Zwei Kondensator-Technologien im Vergleich
„Das Bessere ist des Guten Feind“
Fortsetzung des Artikels von Teil 2
Elektrische Eigenschaften von Kondensatoren
Für Anwendungen, bei denen der Kondensator vorrangig als Energiespeicher Verwendung findet (beispielsweise als Zeitglied oder Entladekondensator), wird der erforderliche Kapazitätswert C über die erforderliche elektrische Ladung Q bei gegebener Spannung U mit C = Q/U errechnet. Der so ermittelte Kapazitätswert gilt für alle Kondensatoren unabhängig von ihrer Bauart.
Anders ist das bei Wechselspannungsanwendungen: Hier wird der Kondensator entsprechend der Frequenz der angelegten Spannung aufgeladen und entladen. Das Verhalten des Kondensators hängt nun nicht mehr allein von seiner Kapazität ab, sondern wird wesentlich durch die Verluste bei jedem Lade- und Entladevorgang bestimmt.
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Verluste werden vor allem durch die ohmschen Eigenschaften des Kondensators hervorgerufen. Dieser ohmsche Anteil wird als Ersatzserienwiderstand (ESR) bezeichnet. Zur Beschreibung des realen Kondensators wird daher sein Ersatzschaltbild, bestehend aus ohmschem, kapazitivem und induktivem Anteil, herangezogen. Aus dem Ersatzschaltbild lässt sich der komplexe Widerstand beziehungsweise die Impedanz Z des Kondensators ableiten.
Impedanz und ESR in Abhängigkeit der Frequenz sind bei MLCC (Multilayer Ceramic Capacitor) und Tantal-Kondensatoren gleicher Kapazität verschieden (Bild 4). Bei kleineren Frequenzen bis zirka 100 kHz ist die Impedanz in etwa gleich, bei höheren Frequenzen nimmt sie bei MLCC weiter deutlich bis zur Resonanzfrequenz ab, während sie bei Tantal-Kondensatoren annähernd konstant bleibt. Grund dafür sind vor allem die rein metallischen Innenelektroden des MLCC, wohingegen beim Tantal-Kondensator Teile der Elektrode halbleitend und damit hochohmiger sind. Entsprechend geringer sind auch die ESR-Werte der Keramik-Kondensatoren, wodurch schnellere und verlustarme Ladungsvorgänge insbesondere bei höheren Frequenzen erzielt werden können.
Welcher Kapazitätswert ist ausreichend?
Am Beispiel eines einfachen Tiefpassfilters (Bild 5) lassen sich die unterschiedlichen Dämpfungseigenschaften von Tantal- und Keramik-Kondensatoren vergleichen. Dabei wird ein Eingangssignal mit 2 V Rechteckspannung bei verschiedenen Frequenzen gedämpft.
Zunächst wurden die Ausgangssignale bei Verwendung je eines 1-µF-Tantal- und eines 1-µF-Keramik-Kondensators bei verschiedenen Frequenzen gemessen. Bei Frequenzen von 1 bis 100 kHz sind die Ausgangssignale beider Kondensatoren wie auch deren Impedanzkurven vergleichbar.
Mit zunehmender Frequenz wird die Dämpfung durch den Keramik-Kondensator jedoch stärker im Vergleich zum Tantal-Kondensator. Bei 1 MHz beträgt das Ausgangsrauschen beim Filter mit MLCC nur noch zirka ein Drittel des Wertes des Tantal-Filters. Um bei dieser Frequenz die gleiche Dämpfung mit einem Tantal-Kondensator zu erreichen, wäre bereits ein Kapazitätswert von ungefähr 22 µF erforderlich.
Andererseits erreicht man mit einem 470-nF-MLCC (Bild 6, rechts) bereits eine stärkere Dämpfung als mit dem 1-µF-Tantal-Kondensator (Bild 7, rechts). Mit einem 220-nF-MLCC (Bild 6, links) ist die Dämpfung wiederum etwas schwächer. Für das gewählte Beispiel wäre demnach ein 330-nF-MLCC ein geeigneter Äquivalentwert für einen 1-µF-Tantal-Kondensator.
Durch ähnliche Vergleichmessungen lässt sich für verschiedene Anwendungen der äquivalente Kapazitätswert für MLCC als Alternative für Tantal-Kondensatoren bestimmen. So können besonders bei Frequenzen im Bereich von 100 kHz bis 1 MHz Tantal-Kondensatoren durch Keramik-Kondensatoren mit deutlich geringeren Kapazitätswerten kostengünstig ersetzt werden. Der Äquivalentwert ist jedoch für jede Applikation und Betriebsfrequenz gesondert zu ermitteln. Generell jedenfalls sind Tantal-Kondensatoren für Anwendungen in diesem Frequenzbereich typischerweise durch MLCC mit 50 bis 80 % geringerer Kapazität ersetzbar.
Neben SMD-Kondensatoren in den Standard-EIA-Bauformen lassen sich in Vielschichttechnologie diverse Sonderbauformen für spezielle Filter- und Entstöranwendungen realisieren. Besonders mit Durchführungskondensatoren (Feedthrough), Arrays, Matched Pairs und Feedthrough Arrays können spezielle Filterfunktionen realisiert werden, die in ihrer Filterwirkung und ihrem Platzbedarf sowohl Tantal-Kondensatoren als auch Standard-MLCC bei weitem übertreffen.
In die bisherigen Überlegungen flossen vor allem Impedanz und ESR als elektrische Parameter ein. Weitere Kriterien, die für einen Vergleich von MLCC und Tantal-Kondensator herangezogen werden müssen, sind:
- Spannungsfestigkeit,
- DC-Bias,
- Zuverlässigkeit,
- Temperatur-Derating,
- Strombelastbarkeit beziehungsweise Verlustleistung.
Die Durchbruchspannung, also die Spannung, bei der das Dielektrikum infolge der äußeren Feldstärke zerstört wird, liegt bei MLCC bei einem Vielfachen, üblicherweise dem 10- bis 20-fachen der Nennspannung (UR). MLCC widerstehen daher kurzzeitigen Spannungsspitzen bis zum 2,5- bis 3-fachen der Nennspannung.
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