Die zentralen Thesen

• Unabhängig vom Kondensatortyp werden Keramikkondensatoren herabgesetzt, um eine übermäßige Belastung und andere negative Auswirkungen durch angelegte Spannung und Temperatur zu verhindern.

• Eine Leistungsreduzierung kann erreicht werden, indem die angelegte Spannung auf etwa 50 % unter der Nennspannung begrenzt wird. Diese Art der Leistungsreduzierung wird als Spannungsreduzierung bezeichnet.

• Die Reduzierungsmethode, die die Temperatur auf 15 °C unter der maximalen Nennbetriebstemperatur begrenzt, wird als Temperaturreduzierung bezeichnet. 

Die Derating-Spannung des Keramikkondensators sollte mindestens 50 % der erwarteten Spannung betragen, um einen risikofreien Betrieb zu gewährleisten

Keramikkondensatoren werden aufgrund ihrer Eigenschaften wie Präzision, Toleranz, Größe, hohe Spannung und hohe Belastbarkeit häufig in elektronischen Schaltkreisen verwendet. Der Auswahlprozess für Keramikkondensatoren in jeder Schaltungsanwendung sollte die erwartete Spannung berücksichtigen, die am Keramikkondensator auftritt, da eine Verschlechterung des Kondensators, die durch die Annäherung der angelegten Spannung an den Nennspannungswert verursacht wird, sowohl für die Komponente als auch für die Schaltung schädlich ist. Die Derating-Technik, bei der der Kondensator wegen seiner verringerten Nennleistung genutzt wird, trägt dazu bei, Keramikkondensatoren vor solchen Risiken zu schützen. Die Derating-Spannung von Keramikkondensatoren sollte mindestens 50 % der erwarteten Spannung betragen, um einen risikofreien Betrieb zu gewährleisten. In diesem Artikel befassen wir uns mit der Leistungsreduzierung von Keramikkondensatoren und ihren  Spannungsanforderungen . 

Arten von Keramikkondensatoren 

Keramikkondensatoren sind bekannt für ihre kompakte Baugröße, große Kapazität und hohen Isolationswiderstand. Sie werden hergestellt, indem auf beiden Seiten der gestapelten dielektrischen Keramikschichten ein dünner Metallfilm bei hohen Temperaturen gebrannt wird  . Die Metallfolie besteht üblicherweise aus Silber. Die Anschlussleitungen werden auf die Metallfolie aufgelötet oder durch Druckkontakt befestigt. Das gesamte Paket ist zum Umweltschutz und zur elektrischen Isolierung gekapselt. Diese Art von Keramikkondensator wird als Keramikscheibenkondensator bezeichnet.

Eine andere Art von Keramikkondensatoren, sogenannte Mehrschicht-Keramikkondensatoren (MLCC), sind klein und werden häufig in  Oberflächenmontagetechnologien ,  EMI- oder RFI-Unterdrückungssystemen oder als Durchführungskondensatoren verwendet. Unabhängig vom Kondensatortyp unterliegen Keramikkondensatoren einer Leistungsreduzierung, um eine übermäßige Belastung und andere negative Auswirkungen durch angelegte Spannung und Temperatur zu verhindern. 

Derating von Keramikkondensatoren 

Zuverlässigkeit, Schutz vor übermäßigem Stoßstrom und die Stabilität der wichtigsten elektrischen Parameter sind physikalische Gründe, die zur Leistungsreduzierung aller Kondensatortypen führen. Die Zuverlässigkeit von Keramikkondensatoren bei hoher Feuchtigkeit ist hoch, da die Keramik undurchlässig für Feuchtigkeit ist. Keramikkondensatoren zeigen jedoch eine schlechte Temperaturzuverlässigkeit. Keramikkondensatoren sind außerdem anfällig für Ausfälle in Form von Kurzschlüssen, Unterbrechungen oder Parameterabweichungen. Übermäßiger Stoßstrom kann zu thermischem Abbau und schwerwiegenden Ausfällen führen. Mit Spannung und Temperatur variieren elektrische Parameter wie Kapazität, äquivalenter Serienwiderstand (ESR) und äquivalente Serieninduktivität (ESL). 

Derating-Methoden für Keramikkondensatoren

Derating bedeutet, die Lastbeschleunigungsfaktoren zu reduzieren, sodass der Kondensatorbetrieb weniger anfällig für Ausfälle wird. Spannung und Temperatur sind die lastbeschleunigenden Faktoren in Kondensatoren. Die kumulativen Auswirkungen von Spannung und Temperatur sind entscheidend für die Kondensatorbelastung. Der Kapazitätswert wird durch steigende Spannung und Temperatur beeinflusst. Wenn sich die angelegte Spannung der Nennspannung nähert, ist eine Verschlechterung des Kondensatorwerts zu beobachten. Wenn die Temperatur steigt, nimmt die Kapazität der Schaltkreise ab.

Bei Keramikkondensatoren kann eine Leistungsreduzierung durch Steuerung der Leistungsreduzierungsparameter Spannung und Temperatur erreicht werden. Derating erweist sich als der wirksamste Weg, um Ausfälle und Parameterabweichungen bei Keramikkondensatoren zu verhindern. Dies kann erreicht werden, indem die angelegte Spannung auf etwa 50 % unter der Nennspannung begrenzt wird. Diese Art der Leistungsreduzierung wird als Spannungsreduzierung bezeichnet. Die andere Herabsetzungsmethode besteht darin, die Temperatur auf 15 °C unter der maximalen Nennbetriebstemperatur zu begrenzen; Diese Methode wird als Temperaturderating bezeichnet.

Spannungsreduzierung bei Keramikkondensatoren

Keramikkondensatoren sind anfällig für eine Kapazitätsverschlechterung bei angelegter Spannung. Bei den Keramikkondensatoren X7R, X5R und Y5V nimmt die Kapazität im Laufe der Zeit aufgrund der Entspannung oder Neuausrichtung der elektrischen Dipole innerhalb des Kondensators ab. Der Kapazitätsabfall der Keramik beträgt bei Nennspannung bis zu 80 %. Dieses Phänomen ist als Spannungskoeffizient der Kapazität bekannt.

Es wird empfohlen, einen Keramikkondensator mit einer niedrigeren Spannung als der Nennspannung zu verwenden, um den Einfluss des Spannungskoeffizienten der Kapazität zu eliminieren. Die Spannungsreduzierung wird als Prozentsatz der Spannung ausgedrückt, der von der Nennspannung abgezogen wird. Beispielsweise bedeutet eine Reduzierung der Spannung eines Keramikkondensators um 30 %, dass der Keramikkondensator mit 70 % der Nennspannung betrieben werden sollte.

Die beste Methode zur Leistungsreduzierung ist die Auswahl eines Keramikkondensators mit einer Nennspannung, die mindestens dem Zweifachen der in einer bestimmten Anwendung anzulegenden Spannung entspricht. Da die im Kondensator gespeicherte Energie vom Quadrat der Spannung abhängt, wirkt sich die Spannungsreduzierung des Keramikkondensators auf die Energieaufnahmekapazität des Keramikkondensators aus.

Um Explosionen und den Spannungskoeffizienten der Kapazität zu verhindern, ist es am besten, eine Reduzierungsspannung für Keramikkondensatoren zu wählen, die etwa 50 % der Nennspannung beträgt.

Quelle: Trittfrequenz