anwendungen ideal machen, trotz ihrer zusätzlichen Kosten.

Lineare Kapazitätsänderung mit Temperatur

Tantal-Kondensatoren weisen eine lineare Kapazitätsänderung mit der Temperatur auf. Diese lineare Änderung erleichtert die Berechnung der Kapazität unter kritischen Bedingungen. Zusätzlich zur linearen Änderung steigt die Kapazität von Tantal-Kondensatoren mit der Temperatur, was Vorteile für die Energiespeicherung oder für die Stabilität der Laständerung bei Schaltnetzteilen bietet, zum Beispiel. Wenn ein Tantal-Kondensator in der Nähe eines Schaltnetzteils platziert ist, steigt seine Kapazität leicht an, wenn das Netzteil unter hoher Last steht und sich aufheizt.

Begrenzte mikrophonische/piezoelektrische Effekte

Aufgrund des piezoelektrischen Effekts sind keramische Kondensatortypen mikrophonisch, da sie vibrieren und Spannungen ähnlich wie ein Piezomikrofon erzeugen. Dieser Effekt kann zusätzliches Rauschen in einem Schaltkreis verursachen, was für Platinen in hochvibrationsumgebungen mit empfindlichen/niedervoltigen analoge Signale nicht ideal ist. Dieses Rauschen ist nicht bedeutend genug, um digitale oder verstärkte analoge Signale zu beeinflussen, jedoch könnten unverstärkte analoge Signale von Wandlern oder anderen sehr empfindlichen Signalen betroffen sein. Das ist ein Grund, warum viele audio-bezogene Komponenten keramische Kondensatoren nicht empfehlen. Tantal-Kondensatoren neigen nicht zu piezoelektrischen/mikrophonischen Eigenschaften, was sie ideal für Audioanwendungen oder Anwendungen in hochvibrationsumgebungen macht.

Kapazität vs. Spannungseigenschaften

Tantal-Kondensatoren sind sehr stabil unter verschiedenen Gleichspannungsbedingungen, solange diese Bedingungen nicht über die Bewertungen des Kondensators hinausgehen. Die Kapazität von mehrlagigen keramischen Kondensatoren ändert sich signifikant mit der Spannung und nimmt mit steigender Spannung ab. Dies kann für Anwendungen mit unterschiedlichen Spannungen entscheidend sein und könnte auch einen Tantal-Kondensator in bestimmten Anwendungen preislich mit einem MLCC vergleichbar machen. Ein Tantal-Kondensator wird Ihnen typischerweise die vollständig beworbene Kapazität geben, abzüglich jeglicher Toleranz. Für rauscharme Stromversorgungen und kritische Entkopplungsanwendungen, bei denen ein keramischer Kondensator nahe seiner maximalen Spannung betrieben wird, benötigen Sie ein Drittel der Kapazität von einem Tantal-Kondensator im Vergleich zu einem keramischen Kondensator. Alternativ benötigen Sie ein Drittel der Anzahl paralleler Kondensatoren, um die gleiche realweltliche Kapazität zu haben, was bedeutende Platzersparnisse bieten könnte.

Stabilität über die Zeit

Die Permittivität des Dielektrikums in Keramikkondensatoren ist auf die Degradation der polarisierten Domänen in ferroelektrischen Dielektrika über die Zeit zurückzuführen. Auch wenn dies wie eine Zeile aus einer Science-Fiction-Show klingen mag, ist der realweltliche Effekt eine abnehmende Kapazität über die Zeit. Tantal-Kondensatoren hingegen bleiben über ihre Lebensdauer hinweg stabil. Tantal-Kondensatoren trocknen auch nicht aus oder degradieren wie Aluminium-Elektrolytkondensatoren, was sie ideal für Langzeitanwendungen macht, insbesondere in Szenarien, in denen Wartungsarbeiten teuer oder unmöglich sind oder wo ein Gerät mission-kritisch ist.

Aluminium-Elektrolytkondensatoren

Die Aluminium-Elektrolytkondensatoren sind ikonisch. Wenn man nach Bildern von Kondensatoren sucht, wird man höchstwahrscheinlich ein Bild eines Aluminium-Elektrolytkondensators finden. In der modernen Elektronik werden Aluminiumkondensatoren meist für Anwendungen mit großer Kapazität eingesetzt, wo aufgrund ihres Volumens, hohen ESR und Stromlecks eine signifikante Menge an Kapazität erforderlich ist. Obwohl sie in vielen Anwendungen ersetzt wurden, sind sie immer noch sehr beliebt wegen ihrer großen Kapazitätswerte, hohen maximalen Spannungswerte und niedrigen Kosten.

Ein Aluminium-Elektrolytkondensator ist mit einem flüssigen Elektrolyten aufgebaut. Der Elektrolyt ist eine Flüssigkeit oder ein Gel, das eine hohe Konzentration von Ionen enthält. Wie auch bei Tantal-Kondensatoren, die ebenfalls elektrolytisch sind, sind Aluminium-Elektrolytkondensatoren polarisiert. Das bedeutet, dass der positive Anschluss ein höheres Potenzial als der negative Anschluss haben muss. Anders als in Science-Fiction-Serien, wo der Kapitän „Polarität umkehren“ ruft, um etwas zu bewirken, führt dies bei einem Aluminiumkondensator schnell zum Ausfall, wobei er platzen und möglicherweise Feuer fangen kann.

Aluminiumkondensatoren wurden in vielen Anwendungen durch kostengünstigere mehrlagige Keramikkondensatoren, Aluminium-Polymer-Kondensatoren mit niedrigem ESR oder Tantal-Kondensatoren ersetzt, aufgrund der vielen Nachteile von Aluminium-Elektrolytkondensatoren. Aluminiumkondensatoren haben einen sehr hohen äquivalenten Serienwiderstand, was dazu führt, dass sie viel Leistung verbrauchen, wenn Signale mit hoher Frequenz oder großer Amplitude an den Kondensator angelegt werden. Die Lebensdauer eines Aluminiumkondensators wird stark durch den Elektrolyten begrenzt, der austrocknen kann - die Lebensdauer wird bei hohen Betriebstemperaturen stark reduziert. Der Leckstrom eines Aluminiumkondensators ist wesentlich höher als bei den meisten anderen Kondensatortypen, was sie für Kopplungsanwendungen weniger ideal macht.

Die Nachteile machen diese Kondensatoren in vielen modernen Anwendungen unbrauchbar. Dennoch werden Aluminiumkondensatoren nicht verschwinden, da sie mehrere Vorteile haben, nicht zuletzt ihre geringen Kosten bei vergleichbarer Kapazität/Spannung. Aluminiumkondensatoren bieten auch Kapazitätswerte bis zu mehreren Farad und viel höhere Spannungen als viele andere Kondensatortypen, zumindest wenn man die Kapazität berücksichtigt. Trotz ihrer Größe können sie einen kleineren Fußabdruck haben als die äquivalente Kapazität in mehreren anderen Kondensatoren eines anderen Typs in Parallelschaltung, da es typisch für Aluminiumkondensatoren ist, ein hohes Verhältnis von Durchmesser zu Höhe zu haben. Wenn vertikaler Platz kein Problem ist, kann ein Aluminiumkondensator eine außergewöhnliche Kapazität für seinen Fußabdruck haben.

Im Vergleich zu Tantal-Kondensatoren neigen Aluminiumkondensatoren dazu, bei einem Ausfall weniger Schaden an einer Schaltung anzurichten. Nähert sich ein Aluminiumkondensator dem Ende seiner Lebensdauer, verringert sich seine Kapazität allmählich. Falls er aufgrund von Überspannung oder anderem Missbrauch ausfällt, wird er typischerweise platzen oder anschwellen, ohne dabei einen Teil Ihrer Leiterplatte zu zerstören oder ein Feuer zu verursachen.

Während Polymerversionen von Aluminiumkondensatoren viele Vorteile bieten, ist der einfache Aluminiumkondensator deutlich günstiger und bietet auch höhere maximale Spannungswerte.

Aluminium-Elektrolytkondensatoren können in vielen Anwendungen ersetzt werden, weil sie den anspruchsvollen Anforderungen moderner Schaltkreise nicht gerecht werden, dennoch sind sie in Anwendungen, in denen große Kapazitätswerte mit einem begrenzten Budget benötigt werden, unschlagbar. Sie werden in vielen Schaltnetzteilen verwendet, um die Spannungsrippel zu reduzieren, in Audio- oder anderen Tiefpassfiltern, Glättungs- oder Bulk-Kapazitätsanwendungen. Obwohl sie möglicherweise nicht die ideale Wahl sind, sind sie manchmal die einzige Wahl oder der einzige Weg, um einen stabilen Schaltkreis innerhalb des Budgets zu erreichen.

Polymere Kondensatoren

Polymere Kondensatoren sind eine relativ neue Technologie und werden schnell zu einem verbreiteten Typ von Elektrolytkondensatoren. Sie sind eine ausgezeichnete Alternative zu herkömmlichen Aluminium- und Tantalkondensatoren und in einigen Anwendungen sogar zu mehrlagigen Keramikkondensatoren. Diese Kondensatoren verwenden leitfähige feste Polymere als Elektrolyt anstelle von flüssigen oder gelartigen Elektrolyten, die in traditionellen Elektrolytkondensatoren zu finden sind. Mit sowohl Aluminium-Polymer- als auch Tantal-Polymer-Kondensatoren, die in denselben Gehäusen wie ihre flüssigen Elektrolyt-Vorgänger angeboten werden, ist es einfach, ein bestehendes Design auf Polymere Kondensatoren umzurüsten und die Vorteile zu nutzen.

Durch die Verwendung fester Elektrolyte vermeiden polymere Kondensatoren das Problem des Austrocknens von flüssigen Elektrolyten, was die Lebensdauer klassischer Elektrolytkondensatoren erheblich einschränkt.

Polymere Kondensatoren können in den meisten Situationen als Ersatz für Tantal-Elektrolytkondensatoren verwendet werden, solange sie die maximale Nennspannung nicht überschreiten, die in der Regel niedriger ist als die klassischer Elektrolytkondensatoren. Polymere Kondensatoren findet man am häufigsten mit einer Nennspannung von bis zu 35V DC, aber es gibt immer noch viele Optionen bis etwa 63V DC. Es gibt eine begrenzte Anzahl von Kondensatoren, die für Aluminium-Polymer bis zu 250V DC oder für Tantal-Polymer bis zu 125V DC ausgelegt sind.

Ein anderer Grund, warum bestehende Designs meist nicht die meisten Tantal- oder Aluminium-Elektrolytkondensatoren durch Polymere ersetzen, ist, dass sie im Vergleich relativ teuer sind. Dennoch gibt es mehrere Vorteile bei der Verwendung von Polymerkondensatoren in Designs, insbesondere in Stromversorgungen. In mehreren meiner Open-Source-Projektartikel habe ich Aluminium-Polymer-Kondensatoren spezifiziert, da ihre Leistung pro Dollar für diese spezifischen Anwendungen unschlagbar war.

Kapazität vs. Spannungscharakteristiken

Wie die Tantal-Elektrolytkondensatoren, die wir uns zuvor angesehen haben, haben polymere Kondensatoren praktisch identische Eigenschaften, wenn es um Kapazität vs. Spannung geht – die Kapazität nimmt in linearer Weise zu, wenn die Temperatur steigt.

Sehr niedriger ESR

Ein bedeutender Nachteil traditioneller Tantal- und Aluminiumkondensatoren ist ihr hoher äquivalenter Serienwiderstand. Bei Verwendung für Filteranwendungen in einem Schaltnetzteil ist es schwierig, eine geringe Spannungsrippelung zu erreichen oder elektromagnetische Störungen zu mindern. Der ESR von Polymerkondensatoren ist ähnlich wie bei vielen Keramikkondensatoren, was sie ideal für Filteranwendungen macht, da sie deutlich höhere Kapazitätswerte als keramische Optionen bieten. Obwohl Polymerkondensatoren deutlich teurer sind als ihre flüssigen Elektrolytkollegen, sind sie immer noch weit günstiger als eine entsprechende Anzahl paralleler Keramikkondensatoren. Der niedrige ESR von Polymerkondensatoren macht sie ideal für alle Anwendungen mit hohem Stromrippel, bei denen große Kapazitätsmengen erforderlich sind.

Hohe Kapazitätsdichte

Aluminiumpolymerkondensatoren bieten hauptsächlich eine sehr hohe Kapazitätsdichte für ihren PCB-Fußabdruck. Tantalpolymerkondensatoren kommen nicht in den hohen Gehäusen vor, wie es bei Aluminiumkondensatoren der Fall ist. Die hohen zylindrischen Aluminiumkondensatoren ermöglichen eine außergewöhnlich hohe Kapazität durch die Verwendung von Komponenten mit hohem Aspektverhältnis, die im Verhältnis zu ihrem Fußabdruck sehr hoch sind - sofern die Freiräume dies zulassen.

Kein Auslaufen

Aluminiumkondensatoren sind bekannt für ihr Versagen, da der Elektrolyt entweder austrocknet oder ausläuft. Ein auslaufender Kondensator kann eine Schaltplatine zerstören, die sonst einfach durch Austauschen des Kondensators repariert werden könnte. Aufgrund des festen Polymerelektrolyten ist ein Auslaufen nicht möglich.

Kein piezoelektrischer Effekt

Wie bereits früher besprochen, haben die Polymer-Varianten, genau wie ihre nicht-polymeren Gegenstücke, keine piezoelektrischen/mikrophonischen Probleme, was sie ausgezeichnet für Audio und andere empfindliche kleine Signalanwendungen von keramischen Analoglieferanten macht.

Frequenzstabilität

Wie bereits angesprochen, sind Polymerkondensatoren hervorragend für Hochfrequenzanwendungen im Vergleich zu ihren flüssigen Elektrolytkollegen geeignet. Obwohl sie nicht so gut wie ein Keramikkondensator sind, kommen sie diesem sehr nahe und können eine hohe Kapazität für einen ähnlichen Preis und PCB-Fußabdruck bieten im Vergleich zur keramischen Kondensatoroption.

Dies macht die Polymerkondensatoren ausgezeichnet für Stromversorgungen und Audioanwendungen. Obwohl ein Polymerkondensator typischerweise teurer ist als andere Alternativen, kann er Kosteneinsparungen gegenüber Keramikkondensatoren bieten, aufgrund der Reduktion der Kapazität bei der Spannung in Keramiken - was weniger Polymerkondensatoren erfordert, um dieselbe Arbeit zu verrichten.

Als Beispiel nehmen wir eine einfache DC-DC Buck-Stromversorgung, um als unser PCB-Kondensatorsymbol im Diagramm unten zu dienen:

Die oben genannte Anwendung erfordert 250 μF Kapazität am Eingang und 450 μF Kapazität am Ausgang. Sobald die Degradation der Kapazität des Keramikkondensators über Spannung, Alterung und Temperatur berücksichtigt wird, müssen wir den Keramikkondensator um etwa 70% herabsetzen. Diese Herabsetzung bedeutet, dass die Kapazität etwa 833 μF am Eingang und 1500 μF am Ausgang betragen sollte. Es würden achtzehn 47 μF Keramikkondensatoren am Eingang und fünfzehn 100 μF Keramikkondensatoren am Ausgang benötigt. Durch die Verwendung von Polymerkondensatoren könnten wir stattdessen zwei 150 μF Polymerkondensatoren am Eingang und einen einzigen 470 μF Polymerkondensator am Ausgang verwenden. Da die Polymerkondensatoren keine Herabsetzung benötigen, bieten sie eine 30%ige Einsparung bei den Kosten und eine 50%ige Einsparung im PCB-Bereich.

Folienkondensatoren

Folienkondensatoren, wie der Name schon sagt, verwenden dünne Kunststofffolie als Dielektrikum. Diese Arten von Kondensatoren sind günstig, sehr stabil über die Zeit und haben sehr niedrige Selbstinduktivitäts- und äquivalente Serienwiderstandsparameter. Einige Folienkondensatoren können extrem große reaktive Leistungsspitzen aushalten.

Eine extrem dünne Folie wird durch einen Ziehprozess hergestellt, die dann metallisiert oder unbehandelt gelassen werden kann, abhängig von den für den Kondensator erforderlichen Eigenschaften. Anschließend werden Elektroden hinzugefügt und die Montage in ein Gehäuse eingebaut, das den Kondensator vor der Umgebung schützt.

Das relativ schlechte Dielektrikum macht diesen Typ von Kondensator im Vergleich zu anderen Kondensatortypen sehr groß, was ihm eine sehr niedrige Kapazität pro Volumen verleiht, die ihn für deutlich andere Anwendungen als die anderen Optionen, die wir betrachtet haben, geeignet macht. Folienkondensatoren werden in vielen Anwendungen verwendet, wo Stabilität, niedrige Induktivität und niedrige Kosten erforderlich sind.

Ein interessanter Aspekt von metallisierten Filmkondensatoren ist, dass sie selbstheilend sind. Die Selbstheilung tritt auf, wenn Defekte externe Spannungstransienten verursachen. Jegliches Funkenüberschlagen innerhalb des Kondensators verdampft die dünne Metallisierung des Films um den Fehler herum. Dies führt dazu, dass der Bereich, der versagt hat, seine metallisierte Beschichtung verliert - ohne das leitfähige Material gibt es keinen Kurzschluss mehr, sodass der Kondensator nicht mehr im Fehlermodus ist.

Polyesterfilm

Polyesterfilmkondensatoren sind allgemeine, kostengünstige Filmkondensatoren mit dem Hauptvorteil einer ausgezeichneten Stabilität bei höheren Temperaturen (bis zu 125 °C). Diese sind auch als der grüne Kondensatortyp bekannt, der weit verbreitet in Audiogeräten wie Gitarrenverstärkern eingesetzt wird.

Wichtige Merkmale:

• Draht- und Oberflächenmontagegehäuse
• Können bei 125°C mit Spannungsderating arbeiten
• Hohe Toleranz
• Hohe dielektrische Festigkeit ermöglicht relativ kleine Hochspannungskondensatoren
• Niedriger ESR
• Hoher dV/dt - kann in Anwendungen eingesetzt werden, bei denen scharfe, schnelle Anstiegszeitspitzen vorhanden sind

Sie werden typischerweise verwendet für:

• Schaltungen, in denen der Kondensator hohe Spitzenstromstärken bewältigen muss.
• Filterung, wo hohe Toleranzniveaus nicht erforderlich sind.
• Allgemeine Kopplungs- und Entkopplungsanwendungen und Gleichstromblockierung.
• Stromversorgungen, bei denen die sehr hohen Kapazitätsniveaus von Elektrolytkondensatoren nicht benötigt werden.
• Audioanwendungen.

Polypropylen (PP) Film

Polypropylenfilmkondensatoren sind weit verbreitet und in einer breiten Palette von Anwendungen nützlich.

Wichtige Merkmale

• Extrem enge Toleranz (bis zu 1%).
• Sehr stabil, da sie im Laufe der Zeit und bei angelegter Spannung nur sehr geringe Änderungen der Kapazität aufweisen und ihr Temperaturkoeffizient ziemlich niedrig, negativ und linear ist.
• Die meisten PP-Kondensatoren haben einen sehr niedrigen ESR und eine niedrige Eigeninduktivität.
• PP-Kondensatoren können mit extremen Spannungen (bis zu 1kV) arbeiten.
• Ziemlich hohe Temperaturbereiche bis 100°C oder darüber.
• Nur als bedrahtete Komponente verfügbar.
• Nur für den sehr niedrigen Kapazitätsbereich verfügbar (zwischen 100pF und 10nF).

PP-Kondensatoren werden in vielen Anwendungen verwendet:

• Anwendungen in Hochleistungs-/Hoch-AC-Spannungsschaltungen.
• Schaltungen mit hohen Spitzenstromstärken.
• Hochfrequenz-Resonanzschaltungen.
• Präzisions-Timing-Schaltungen.
• Beleuchtungsballastsysteme.
• Schaltnetzteile.
• Sample-and-Hold-Schaltungen.
• Premium-Audioanwendungen, bei denen viele Enthusiasten glauben, dass sie eine bessere Leistung und damit eine bessere Klangqualität bieten.
• Hochfrequenz-Pulsladeschaltungen.

PTFE/Teflon-Folie

PTFE Folienkondensatoren gibt es sowohl in metallisierter als auch in Folien-/Folienvarianten. Diese Arten von Kondensatoren können extremen Temperaturen widerstehen und gewährleisten einen stabilen Betrieb. Allerdings sind diese Kondensatoren relativ teuer und werden in der Regel für hochspezialisierte Anwendungen reserviert.

Wesentliche Merkmale:

• Können bei Temperaturen bis zu 200 °C arbeiten

Polystyrol-Folie

Polystyrol-Folie ist traditionell als preiswerter, allgemeiner Kondensatortyp mit hoher Stabilität und geringer Verlustleistung und Leckage bekannt.

Wesentliche Merkmale:

• Hohe Isolation
• Geringe Leckage
• Geringe dielektrische Absorption
• Geringe Verzerrung (Audio-Enthusiasten mögen sie deswegen)
• Gute Temperaturstabilität

Glimmerkondensatoren

Glimmer- oder Silberglimmerkondensatoren sind eine Art von Kondensatoren, die Glimmer als Dielektrikum verwenden. Glimmer ist ein sehr elektrisch, chemisch und mechanisch stabiles Material. Obwohl es die großartigen Eigenschaften guter elektrischer Eigenschaften und hoher Temperaturbeständigkeit besitzt, sind die Rohstoffkosten hoch. Glimmer ist auch resistent gegen die meisten Säuren, Wasser, Öl und Lösungsmittel. Diese Kondensatoren werden hergestellt, indem Glimmerblätter mit Metall auf beiden Seiten sandwichartig zusammengefügt werden. Silberglimmerkondensatoren sind selten, werden aber immer noch verwendet, wenn stabile und zuverlässige Kondensatoren mit sehr niedrigen Werten erforderlich sind. Sie haben sehr geringe Verluste, können für hohe Frequenzen verwendet werden und ihre Werte sind unglaublich stabil und ändern sich über die Zeit hinweg nicht.

Die Hauptmerkmale von Mica-Kondensatoren sind:

• Hohe Präzision - bis zu 1% des Nennkapazitätswertes. 
• Hohe Stabilität - diese Kondensatoren sind sehr stabil, verschlechtern sich kaum über die Zeit, und die Montage ist durch Epoxidharz geschützt.
• Hohe Temperaturtoleranz. 
• Hohe Spannungstoleranz (bis zu 1kV). 
• Hohe Frequenztoleranz. 
• Hohes Q, niedriger ESR/ESL
• Mica-Kondensatoren sind sperrig und ziemlich teuer. 

Silber-Mica-Kondensatoren werden verwendet in:

• Filtern - hohe Toleranzniveaus und Stabilität ermöglichen eine präzise Berechnung der Filter und eine schnelle Vorhersage ihrer Leistung. 
• RF-Oszillatoren und anderen RF-Schaltungen - in diesen Anwendungen ermöglichen ihre niedrigen Verluste eine Verbesserung des Q-Faktors des abgestimmten Kreises. 
• Hochleistungs-RF-Sendern. 
• Anwendungen mit hoher Spannung. 

Silizium-Kondensatoren

Silizium-Kondensatoren, zumindest als diskrete Komponenten, sind eine relativ neue Art von Kondensator. Interessanterweise ist die am häufigsten verwendete Art von Kondensator weltweit nach Volumen der Siliziumkondensator, der in integrierten Schaltkreisen wie RAM und Flash verwendet wird. Diese Art von diskretem Kondensator basiert auf Dielektrika wie Siliziumdioxid und Siliziumnitrid, die zur Herstellung von hochdichten Kondensatoren verwendet werden. Solche Kondensatoren sind besonders geeignet in Situationen, in denen hohe Stabilität, Zuverlässigkeit und Toleranz gegenüber hohen Temperaturen erforderlich sind.

Die Vorteile von Silizium-Kondensatoren sind:

• Hohe Stabilität bei hohen Temperaturen - Silizium-Kondensatoren können Temperaturen bis zu 250 °C widerstehen. 
• Die Kapazität wird durch Gleichspannungs-Bias nicht verschlechtert. 
• Extrem hohes Potenzial für Miniaturisierung. 
• Sehr niedriger Leckstrom und niedriger Verlustfaktor. 
• Niedrige Ausfallrate. 
• Minimales ESR und ESL. 

Einschränkungen von Silizium-Kondensatoren:

• Niedrige Kapazitätswerte (bis zu 5 μF). 
• Ladungsleckage. 
• Extrem teuer (5 bis 5000 Mal teurer im Preis als MLCC mit demselben Wert und Spannungsbewertung). 

Die Kosten von Silizium-Kondensatoren stellen sicher, dass sie nur in sehr spezifischen Anwendungen verwendet werden. Man findet sie in absolut kritischen und typischerweise teuren Geräten, wo Leistung und Zuverlässigkeit höchste Priorität haben und Kosten zweitrangig sind. Das bedeutet, dass man Silizium-Kondensatoren in medizinischen, militärischen und Luft- und Raumfahrtanwendungen sowie in Hochleistungs-RF-Geräten findet.

Wenn eine Anwendung extrem enge Toleranzen mit sehr hoher Leistung erfordert, gibt es keine Kondensatortypen, die mit Siliziumkondensatoren vergleichbar sind.

Superkondensatoren

Superkondensatoren sind ein weiterer Typ von Kondensatoren, der nicht mit den anderen verglichen werden kann. Diese Arten von Kondensatoren werden für einen völlig anderen Zweck als die oben beschriebenen verwendet. Superkondensatoren sind, zumindest in einer Anwendung, eher mit Batterien als mit den anderen Kondensatortypen, die wir besprochen haben, vergleichbar. Der Hauptzweck dieser Kondensatoren ist die Energiespeicherung mit einer hohen Stromversorgung oder Anwendungen zur Speicherung von Daten wie RAM oder GPS.

Derzeit wird erheblich in die Forschung und Entwicklung von Superkondensatoren investiert, als Alternative zu Batterien für den Betrieb von Elektrofahrzeugen. Das nächste Jahrzehnt verspricht mit der schnellen Entwicklung dieser Technologie sehr interessant zu werden.

Der Kapazitätsbereich von Superkondensatoren beginnt bei mF bis zu mehreren Kilo-Farads, was eine beträchtliche Menge an Energie darstellt. Ihre Kapazität ist tausende oder Millionen Male höher als die eines typischen Kondensators, den man in einem Schaltungsdesign verwenden könnte.

Obwohl Superkondensatoren oft mit Lithium-Ionen-Batterien verglichen werden, haben sie wesentlich unterschiedliche Eigenschaften. Diese dürfen nicht mit „Lithiumkondensatoren“ verwechselt werden, die eine Lithium-Ionen- oder Polymerbatterie in einem Kondensatorgehäuse sind.

Funktion	Supercapacitor	Lithium-Ionen-Akku
Ladezeit	1-10 Sekunden	10 - 60+ Minuten
Zyklenlebensdauer	1 Million Zyklen/30.000 Stunden	500+
Zellenspannung	2,3 bis 2,75V	3,6V Nennspannung
Spezifische Energie	5Wh/kg (typisch)	120 bis 240 Wh/kg
Spezifische Leistung	Bis zu 10.000 W/kg	1000 bis 3000 W/kg
Kosten pro kWh	$10.000 (typisch)	$250-1.000 in großen Mengen
Lebensdauer (industriell)	10-15 Jahre	5-10 Jahre
Ladetemperatur	-40 bis 65C (-40 bis 149F)	0 bis 45C (32 bis 113F)
Entladetemperatur	-40 bis 65C (-40 bis 149F)	-20 bis 60C (-4 bis 140F)

 

Die Vorteile von Supercapacitors sind:

• Sehr hohe Lade-/Entladezyklenzahl.
• Enorme Leistungsdichte, die das Liefern sehr hoher Ströme ermöglicht.
• Lange Lebensdauer.
• Weiter Betriebstemperaturbereich.

Jedoch gibt es auch einige Nachteile bei diesen Arten von Kondensatoren, wie zum Beispiel:

• Sehr hohe Kosten.
• Sehr niedrige Spannungen (von 1,5V bis maximal 5V).
• Mäßig hoher Leckstrom, was sie ungeeignet macht, um Energie über lange Zeiträume zu speichern.
• Niedrige Energiedichte im Vergleich zu Batterien.
• Relativ große Größe.

Fazit

Zusammenfassend haben alle Kondensatortypen ihren Platz, auch wenn sich dieser im Laufe der Zeit ändert, da neue Technologien und Verbesserungen anderer Kondensatortypen den Markt verändern. Einige Arten von Kondensatoren können anderen überlegen sein. Wie wir jedoch gesehen haben, gibt es immer noch viele Anwendungen, bei denen ein Kondensatortyp nicht für seine idealen Anwendungen ersetzt werden kann. Kondensatoren, wie jeder andere Typ von Komponenten in der Elektronik, entwickeln sich weiter und machen Fortschritte, angetrieben durch die Anforderungen immer fortschrittlicherer Technologie. Wir denken oft an Kondensatoren als eine gelöste Technologie, aber viele der heute verwendeten Kondensatoren sind deutlich fortschrittlicher als die, die in der jüngeren Geschichte verfügbar waren.

MLCC-Anwendungen wachsen rasant. Sie sind die beliebtesten Kondensatoren und das aus gutem Grund. Sie sind günstig, kompakt, im Allgemeinen und haben gute Eigenschaften. Sie bieten die idealen Kompromisse zwischen Spezifikationen und Kosten für die meisten grundlegenden Entkopplungs-, Filter- und Bypass-Anwendungen.

Tantal-Kondensatoren haben eine höhere Stabilität bei Temperatur, Gleichspannung und über die Zeit. Außerdem werden sie nicht vom piezoelektrischen Effekt beeinflusst und sind widerstandsfähiger gegen Stress. Leider haben sie einen hohen ESR, hohe Preise und neigen dazu, bei leichter Misshandlung zu explodieren oder sich in einen kleinen Feuerball zu verwandeln.

Aluminium-Elektrolytkondensatoren erreichen eine sehr hohe Kapazität und können hohe maximale Spannungswerte haben. Sie sind auch viel günstiger für die gleichen Fähigkeiten wie Polymerkondensatoren. Aber sie sind groß, haben einen hohen ESR und trocknen mit der Zeit aus.

Aluminium-Polymer- und Tantal-Kondensatoren sind eine hervorragende und aufregende neue Technologie. Sie haben fast alle Vorteile ihrer traditionellen Gegenstück-Kondensatoren, mit dem Zusatz eines niedrigen ESR. Derzeit sind sie jedoch immer noch relativ teuer und haben ziemlich niedrige maximale Spannungswerte. Als eine relativ neue Technologie kann ich mir nur die Verbesserungen dieser Kondensatortypen in den kommenden Jahren/Jahrzehnten vorstellen.

Es gibt viele Arten von Folienkondensatoren, jeder spezifisch für eine bestimmte Anwendung. Sie sind groß und haben niedrige Kapazitätswerte, sind aber stabil und haben mehrere andere Vorteile.

Glimmerkondensatoren sind die ungewöhnlichsten Kondensatoren, die wir uns angesehen haben. Sie haben eine hohe Toleranz, Stabilität und Präzision, sind aber relativ selten und teuer.

Siliziumkondensatoren sind temperaturstabil und zuverlässig, aber sehr teuer und haben sehr niedrige Kapazitätswerte. Wenn nur das Beste für Ihren Schaltkreis gut genug ist, sind Siliziumkondensatoren das, was Sie wollen.

Supercapacitors sind mehr wie Energiespeicherelemente als andere Kondensatoren oben. Ihre extrem hohe Kapazität ist fantastisch, aber der Preis, die hohe Leckage und die niedrige maximale Spannung begrenzen ihre Anwendung stark. Die Zukunft sieht für Supercapacitors als Alternative zu Batterien für viele Geräte hell aus, mit nahezu sofortiger Aufladung und unglaublichen Energiedichten. Viel Geld wird von Automobilunternehmen in die Supercapacitor-Forschung gepumpt und ist eine Technologie, die die Welt und Umwelt in der Zukunft drastisch verändern könnte.

Alle Kondensatortypen haben ihren Platz, und welche Sie wählen, hängt von Ihrer Anwendung, Ihrem Design, Ihrem Budget und anderen Anforderungen ab.

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