Auswahl der richtigen Kondensatortechnologie für eine Anwendung

Die Wahl des richtigen Kondensators für eine Anwendung kann die Performance, die Zuverlässigkeit und den Wirkungsgrad von Produkten wie z. B. Spannungsversorgungen für Verteidigung, Luft- und Raumfahrt, Medizintechnik, kritische Energieinfrastrukturen oder schnelle EV-Ladegeräte erheblich beeinflussen.

Kondensatoren sind wesentliche Bestandteile vieler elektronischer Schaltungen, da sie elektrische Energie speichern und abgeben, unerwünschte Signale herausfiltern und andere Funktionen erfüllen. Allerdings sind nicht alle Kondensatoren gleich, und die verschiedenen Arten von Kondensatoren haben unterschiedliche Eigenschaften, Vorteile und Einschränkungen.

Die Auswahl des richtigen Kondensatortyps ist entscheidend für die Produktentwicklung. Drei gängige Optionen - Mehrschichtkeramikkondensatoren (MLCCs), Folienkondensatoren und Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren - bieten Vor- und Nachteile, und innerhalb jeder Kategorie gibt es unzählige Varianten. Die Wahl des richtigen Typs stellt sicher, dass das Endprodukt über genügend Energiespeicher verfügt, in den verfügbaren Raum passt und für den vorgesehenen Verwendungszweck zuverlässig funktioniert.

Das Argument für MLCCs

MLCCs bestehen aus abwechselnden Schichten aus keramischem Dielektrikum und Metallelektroden, die gestapelt und zusammengesintert werden, um ein kompaktes Bauteil zu bilden. MLCCs werden in vielen elektronischen Geräten eingesetzt und bieten hohe Kapazitätswerte bei kleinen Abmessungen, einen niedrigen äquivalenten Serienwiderstand (ESR), einen geringen Leckstrom, einen hohen Frequenzgang und eine gute Temperaturstabilität.

MLCCs eignen sich für Anwendungen, die eine hohe Leistungsdichte, einen hohen Wirkungsgrad, geringes Rauschen und hohe Zuverlässigkeit erfordern. Allerdings gibt es innerhalb dieser Kategorie Unterschiede, die bei der Entwicklung erfolgreicher Produkte einen Unterschied ausmachen können:

• Hochzuverlässige MLCCs: Bieten hohe Zuverlässigkeit, geringe Ausfallrate, lange Lebensdauer und hohe Performance unter rauen Bedingungen. Diese Eigenschaften sind wichtig für die Erfüllung der strengen Anforderungen von Branchen wie Luft- und Raumfahrt und Verteidigung, einschließlich der Spezifikationen nach MIL-PRF-55681, MIL-PRF-123, MIL-PRF-49470 und MIL-PRF-39014, sowie für medizinische Anwendungen.
• Hochspannungs-MLCCs: Funktionieren bei Spannungen über 500 V und bis zu 12 kV. Sie sind für Anwendungen konzipiert, die eine Hochspannungsisolierung erfordern, wie z. B. Stromversorgungen, Impulsgeneratoren und Röntgengeräte. Sie zeichnen sich durch eine hohe Kapazität, einen niedrigen ESR, einen geringen Verlustfaktor und eine hohe Durchbruchspannung aus.
• Hochtemperatur-MLCCs: Betrieb bei Temperaturen über +125°C, bis zu +250°C. Sie sind für Anwendungen konzipiert, die eine hohe Temperaturstabilität erfordern, wie z. B. in der Bohrtechnik, der Automobilindustrie und der Industrie. Sie bieten eine hohe Kapazität, einen niedrigen ESR, einen niedrigen Temperaturkoeffizienten und eine hohe Temperaturwechselbeständigkeit.

Vorteile von Folienkondensatoren

Folienkondensatoren eignen sich für Anwendungen, die eine hohe Leistung, einen hohen Strom, eine hohe Spannung und eine hohe Frequenz erfordern, wie z. B. Leistungsumwandlung, Filterung, Dämpfung und Kopplung. Diese Kondensatoren bestehen aus einem dünnen Film aus dielektrischem Material - z. B. Polyester, Polypropylen, Polycarbonat oder Polyphenylensulfid -, der zwischen zwei Metallelektroden eingeklemmt ist, die entweder zylindrisch gewickelt oder zu einer flachen Form gestapelt sind.

Folienkondensatoren sind oft größer und teurer als MLCCs, bieten aber hohe Kapazitätswerte, hohe Spannungen, einen niedrigen ESR, einen niedrigen Verlustfaktor, einen hohen Frequenzgang und eine lange Lebensdauer. Zu den Vorteilen dieser Technologie gehören höhere Spannungswerte, lineare Kapazitätsänderung mit Spannung und Temperatur, kein piezoelektrisches Rauschen, Selbstheilungsfähigkeit und lange Lebensdauer.

Es gibt verschiedene Kategorien von Folienkondensatoren, die sich darauf auswirken können, welcher Kondensator für eine bestimmte Anwendung geeignet ist:

• Bei metallisierten Polyesterfolienkondensatoren wird eine dünne Metallschicht, z. B. aus Aluminium oder Zink, als Elektrode auf die Polyesterfolie aufgebracht. Sie bieten eine hohe Kapazität, einen niedrigen ESR-Wert, niedrige Kosten und gute Selbstheilungseigenschaften. Sie erfüllen die Anforderungen von Allzweckanwendungen wie Bypass, Kopplung und Entkopplung.
• Metallisierte Polypropylen-Folienkondensatoren verwenden eine Polypropylenfolie als Elektrode mit einer dünnen Metallschicht, z. B. Aluminium oder Zink. Sie zeichnen sich durch eine hohe Kapazität, einen niedrigen ESR, einen niedrigen Verlustfaktor, einen hohen Frequenzgang und eine hohe Stabilität aus. Sie eignen sich für Hochleistungsanwendungen wie Leistungsfaktorkorrektur, Filterung und Dämpfung.
• Polycarbonat-Folienkondensatoren verwenden eine Polycarbonatfolie als Dielektrikum. Sie bieten eine hohe Kapazität, eine hohe Spannungsfestigkeit, einen niedrigen Temperaturkoeffizienten und eine hohe Zuverlässigkeit. Sie eignen sich für Anwendungen, die eine hohe Temperaturstabilität erfordern, wie z. B. Timing-, Mess- und Präzisionsschaltungen.
• Polyphenylensulfid-Folienkondensatoren verwenden Polyphenylensulfid-Folien als dielektrisches Material. Sie bieten eine hohe Kapazität, eine hohe Temperaturbeständigkeit, einen niedrigen ESR, einen niedrigen Verlustfaktor und einen hohen Frequenzgang. Geeignete Anwendungen sind solche, die eine hohe Temperaturleistung erfordern, wie z. B. in der Automobil-, Industrie- und Telekommunikationsbranche.
• Metallisierte Papierfolienkondensatoren basieren auf einer metallisierten Papierfolie als Dielektrikum. Sie bieten eine hohe Kapazität, eine hohe Nennspannung, einen niedrigen ESR, einen niedrigen Verlustfaktor und hohe Selbstheilungseigenschaften. Sie eignen sich für Anwendungen, die eine Hochspannungsisolierung erfordern, wie z. B. Stromversorgungen, Impulsgeneratoren und Röntgengeräte.

Aluminium-Elektrolytkondensatoren

Aluminium-Elektrolytkondensatoren eignen sich für Anwendungen, die eine hohe Kapazität, eine hohe Spannung und eine niedrige Frequenz erfordern, z. B. zum Glätten, Filtern und Speichern von Energie.

Da ein Aluminium-Elektrolytkondensator im Verhältnis zu seiner Größe große Mengen an elektrischer Energie speichern kann, eignet er sich zur Glättung von Stromversorgungen in elektronischen Geräten. Die Bauteile haben eine kürzere Lebensdauer als MLCCs und Folienalternativen, und da sie mit einem positiven und einem negativen Anschluss gepolt sind, können sie beschädigt werden, wenn sie verkehrt herum eingebaut werden. Außerdem können sie ständig eine kleine Menge Strom verlieren und sind bei hohen Frequenzen nicht so stabil wie andere.

Aluminium-Elektrolytkondensatoren sind in verschiedenen Elektrolyt-Typen erhältlich, wie z. B. flüssig, fest oder hybrid, die unterschiedliche Leistungs-, Stabilitäts- und Zuverlässigkeitseigenschaften aufweisen:

• Flüssig-Aluminium-Elektrolytkondensatoren verwenden eine flüssige Elektrolytlösung als Kathode. Sie bieten eine hohe Kapazität, eine hohe Spannungsfestigkeit und niedrige Kosten. Sie haben jedoch auch einen hohen ESR, einen hohen Ableitstrom, einen hohen Verlustfaktor und eine begrenzte Lebensdauer. Sie eignen sich für allgemeine Anwendungen wie Glättung, Filterung und Energiespeicherung.
• Feste Aluminium-Elektrolytkondensatoren haben ein festes Elektrolytmaterial - wie Mangandioxid oder leitfähiges Polymer - als Kathode. Sie bieten einen niedrigen ESR, einen geringen Ableitstrom, einen niedrigen Verlustfaktor und eine lange Lebensdauer. Sie haben jedoch auch eine geringere Kapazität, eine niedrigere Nennspannung und höhere Kosten als Flüssigelektrolytkondensatoren. Sie eignen sich für Hochleistungsanwendungen, wie Schaltnetzteile, LED-Treiber und Audioverstärker.
• Hybrid-Aluminium-Elektrolytkondensatoren verwenden eine Kombination aus flüssigen und festen Elektrolyten als Kathode. Sie bieten ein ausgewogenes Verhältnis von Kapazität, Nennspannung, ESR, Ableitstrom, Verlustfaktor und Lebensdauer. Sie eignen sich für Anwendungen, die eine hohe Leistungsdichte, eine hohe Zuverlässigkeit und eine hohe Temperaturleistung erfordern, z. B. in der Automobil-, Industrie- und Telekommunikationsbranche.

Übernahme eines Anbieters erweitert das Kondensatorportfolio

Knowles und Cornell Dubilier Electronics (CDE) sind zwei führende Hersteller von Kondensatoren, die eine breite Palette von Kondensatortechnologien und -produkten anbieten. Knowles erwarb CDE im Jahr 2023 und kombinierte damit die sich ergänzenden Stärken beider Unternehmen, einschließlich der Folienkondensatoren und Aluminium-Elektrolytkondensatoren von CDE und der Folien- und MLCCs von Knowles Precision Devices.

Knowles bietet ein umfassendes Portfolio an MLCCs in Standardgehäusen für die Oberflächenmontage sowie in Band- oder Radialleitungsgehäusen an, die von unter einem Picofarad bis zu Hunderten von Mikrofarad reichen und Nennwerte von 6,3 V bis 12 kV aufweisen. Die MLCCs von Knowles sind in verschiedenen dielektrischen Materialien mit unterschiedlichen Temperaturkoeffizienten, Dielektrizitätskonstanten und Alterungsraten erhältlich.

Der FlexiCap™-Fertigungsansatz von Knowles verwendet ein proprietäres flexibles Epoxidpolymer-Terminierungsmaterial, das unter der üblichen Nickel-Barriereschicht aufgebracht wird und ein größeres Maß an Biegung der Leiterplatte zulässt als herkömmliche Kondensatoren. Das StackiCap™-Sortiment ermöglicht eine erhebliche Verringerung des Platzbedarfs auf der Leiterplatte bei gleichem Kapazitätswert in Fällen, in denen der Platz auf der Leiterplatte begrenzt ist. So ist beispielsweise ein Standard-Chip mit 150 Nanofarad (nF) in einer 8060-Gehäusegröße in einer viel kleineren 3640-Gehäusegröße erhältlich.

Der 2220Y5000564KXT von Knowles Syfer (Abbildung 1) ist ein oberflächenmontierbarer FlexiCap-MLCC, der 0,56 Mikrofarad (µF) elektrische Ladung speichern kann - mit einer Toleranz von ±10 % - und für eine Spannung von bis zu 500 V ausgelegt ist. Er ist Teil einer Produktfamilie von MLCCs für DC-Anwendungen, die von 0,2 Picofarad (pF) bis 22 µF und in Gehäusegrößen von 0402 bis 8060 erhältlich sind.

Abbildung 1: Eine Darstellung des 2220Y5000564KXT von Knowles Syfer. (Bildquelle: Knowles)

Der 2220Y6300105KETWS2 von Knowles Syfer (Abbildung 2) ist ein StackiCap-MLCC, der 1 µF elektrische Ladung mit einer Toleranz von ±10% speichern kann und für 630 V ausgelegt ist.

Abbildung 2: Illustration des StackiCap-Gehäuses für den 2220Y6300105KETWS2 von Knowles Sifer und ähnliche MLCCs. (Bildquelle: Knowles)

Knowles CDE bietet eine große Auswahl an Standard- und kundenspezifischen Kondensatoren für die Schraubklemmen-, Steck- und Platinenmontage für den Einsatz in kritischen Anwendungen, von Defibrillatoren und medizinischer Bildgebung bis hin zu Radarsystemen und USV-Stromversorgungssystemen für große Datensysteme.

Der 477XMPL002MG19R von CDE ist Teil der XMPL-Polymer-Chipkondensator-Serie für Anwendungen, die höhere Spannungs- und/oder Kapazitätsanforderungen erfordern. Mit niedrigem ESR und robusten Brummstromwerten übertreffen sie größere oberflächenmontierte Elektrolytbauteile und bieten eine längere Lebensdauer, größere Stabilität bei Temperaturänderungen und einen niedrigeren ESR bei höheren Frequenzen. Die Standardkapazitätswerte der Serie reichen jetzt von 6,8 µF bis 470 µF, mit einer maximalen Arbeitsspannung von 35 V_DC in einem vergossenen Gehäuse mit Abmessungen von 7,3 mm x 4,3 mm x 1,9 mm.

Unter dem umfangreichen Angebot an Folienkondensatoren bieten die Acrylfolienkondensatoren vom Typ FCA von CDE wie der FCA0805C104M-J2 hohe Kapazitätswerte in Standard-Gehäusegrößen für die Oberflächenmontage. Die Serie bietet einen Kapazitätsbereich von 0,10 µF bis 1,0 µF. Als Koppelkondensatoren in Audioschaltungen können sie für verzerrungsfreien Klang und Hochfrequenzfilterung sorgen.

Fazit

Die Auswahl des richtigen Kondensatortyps ist entscheidend für die Produktentwicklung. Glücklicherweise bieten Knowles und Cornell Dubilier Electronics eine große Auswahl an gängigen Typen mit zahlreichen Variationen sowie spezielle Typen für besondere Anwendungen an.