Vielschicht-Keramikkondensatoren Liebling, ich habe die Kapazität geschrumpft!

Vielschicht-Keramikkondensatoren sind sehr weit verbreitet, und gerade in Verknappungssituationen muss man die realen Anforderungen in der Applikation kennen und berücksichtigen. Denn diese beeinflussen das Verhalten dieser Bauteile – zum Beispiel den Kapazitätsverlust durch die DC-Bias-Spannung.

Vielschicht-Keramikkondensatoren (Multi Layer Ceramic Capacitor, MLCC) zählen heute zu der am meisten verbreiteten Bauform unter den Keramikkondensatoren. Nicht ohne Grund: Sie wurden deutlich optimiert hinsichtlich immer höherer Nennkapazitäten und immer kleinerer ESR-Werte (Equivalent Series Resistance, Serienersatzwiderstand). Einher geht dies aber auch mit immer größeren Driften – vor allem gegenüber Gleichspannung, Temperatur und Zeit (Bild 1).

Keramikkondensatoren der Klasse 2 haben inzwischen so hohe Kapazitätswerte erreicht, dass es immer wieder zu Fehleinschätzungen ihrer tatsächlichen Kapazität im Betrieb kommt. Oft ist nicht bekannt, wie sich die Bauelemente in der realen Applikation verhalten und warum sie so stark variieren, sobald Spannung anliegt. Ein wichtiger elektrischer Parameter, der hierfür verantwortlich ist, ist die DC-Bias-Spannung.

Am besten lässt sich der DC-Bias-Effekt im Labor demonstrieren. Der Hersteller TDK verband für die Tests einen 1-µF-Kondensator (Nennspannung 25 V) in der Bauform 3216 mit einer X7R-Keramik mit einem LCR-Meter. Dieses zeigte bei einer Spannung von 0 V einen Wert von 1 µF an. Legte man 25 V an, war die Kapazität gegenüber dem Nennwert um über 40 % abgefallen.

Der Grund hierfür liegt in der Struktur der Keramikkondensatoren: Ihr dielektrisches Material wird aus Bariumtitanat, einem ferromagnetischen Material, gewonnen, dessen Moleküle dem Aufbau Barium2+, Sauerstoff2-, Titan4+ folgen. Dabei befindet sich Titan in der Mitte des Moleküls. Oberhalb ihrer Curie-Temperatur von etwa +125 °C besitzen diese Moleküle eine kubische Struktur und wechseln unterhalb der Curie-Temperatur in eine tetragonale Form. Dies erzeugt eine Polarität, genauer gesagt einen Dipol, wobei eine Seite der Achse positiver und eine negativer als die andere ist.

Ohne das Anlegen einer Gleichspannung ist kein elektrisches Feld vorhanden und die Dipole richten sich in der gesamten Kristallstruktur zufällig aus (spontane Polarisation). Dadurch ist die Dielektrizitätskonstante hoch, sodass die Kapazität hoch ist. Wird nun eine niedrige Gleichspannung angelegt, beeinflusst das elektrische Feld aufgrund der Polarisation einige der Dipole. Diese beginnen sich entsprechend dem Feld zu orientieren, wodurch sich die Kapazität verringert.

Steigt die anstehende Gleichspannung weiter, richten sich immer mehr Dipole parallel zum elektrischen Feld aus, und die Kapazität nimmt weiter ab. Bei der Nennspannung kann die Kapazität des Kondensators um die Hälfte oder mehr vom Nennwert abfallen (Bild 2). Dass Keramikkondensatoren der Klasse 2 diesen DC-Bias-Effekt aufweisen, lässt sich nicht vermeiden. Es gibt jedoch Möglichkeiten damit umzugehen.

Schaltungsentwürfe verbessern

Der Vergleich mehrerer DC-Bias-Kurven von Klasse-2-Kondensatoren zeigt, welche Möglichkeiten es gibt, den Effekt in der Applikation zu vermindern.

Eine erste Möglichkeit: Bei einem Kondensator mit 1 nF und einer Nennspannung von 16 V sinkt die Kapazität bei 10 V um fast 9 %, bei 16 V jedoch um 21 %. Für einige Designs könnte dies bereits inakzeptabel sein. Beim gleichen Kondensator mit einer Nennspannung von 25 V nimmt die Kapazität bei 10 V dagegen nur um 2 % ab. Das liegt daran, dass die dielektrischen Schichten in Komponenten mit höherer Nennspannung dicker sind. Ein dickeres Dielektrikum wiederum bedeutet eine niedrigere elektrische Felddichte, sodass sich weniger Dipole an diesem Feld ausrichten.

Eine zweite Möglichkeit: Bei einem 470-pF-Kondensator in derselben Gehäusegröße liegt die Kapazitätsänderung bei 10 V lediglich bei 0,6 %. Erlaubt es das Design, zwei dieser Kondensatoren parallelzuschalten, wäre auch dies ein Weg, um den DC-Bias-Effekt zu umgehen. Denn niedrigere Kapazitätswerte ermöglichen dickere dielektrische Schichten, was wiederum die Felddichte herabsetzt.

Und noch eine dritte Option: Manchmal werden Kondensatoren mit demselben Kapazitätswert auch in einem größeren Gehäuse angeboten. Auch sie haben meist dickere dielektrische Schichten und damit eine günstigeres DC-Bias-Verhalten.

Praxisbeispiel: DC-Bias nicht berücksichtigt

Was passieren kann, wenn der DC-Bias-Effekt in einer Applikation nicht berücksichtigt wurde, zeigt folgender Fall aus der Praxis: Ein Kunde nutzte einen X5R-Kondensator mit 4,7 µF/25 V der Baugröße 0805 und einer nominalen Toleranz von ±10 % sowie Messparametern von 1 kHz bei 1 V (Effektivwert). Er reklamierte, die Bauteile wären defekt, da ihr Kapazitätswert bei 14,5 V nur bei ca. 1 µF lag und nicht wie beim Muster (Golden Sample) bei ca. 1,5 µF. Dadurch entstand bei 15 V ein Brummsignal (Ripple), was wiederum zu einer Unterspannung an der Treiberstromversorgung des IPM (Intelligent Power Module) führte. Dadurch kommutierten die MOSFETs schlechter, was letztlich zu einem Überstrom in den Motorwicklungen führte.

Als Ursache stellte sich heraus, dass der Kondensatorhersteller zwei verschiedene Rohmaterialmischungen verwendet hatte, um die Bereitstellungssicherheit aufrechtzuerhalten. Bei 14,5 V zeigten Komponenten aus der einen Mischung Werte von ca. 1 µF, aus der anderen ca. 1,5 µF, wobei beide die sogenannten »Characteristic Data« (Bilder 3 und 4) erfüllen.

Der Kunde stützte sich mit seinem Muster auf die Bauteile mit den höheren Werten ohne der Ursache für die Differenz auf den Grund zu gehen oder das entsprechende generelle Diagramm zu berücksichtigen. Der Schwellwert in der Applikation lag bei ca. 1,25 µF. Anfangs hatte der Kunde zufällig die Bauteile mit niedrigerem DC-Bias-Effekt erhalten. Als er schließlich jene mit dem ausgeprägterem DC-Bias-Effekt erhielt, äußerte sich dies im Fehlverhalten der Schaltung.

Fazit

Das Beispiel zeigt, dass es insbesondere in Verknappungssituationen entscheidend ist, die realen Anforderungen der einzelnen Funktionen in einer Applikation und das Verhalten der MLCC zu kennen und zu berücksichtigen. Dabei gilt es zu beachten: Welche tatsächliche Spannung ist erforderlich? Welche Temperaturen sind in der Praxis zu berücksichtigen? Wo liegen die Schwellwerte des wirksamen Kapazitätswertes? Im Zweifelsfall sollten Entwickler sich absichern und den Rat des Kondensatorherstellers oder des Distributors einholen.

Dies gilt insbesondere bei relativ deutlichen Abweichungen von den charakteristischen Daten und Diagrammen, da diese im Vergleich zu Spezifikationsdaten nicht garantiert sind. Dann empfiehlt es sich, anhand der DC-Bias-Kurve des Kondensators im Vorfeld zu prüfen, ob die Kapazität bei der anliegenden Betriebsspannung akzeptabel ist. Ist dies nicht der Fall, lässt sich der Kapazitätsverlust auf drei Arten minimieren:

  • durch Parallelschaltung von zwei oder mehr Kondensatoren mit niedrigerem Kapazitätswert,
  • durch die Wahl eines Kondensators mit einer höheren Nennspannung oder
  • durch einen Kondensator mit größerem Gehäuse.

Alle drei Ansätze arbeiten mit Komponenten mit dickeren dielektrischen Schichten. Dies trägt dazu bei, den Kapazitätsverlust aufgrund der DC-Bias-Spannung zu minimieren. So lassen sich technische Probleme vermeiden und Entwickler haben mehr Alternativen zur Wahl.