Kleine Kondensatoren für kleine IoT-Geräte – ein Blick auf die neuesten Varianten

 

 

Einige der absatzstärksten Produkte für das IoT werden sehr kleine Geräte sein – und je kleiner und leichter, desto besser. Tragbare Computer werden einen großen Anteil dieses Marktes bilden, während Smartphones einen wichtigen Teil der Infrastruktur darstellen werden. So beinhaltet der tragbare Fitness-Tracker Jawbone U3 zahlreiche Sensoren in einem Gehäuse. Die Sensoren verbinden sich drahtlos mit Ihrem Smartphone und werden von dort aus mit dem Internet verknüpft. All diese Knotenpunkte des IoT benötigen Kondensatoren zur Kopplung, Entkopplung und Filterung. Mit zunehmender Komplexität der Geräte wächst auch der Bedarf an Kondensatoren, von denen mittlerweile zwischen 400 und 500 Stück in den neuesten Smartphones enthalten sind. Zur selben Zeit fordern Entwickler noch kleinere Komponenten an, damit die Größe und das Gewicht eines Geräts innerhalb akzeptablen Bereichen verbleiben kann.

 

Netzteile für IoT-Produkte, die auf DC-DC-Schaltreglern basieren, benötigen in der Regel zahlreiche Kondensatoren an den Ein- und Ausgängen, um einen stabilen Betrieb sicherzustellen und elektrische Störungen auszuschließen. Kapazitätswerte von bis zu 100 µF können dabei durchaus erforderlich sein. Ebenso ist es mitunter sehr geläufig, dass eine Versorgungsschiene zahlreiche parallel angeschlossene Kondensatoren mit unterschiedlichen Werten benötigt, um eine effektive Entkopplung über verschiedenste Frequenzen hinweg sicherzustellen. Die am häufigsten verwendeten Teile sind jedoch kleine Keramik-Multilayer-Kondensatoren (KMKs) zur Signalkopplung und -entkopplung. Typische Werte liegen hierbei in dem Bereich zwischen 1000 pF und 0,1 µF. KMKs mit einigen wenigen pF oder mit einem zweistelligen pF-Wert werden für Hochfrequenzfilter, zur Temperaturkompensation und als Belastungskondensator von piezoelektrischen Kristallen eingesetzt.

 

Abbildung 1: Keramik-Multilayer-Kondensatoren (KMKs) sind die am weitesten verbreiteten Kondensatoren in mobilen und tragbaren batteriebetriebenen Geräten. In manchen Smartphones sind bis zu 500 Stück von ihnen verbaut.

 

Wer baut die kleinsten Kondensatoren? Nun, das hängt zunächst von der jeweiligen Technologie ab. Da KMKs am weitesten verbreitet sind, konzentrieren wir uns heute auf diese. Der größte Vorteil von KMKs ist ihre hohe Kapazität pro Volumeneinheit. Einer ihrer größten Nachteile hingegen ist ihre relativ geringe Temperaturstabilität in manchen Anwendungen – abhängig von dem jeweils verwendeten Dielektrikum kann die Kapazität stark mit der Temperatur schwanken.

 

Ein weiterer Schlüsselfaktor, der beeinflusst, wie viel Kapazität in einer bestimmten Größe erzielt werden kann, ist die Arbeitsspannung – bei Komponenten mit höherer Spannung wird eine dickere dielektrische Schicht benötigt, wodurch die Komponente selbst auch größer wird. Batteriebetriebene IoT-Geräte arbeiten in der Regel mit niedrigen Spannungen, sodass dieser Punkt nicht unbedingt zu berücksichtigen ist. Die meisten KMKs sind auf 10 V oder mehr ausgelegt, während die meisten Halbleiter mit 5 V oder weniger arbeiten, wenngleich bei Anwendungen mit piezoelektrischen Komponenten manchmal auch Boost Converter eingesetzt werden, um höhere Spannungen zu erzielen.

 

Alle KMK-Hersteller bieten Komponenten mit den unterschiedlichsten Dielektrika an. Je stabiler das dielektrische Material ist, desto weniger Kapazität kann in einem vorgegeben Volumen erzielt werden. Allgemeine Entkopplungen sind für die Kapazitätswerte nicht in besonderem Maße kritisch, da über den gesamten Betriebstemperaturbereich stets ein bestimmter Mindestwert aufrecht gehalten werden kann. Aus diesem Grund sind auch weniger stabile Dielektrika kein Problem. Funkfrequenzfilter und Komponenten zur Temperaturkompensation müssen jedoch ausgesprochen stabil sein. Varianten für Dielektrika sind in einer Vielzahl erhältlich, zu den geläufigsten zählen jedoch COG (bzw. NPO) und X7R. COG-Teile sind sehr stabil, X7R, X7S und X5R sind „stabil“, während Y5V bzw. Z5U Komponenten „allgemeine“ Teile sind, die jedoch eine höhere Kapazität pro Volumeneinheit bieten.

 

Die Größen von Kondensatoren mit Oberflächenmontage werden in standardisierter Industrieterminologie angegeben. 01005 Komponenten (0402 metrisch – 0,4 mm x 0,2 mm) sind die kleinsten weitläufig in mobilen Geräten eingesetzten Komponenten. Dabei ist jedoch mit Sorgfalt vorzugehen, da die Bezeichnung 0402 sowohl für angelsächsische Einheiten als auch für metrische Größen verwendet wird. Die Erstere ist mit 1,0 mm x 0,5 mm die größere Varianten.

 

RS Components verfügt über ein dynamisches Online-Tool zur Produktauswahl, mit dem Sie mühelos den richtigen KMK für Ihre Anwendung finden können: Dabei können Sie einen Filter mit bis zu 19 Parametern einrichten. Im Bereich „Paket/Gehäuse“ des Auswahl-Tools finden Sie auch angelsächsische Größen.

 

Wir führen KMKs von den folgenden Herstellern, um die hohe Anzahl an verfügbaren Komponenten sicherzustellen:

 

Murata
AVX

Kemet

Samsung Electromechanics

TDK

Vishay

Syfer Technology

Yageo
Phycomp

Taiyo Yuden
Cornell-Dubilier

 

Von Seiten des Angebots von Murata ist die maximale Kapazität auf Lager gleich 47 µF in einem 1210 Paket mit einem X7R-Dielektrikum. Werte von bis zu 100 nF sind mit dem COG-Dielektrikum und einem 1206 Paket erhältlich. Ebenso in COG befinden sich Kondensatoren mit Werten von bis zu 1000 pF in einem 0402 Paket, während eine 100 pf COG-Komponente auch in einem sehr kleinen 0201 Paket (0603 metrisch) mit lediglich 0,6 mm x 0,3 mm zur Verfügung gestellt werden kann.