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Ratgeber

Keramikkondensatoren 

Keramikkondensatoren sind die weltweit am meisten verwendeten Ladungsspeicher. Dazu gehören vor allem jene Bauformen, die bei Leiterplatten direkt auf der Oberfläche montiert sind. In diesem Ratgeber erfahren Sie die wichtigsten Fakten zu Keramikkondensatoren.

Wir informieren Sie in unserem Ratgeber über den Aufbau und die Funktion sowie über die Typen und Bauformen.

  • Was sind Keramikkondensatoren?

  • Bauarten und Typen von Keramikkondensatoren

  • Anwendungsbereiche von Keramikkondensatoren

  • FAQ – häufig gestellte Fragen

Kondensatoren


Was sind Keramikkondensatoren?

Was sind Keramikkondensatoren

Ein Keramikkondensator ist ein elektrischer Kondensator, dessen Dielektrikum aus keramischem Material besteht. Unterschieden wird dabei zwischen paraelektrischen und ferroelektrischen Eigenschaften. Paraelektrische Dielektrika besitzen in der Regel eine niedrige Dielektrizitätskonstante. Dementsprechend verfügen Kondensatoren mit solchen Dielektrika über eine relativ geringe Kapazität, die nur bis zu Hunderten von Pikofarad reicht. Da sie aber einen niedrigen kapazitiven Temperaturkoeffizienten, geringen Energieverlust und eine gute Zeitstabilität aufweisen, sind sie in Hochfrequenzschaltungen und Filtern unverzichtbar.

Ferroelektrische Dielektrika besitzen dagegen eine hohe dielektrische Permittivität, die von der Stärke des elektrischen Feldes abhängt. Die Kapazität solcher Kondensatoren reicht bei kleinen Abmessungen bis zu 100 Mikrofarad. Aufgrund ihrer hohen Temperaturabhängigkeit und Verlustleistung dienen sie hauptsächlich zur Sperrung unerwünschter Signale und von Fremdimpulsen in Leistungsschaltungen sowie als Koppelelement im hochfrequenten Signaltrakt. Kondensatoren mit ferroelektrischen Dielektrika sind für die Übertragung von Tonfrequenzsignalen nicht geeignet: Durch den piezoelektrischen Effekt entsteht ein sogenannter Mikrofoneffekt – die Umwandlung wechselnder mechanischer oder akustischer Außeneinflüsse in elektrische Wellen.



Welche Typen und Bauarten von Keramikkondensatoren gibt es?

Keramikkondensatoren

Keramikkondensatoren für die Montage durch Löcher in der Platine – die sogenannte THT-Bestückung – liegen üblicherweise in Scheibenform vor und sind radial bedrahtet. Die meisten Keramikkondensatoren werden allerdings als oberflächenmontierbare Vielschichtkondensatoren – SMDs – hergestellt. Die jährliche Produktion dieser Multi Layer Ceramic Capacitors oder kurz MLCCs liegt schätzungsweise bei über einer Billion.

Neben den weit verbreiteten SMD-Kondensatoren gibt es auch drahtgewickelte Keramikkondensatoren. Sie sind in erster Linie für die Beseitigung elektromagnetischer Störungen in elektrischen und elektronischen Geräten bestimmt.

Hinsichtlich ihrer Typen werden Keramikkondensatoren in drei Klassen eingeteilt: Kondensatoren mit einem paraelektrischen Dielektrikum gehören zur Klasse 1, jene mit ferroelektrischem Dielektrikum zur Klasse 2. MLCCs bilden eine eigene Klasse.

 

  • Klasse-1-Keramikkondensatoren sind hauptsächlich für den Einsatz in Oszillator- und Frequenzfilterschaltungen vorgesehen, bei denen eine geringe Verlustleistung, eine geringe Temperaturabhängigkeit und auch die Kapazitätsstabilität über die Zeit wichtig sind.

    Das Ausgangsmaterial für das Dielektrikum ist eine fein gemahlene Granulatmischung aus paraelektrischen Materialien, beispielsweise Titandioxid. Durch Mischung mit anderen Elementen wie Zink, Zirkonium, Niob oder Magnesium lassen sich bestimmte elektrische Eigenschaften erziele

  • Das Dielektrikum der Klasse-2-Keramikkondensatoren besteht aus einem ferroelektrischen Material wie zum Beispiel Bariumtitanat, das mit „Verunreinigungen“ aus Aluminium- und Magnesiumsilikaten oder Aluminiumoxiden versetzt ist. Die hohe relative Permittivität solcher Dielektrika – die Skala reicht von 200 bis 14.000 – ermöglicht die Herstellung von Keramikkondensatoren mit Kapazitäten von einem Nanofarad bis zu 100 Mikrofarad. Da ihre Kapazität jedoch stark von der Zwischenplattenspannung sowie von der Umgebungstemperatur abhängt, sollten sie nur in Schaltungen eingesetzt werden, bei denen die Kapazitätsschwankung nicht wichtig ist. Die Kapazitätstoleranzen dieser Kondensatoren sind zudem meist größer als die von Klasse-1-Keramikkondensatoren.

  • Das Ausgangsmaterial für das Dielektrikum der MLCC-Chips ist ein fein gemahlenes ferroelektrisches Pulver, aus dem zusammen mit einem Binder und hoher Sintertemperatur hauchdünne Plättchen entstehen. Ihre Dicke liegt im Bereich von einem Mikrometer, abhängig von der Nennspannung des Kondensators. Die einseitig metallisierten Plättchen sind zu einem mehrlagigen Block geformt. Als Kontaktflächen dienen herausgeführte Metallelektroden an den Enden des Blocks.



Anwendungsbereiche von Keramikkondensatoren

Klasse-2-Keramikkondensatoren aus dem High-End-Bereich finden sich beispielsweise in Hochspannungs-Lasernetzteilen, Leistungsschaltern oder Induktionsöfen.

Kleinformatige SMD-Kondensatoren beherrschen Leiterplatten, da sie bei Schaltungen mit hoher Bauteildichte nahezu unverzichtbar sind. In Gleichstromwandler sorgen sie für die Unterdrückung von elektrischem Rauschen bei hohen Frequenzen.

Keramikkondensatoren lassen sich ohnehin als Allzweckkondensator verwenden.

Sie sind nicht gepolt und in einer großen Vielfalt an Kapazitäten, Spannungswerten und Größen erhältlich.

Viele Maker und Entwickler, vor allem im Bereich der Robotik, schätzen Keramik-Scheiben-Kondensatoren in Anwendungen mit bürstenbehafteten Gleichstrommotoren, um das Hochfrequenzrauschen zu minimieren.

Keramikkondensatoren


FAQ – häufig gestellte Fragen

In welchen Spannungsbereichen sind Keramikkondensatoren erhältlich?

Die weitaus am meisten verwendeten Keramikkondensatoren liegen im Bereich von maximal 50 Volt Gleich- oder Wechselstrom. Der Markt bietet aber auch Kondensatoren, deren Nennspannungen bis zu 5000 Volt reichen.


Bis zu welcher Kapazität werden die Kondensatoren angeboten?

Im Allgemeinen definiert ein Kapazitätswert von 47 Mikrofarad die Obergrenze für den üblichen Gebrauch von Keramik-Kondensatoren, allerdings gibt es Typen dieser Kapazität meist nur in der SMD-Bauform zum Auflöten auf die Leiterplatte.


Mit welchen Toleranzen ist bei Kondensatoren aus Keramik zu rechnen?

Die weitaus meisten der im Handel erhältlichen Klasse-1- und Klasse-2-Kondensatoren sind mit einer Toleranz von 10 Prozent ausgezeichnet. Einige Varianten bieten auch 5 oder 25 Prozent.


Was ist unter der Bezeichnung „RM“ zu verstehen?

Dieses in Artikelbeschreibungen sehr oft verwendete Kürzel steht für das Rastermaß des Kondensators, also der Abstand der beiden Pins voneinander. Gängiges Maß ist das Inch, das 2,54 Millimeter entspricht. Mit diesem Rastermaß sind beispielsweise auch die Steckboards zur Schaltungsentwicklung ausgestattet. Bei Keramikkondensatoren sind auch 2,5 , 5 und 5,08 Millimeter üblich.


Ändert sich die Kapazität von Keramikkondensatoren mit der Zeit?

Bei Keramikkondensatoren nimmt der Kapazitätswert mit der Zeit ab, insbesondere bei Kondensatoren mit hoher Dielektrizitätskonstante. Ein Gegenmittel soll das Erhitzen des Kondensators über die Curie-Temperatur von etwa 125 Grad Celsius sein, zum Beispiel beim Lötvorgang. Nach dem Abkühlen würde die Alterung rückgängig gemacht und erneut beginnen.


Lässt sich auch eine höhere als die angegebene Nennspannung verwenden?

Die Spannung, die an den Kondensator angelegt wird, darf die in den Spezifikationen angegebene Nennspannung nicht überschreiten. Dies gilt auch für eine die Gleichspannung überlagernde Wechsel- oder Impulsspannung. Das Anlegen einer Überspannung an einen Kondensator kann zum dielektrischen Durchschlag und damit zu einem Kurzschluss führen. Die Dauer bis zum Durchschlag hängt von der angelegten Spannung und der Umgebungstemperatur ab.

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