Kondensator
Kondensator-Leitfaden
Technischer Bericht: Evolving Capacitors - Multilayer-Keramikkondensatoren Teil 2: Technologie (Teil 1 von 2)
Schaltungsentwurf mit keramischen Mehrschichtkondensatoren Das entscheidende Thema für ein breiteres Spektrum von Anwendungen verstehen
Die beiden wichtigen Schlüsselbegriffe, die die Geschichte der weit verbreiteten Verwendung von Keramik-Vielschichtkondensatoren beschreiben, sind "Verkleinerung" und "Kapazitätserhöhung". Die Hersteller haben neue Märkte geschaffen, indem sie eine weitere Verkleinerung und Kapazitätserhöhung anstrebten. Für Elektronikdesigner gibt es jedoch noch weitere wichtige Spezifikationen. Keramik-Vielschichtkondensatoren haben sowohl Vor- als auch Nachteile. Man sollte sich über die Vor- und Nachteile der Produktspezifikationen im Klaren sein und all diese Faktoren bei der Entwicklung von elektronischen Schaltungen berücksichtigen. Auf diese Weise lassen sich die Kosten für das Elektronikdesign senken und die Entwicklungszeit verkürzen.
Seit der Erfindung des ersten Keramik-Vielschichtkondensators sind fast 50 Jahre vergangen. In dieser Zeit haben die Hersteller keramische Vielschichtkondensatoren ständig verbessert, um sie kleiner zu machen und eine höhere Kapazität zu erreichen, indem sie die Dicke der dielektrischen Schichten verringerten und die Entwicklung neuer dielektrischer Materialien vorantrieben. Infolgedessen hat sich der Bereich der keramischen Vielschichtkondensatoren ausgeweitet, da sie nach und nach den Markt von Aluminium- und Tantal-Elektrolytkondensatoren und Folienkondensatoren, die früher weit verbreitet waren, übernommen haben (Abb. 1).
Die Abbildung zeigt die Vermarktungsbereiche verschiedener Kondensatorentypen, wobei die Nennspannung auf der vertikalen Achse und die Kapazität auf der horizontalen Achse dargestellt sind. Der Bereich der monolithischen Keramikkondensatoren wird durch die rasche Steigerung der Kapazität allmählich erweitert. Inzwischen können auch Aluminium- und Tantal-Elektrolytkondensatoren dem Wachstum der monolithischen Keramikkondensatoren aufgrund von Verbesserungen der Spannungsfestigkeit und der Kapazität kaum noch etwas entgegensetzen.
Bei Modellen mit einer Kapazität von 10 bis 100 μF beispielsweise lag der Anteil der Keramik-Vielschichtkondensatoren im Jahr 2002 fast bei Null. Im Jahr 2005 jedoch, als neue Produkte zur Markteinführung bereit waren und die Verkleinerung der Abmessungen und die Erhöhung der Kapazität voranschritten, stieg der Anteil auf etwa 1/3 des Marktes und erreichte 2007 etwa 2/3 (Abb. 2).
Diese Abbildung zeigt das Verhältnis der Komponenten von monolithischen Keramik-, Aluminium-Elektrolyt- und Tantal-Elektrolyt-Kondensatoren. Die Diagramme zeigen deutlich, dass das Komponentenverhältnis von monolithischen Keramikkondensatoren unter den Produkten mit hoher Kapazität von Jahr zu Jahr zunimmt.
Derzeit liegt die Marktgrenze zwischen keramischen Vielschichtkondensatoren und Aluminium- und Tantal-Elektrolytkondensatoren bei etwa 100 μF für Modelle mit einer Nennspannung von etwa 10 V und bei einigen Dutzend μF für solche mit einer Nennspannung von etwa einigen Dutzend V. Diese Grenze wird sich in Zukunft definitiv auf die Seite der höheren Kapazität verschieben.
Niedriger ESR, widerstandsfähig gegen abnormale Spannung
Die Verkleinerung der Abmessungen und die Erhöhung der Kapazität haben dazu beigetragen, den Bereich der keramischen Vielschichtkondensatoren zu erweitern, aber die Abmessungen und die Kapazität sind nicht die einzigen Merkmale, die bei der Auswahl eines Kondensators für den Einsatz in elektronischen Geräten berücksichtigt werden sollten. Keramik-Vielschichtkondensatoren sind nicht immer die perfekte Lösung. Man muss auf verschiedene Eigenschaften achten, denn sie haben sowohl Vor- als auch Nachteile.
Tabelle 1 zeigt einen Vergleich zwischen Keramik-Vielschichtkondensatoren und Aluminium- und Tantal-Elektrolytkondensatoren. Wie aus der Tabelle hervorgeht, haben Keramik-Vielschichtkondensatoren zwei deutliche Vorteile.
Einer der Vorteile ist, dass Vielschicht-Keramikkondensatoren dank ihres niedrigen äquivalenten Serienwiderstands (ESR) hervorragende Frequenzeigenschaften haben. Der Begriff "ESR" bezieht sich auf die Widerstandskomponente der inneren Elektroden eines Kondensators usw. Ein hoher ESR verschlechtert nicht nur die Frequenzcharakteristik der Impedanz, die ein Kriterium für die Rauschdämpfungseigenschaften ist, sondern führt auch zu einer erheblichen Wärmeentwicklung aufgrund der Widerstandskomponente. Daher ist ein niedriger ESR von wesentlicher Bedeutung, wenn ein Kondensator um einen Mikroprozessor, DSP, Mikrocomputer oder einen anderen Halbleiterchip zur Entkopplung montiert wird, um Rauschen zu absorbieren.
Ein weiterer Vorteil ist, dass sie sehr widerstandsfähig gegen anormale Spannungen sind. Vergleicht man beispielsweise Produkte mit einer Nennspannung von 16 V und einer Kapazität von 10 μF, so beträgt die Gleichstrom-Durchbruchsspannung eines Aluminium-Elektrolytkondensators nur 30 V und die eines Tantal-Elektrolytkondensators 30-60 V. Im Gegensatz dazu hat ein Keramik-Vielschichtkondensator eine extrem hohe Gleichstrom-Durchbruchsspannung (etwa 200 V). Wird also ein Keramik-Vielschichtkondensator in ein elektronisches Gerät eingebaut, kann das Risiko eines Ausfalls aufgrund eines dielektrischen Durchbruchs minimiert werden, selbst wenn in dem Gerät aus irgendeinem Grund eine Stoß- oder Impulsspannung erzeugt wird.
Fortsetzung folgt in Teil 2 von 2, in dem die Berücksichtigung von Temperatur- und Gleichspannungseigenschaften beschrieben wird.
* Angegebene Firmen- und Produktnamen sind Marken oder eingetragene Marken der jeweiligen Unternehmen.
*Der Inhalt dieses Artikels aus der Februar- bis März-Ausgabe 2010 von "Tech On!" der Nikkei Business Publications, Inc. wurde umstrukturiert.
*Weitere Informationen zu den Keramik-Vielschichtkondensatoren von Murata Manufacturing finden Sie im Folgenden:
▼Capacitor WEB site
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