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Einführung in Vielschicht-Keramikkondensatoren und praktische Anwendungshinweise 2023-03-09

Überblick

Mehrschichtige Keramikkondensatoren (MLCCs) sind im Allgemeinen die Kondensatoren der Wahl für Anwendungen, bei denen Kapazitäten mit kleinem Wert benötigt werden. Sie werden als Bypass-Kondensatoren, in Operationsverstärkerschaltungen, Filtern und mehr verwendet.

Zu den Vorteilen von MLCC gehören:

Eine kleine parasitäre Induktivität ergibt eine bessere Hochfrequenzleistung im Vergleich zu Aluminium-Elektrolytkondensatoren.

Bessere Stabilität über Temperatur, abhängig vom Temperaturkoeffizienten.

Nachteile

Geringe Kapazität pro Volumen, insbesondere für dielektrische Materialien der Klasse 1 (NO/COG).

Instabilität der DC-Vorspannung.

Konstruktion

MLCCs bestehen aus abwechselnden Schichten metallischer Elektroden und dielektrischer Keramik, wie in Abbildung 1 unten gezeigt.

Abbildung 1: Aufbau eines Mehrschicht-Keramik-Chip-Kondensators (MLCC), 1 = Metallische Elektroden, 2 = Dielektrische Keramik, 3 = Anschlussklemmen

Bildquelle: http://en.wikipedia.org/wiki/Ceramic_capacitor#/media/File:MLCC-Principle.svg

Wichtige Datenblattparameter

Zwei sehr wichtige Datenblattparameter sind der Temperaturkoeffizient und die Nennspannung.

Temperaturkoeffizient

Keramikmaterialien der Klasse 1 (z. B. NPO, COG) haben sehr niedrige Temperaturkoeffizienten, was bedeutet, dass ihre Kapazität sehr wenig über der Temperatur variiert. Sie haben auch niedrige Dielektrizitätskonstanten, was bedeutet, dass Kondensatoren, die mit Materialien der Klasse 1 gebaut wurden, eine sehr kleine Kapazität pro Volumen haben. NPO und COG sind sehr gebräuchliche Temperaturkoeffizienten der Klasse 1 und haben einen Temperaturkoeffizienten von 0 und eine Toleranz von +/-30 ppm.

Keramikmaterialien der Klasse 2 (X,Y,Z) sind weniger temperaturstabil, haben aber eine höhere Dielektrizitätskonstante, was bedeutet, dass Kondensatoren mit mehr Kapazität im gleichen Volumen erhältlich sind. X7R ist ein sehr gebräuchlicher Temperaturkoeffizient der Klasse 2, und X7R-Kondensatoren haben typischerweise eine Toleranz von 5 %, 10 % und 20 %.

Tabelle 1 hilft bei der Dekodierung von Temperaturkoeffizienten für MLCCs der Klasse 2. Beispiele sind unten aufgeführt.

Tabelle 1: Codesystem für IEC/EN 60384-9/22 für Temperaturbereiche und Kapazitätsänderungen über Temperatur

Bildquelle: http://en.wikipedia.org/wiki/Ceramic_capacitor#Class_2_ceramic_capacitors

Beispiele beinhalten:

X7R ist für den Betrieb von -55 °C bis +125 °C ausgelegt, mit +/-15 % Kapazitätsänderung über den Temperaturbereich.

X5R ist für den Betrieb von -55 °C bis +85 °C ausgelegt, mit +/-15 % Kapazitätsänderung über den Temperaturbereich.

Y5V ist für den Betrieb von -30 °C bis +85 °C ausgelegt, mit einer Kapazitätsänderung von +22/-82 % über den Temperaturbereich.

Kondensatoren mit breiteren Temperaturbereichen und stabileren Temperatureigenschaften sind tendenziell teurer.

Spannungswert

Die Nennspannung gibt die maximale sichere Spannung an, die über den Kondensator angelegt werden kann. In der Praxis sollten Entwickler aus Gründen der Zuverlässigkeit einen Kondensator mit einer Nennspannung verwenden, die höher ist als die erwartete tatsächliche Spannung. Im Gegensatz zu Aluminium-Elektrolytkondensatoren sind MLCCs nicht polarisiert, sodass sie ohne Explosion in einen Stromkreis in beide Richtungen geschaltet werden können.

Frequenzgang

Abbildung 3 ist ein Schaltungsmodell für einen MLCC. MLCC haben parasitäre ESL (äquivalente Serieninduktivität) und ESR (äquivalenter Serienwiderstand). Diese bilden bei der Resonanzfrequenz f=1/(2π√LC) einen Resonanzkreis, bei dem die minimale Impedanz gleich dem ESR ist, wobei L die ESL und C die Kapazität ist. Parasiten beziehen sich auf Paketgrößen. SMT-Pakete haben einen niedrigeren ESL als Through-Hole-Pakete.

Abbildung 3: Schaltungsmodell eines realen Kondensators

Die Impedanz eines Kondensators nimmt gemäß der Formel Z=1/jωC ab, bis die Resonanzfrequenz erreicht wird. An diesem Punkt ist die Impedanz des Kondensators der ESR. Mit zunehmender Frequenz wird die Impedanz vom äquivalenten Serienwiderstand dominiert und sieht induktiv aus, wodurch die Impedanz zunimmt. Abbildung 4 ist ein Diagramm der Impedanz eines Kondensators über der Frequenz, das dieses Verhalten zeigt.

Abbildung 4:SpiCap-Diagramm einer MLCC-Impedanz über der Frequenz

Bildquelle: Screenshot des AVX SpiCap 3.0-Tools. SpiCap kann hier heruntergeladen werden: http://www.avx.com/spiapps/#spicap

Mehrere Kondensatoren mit unterschiedlichen Werten und Gehäusen können parallel verwendet werden, um eine niedrige Impedanz über einen weiten Frequenzbereich bereitzustellen.

Drift der DC-Vorspannung

Eine DC-Vorspannung über einem X7R-Kondensator bewirkt, dass sich die Kapazität geringfügig ändert. Abbildung 5 ist ein Diagramm von zwei 0,010-uF-0805-X7R-Kondensatoren. An einem Kondensator liegen 50 V an. Wir können sehen, dass sich die Resonanzfrequenz um 10–20 MHz verschiebt.

Abbildung 5: DC-Vorspannung verursacht Kapazitätsverschiebung

Praktische Überlegungen

In Rückkopplungsschleifen sollten Kondensatoren mit stabiler Temperatur und enger Toleranz verwendet werden.

Bypass-Kondensatoren haben weniger strenge Anforderungen.

Wählen Sie einen Kondensator mit hoher Nennspannung, um Spielraum zu schaffen.

Beachten Sie die Kapazitätstoleranz.

Achten Sie auf den Temperaturkoeffizienten.

Beachten Sie ESL für Hochfrequenzanwendungen.

Beachten Sie den ESR für Anwendungen mit hohem Welligkeitsstrom.

Parallele unterschiedliche Werte, um eine breite Frequenzabdeckung bereitzustellen.

Abschluss

Dieses Dokument gibt einen Überblick über Mehrschicht-Keramikkondensatoren (MLCC), ihren Aufbau und wichtige Datenblattparameter mit Schwerpunkt auf Temperaturkoeffizient, Frequenzgang und DC-Vorspannung.

Quelle:RKER.IO

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