Seminar - Kondensatoren Stephan Menzel Business Development Manager 24.05.2016 StM 1 Agenda 1) Technische Grundlagen einzelner Kondensatorarten 2) Besonderheiten von: - Folienkondensatoren - Aluminium-Elkos - MLCCβs 3) Fazit & Ausblick 24.05.2016 StM 2 Grundprinzip: Plattenkondensator ο§ Aufbau eines Plattenkondensators: π΄ π΄ πΆ = π β = π0 β ππ β π π ο§ wesentliche Parameter eines Kondensators: 24.05.2016 StM C β Kapazität [F] A β Plattenfläche d β Plattenabstand Ξ΅0 β absolute Permittivität Ξ΅R β relative Permittiviät 3 Wie kann die Kapazität gesteigert werden? ο§ Um die Kapazität zu steigern, können die folgenden Parameter beeinflusst werden: 1) Elektrodenoberfläche >>je größer die Elektrodenoberfläche, desto größer die Kapazität 2) Dielektrikum Eigenschaften abhängig vom jeweiligen Material >> höhere Permittivtät führt zu mehr Kapazität 3) Abstand der Elektroden >> je kleiner der Abstand, desto größer ist die Kapazität ο§ In der aktuellen Kondensatorentwicklung sind dies noch immer die wesentlichen Parameter zur Kapazitätssteigerung! 24.05.2016 StM 4 Permittiviät unterschiedlicher Dielektrika Paraffinpapier Calcit 24.05.2016 StM 5 Kondensatorarten Kondensatorarten feste Kapazität Folienkondensator (Fokos) Keramikkondensator (Kerkos) Elektrolytkondensator (Elkos) Superkondensatoren Papierfolienkondensator Klasse1 (NDK) AluminiumElektrolytKondensator Doppelschichtkondensator Kunststofffolienkondensatoren Klasse2 (HDK) TantalElektrolytKondensator PseudoKondensator NiobElektrolytKondensator HybridKondensator 24.05.2016 StM variable Kapazität Glimmerkondensator Glaskondensator Durchführungskondensator Drehkondensator Trimmkondensator (Trimmer) 6 WE Kondensatoren Portfolio WE Kondensator Portfolio ungepolte Kondensatoren Folienkondensatoren Keramikkondensatoren gepolte Kondensatoren Elektrolytkondensatoren Alu-Elektrolyt (feucht Elektrolyt) Alu-Polymer (fest Elektrolyt) 24.05.2016 StM 7 Folienkondensatoren 24.05.2016 StM 8 Folienkondensatoren ο§ Arten von Folienkondensatoren: M= Metallisiert; F=Folie; K=Kunststoff; P=Papier 24.05.2016 StM 9 Herstellungsprozess: Folienkondensatoren unter Vakuum 24.05.2016 StM 10 Folienkondensatoren ο§ Folienkondensatoren nach IEC 60062: FKT / FKC / FKP / FKS / ο§ Aufbau eines MKP Folienkondensators (THT β Box Type): 24.05.2016 StM 11 Beispiele von Wickelarten Infos: β’ Metallisierung auf Plastikfolie β’ Metallisierung Al und Zn (ein- oder doppelseitig) β’ Dicke der Metallisierung: 0.01 β 0.05µm β’ Foliendicke gesamt: β€ 1µm β’ Interne Beschaltung zur Steigerung des Spannungsniveaus / Pulsbeständigkeit Selbstheilungseigenschaften von Folienkondensatoren mit Metallisierung 24.05.2016 StM Quelle: Elektronik Net 13 Basisfolien im Vergleich (Quelle: Elektronik-Kompendium) Typ Dielektrikum MKT MKC MKS MKP Polyester Polycarbonat Belag Vorteile hoher Verlustfaktor, großer ESR, wenig feuchtigkeitsabhängig, lösungsmittelstabil, Aluminium hoher Isolationswiderstand, hohe (aufgedampft) Durchschlagsfestigkeit, kleine Abmessungen Aluminium (aufgedampft) Polystyrol Aluminium (aufgedampft) Polypropylen Aluminium (aufgedampft) Nachteile stark temperatur- und frequenzabhängig relativ großer Verlustfaktor, mittlerer ESR, nicht für hohe Frequenzen geringer Temperatureinfluss, kleine geeignet Abmessungen, langzeitstabil geringer Platzverbrauch und Toleranz, sehr kleiner tan Ξ΄, hohe Güte temperaturempfindlich ab 70 °C kleiner tan Ξ΄, kleiner ESR, feuchtebeständig, langzeitstabil, hohe temperaturempfindlich ab Impuls-, Spannungs- und Stromfestigkeit, 85 °C verkraftet hohe Spannungsspitzen Aufgaben von X- / Y-Kondensatoren ο§ X- Kondensator β β Schutz der Applikation vor Spannungsspitzen aus dem Netz Schutz der Netzes vor Spannungsspitzen aus der Applikation ο§ Y- Kondensator β β β Limitierung der Ableitströme C-Wert üblicherweise < 6,8 nF In Medizintechnik z.T. nicht verwendet, aufgrund der Patientensicherheit 24.05.2016 StM 15 Bedeutung der Sicherheitsklassen ο§ Sicherheitsklassen nach IEC 60384-14 / UL 60384-14: Sicherheitsklasse Max. Pulsspannung nach IEC- 60384-14 X1 4kV (Cβ€ 1µF) X2 2,5 kV (Cβ€ 1µF) Y1 8 kV Y2 5 kV Y3 durch Hersteller definiert β Buchstabe beschreibt die zulässige Positionierung β’ X >> parallel zwischen den Netzleitungen N / L β’ Y >> einzelne Netzleitung zu Schutzleiter / Gehäuse β Ziffer gibt die zulässige Pulsspannungsfestigkeit an (siehe obige Tabelle) 24.05.2016 StM 16 X- / Y-Kondensatoren ο§ Auf Welche Zertifikate sollte ich bei der Auswahl achten? Folienkondensatoren β ENEC (z.B. ENEC10 durch VDE) >> europäisches Prüfzertifikat β cULus >> wichtig für US Markt β CQC >> wichtig für CCC Freigabe in chinesischen Markt Keramikkondensatoren β Zertifikat bzgl. Erfüllung IEC 60384-14 / UL 60384-14 z.B. durch TÜV oder UL 24.05.2016 StM 17 X2 β Kondensatoren und deren Nennspannung ο§ Warum existieren mehrere Spannungsabstufungen? X2 β Filmkondensatoren mit 275V AC >> 230V*10% Netztoleranz = 253V (275V ausreichend) X2 β Filmkondensatoren mit 305 / 310V AC (höhere Sicherheit für 240V Netze) >> 240V*10% Netztoleranz = 264V (275V nicht mehr ausreichend) Quelle: Netzübersicht - Wikipedia 2 Aspekte zum Einsatz von X2-Folienkondensatoren ο§ Notwendig für Netzentstörung ohne X2 mit X2 ο§ Parallelschaltung vs. Reihenschaltung Beispiel: kapazitiver Teiler Cx 24.05.2016 StM 19 AluminumElektrolytkondensatoren 24.05.2016 StM 20 Elektrolytkondensatoren ο§ Konstruktionsvarianten von Elektrolytkondensatoren: 24.05.2016 StM 21 Herstellungsprozess: Aluminium-Elektrolytkondensatoren 24.05.2016 StM 22 Aufbau eines Aluminium-Elektrolytkondensators ο§ Konstruktion eines Alu-Elkos: 24.05.2016 StM 23 Gegenüberstellung: Polymer- / Aluminium-Elektrolytkondensator ο§ Polymer-Elektrolytkondensator: β β β β β kein Ventil niedrigerer ESR als Alu-Elko >> hoher zulässiger Ripple-Strom trocknet nicht aus (Festelektrolyt) Höhere zu erwartende Lebensdauer als Alu-Elko möglich in der max. Bauform limitiert (aktuell DxL: 10x12 mm) Lebensdauer wird wie folgt kalkuliert: π³π = π³πππ β ππ π»π βπ»π ππ Lx = erwartete Lebensdauer; T0 = obere Temperaturgrenze; Ta = Applikationstemperatur Ventilschlitzung ο§ Aluminium-Elektrolytkondensator β β β β kostengünstiger höhere Spannungsbereiche verfügbar (bis ca. 500V; Polymer bis ca. 200V) höhere Kapazitätswerte verfügbar >> da größere Bauformen existieren Lebensdauer wird wie folgt kalkuliert: π³π = π³πππ β 24.05.2016 StM π»π βπ»π π ππ 24 Rechenbeispiel: Vergleich der zu erwartenden Lebensdauer Polymer-Elko vs. Alu-Elko Applikationstemperatur AluminiumPolymerKondensator AluminiumElektrolytKondensator 125 °C 2.000 h - - - - - 115 °C 6.325 h - - - - - 105 °C 20.000 h 2.000 h 5.000 h 2.000 h - - 95 °C 63.246 h 6.325 h 10.000 h 4.000 h - - 85 °C 200.000 h 20.000 h 20.000 h 8.000 h 5.000 h 2.000 h 75 °C 632.455 h 63.246 h 40.000 h 16.000 h 10.000 h 4.000 h 65 °C 2.000.000 h 200.000 h 80.000 h 32.000 h 20.000 h 8.000 h 24.05.2016 StM 25 Vergleich der zu erwartenden Lebensdauer Polymer-Elko vs. Alu-Elko 24.05.2016 StM 26 Was ändert sich noch durch den Einsatz eines Polymerkondensators? ο§ Betriebsspannung darf bis zu 80-90% der Nennspannung betragen β bei klassischen Elkos üblicherweise max. 70% empfohlen ο§ Temperaturstabilität bis -55°C >> Feststoff zeigt keinen Phasenübergang β Einsatz von Polymer bei Niedertemperaturanwendungen möglich ο§ Leckstrom aufgrund der niedrigeren Innenwiderstände erhöht β gilt es gerade bei batteriebetriebenen Applikationen zu berücksichtigen 24.05.2016 StM 27 Was ändert sich noch durch den Einsatz eines Polymerkondensators? ο§ Keine βsehr großenβ Bauformen wie Snap In oder Schraubvarianten verfügbar β dadurch ist der verfügbare Kapazitätsbereich limitiert ο§ Kein Kapazitätsvorteil durch Wechsel auf Polymer β ähnlich große Bauformen, da die Kathode getauscht wird und nicht das Dielektrikum 24.05.2016 StM 28 Elko Montagetypen und Polung Radial Leaded Anode - langer Pin Markierung der Polung Kathode β kurzer Pin Snap-In SMT V-Chip Markierung der Polung Anode Anode Kathode β Polungsmarkierung (Minus) auf Kralle Markierung der Polung Kathode 24.05.2016 StM 29 Schraubkondensatoren ο§ Projektartikel β Max. Kapazität: ca. 1F β Max. Nennspannung: bis zu 500V β Projektanfrageblatt verfügbar ο§ Applikationen β β β β Elektrische Antriebe Inverter Audio β¦ 24.05.2016 StM 30 Bearbeitung der Pins ο§ Kürz- / Crimp- / Biege- Varianten: 24.05.2016 StM 31 Beispiel - WE Alu-Elkos: Radial THT 24.05.2016 StM 32 MLCC Multilayer Chip Ceramic Capacitor 24.05.2016 StM 33 Konstruktion eines MLCCβs NME Terminierung: + Sn Plating BME Innere Elektroden: (Kosten runter & hohe Leitfähigkeit) Entwicklung in den letzten Jahren: vorher nachher Sintern des Dielektrikums: Oxidatives Sintern Reduktives Sintern (Reduziert die Metalloxidation nach dem sinter Keramikschicht Innere Elektroden Keramikkörper Terminierung Abstand 24.05.2016 StM 34 Herstellungsprozess: MLCCβs 24.05.2016 StM 35 Keramikkondensatoren ο§ Klasse 1 Keramiken - NDK (z.B.: NP0 bzw. C0G -> v.a. Titanoxid) β β β β kleinere relative Permittivität Ξ΅r >> kleiner Kapazität möglich lineare Temperaturabhängigkeit minimale (bis keine) Alterung geringe Spannungsabhängigkeit (kleiner als Klasse 2) ο§ Klasse 2 Keramiken - HDK (z.B.: X7R, X5R, Y5V -> v.a. Bariumtitanat) β β β β höhere relative Permittivität Ξ΅r >> höhere Kapazität möglich nicht lineare (und stärker ausgeprägte) Temperaturabhängigkeit Alterungsverhalten Spannungsabhängigkeit der Kapazität (höher als Klasse 1) gilt es zu beachten 24.05.2016 StM 36 Klasse 1 - Keramikkondensatoren ο§ Codierung der Klasse 1 - Keramiken nach EIA-RS-198: 24.05.2016 StM 37 Klasse 1 - Keramikkondensatoren ο§ Codierung der Klasse 1 Keramiken nach IEC-60384-21: 24.05.2016 StM 38 Klasse 2 Keramikkondensatoren ο§ Codierung der Klasse 2 - Keramiken nach EIA-RS-198: 24.05.2016 StM 39 Klasse 2 Keramikkondensatoren ο§ Typische Vertreter von Klasse 2 Keramikkondensatoren sind: β β β β β β ο§ X8R - βC/C0= ±15 %; zul. Temperaturbereich: -55 °Cβ¦+150 °C X7R - βC/C0= ±15 %; zul. Temperaturbereich: -55 °Cβ¦+125 °C X7S - βC/C0= ±22 %; zul. Temperaturbereich: -55 °Cβ¦+125 °C X5R - βC/C0= ±15 %; zul. Temperaturbereich: -55 °Cβ¦+85 °C Y5V - βC/C0= +22 /- 82 %; zul. Temperaturbereich: -30 °Cβ¦+85 °C Z5U - βC/C0= +22 /- 56 %; zul. Temperaturbereich:+10 °Cβ¦+85 °C Des Weiteren existiert die Codierung der Klasse 2 - Keramik nach IEC 60384-22: 24.05.2016 StM 40 MLCC: βC/C0 vs. Temperatur βC/C0 vs. Temperatur 40 βC /C0 [%] 20 0 NP0 X7R X5R Y5V -20 -40 -60 -80 -55 -40 -25 -10 5 20 35 50 65 80 95 110 125 Temperatur [°C] 24.05.2016 StM 41 MLCC: βC/C0 vs. Betriebsdauer βC/C0 vs. Betriebsdauer 0,00 -2,00 -4,00 -6,00 βC/C0 [%] -8,00 NPO -10,00 X7R X5R -12,00 Y5V -14,00 -16,00 -18,00 -20,00 1 10 100 1000 Betriebsdauer [h] 24.05.2016 StM 42 MLCC: : βC/C0 vs. DC Spannung βC/C0 vs. DC Spannung 10,00 0,00 -10,00 -20,00 βC/C0 [%] -30,00 -40,00 NP0 X7R -50,00 X5R Y5V -60,00 -70,00 -80,00 -90,00 -100,00 0 24.05.2016 StM 5 10 15 20 DC Spannung [V] 25 30 35 40 43 MLCC: Impedanz vs. Frequenz MLCC - Impedanz Z vs. Frequenz f 1000000 100000 10000 Impedanz Z [β¦] 1000 NP0_1nF_50V_0805 100 NP0_10nF_50V_1206 10 X7R_1nF_50V_0402 X7R_100nF_50V_0603 1 X7R_1µF_25V_0805 0,1 0,01 0,001 0,00001 24.05.2016 StM 0,001 0,1 Frequenz f [MHz] 10 1000 44 Keramik ist nicht gleich Keramik! β ο§ Der eingesetzte Keramikpuder des jeweiligen MLCC Herstellers kann sich unterscheiden ο§ Der Keramikname (z.B.: X7R) definiert nicht die Zusammensetzung, sondern nur zulässige techn. Grenzen ο§ Gerade bei kritischen Applikationen, wo ein definiertes Maß an Kapazität notwendig ist, sollten die jeweiligen MLCCβs auf Kompatibilität geprüft werden ο§ Das DC Bias Verhalten kann sich voneinander unterscheiden 24.05.2016 StM 45 Keramik ist nicht gleich Keramik! β ο§ Klasse 2 Keramiken nutzen Bariumtitanat als Basismaterial: β dieses ist ferroelektrisch und das ist die Ursache für Kapazitätsabhängigkeit: β’ Kapazität vs. Temperatur β’ DC Bias Abhängigkeit der Kapazität β’ Alterungsverhalten β es zeigt piezoelektrische Effekte und das kann zu Mikrofonie führen 24.05.2016 StM 46 Die Feinde eines Kondensators Jeder Kondensator hat drei Feinde: Feuchtigkeit Eindringen von Feuchtigkeit führt zu einem geschichteten Dielektrikum ο reduziert Ξ΅R und dadurch die Kapazität ο es können die Isolationswiderständer beeinflusst werden und die Elektroden geschädigt werden Temperatur kann Alterungseffekte beschleunigen oder z.B. auch temperaturabhängige Kapazitätsänderung bei MLCCβs Zeit viele Kondensatoren haben ein Alterungsverhalten 24.05.2016 StM 47 Zukunftsausblick ο§ DC Link Kondensatoren ο§ Super Kondensatoren 24.05.2016 StM 48 Vielen Dank und fühlen Sie sich frei, uns zu testen! 24.05.2016 StM 49