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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 2 .

Auswahl des richtigen Messverfahrens

Zu jedem MLCC existiert ein zugehöriges Datenblatt, in dem die anzuwendenden Messverfahren detailliert beschrieben sind. Es ist wichtig, sich bei der Prüfung solcher Bauteile daran zu halten sowie ein geeignetes Messgerät einzusetzen.

Auch bei handelsüblichen LCR-Messbrücken ist irgendwann der Punkt erreicht, ab dem das Gerät nicht mehr den notwendigen Strom liefern kann, um eine Messspannung von beispielsweise 1000 mV aufrechtzuerhalten. Je nach MLCC-Typ wird man bei heute gebräuchlichen Geräten in aller Regel bei etwa 10 µF an die Grenze stoßen, bei der eine Messfrequenz von 1 kHz bereits eine zu geringe Messspannung liefert. Solche Komponenten sollten dann besser bei 120 Hz, dafür aber mit der vorgeschriebenen Spannung gemessen werden. Die Messabweichungen fallen damit erheblich geringer aus. Bei MLCCs mit Kapazitäten oberhalb von 10 µF berücksichtigt dies ohnehin die entsprechende Prüfvorschrift des Herstellers – oft in Kombination mit einer anzuwendenden Prüfspannung von nur 500 mV.

Besitzt das Messgerät eine Funktion, um die Messspannung konstant zu halten (z. B. ALC, CST o. ä. genannt), sollte diese aktiviert werden. Dadurch minimieren sich Spannungsschwankungen, die durch den Innenwiderstand und unterschiedliche Kapazitäten der Prüflinge bedingt sind. In jedem Fall ist zu Beginn jeder Messreihe sicherzustellen, dass der erforderliche Messspannungsbereich eingehalten wird, um fehlerhafte Ergebnisse zu vermeiden.

Besitzt das LCR-Prüfgerät keine integrierte Spannungsanzeige, eignet sich als Kontrollanzeige ein parallelgeschaltetes Multimeter. Im Normalfall ist die Parallelkapazität des Multimeters und dessen Messleitung bei größeren Kapazitätswerten des MLCCs kein Problem. Sicherheitshalber sollte man immer prüfen, ob und wie sehr sich der Messwert auf der Anzeige des LCR-Meters beeinflussen lässt. Gegebenenfalls ist die Spanungseinstellung an der LCR-Messbrücke einmalig vorzunehmen, nachdem der Offset zwischen eingestellter und tatsächlich anliegender Spannung ermittelt wurde – anschließend das Multimeter samt Messleitungen für die eigentliche Serienmessung abtrennen.

Störende Fremdeinflüsse

Bei Keramikkondensatoren werden die elektrischen Spezifikationen fast immer für eine Umgebungstemperatur von +25 °C ausgewiesen. Nun wird, zumindest in den Wintermonaten, kaum jemand seinen Prüfplatz auf konstante +25 °C heizen. Betrachtet man die Temperaturcharakteristik von MLCCs näher, erkennt man, dass sowohl Kapazität als auch Verlustfaktor temperaturabhängig sind. Im alltagsüblichen Temperaturbereich am Arbeitsplatz ist allerdings nicht davon auszugehen, dass bei geringen Abweichungen zu den idealen + 25 °C größere Messfehler auftreten. Jedoch ist darauf zu achten, dass sich eben angelieferte oder aus dem Lager entnommene Ware vor der Messung an die Raumtemperatur angleichen kann.

Viele LCR-Messgeräte besitzen eine Bias-Funktion, also die Möglichkeit, parallel zur AC-Messfrequenz eine DC-Vorspannung an den Prüfling anzulegen. Dies ist beispielsweise bei der Messung von Elektrolytkondensatoren wichtig. Bei MLCCs führt diese Vorspannung allerdings zu erheblichen Messfehlern. Deshalb sollte man stets zu Beginn der Messung kontrollieren, ob die Bias-Funktion wirklich abgeschaltet ist.

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Bild 3: SMD-Testadapter und Messpinzette; ein Nullabgleich ist wichtig für präzise Messungen.

LCR-Messbrücken werden meist mit speziellen Testvorrichtungen ausgestattet, in denen der MLCC zwischen zwei Prüfspitzen eingelegt und durch Federkraft gehalten wird (Bild 3). Diese Messadapter sind regelmäßig direkt an der LCR-Messbrücke abzugleichen, um Messwertverfälschungen durch Übergangswiderstände und die Eigenkapazität zu kompensieren. Gleiches gilt bei Verwendung von Messpinzetten und anderen Prüfleitungen.

Fazit

Um Klasse-2-MLCCs zu messen, eignen sich Handheld-LCR-Meter nur eingeschränkt, da sich deren Messspannung selten auf die jeweils erforderlichen Werte einstellen lässt. Zudem liefern sie nicht den erforderlichen Strom zur korrekten Messung von höherkapazitiven Kondensatoren im Mikrofarad-Bereich. Die Messspannung sinkt dadurch auf deutlich zu niedrige Werte, wodurch fälschlicherweise zu geringe Kapazitätswerte gemessen werden. Auch Temperatur und relative Luftfeuchte am Messplatz müssen innerhalb der zulässigen Werte liegen, um Fehlmessungen zu vermeiden.

Nicht empfehlenswert sind Multimeter mit Kapazitätsmessfunktion, da sie keinerlei Einstellmöglichkeiten für Messspannung und -frequenz bieten. Das Messverfahren ist zudem – je nach Typ und Hersteller – oft völlig unterschiedlich. Bei Klasse-2-MLCCs kommt es häufig zu starken Messfehlern (Bild 4).

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Bild 4: Der gleiche 20-µF-MLCC aus Bild 2 mit der Kapazitätsmessfunktion eines Digitalmultimeters gemessen. Die Abweichung zum tatsächlichen Kapazitätswert ist hier noch einmal größer.

Liegt die gemessene Kapazität eines Klasse-2-MLCCs außerhalb der spezifizierten Toleranz und unterhalb des Sollwerts, kann man durch eine definierte Erwärmung oder einen simulierten Lötprozess (Reflow) die Ursprungskapazität wiederherstellen und dann erneut messen.

Letztlich ist es wichtig, bei der Auswahl des passenden MLCC den alterungsbedingten Kapazitätsverlust einzukalkulieren. Das heißt, die geplante Lebensdauer der Schaltung berücksichtigen und eine ausreichende Ausgangskapazität wählen.

Wer diese Hinweise und Tipps beherzigt, wird belastbare und reproduzierbare Messergebnisse erhalten.

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

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