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Kondensatoren / Intertec Components

MLCCs richtig messen

04. Juli 2019, 13:30 Uhr   |  Robert Braun, Intertec Components


Fortsetzung des Artikels von Teil 1 .

Einfluss des Messverfahrens

Zu Beginn ein alltägliches Beispiel: Ein Kunde erhält eine Lieferung von Klasse-2-MLCCs mit einer Nennkapazität von 10 µF und ±10 % Toleranz. Beim Wareneingang werden zehn Stück einer Kontrollmessung unterzogen, wobei zwei Bauteile mit gemessenen Kapazitätswerten von 7,618 µF und 8,166 µF deutlich außerhalb des zulässigen Toleranzfensters sind.

Laut Datumscode wurde die Ware erst vor sechs Wochen produziert und ist damit nur rund eintausend Stunden alt. Eine alterungsbedingte Kapazitätsabnahme kommt also nicht in Betracht. Auf eine Entalterung mittels Temperaturzyklus wird folgerichtig verzichtet. Demzufolge wird die gesamte Ware beim Lieferanten reklamiert und retourniert.

Der Lieferant wiederum ist sich der einwandfreien Qualität seiner Ware sicher und beauftragt ein neutrales Messlabor mit einer Überprüfung. Diese fällt 100 % positiv aus. Gemäß Prüfprotokoll liegt kein einziger Kapazitätswert unterhalb 10 µF. Der Kunde argumentiert, sein zur Messung eingesetztes LCR-Meter wäre erst kürzlich kalibriert worden und sei daher technisch in Ordnung. Auch sei die Messung laut Datenblatt des Herstellers mit der vorgeschriebenen Frequenz von 1 kHz durchgeführt worden, die Messwerte deshalb korrekt.

Wie sind derart unterschiedliche Testergebnisse möglich? Die Ursache liegt bei der verwendeten Messhardware. Ein qualitativ sehr gutes Handheld-LCR-Meter erzielt zwar bei Prüfungen diverser anderer Kondensatoren und MLCCs stets gute Ergebnisse. Für diese Art von Messung eignen sie sich jedoch nicht. Keramikkondensatoren besitzen einen sehr kleinen elektrischen Scheinwiderstand. In der Praxis ist dies zwar oft erwünscht, wirft bei Messungen aber Probleme auf. Wie eingangs erwähnt, ist die Kapazität von Klasse-2-MLCCs nicht nur frequenz- und temperaturabhängig, sondern auch von der angelegten (Mess-)Spannung.

Sehen wir uns das Ganze am Beispiel eines MLCCs mit einem X5R-Dielektrikum und den beiden verschiedenen Messgeräten an. Der Kunde führt die Messung mit dem Handheld-LCR-Meter vom Typ U1733C von Keysight durch, das Prüflabor mit der LCR-Messbrücke Hameg HM8118 von Rohde & Schwarz. Der Kunde hat – gemäß Datenblatt des Herstellers – eine Messfrequenz von 1 kHz gewählt. Das Prüflabor entscheidet sich für 120 Hz bei einer Prüfspannung von 1 V.

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© Intertec Components

Bild 2: Ein Klasse-2-MLCC mit dem Sollwert 20 µF, geprüft bei 120 Hz mit zwei verschiedenen LCR-Messgeräten. Auch hier kommt es, bedingt durch die bei 20 µF zu geringe Prüfspannung des Handheld-Testers zu gravierenden Messabweichungen nach unten (links).

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Dagegen ermittelt die LCR-Messbrücke korrekte Werte (rechts).

Betrachtet man die letzte Zeile in Tabelle 1 näher, wird schnell klar, warum der Kunde derart geringe Kapazitätswerte misst: Das Agilent U1733C liefert – wie übrigens auch andere Handheld-Geräte – lediglich einen maximalen Messstrom im Bereich von einigen wenigen Milliampere. Durch den niedrigen Scheinwiderstand des MLCCs bei 1 kHz bricht die Messspannung deshalb auf einen Wert von nur noch 84 mV ein – deutlich zu wenig, um den geforderten 1000 mV ± 200 mV gerecht zu werden.

Bei dieser geringen Wechselspannung ist die elektrische Feldstärke schwach, die Dielektrizitätszahl deshalb gering. In der Folge misst das Gerät eine erheblich zu niedrige Kapazität (Bild 2). Der Verlustfaktor DF dagegen wird deutlich besser dargestellt, als er tatsächlich ist; dadurch könnten potenzielle Toleranzüberschreitungen unbemerkt bleiben.

MessgerätMessfrequenzMessspannungMessstromKapazitätVerlustfaktor DFHameg HM8118120 Hz1000 mV7,996 mA10,535 µF0,06149Hameg HM8118120 Hz500 mV3,651 mA9,7158 µF0,05741Hameg HM8118120 Hz250 mV1,689 mA8,9589 µF0,04718Hameg HM81181 kHz500 mV29,54 mA9,3683 µF0,05313Hameg HM81181 kHz785 mV*49,08 mA*9,9871 µF0,05921Agilent U1733C120 Hz450 mV*3,101 mA9,430 µF0,050Agilent U1733C1 kHz84 mV*4,070 mA*7,618 µF0,021

Tabelle 1: Die verschiedenen Frequenz- und Spannungseinstellungen zeigen die Auswirkungen auf die gemessenen Werte für Kapazität und Verlustfaktor. (*Technisch limitiert durch das Messgerät selbst.)

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1. MLCCs richtig messen
2. Einfluss des Messverfahrens
3. Auswahl des richtigen Messverfahrens

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