Keramik-Multilayer-Kondensatoren: Überblick

Im Grunde genommen sind Keramik-Multilayer-Kondensatoren genau wie alle anderen Kondensatoren auch. Sie sind passive elektronische Bauteile. Sie bestehen aus zwei Leitungen und einem Dielektrikum. Die Materialien, aus denen Keramik-Multilayer-Kondensatoren bestehen, und die Art und Weise, wie sie funktionieren, verleihen ihnen jedoch bestimmte Eigenschaften, die insbesondere bei Anwendungen mit hoher Kapazität in kleinen Baugruppen von Vorteil sein können.

Keramik-Multilayer-Kondensatoren werden besonders ausgiebig von Herstellern von Mobiltelefonen eingesetzt, deren Bedarf an effizienten und preiswerten Kondensatoren einen großen Teil zur Verbreitung dieser Komponenten beigetragen hat.

Keramik-Multilayer-Kondensatoren werden in einem sehr komplexen Prozess hergestellt. Das Endergebnis ist ein sehr effizientes Bauteil, das viele Problemstellungen – einschließlich solcher bezüglich Genauigkeit und Gesamtkosten – von Elektronik-Herstellern beiseiteschafft.

 

Elektrische Daten

Die elektrischen Eigenschaften von Keramik-Multilayer-Kondensatoren variieren in Abhängigkeit der bei der Herstellung verwendeten Materialien. Bei einigen dieser Bauteile werden sogenannte paraelektrische Stoffe in der Herstellung eingesetzt. In solchen Fällen verfügt der entstehende Kondensator über hervorragende Eigenschaften hinsichtlich Stabilität. Die Kapazität des Bauteils wird sich in dem jeweils angegeben Temperaturbereich linear verhalten. Die Schattenseite dieses Materials ist jedoch, dass es sich hauptsächlich für Kondensatoren mit geringer Kapazität eignet.

Dabei können ferroelektrische Materialien und Oxide kombiniert werden, um Keramik-Multilayer-Kondensatoren mit höherer Kapazität herzustellen. Zu beachten ist jedoch, dass diese Materialien nicht das lineare Verhalten paraelektrischer Materialien an den Tag legen können.

Zur Beschreibung der Anwendungsklassen dieser Kondensatoren stehen unterschiedliche Definitionen zur Verfügung. So bieten beispielsweise die Internationale Elektrotechnische Kommission (IEC) und die Electronic Industries Alliance (EIA) verschiedene Definitionen. Beide werden sehr weitläufig verwendet, gleichwohl die EIA nicht mehr aktiv ist. Im Folgenden werden die Definitionen der IEC aufgeführt.

Keramik-Kondensatoren der Klasse 1 kommen in Resonanzkreisen zum Einsatz. Sie verfügen über ein hohes Maß an Stabilität und weisen einen niedrigen Verlust auf.

Keramik-Kondensatoren der Klasse 2 werden für Kopplungs-, Entkopplungs-, Bypass- und Glättungsanwendungen verwendet. Sie bestechen vor allem durch ihre hohe Effizienz bei geringem Volumen.

Keramik-Kondensatoren der Klasse 3 zählen zu diesem Zeitpunkt nicht als standardisierte Einheit, ihr Vorgänger enthielt jedoch vor allen Dingen Sperrschichtkondensatoren.

Bei stabilen Spannungen mit stabilen Frequenzen sind Kondensatoren der Klasse 1 eine hervorragende Wahl. Sie bestechen durch ihre sehr niedrigen Verlustraten und werden weitläufig in Resonanzkreisen, Oszillatoren und hochwertigen Filterelementen eingesetzt. Die Temperatureigenschaften dieser Kondensatoren hängen hauptsächlich von den im Zuge ihrer Herstellung verwendeten Materialien ab. Da der Temperatur-Koeffizient ein wichtiges Merkmal dieser Kondensatoren darstellt, wird dieser mit Hilfe eines zweistelligen Codes auf dem Bauteil angezeigt. Die Bezeichnung der Keramik bietet zudem die Möglichkeit, diese Informationen auf einen Blick abzulesen.

Während Kondensatoren der Klasse 2 nicht gar so akkurat oder stabil sind wie ihre Pendants der Klasse 1, verfügen sie dennoch über hervorragende Leistungswerte pro Volumen. Dies rührt daher, dass die für diese Bauteile verwendeten Materialien eine hohe Dielektrizitätskonstante aufweisen.

Kondensatoren der Klasse 2 verfügen über einen nicht-linearen Kapazitätswert, der sich je nach Temperatur des Bauteils und anliegender Spannung ändern kann. Die Kondensatoren sind so gekennzeichnet, dass der Bediener erkennen kann, in welchem Maße die Kapazität über den Betriebstemperaturbereich hinweg schwankt. Dabei wird ein Code aus Ziffern und Buchstaben verwendet, wobei die Buchstaben den unteren Temperaturbereich und die Ziffer den oberen Temperaturbereich beschreiben. Das dritte Zeichen des Codes gibt an, in welchem Maße sich die Kapazität des Bauteils über den angegebenen Temperaturbereich hinweg verändert.

Keramik-Multilayer-Kondensatoren sind in vielen verschiedenen Designs erhältlich und eignen sich somit für den Einsatz in einer Vielzahl unterschiedlichster Anwendungen.

 

Keramik-Multilayer-Kondensatoren: Designs

Keramik-Multilayer-Kondensatoren sind in vielen verschiedenen Konfigurationen erhältlich. Zu den geläufigsten Varianten zählt das Design in Form eines rechteckigen Blocks, der sich besonders gut für kompakte Anwendungen eignet. Diese Komponenten sind bei den meisten führenden Herstellern erhältlich, darunter Murata, RS und viele weitere.

Alternativ stehen viele andere Designs zur Verfügung, darunter das bekannte Disc-Design mit zwei aus der Komponente heraus ragenden Drähten. Bei sogenannten Durchführungskondensatoren ragen die jeweiligen Drähte an beiden Seiten der Komponente heraus, wodurch Raum für etwas andere Konfigurationen geschaffen wird.

 

So werden sie gebaut

Die Herstellung von Keramik-Multilayer-Kondensatoren ist ein sehr komplexer Prozess mit präziser Technologie und anspruchsvoller Qualitätsprüfung. Die ferroelektrischen bzw. paraelektrischen Materialien, aus denen der Kondensator besteht, werden in einer Schlacke vermischt und durch die Zugabe bestimmter Stoffe entsprechend modifiziert.

Im Anschluss wird das Material in Form einer Folie ausgelegt, die im weiteren Verlauf zunächst in Blätter und anschließend in Rollen umgeformt wird. Zu Zwecken der Qualitätsprüfung wird jede dieser Rollen entsprechend gekennzeichnet. Im nächsten Schritt werden die Rollen einem Druckprozess unterzogen und wieder in Blätter umgeformt. Diese Blätter bilden später einmal die Elektroden des Kondensators.

Dabei werden sie zunächst schichtweise zusammengeführt, um den gewünschten Kapazitätswert zu erreichen. Danach werden sie im Laufe eines Pressvorgangs komprimiert und verdichtet. Die Elektroden werden in die Kondensatoren eingefügt und die verschiedenen Blätter werden in einzelne Kondensatoren unterteilt.

Da es sich bei den Komponenten um Keramikbauteile handelt, müssen sie gebrannt werden. Hierfür stehen unterschiedliche Brennvorgänge zur Verfügung, einschließlich solcher, die das jeweilige Bauteil direkt mit Anschlussklemmen versehen.

Nach Abschluss des gesamten Herstellungsverfahrens wird jeder Kondensator einer gründlichen Prüfung unterzogen um sicherzustellen, dass er auch wirklich den gewünschten Kapazitätswert erreicht. Jede einzelne Charge an Kondensatoren wird entsprechend gekennzeichnet, sodass im Falle eines Problems nachverfolgt werden kann, in welchem Werk die einzelnen Bauteile hergestellt worden sind.

 

Anwendungen von Keramik-Multilayer-Kondensatoren

Keramik-Multilayer-Kondensatoren zählen zu den am weitesten verbreiteten elektrischen Bauteilen überhaupt und sind insbesondere für die Herstellung bestimmter Geräte nicht wegzudenken. Dabei werden jedes Jahr mehrere hundert Millionen dieser Bauteile hergestellt.

Dank ihrer sehr geringen Abmessungen sind diese Kondensatoren ideal für kompakte elektronische Anwendungen geeignet. Sie bieten zudem bestimmte Vorteile gegenüber anderen Kondensatoren – siehe unten –, mit denen sie sich für eine Vielzahl bestimmter Anwendungen besser eignen als andere Varianten. So zählt mitunter ihre Präzision zu den Eigenschaften, die sie für gewisse Anwendungen besonders hervorheben.

Und während sie vor allen Dingen durch ihre kompakten Abmessungen besonders beliebt geworden sind, sind sie auch in deutlich größeren Ausführungen erhältlich. In dieser Form können sie eine Unmenge an Spannung verarbeiten, mitunter im Bereich von 100 kV. Ebenso können sie sehr hohe Stromstärken handhaben, sodass sie sich ideal für besonders anspruchsvolle Anwendungen eignen.

In etwas kleineren Varianten fallen die machbaren Spannungen und Stromstärken nicht unbedingt besonders groß aus, doch diese Bauteile können in hoher Anzahl auf Leiterplatten montiert werden. Dank des schichtweise ablaufenden Prozesses können diese Bauteile zudem ausgesprochen kompakt gebaut werden. So sind sie mitunter in Abmessungen von gerade einmal 0,6 x 0,3 x 0,33 mm erhältlich, sodass sie ideal in hoher Stückzahl auf einem sehr kleinen Bereich angebracht werden können. Manche dieser Bauteile sind tatsächlich nicht viel größer als ein Sandkorn.

Zudem besteht auch hier der Trend zu immer kleineren Bauteilen. Hierfür steigern Hersteller die Anzahl der Schichten in den Bauteilen, sodass jede dieser Schichten naturgemäß dünner gefertigt werden muss.

Die Kapazität eines solchen Kondensators kann, wie gesagt, mit Hilfe eines dünneren Dielektrikums oder durch eine höhere Anzahl an Elektroden gesteigert werden.

Die oben beschriebene Einteilung der Kondensatoren in Klassen gibt die jeweiligen Anwendungsbereiche weitestgehend vor. Kondensatoren der Klasse 2 werden beispielsweise meistens in Anwendungen mit hoher Spannung eingesetzt. Dabei kommen sie in allen möglichen Bereichen zum Einsatz – von simplen Schutzschaltern bis hin zu komplexen Netzteilen für sehr präzise wissenschaftliche Geräte.

Kondensatoren der Klasse 2 werden auch oftmals als zweites Mikrofon bezeichnet. Dabei handelt es sich um ein Phänomen, bei dem die Keramik innerhalb des Bauteils einen Pfeifton in Audio-Anwendungen erzeugt. Bei Keramik-Multilayer-Kondensatoren der Klasse 1 tritt dieser Effekt nicht auf, sodass sie oftmals in etwas empfindlicheren Audio-Anwendungen zum Einsatz kommen.

Kondensatoren sind derart grundlegende elektronische Bauteile, dass sie schlichtweg in zu vielen verschiedenen Anwendungen eingesetzt werden um sie hier aufzulisten. Kurz gesagt: Sie sind in nahezu jedem elektronischen Gerät zu Hause und übernehmen dabei die verschiedensten Rollen. Keramik-Multilayer-Kondensatoren bieten so manche Vorteile, die sie deutlich sicherer und zuverlässiger machen als andere Varianten.

 

Vorteile eines Keramik-Multilayer-Kondensators

Mit einem Blick auf andere Kondensatoren wird schnell ersichtlich, warum Keramik-Multilayer-Kondensatoren sich so gut für bestimmte Anwendungen eignen.

Polykarbonat-Kondensatoren verfügen über viele Eigenschaften, die auch bei Keramik-Multilayer-Kondensatoren zu finden sind, und werden in sehr präzisen Anwendungen eingesetzt. Sie sind jedoch auch sehr kostspielig und daher etwas weniger praxistauglich.

Mylar-Kondensatoren werden sehr weitläufig in Audio-Anwendungen eingesetzt, haben im Gegensatz zu Keramik-Multilayer-Kondensatoren jedoch stets mit Spannungsbegrenzungen zu kämpfen.

Keramik-Kondensatoren zählen nicht zu den polarisierten Varianten. Dieser Punkt ist besonders wichtig, da somit bei der Installation nicht auf die Polung geachtet werden muss.

Und das ist wichtiger, als es auf den ersten Blick erscheint. Keramik-Multilayer-Kondensatoren haben zudem die kostspieligeren Tantal Elektrolytkondensatoren in vielen Anwendungen ersetzt. Tantal Elektrolytkondensatoren können tatsächlich explodieren, wenn sie falsch gepolt eingebaut werden; in bestimmten – wenn auch etwas unwahrscheinlichen – Fällen kann dies zu Verletzungen führen, wird jedoch vielmehr mit hoher Wahrscheinlichkeit andere Bauteile beschädigen.

Keramik-Multilayer-Kondensatoren kommen ganz ohne Elektrolyt aus und bereiten somit keinerlei Probleme mit Lecks und ähnlichem.

Mit ihrer konstanten Performance bei verschiedenen Temperaturen sind diese Kondensatoren für bestimmte Anwendungen äußerst wertvoll. Sie sind zudem stoß- und vibrationsfester als Elektrolyt-Kondensatoren und müssen darüber hinaus nicht mit Klemmen versehen werden, um Beschädigungen zu verhindern. Sie können jedoch durch mechanische Belastungen beschädigt werden, wenn sie auf einer Leiterplatte montiert sind und starke Vibrationen und Stöße auftreten; dieser Punkt ist unbedingt zu berücksichtigen. Die Leiterplatte gibt diese Kraft direkt an die verschiedenen Komponenten weiter, die auf der Leiterplatte selbst montiert sind. So kann es vorkommen, dass ein Keramik Multilayer Kondensator Risse erleidet oder anderweitig beschädigt wird, sollte er nicht ausreichend vor mechanischen Belastungen geschützt werden.

Verschiedene Hersteller haben Designs entwickelt, die Kondensatoren besseren Schutz vor Beschädigungen durch mechanische Belastungen bieten. So verringern diese Designs das Risiko von Kurzschlüssen oder ähnlichen Problemen, falls die Komponente zu hohen Belastungen ausgesetzt ist und somit beschädigt wird.

 

Vorteile durch Sicherheit

Keramik-Multilayer-Kondensatoren sind nicht entzündlich und eignen sich somit ideal für bestimmte Einsatzbereiche. So können sie beispielsweise zur Radiostörimpulsunterdrückung und als Filter zur Unterdrückung elektromagnetischer Störungen in AC-Leitungen eingesetzt werden.

Der Widerstand dieser Bauteile nimmt mit der anliegenden Frequenz zu, sodass sie bestens für die Unterdrückung von Störimpulsen geeignet sind.

 

Verschiedene Ausführungen

Keramik-Kondensatoren für Anwendungen mit Hochspannung werden in einem sehr ähnlichen Prozess wie ihre kleineren Brüder gefertigt, zählen jedoch zu einer anderen Klasse an Kondensatoren. Ihr Einsatzbereich zielt mehr darauf ab, Geräte vor Beschädigungen zu bewahren und auch Personen, die mit diesen Geräten arbeiten, vor Verletzungen zu schützen. Dabei können diese Kondensatoren in vielen verschiedenen Designs hergestellt werden, da die Keramik selbst sehr flexibel geformt werden kann.

Die leistungsstärksten Keramik-Kondensatoren sind zudem sehr groß im Vergleich zu den Kondensatoren auf Leiterplatten. Sie werden dabei jedoch nicht von den Nachteilen anderer großer Kondensatoren, beispielsweise Elektrolyt-Kondensatoren, eingeschränkt.

Keramik-Multilayer-Kondensatoren sind in standardisierten Größen erhältlich, sodass sie mühelos in die verschiedensten Produkte integriert werden können. Bei vielen dieser Kondensatoren wird die Höhe nicht serienmäßig angegeben. Die Höhe hängt letztlich von der Anzahl der Schichten und somit von der Kapazität des Bauteils ab.

 

Kondensatoren für industrielle Anwendungen auswählen

Keramik-Multilayer-Kondensatoren zählen zu den preiswertesten und am weitesten verbreiteten elektronischen Bauteilen. Erhältlich sind sie bei großen Vertrieben, die zahlreiche unterschiedliche Varianten stets vorrätig haben. Dank der Standardisierung kann mühelos bestimmt werden, welcher Kondensator sich für eine bestimmte Anwendung eignet.

Eine der bedeutendsten Eigenschaften Keramik-Multilayer-Kondensatoren ist ihr geringer Preis, insbesondere angesichts ihrer hohen Zuverlässigkeit. Tantal Elektrolytkondensator werden aus diesem Grund immer seltener eingesetzt. Tantal ist ein schwierig zu gewinnendes Material, das die Kosten der Bauteile deutlich in die Höhe treibt. Keramik ist hingegen ein sehr preiswertes Material und kann mit Hilfe bestimmter Aufbereitungs- und Herstellungsverfahren selbst unter sehr widrigen Bedingungen eingesetzt werden und eine ausgesprochen hohe Performance bieten.

Diese Kondensatoren sind so preiswert, dass sie in der Regel in hohen Stückzahlen verkauft werden und auch ohne Probleme vielfach vorrätig gehalten werden können.

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