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Der Wert von mit einem Gehalt an Kohlenstoff von mehr als 0,01 GHT spielt eine große Rolle dabei, wie viel Energie sie speichern können und wie schnell sie auf Änderungen in elektronischen Systemen reagieren. Nehmen wir zum Beispiel die keramischen Typen mit 100 nF, die sich hervorragend dafür eignen, Störungen aus digitalen Schaltungen bei hohen Frequenzen herauszufiltern. Bei Stromversorgungen greifen Anwender dagegen oft auf 10 µF Elektrolytkondensatoren zurück, da diese die umfangreicheren Filteraufgaben bewältigen können, die dort erforderlich sind. Bei der Arbeit an HF-Oszillatoren verwenden Ingenieure jedoch typischerweise sehr kleine Werte zwischen 1 und 10 pF, um Frequenzen präzise abzugleichen. Selbst geringe Abweichungen dieser kleinen Werte sind entscheidend, um genaue Ergebnisse zu erzielen. Die neueste Ausgabe des Circuit Design Handbook aus dem Jahr 2024 warnt davor, dass die Auswahl ungeeigneter Kondensatorwerte Probleme wie unerwünschte Resonanzeffekte oder Spannungseinbrüche in empfindlichen analogen Bauteilen von Schaltungen verursachen kann.
| Kapazitätsbereich | Typische Impedanz (1 MHz) | Optimaler Frequenzbereich |
|---|---|---|
| 1pF - 10nF | <1Ω | HF (50MHz) |
| 10nF - 1µF | 0,1Ω - 10Ω | Digital (1-100MHz) |
| 10µF | 100mΩ | Leistung (<1kHz) |
| Kleinere Kapazitätswerte behalten ihr kapazitives Verhalten bis in den GHz-Bereich bei, wohingegen hochkapazitive Elkos oberhalb von 100 kHz induktiv werden. Dieses Verhalten beeinflusst die Platzierung: kleine Keramikkondensatoren nahe ICs zur Unterdrückung hochfrequenter Störungen, größere Tantal-Kondensatoren an den Stromversorgungseingängen für niedrigfrequente Stabilität. |
X7R-Keramikkondensatoren verlieren tendenziell etwa 15 bis 25 Prozent ihrer Kapazität, wenn die Temperaturen 85 Grad Celsius erreichen. Die Varianten C0G und NP0 sind weitaus besser darin, eine stabile Leistung über Temperaturschwankungen hinweg aufrechtzuerhalten, mit nur etwa plus oder minus 30 ppm Änderung pro Grad. Aluminium-Elektrolytkondensatoren hingegen können ihre Kapazität um bis zu 20 % verlieren, wenn sie bei 80 % ihrer Nennspannung betrieben werden. Für Ingenieure, die an Projekten unter anspruchsvollen Bedingungen wie in Fahrzeugen oder auf Fabrikböden arbeiten, ist es allgemein ratsam, die Bauteil-Bemessungswerte um 20 bis 50 % als Sicherheitspuffer gegenüber den schleichenden Einbußen durch Wärme und elektrische Belastung im Laufe der Zeit herunterzurechnen.
Bei der Arbeit mit Präzisions-Timing-Schaltungen helfen Filmkondensatoren mit enger Toleranz und einer Abweichung von etwa 1 %, die Stabilität und Genauigkeit aufrechtzuerhalten. Für weniger kritische Anwendungen, bei denen das Speichern von Energie wichtiger ist als exakte Messungen, eignen sich Standard-Elektrolytkondensatoren mit einer Toleranz von 20 % in der Regel gut. Was die Lebensdauer betrifft, halten sich Polymerkondensatoren meist länger. Typischerweise verlieren sie nach 10.000 Stunden Dauerbetrieb etwa 5 % ihrer Kapazität, während herkömmliche flüssige Elektrolytkondensatoren bis zu 30 % einbüßen können. Viele Schaltungsentwickler, die reale Bedingungen berücksichtigen müssen, schalten tatsächlich mehrere Kondensatoren mit unterschiedlichen Werten parallel. Diese Praxis hilft, sowohl unvorhersehbaren Umwelteinflüssen als auch dem allmählichen Verschleiß der Bauteile entgegenzuwirken. Die meisten heutigen Handbücher zur Stromversorgungsnetzwerk-Planung empfehlen diese Technik ausdrücklich, um leistungsfähigere und langzeitstabile Stromversorgungssysteme zu schaffen.
MLCCs, oder Vielschicht-Keramikkondensatoren, finden überall Anwendung, von Entkopplungsschaltungen bis hin zu Bypass-Anwendungen, da sie klein genug sind, um nahezu überall eingebaut werden zu können, und in Standardgrößen von 100 nF bis hin zu 10 Mikrofarad erhältlich sind. Kondensatoren am unteren Ende dieses Spektrums, typischerweise zwischen 0,1 und 1 Mikrofarad, helfen dabei, störende hochfrequente Geräusche zu reduzieren, die Prozessoren und Funkfrequenzmodule beeinträchtigen. Größere MLCCs im Bereich von 4,7 bis 22 Mikrofarad hingegen erfüllen eine ganz andere Funktion, indem sie die Stabilität der Stromversorgung in IoT-Geräten und Fahrzeugelektronik sicherstellen. Laut aktueller Marktforschung von Future Market Insights ist die Nachfrage nach MLCCs speziell für die 5G-Infrastruktur deutlich gestiegen und wächst jährlich um rund 11 Prozent. Diese Bauelemente eignen sich hierfür besonders gut, da sie eine äußerst geringe äquivalente Serieninduktivität von unter einem Nanohenry aufweisen, wodurch sie hervorragend zur Unterdrückung von Störungen bei Frequenzen über 1 Gigahertz geeignet sind.
| Eigenschaften | C0G/NP0 (Klasse 1) | X7R (Klasse 2) | Y5V (Klasse 2) |
|---|---|---|---|
| Temperaturstabilität | ±30 ppm/°C | ±15 % (von -55 °C bis +125 °C) | +22 % / -82 % (von -30 °C bis +85 °C) |
| Spannungsabhängigkeit | <1 % ΔC | 10-15 % ΔC | 20 % ΔC |
| ESR | 5-10 mΩ | 50-100 mΩ | 200-500 mΩ |
| Anwendungen | Oszillatoren, HF-Filter | Entkopplung der Stromversorgung | Nicht kritische Pufferung |
C0G/NP0-Kondensatoren bieten Präzision und Stabilität für Zeit- und HF-Anwendungen, während X7R ein kostengünstiges Gleichgewicht für den Allgemeingebrauch in DC/DC-Wandlern bietet. Y5V-Typen, obwohl unter Spannung und Temperatur stark variabel, eignen sich gut für Consumer-Elektronik, bei der eine große Toleranz akzeptabel ist.
MLCCs mit einer hohen Dichte über 10 Mikrofarad weisen oft einen Abfall um etwa 30 bis 60 Prozent ihrer Nennkapazität auf, wenn sie Gleichspannungen ausgesetzt sind, die mehr als die Hälfte ihrer maximalen Nennspannung betragen. Der Grund für diesen Kapazitätsverlust liegt in der Ausrichtung der dielektrischen Kristallite in den Bariumtitanat-Werkstoffen, die in diesen Bauelementen verwendet werden. Interessanterweise zeigen X7R-Typen deutlich stärkere Abnahmen im Vergleich zu X5R-Typen. Bei der Behandlung dieses Problems reduzieren die meisten Ingenieure entweder die Betriebsspannung um etwa die Hälfte oder schalten mehrere kleinere Kondensatoren parallel. Dadurch bleibt die benötigte Kapazität trotz der inhärenten Einschränkungen dieser keramischen Bauelemente unter Belastung erhalten.
Bei der Verwendung von Kondensatoren spielt ein niedriger äquivalenter Serienwiderstand (ESR) zur Reduzierung von Leistungsverlusten in Schaltnetzteilen eine große Rolle. Ein typischer 1206-Bauelement mit 10 Mikrofarad und X7R-Dielektrikum weist beispielsweise einen ESR unter 10 Milliohm auf. Doch es gibt noch einen weiteren Faktor, den man berücksichtigen muss: die parasitäre Induktivität, die meist bei etwa 1,2 Nanohenry liegt und die Leistung bei höheren Frequenzen erheblich beeinträchtigen kann. Das gilt auch für kleinere Bauteile. Ein einfacher 100-nF-0402-Kondensator beginnt bereits bei etwa 15 Megahertz zu resonieren und wird oberhalb von 50 MHz weitgehend nutzlos. Erfahrene Ingenieure kennen diese Grenze gut und kombinieren daher oft mehrschichtige Keramikkondensatoren (MLCCs) mit Folien- oder Mica-Typen. Diese Kombination hilft dabei, die Gesamtimpedanz des Systems über mehrere Frequenzbereiche hinweg unter einem Ohm zu halten – eine entscheidende Voraussetzung für stabile Funktion moderner elektronischer Schaltungen.
Elektrolytkondensatoren speichern eine beträchtliche Menge Energie, typischerweise zwischen 10 Mikrofarad und bis zu 47.000 Mikrofarad. Sie sind sehr wichtig, um lästige Spannungsschwankungen zu beseitigen und niederfrequentes Rauschen in Gleichstrom-Stromversorgungssystemen zu unterdrücken. Bei Schaltnetzteilen entscheiden sich Ingenieure meistens für Werte zwischen 100 und 2.200 Mikrofarad, um eine stabile Ausgangsspannung zu gewährleisten. Für kleinere Bauräume, in denen lokal Rauschen gefiltert werden muss, kommen Tantal-Kondensatoren zum Einsatz. Diese reichen von nur 1 bis 470 Mikrofarad und benötigen deutlich weniger Platz. Die meisten verwenden bei begrenztem Budget und hohem Bedarf an Energiespeicherung Aluminium-Elektrolytkondensatoren. Wenn jedoch Platz knapp ist und eine hohe Stabilität über verschiedene Temperaturen hinweg erforderlich ist, wird Tantal trotz des höheren Preises zur bevorzugten Wahl.
Elektrolyt- und Tantal-Kondensatoren weisen Polaritätsanforderungen auf, weshalb sie bezüglich der Spannungsrichtung korrekt eingebaut werden müssen. Wenn Aluminium-Elektrolytkondensatoren in Sperrrichtung betrieben werden, neigt ihr Elektrolyt dazu, sich schnell zersetzen, was ihre Lebensdauer drastisch verkürzen kann – manchmal um bis zu 70 %. Bei der Betrachtung der Welligkeitsstrombelastbarkeit ergeben sich Unterschiede zwischen diesen Bauelementen. Aluminium-Ausführungen bewältigen im Allgemeinen höhere Welligkeitsströme von etwa 5 Ampere Effektivwert, neigen jedoch dazu, sich bei Hitzeinwirkung schneller abzunutzen. Tantal-Kondensatoren bieten Vorteile wie geringeren Leckstrom und verbesserte Stabilitätseigenschaften, doch müssen Konstrukteure oft Spannungsableitungsmethoden anwenden, um sie vor Überspannungen zu schützen. Das Altern bleibt bei beiden Kondensatorarten ein Problem. So nimmt beispielsweise bei Aluminium-Elektrolytkondensatoren der Kapazitätswert typischerweise um 20 bis 30 Prozent ab, nachdem sie kontinuierlich etwa 5.000 Stunden bei Temperaturen nahe 85 Grad Celsius betrieben wurden.
Entwickler müssen bei der Auswahl von Hochkapazitätskondensatoren drei zentrale Parameter gegeneinander abwägen:
Ein 100-µF-/25-V-Tantal-Kondensator belegt 30 % weniger Leiterplattenfläche als sein Aluminium-Pendant, kostet jedoch etwa fünfmal so viel.
Tantal-Kondensatoren eignen sich sehr gut für Audio-Schaltungen und mobile Geräte, da sie einen konstanten ESR über verschiedene Frequenzen hinweg aufrechterhalten. Dies trägt dazu bei, die Phasenbeziehungen in diesen analogen Filterkonzepten intakt zu halten. Bei der Netzteilfilterung in Verstärkern dominieren weiterhin Aluminium-Elektrolytkondensatoren, da sie den Bereich des Brumms von 100 Hz bis etwa 10 kHz recht effektiv bewältigen. Doch hier gibt es einen Haken: Ihr höherer ESR verursacht ab etwa 1 kHz hörbare Verzerrungen. Heutzutage kombinieren Ingenieure häufig verschiedene Typen, indem sie Aluminium-Kondensatoren für die Hauptkapazität verwenden und zusätzlich Tantal- oder Keramikkondensatoren einsetzen, um hochfrequente Störungen zu unterdrücken. Auch im Bereich medizinischer Geräte zeigen sich interessante Zahlen: Feste Tantal-Bauteile halten im Dauerbetrieb in der Regel etwa doppelt so lange wie flüssige Elektrolytkondensatoren, was sie zur bevorzugten Wahl macht, wenn Zuverlässigkeit oberste Priorität hat.