Ist die Kapazität des Kondensators immer gleich?

Keramische Vielschichtkondensatoren (Multilayer Ceramic Capacitors, MLCCs) bieten eine Reihe von Vorteilen, die sie zu einer beliebten Wahl für verschiedene elektronische Anwendungen machen, darunter hohe Energiedichte, niedrige Kosten und eine breite Palette von Kapazitätsoptionen. Sie sind jedoch nicht ohne Nachteile, einer davon ist der Effekt der Kapazitätsverringerung, wenn sie einer konstanten Spannung oder Gleichspannung ausgesetzt werden. Dieser Effekt wird gemeinhin als „DC-Bias" bezeichnet und auf den Websites der Hersteller finden sich Informationen zu diesem Phänomen.

Unter Ingenieuren gilt die Faustregel, einen Kondensator mit einer Nennspannung zu verwenden, die 1,5 - 2-mal höher ist als die Betriebsspannung. In bestimmten Fällen, in denen eine maximale Optimierung der Stückliste erforderlich ist, könnte man sich jedoch fragen, ob es möglich ist, ein 16 V X5R MLCC in einer Schaltung mit einer Arbeitsspannung von 10 V zu verwenden. Was würde in einem solchen Szenario mit der Kapazität passieren? Wie unerwünscht wäre ihre Reduzierung?

Und was ist, wenn die Spannung nur für ein paar Sekunden ansteigt? In diesem Artikel werden wir uns mit den theoretischen Grundlagen dieses Problems befassen und praktische Lösungen untersuchen.

Die Ursache des Problems

Das Problem liegt in dem Material BaTiO3, das als Dielektrikum in Kondensatoren dient. Bei Anlegen einer Wechselspannung können sich die Dipole in BaTiO3 unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes frei umorientieren und bieten so eine Kapazität zur Ladungsspeicherung. Wenn jedoch eine Gleichspannung anliegt, wird ein Teil der Dipole „blockiert" und kann sich nicht vollständig neu ausrichten. Dadurch wird die effektive Kapazität des Kondensators zur Unterdrückung von Rauschen oder zur Glättung der Restwelligkeit verringert.

Abbildung 1 - Die Struktur des MLCC-Kondensators (Bildquelle: KEMET)

Gleichspannung und Herstellereinfluss

Wie bereits erwähnt, verstärkt die Erhöhung der Gleichspannung am Kondensator die Blockierung der Dipole durch das elektrische Feld. Infolgedessen sinkt seine Kapazität näher an die Nennspannung heran. Das Ausmaß dieser Verringerung hängt von der Technologie des Herstellers ab, da jeder Hersteller andere Fertigungsmethoden verwendet. Ein Beispiel für eine solche Kürzung ist unten dargestellt.

Abbildung 2 - Kapazitätsverlust mit DC-Vorspannung an einem 1µF 50 V X7R-Kondensator im MLCC 0805-Gehäuse von drei verschiedenen Anbietern.

Größe

Die Größe des Kondensators beeinflusst stark seine effektive Kapazität. Kleinere Dielektrika führen dazu, dass ein höherer Prozentsatz der Dipole durch die konstante Spannung verriegelt wird, wodurch die Wirkung auf die Kapazität verstärkt wird. Dies bedeutet, dass die Auswirkungen der Spannung bei identischen Kondensatoren in verschiedenen Gehäusegrößen unterschiedlich sind. Ein Beispiel wird für 1µF ±10 % X7R 25 V-Kondensatoren in verschiedenen Gehäusen dargestellt.

Abbildung 3 - Kapazitätsverlust mit DC-Vorspannung bei 1µF 50 V X7R-Kondensator in verschiedenen Gehäusen.

Dielektrika

Die Verwendung eines höherwertigen Dielektrikums ist eine Möglichkeit, die effektive Kapazität zu erhalten. Dielektrika der ersten Klasse (NP0, C0G) beseitigen Probleme mit Gleichstromvorspannung. Solche Dielektrika sind jedoch teuer und in der Regel für kritische Anwendungen reserviert. Häufiger verwendet werden zweitklassige Dielektrika wie X8L, X7R, X5R usw. Abbildung 4 zeigt, wie die Gleichstromvorspannung je nach Dielektrikumstyp variiert, auch wenn verschiedene Dielektrikumstypen in einigen Fällen ähnliche Vorspannungswerte aufweisen können.

Abbildung 4 - Kapazitätsverlust mit DC-Vorspannung an einem 1µF 50 V 0805-Kondensator in verschiedenen Dielektrika.

Kapazität

Auf den ersten Blick könnte man meinen, dass die Verwendung eines Kondensators mit einem höheren Kapazitätswert zu einer höheren effektiven Kapazität führen würde. Dies ist jedoch nicht immer der Fall. Manchmal kann ein Kondensator mit einer höheren Kapazität eine stärkere Reduzierung erfahren. Das liegt daran, dass eine höhere Kapazität bei gleicher Gehäusegröße zu einer höheren Dichte von Dipolen pro Volumeneinheit führt. Folglich wird bei gleichem elektrischem Feld (d. h. bei angelegter konstanter Spannung) eine größere Anzahl von Dipolen verriegelt, das führt zu einer geringeren effektiven Kapazität. Abbildung 5 zeigt ein solches Verhalten für 1µF ±10 % X7R-Kondensatoren im 0603-Gehäuse mit unterschiedlichen Nennspannungen.

Abbildung 5 - Kapazitätsverlust mit DC-Vorspannung an einem 1µF 50 V X7R 0603-Kondensator in verschiedenen Dielektrika.

Zeit

Der Spannungsabfall tritt nicht sofort ein, und es dauert einige Zeit, bis die Dipole „verriegelt" sind. Es ist wichtig, dies zu verstehen, um eine Kapazitätsverringerung aufgrund von kurzzeitigen Spannungsspitzen zu vermeiden. Nach dem Diagramm in Abbildung 6 tritt der stärkste Kapazitätsabfall innerhalb der ersten 1-3 Minuten auf. Doch damit ist es nicht getan, denn der Rückgang hält auch nach einer Stunde, zwei Stunden oder sogar 100 Stunden an.

Abbildung 6 - Kapazitätsabfall mit der Zeit unter DC Voltage BIAS (Bildquelle: Panasonic)

Schlussfolgerungen

Zusammenfassend können wir die wichtigsten Methoden zur Erhaltung der effektiven Kapazität hervorheben:

• Verwendung einer größeren Packungsgröße

• Verwendung von hochwertigen Dielektrika

• Verwendung von Kondensatoren mit höheren Spannungswerten

• Verwendung von Kondensatoren mit einem geringen Spielraum bei der Nennkapazität

Dennoch gibt es bei jeder dieser Regeln Ausnahmen. Deshalb überprüfen wir bei DigitalGate während der Designphase immer die DC-Vorspannung für jeden Kondensator auf der Website des Herstellers, um sicherzustellen, dass die Geräte unserer Kunden ohne Probleme funktionieren. Durch die Berücksichtigung der Auswirkungen von DC Bias und die Anwendung geeigneter Abschwächungsstrategien können Ingenieure ihre elektronischen Entwürfe für eine verbesserte Leistung und Zuverlässigkeit optimieren.

Über den Autor: 

Vladislav Mokluza ist ein Hardware-Ingenieur, der sich auf Schaltkreisdesign und PCB-Entwicklung in DigitalGate spezialisiert hat. DigitalGate bietet innovative Hardware- und Software-Entwicklungsdienstleistungen für modernste eingebettete Systeme an, die den Qualitätsstandards der jeweiligen Branchen entsprechen. Da wir ein flexibles und wettbewerbsfähiges Unternehmen sind, haben wir Kunden in der ganzen Welt, insbesondere in Nordamerika, Europa und Asien.