Kondensatoren sind wesentliche passive Komponenten für den Entwurf jedes Stromkreises. Es stehen jedoch so viele Optionen mit einem breiten Spektrum an Spezifikationen zur Auswahl, dass es überwältigend sein kann, herauszufinden, welcher Kondensator für Ihre Anwendung am besten geeignet ist. Eine frühe Entscheidung, die Schaltungsentwickler treffen müssen, besteht darin, festzustellen, ob ein Einschichtkondensator (SLC) oder ein Mehrschichtkeramikkondensator (MLCC) für ihre Anwendungsanforderungen geeignet ist.

Auf einer groben Ebene scheinen diese Kondensatortypen ähnlich zu sein, da sowohl SLCs als auch MLCCs für Lade- und Speicher-, Filter- oder Bypass-Funktionen in einem Schaltkreis verwendet werden können. Um festzustellen, welcher für Ihre Anwendung am besten geeignet ist, werfen wir zunächst einen Blick auf die Grundstruktur jedes Kondensatortyps. SLCs sind der grundlegendste verfügbare Kondensatortyp, da diese Kondensatoren aus einer einzelnen Schicht dielektrischen Materials oder einer Isolierschicht bestehen, die zwischen einer positiven und einer negativen Elektrode angeordnet ist.

Ein MLCC nutzt das Grundprinzip dieses Kondensatordesigns, um mehrere Schichten in demselben Kondensator aufzubauen, was zu einem einzigen Kondensator führt, der ein Kapazitätsniveau bietet, das der Verwendung mehrerer parallel geschalteter SLCs entspricht. Dieses mehrschichtige Design ist etwas dicker (höher) als ein SLC, verringert jedoch die Gesamtfläche, die ein Kondensator benötigt, um eine höhere Kapazität zu erreichen – ein kritisches Problem für viele HF- und Mikrowellenanwendungen heutzutage, da Größe, Gewicht und Leistung (SWaP) entscheidend sind viele Designentscheidungen. Abbildung 1 zeigt den Aufbau eines SLC im Vergleich zu einem MLCC.

Abbildung 1. Die Abbildung links zeigt, wie ein SLC aufgebaut ist, während die Abbildung rechts die vielen Schichten eines MLCC zeigt.

Wenn ein SLC die beste Lösung sein könnte

SLCs sind speziell für den Einsatz in Mikrowellen- und HF-Anwendungen konzipiert. Dies liegt daran, dass die inhärente Eigenresonanzfrequenz (SRF), also der Punkt, an dem der Kondensator die geringste Impedanz aufweist, eines SLC die höchste aller diskreten Kondensatoren mit konzentrierter Konstante ist. Kondensatoren mit einem hohen SRF haben einen niedrigen äquivalenten Serienwiderstand (ESR), das ist der Innenwiderstand im Kondensator, der in Reihe mit der Kapazität des Geräts erscheint.

Dies ist wichtig, da der ESR im Allgemeinen mit zunehmender Frequenz zunimmt. Daher ist die Verwendung eines Kondensators erforderlich, der von Natur aus einen niedrigen ESR aufweist. Da SLCs außerdem monolithisch geformt sind, ist die Anzahl der mechanischen Teile im SLC begrenzt, was ebenfalls zu einem niedrigeren ESR-Wert beiträgt.

Ein potenzieller Nachteil von SLCs besteht darin, dass die Kapazität stark von der Dielektrizitätskonstante des verwendeten Dielektrikums abhängt, da es sich nur um eine einzelne Materialschicht handelt, was die erreichbare Kapazität begrenzt. Daher eignen sich SLCs vor allem für Hochfrequenzanwendungen mit geringer Kapazität. Wir sind führend bei der Belieferung des LC-Filtermarktes mit kundenspezifischen Parallelplattenkondensatoren.

Wenn ein MLCC die beste Lösung sein könnte

Im Allgemeinen können MLCCs in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden, da diese Kondensatoren einen viel größeren Kapazitätsbereich als SLCs haben. Dies ist möglich, weil MLCCs aus mehreren Schichten aus Dielektrikum und Leitern bestehen. Dieses Design bietet nicht nur eine höhere Kapazität, sondern bedeutet auch, dass MLCCs für viel höhere Spannungsanwendungen verwendet werden können, bei einigen unserer Designs bis zu 12 kV. Da jedoch mehrere Schichten aus Elektroden und Dielektrikum verwendet werden, ist der ESR eines MLCC normalerweise viel höher als der eines SLC. Infolgedessen können MLCCs, selbst solche, die mit Klasse-1-Dielektrika mit hohem Q-Wert (ultra-low-loss) hergestellt werden, aufgrund der im Vergleich zu SLCs hohen ESR-Werte nur Frequenzen bis zu 30 GHz verarbeiten, während SLCs Frequenzen bis zu 100 GHz verarbeiten können.

Wenn es um HF- und Mikrowellenanwendungen geht, sind MLCCs ideal für Anwendungen, die höhere Kapazitätsniveaus und höhere Betriebsspannungen erfordern. Betrachtet man jedoch Anwendungen außerhalb der HF- und Mikrowellenindustrie, können MLCCs, insbesondere solche, die eine Vielzahl unserer MLCC-Innovationen nutzen, für einige der weltweit anspruchsvollsten Anwendungen eingesetzt werden, darunter medizinische Implantate, Elektrofahrzeuge und Hochzuverlässigkeit Sprengvorrichtungen.

Wie in diesem Beitrag gezeigt, sind die Anwendungsfälle für SLCs und MLCCs nicht austauschbar, da jeder Kondensatortyp Variablen wie Spannung, Frequenz und Kapazität unterschiedlich verarbeitet. Im Allgemeinen eignen sich SLCs gut für Hochfrequenz-, Niederspannungs-HF- und Mikrowellenanwendungen, während MLCCs für alle Arten von Hochkapazitäts- und Hochspannungsanwendungen in einem viel begrenzteren Frequenzbereich verwendet werden können.

Quelle: Knowles