Keramik-Kondensatoren

Auswirkung von Temperatur und DC-Bias auf die Kapazität

29.09.2009 | Autor / Redakteur: Thomas Vogt* / Andreas Mühlbauer

Die Nennkapazität eines Kondensators wird für einen DC-Bias von 0 V bei Raumtemperatur angegeben. Weichen diese Parameter ab, kann sich der Kapazitätswert sehr stark verändern. Dieser Beitrag zeigt, wie Entwickler diese Einflüsse beim Entwurf ihrer Schaltungen berücksichtigen müssen.

Keramik-Kondensatoren aus Klasse-2-Dielektrika (X7R, X5R) finden auf Grund ihrer kleinen Abmessungen, ihres niedrigen Ersatz-Serienwiderstands (ESR), ihres niedrigen Ersatz-Serienblindwiderstands (ESL) und ihrer relativ niedrigen Kosten breite Anwendung bei Filtern und Koppelschaltungen. Allerdings führen Effekte wie Temperaturschwankungen und Änderungen des angelegten DC-Bias zu einer Abweichung der Kapazität von ihrem Nennwert.

Einige Schaltungsarten reagieren sehr empfindlich auf Kapazitätsänderungen. Um eine einwandfreie Funktion der Schaltung unter allen Betriebsbedingungen sicherzustellen, untersuchen die Entwickler, wie sich Schwankungen von Temperatur und DC-Bias auf die Kapazität auswirken. Davon ausgehend wählen sie das optimale Bauelement für die Anwendung aus.

Temperaturänderung und DC-Bias

In den Datenblättern von Kondensatoren wird der Nennkapazitätswert für eine Komponente genannt. In der Praxis aber kann die Kapazität bei Änderungen der äußeren Bedingungen erheblich davon abweichen. Schwankungen der Betriebstemperatur oder des angelegten DC-Bias haben eine erhebliche Wirkung auf die Kapazität, da sie durch Veränderung der dielektrischen Eigenschaften die Kristallstruktur der dielektrischen Materialien der Klasse 2 stören. Folglich kann der Kapazitätswert der Komponente mit Zunahme der Temperatur oder des DC-Bias abnehmen. Aber auch andere Faktoren wie beispielsweise das Anlegen einer großen Wechselspannung führen zu einer Änderung des Kapazitätswerts.

Bild 1: Prozentuale Veränderung der Kapazität eines Kondensators in Abhängigkeit von der Temperatur
Bild 1: Prozentuale Veränderung der Kapazität eines Kondensators in Abhängigkeit von der Temperatur

Die Bilder 1 und 2 zeigen die allgemeinen Temperatur- und DC-Bias-Eigenschaften eines Keramik-Kondensators. Dabei hängen die Kapazitätswerte und die Flankensteigung unter anderem von solchen Faktoren wie Zusammensetzung und Abmessungen des Dielektrikums ab.

Bild 2: Mit zunehmendem DC-Bias nimmt die Kapazität eines Kondensators sehr stark ab
Bild 2: Mit zunehmendem DC-Bias nimmt die Kapazität eines Kondensators sehr stark ab

Da Bauelemente für den Betrieb bei höheren Spannungen über eine dickere dielektrische Schicht verfügen, weichen die Temperatur- und DC-Bias-Eigenschaften ebenfalls mit der Nennspannung ab. Aus diesem Grund benötigen Entwickler genaue Informationen über die Eigenschaften eines einzelnen Bauelements, wenn sie Komponenten für eine bestimmte Anwendung auswählen.

 

Auswahl der optimalen Keramik-Kondensatoren

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