Was ist ein Keramikkondensator? Der Keramikkondensator ist aufgrund seiner hohen Zuverlässigkeit und geringen Kosten einer der am häufigsten verwendeten Kondensatortypen in den meisten elektrischen Instrumenten. In dieser Form werden Keramik- oder Porzellanscheiben zur Herstellung unpolarisierter Kondensatoren verwendet und in verschiedenen Branchen eingesetzt. Die schlechte Leitfähigkeit keramischer Materialien macht sie zu hervorragenden  Dielektrika und zu effizienten Unterstützern elektrostatischer Felder.

Grundlagen zu Keramikkondensatoren

Keramikkondensatoren sind Festwertkondensatoren aus keramischem Material als Dielektrikum. Es besteht aus zwei oder mehr Keramikschichten und einer Metallschicht, die als  Elektroden dient. Das elektrische Verhalten und damit die Anwendungsmöglichkeiten keramischer Materialien werden durch die Zusammensetzung des keramischen Materials bestimmt. Keramiken sind anorganische, nichtmetallische, kristalline Oxid-, Nitrid- oder Karbidverbindungen wie Kohlenstoff und Silizium. Ein Keramikkondensator, insbesondere ein Mehrschichtkeramikkondensator (MLCC), ist eines der heute am häufigsten verwendeten elektrischen Bauteile.

Keramikkondensatoren haben typischerweise einen Kapazitätsbereich von 10 pF bis 0,1 μF.

Die folgende Abbildung zeigt das Symbol für einen Keramikkondensator:

Symbol eines Keramikkondensators (Referenz:elprocus.com)

Der Keramikkondensator mit drei Ziffern, 101, 102, 103 usw., zeigt an, dass er in Pico-Farad gemessen wird. Wenn derselbe Kondensator jedoch Buchstaben anstelle von Ziffern verwendet, beträgt der Wert AB x 10C Picofarad.

Arten von Keramikkondensatoren

Es gibt vier Haupttypen von Keramikkondensatoren:

Keramikkondensatoren der Klasse 1

Diese Kondensatoren sind sehr stabil und haben geringe Verluste in Schwingkreisen. Aufgrund ihrer geringen Verluste können sie in Oszillatoren und Filtern eingesetzt werden. Aufgrund ihres stabilen Temperaturkoeffizienten eignen sie sich für Kondensatoren mit hoher Toleranz.

Keramikkondensatoren der Klasse 2

Basierend auf der angelegten Spannung haben Kondensatoren eine bestimmte Kapazität. Der Temperaturkoeffizient von Dielektrika der Klasse 2 ist nichtlinear. Zu den Anwendungen dieser Kondensatoren gehören das Koppeln und Entkoppeln.

Keramikkondensatoren der Klasse 3

Dielektrika der Klasse 3 haben Permittivitätswerte, die bis zu 50.000-mal höher sind als die von Dielektrika der Klasse 2. Die Kondensatoren sind spannungsabhängig und haben hohe Verluste.

Keramikkondensatoren der Klasse 4

Kondensatoren der Klasse 4 werden auch Barriereschichtkondensatoren genannt.

Die Polarität von Keramikkondensatoren 

Die Polarität eines Kondensators ist einer der wichtigsten Aspekte beim Anschluss von Kondensatoren in einem Stromkreis. Aufgrund ihrer Polarität können Kondensatoren in zwei Gruppen eingeteilt werden:

Polarisierte Kondensatoren 

Polarisierte Kondensatoren haben zwei Anschlüsse, die als Anode und Kathode bezeichnet werden.

Nicht polarisierte Kondensatoren 

Im Gegensatz zu polarisierten Kondensatoren verfügen nicht polarisierte Kondensatoren über einen Anschluss und können daher in beide Richtungen verwendet werden. Unter Nichtpolarität versteht man das Fehlen einer Polarität am Kondensator.

Aufbau von Keramikkondensatoren

Keramikkondensatoren bestehen aus Körnchen paraelektrischer oder  ferroelektrischer  Materialien, die mit anderen Materialien kombiniert werden, um das gewünschte Verhalten zu erzeugen. Bei hohen Temperaturen werden diese Pulvermischungen zu Keramiken gesintert. Dielektrische Keramiken dienen als Träger für metallische Elektroden. Die Korngröße des Keramikpulvers bestimmt die Mindestdicke der dielektrischen Schicht. Bei Kondensatoren mit höheren Spannungen bestimmt die Spannungsfestigkeit des Kondensators die Dicke des Dielektrikums.

Nach der Schichtung wird das Material bei hoher Temperatur gesintert, wodurch ein Keramikmaterial mit den gewünschten Eigenschaften entsteht. Dadurch entsteht ein Kondensator durch Parallelschaltung vieler kleinerer Kondensatoren, was zu einer Erhöhung der Kapazität führt.

Ein Keramikkondensator gibt es in drei Grundformen, es gibt jedoch auch andere Typen:

Bleihaltige Scheibenkeramikkondensatoren 

Sie sind für die Durchsteckmontage harzbeschichtet. Die Keramikscheiben sind beidseitig mit Silberkontakten beschichtet. Scheibenkondensatoren haben Kapazitätswerte zwischen 10 pF und 100 μF und Nennspannungen zwischen 16 V und 15 kV. Um höhere Kapazitäten zu erreichen, können die Geräte aus mehreren Schichten aufgebaut werden.

Ein Keramikkondensator vom Scheibentyp besteht aus zwei leitenden Scheiben auf beiden Seiten des Keramikisolators. Diese Platten sind mit einer wasserfesten Keramikmasse beschichtet, an der die Leitungen befestigt sind. Diese Art von Keramikkondensatoren gibt es bis zu einem Wert von 0,01 F. Sie halten einer Gleichspannung von 750 Volt und einer Wechselspannung von 350 Volt stand.

Bleischeiben-Keramikkondensator (Referenz: electronics-notes.com)

Mehrschichtige Keramikkondensatoren (MLCC) 

MLCCs sind rechteckige Blöcke, die aus einer Mischung paraelektrischer und ferroelektrischer Komponenten bestehen, die mit Metallkontakten überzogen sind und für die Oberflächenmontage konzipiert sind. In den MLCCs sind mehr als 500 Schichten vorhanden, mit einer minimalen Schichtdicke von etwa 0,5 Mikrometern. Es ist technologisch möglich, die Schichtdicke zu verringern und gleichzeitig die Kapazität im gleichen Volumen zu erhöhen.

Aufbau eines mehrschichtigen Keramikkondensators (Referenz: passive-components.eu)

MLCC-Kondensatoren haben eine Kapazität (C), die eine Plattenkondensatorformel mit erhöhter Anzahl von Schichten verwendet.

In der obigen Gleichung stellt ε die dielektrische Permittivität dar; A steht für Elektrodenoberfläche; n ist die Anzahl der Schichten und d zeigt den Abstand zwischen den Elektroden.

Bleifreie Scheibenkeramikkondensatoren

Speziell entwickelte Mikrowellen-Keramikkondensatoren passen in Steckplätze auf Leiterplatten.

Keramische dielektrische Typen 

Im Gegensatz zu Tantal- und Elektrolytkondensatoren können Keramikkondensatoren aus einer Vielzahl dielektrischer Materialien hergestellt werden. Unterschiedliche Dielektrika verleihen Kondensatoren sehr unterschiedliche Eigenschaften. Neben der Auswahl eines Keramikkondensators kann daher auch eine zweite Entscheidung darüber erforderlich sein, welche Art von Dielektrikum verwendet werden soll. Viele keramische Kondensatordielektrika werden in den Händlerlisten erwähnt, darunter C0G, NP0, X7R, Y5V, Z5U und viele mehr. Der beste Typ bedarf jedoch weiterer Untersuchungen.

Anwendungen von Keramikkondensatoren 

Keramikkondensatoren haben zahlreiche Anwendungen, darunter:

• In Sendestationen im Schwingkreis
• In Hochspannungs-Lasernetzteilen
• Induktionsöfen
• Leistungsschalter
• Leiterplatten
• Anwendungen mit hoher Dichte
• Diese Kondensatoren können auch als Allzweckkondensatoren und als Bürsten für Gleichstrommotoren zur Reduzierung von HF-Rauschen verwendet werden.

Vorteile von Keramikkondensatoren

Keramikkondensatoren haben folgende Vorteile:

• Es ist zuverlässig und verfügt auch bei Betrieb mit höheren Frequenzen über gute Frequenzgangeigenschaften.
• Sie halten höheren Spannungen von bis zu 100 Volt stand.
• Sie wiegen weniger als andere Kondensatoren.
• Die Kosten für diese Artikel sind niedrig.
• Es stehen verschiedene Formen und Größen zur Verfügung.
• Sie haben im Vergleich zu anderen Kondensatoren einen niedrigen ESR (effektiver Serienwiderstand) und einen niedrigen ESL (effektive Serieninduktivität).

Nachteile von Keramikkondensatoren 

Nachfolgend sind einige der Nachteile von Keramikkondensatoren aufgeführt:

• Aufgrund seiner Konstruktion ist es nicht möglich, Kondensatoren mit höheren Werten zu bauen. Der maximale Kapazitätswert beträgt 150 µF.
• Keramikkondensatoren mit ähnlichem Aufbau sind in höheren Spannungen nicht erhältlich. Leistungskeramikkondensatoren werden in größeren Formen und Größen hergestellt. Sie können Spannungen von 2 kV bis 100 kV verarbeiten.
• Sie haben einen höheren Temperaturkoeffizienten.
• Die Toleranzwerte von Keramikkondensatoren sind höher.
• Bei einigen Stromversorgungskreisen kann es zu Problemen mit Keramikkondensatoren als Ausgangskondensatoren kommen.
• Eine Reihe kleinerer Kondensatoren wird parallel verwendet, da größere Einheiten beim Durchbiegen der Leiterplatte brechen.

Quelle: Linquip