Keramikkondensator

Keramikkondensatoren sind die Kleinteile, von denen jede Platine Dutzende braucht. Als orange Scheibchen mit „104“ stecken sie in Bastelsätzen, als blaue Tropfen in älteren Geräten und als winzige braune Chips neben jedem Mikrocontroller. Ein guter Teil aller weltweit gefertigten Bauelemente sind Keramikkondensatoren. Trotzdem verbergen sich hinter dem Wort „Keramik“ Werkstoffe mit ganz unterschiedlichem Verhalten – und genau daran scheitern viele Schaltungen, die auf dem Papier stimmen.

Aufbau und Funktionsweise

Das Dielektrikum ist eine gesinterte Oxidkeramik. Bei der einfachsten Form, dem Scheibenkondensator, trägt ein dünnes Keramikplättchen auf beiden Seiten eine aufgebrannte Silberschicht als Elektrode. Daran sind die Anschlussdrähte gelötet, und eine Tauchumhüllung aus Epoxid oder Lack schützt das Ganze. Für größere Kapazitäten werden viele hauchdünne Keramikschichten mit eingedruckten Metallelektroden gestapelt und zu einem Block gesintert – das ist der Vielschichtkondensator, den du als MLCC kennst.

Warum Keramik? Nach der Formel C = ε₀ · ε_r · A / d (siehe elektrisches Feld) steigt die Kapazität mit der Permittivitätszahl ε_r. Keramische Werkstoffe erreichen Werte, von denen Kunststofffolien weit entfernt sind. Der Preis dafür ist, dass die stark polarisierbaren Werkstoffe auf Temperatur, Gleichspannung und Zeit reagieren. Deshalb teilt man Keramikkondensatoren in Klassen ein.

Klasse 1 und Klasse 2

Klasse 1 verwendet paraelektrische Keramik, oft auf Basis von Titandioxid oder Calciumzirkonat, mit ε_r von etwa 6 bis 200. Die Kapazität ändert sich mit der Temperatur nur linear und genau vorhersagbar, nicht mit der angelegten Spannung und nicht mit der Zeit. Die Verluste sind sehr klein. Der wichtigste Vertreter ist C0G (auch NP0 genannt): null ppm/K mit höchstens ±30 ppm/K Abweichung. Daneben gibt es Typen mit absichtlich negativem Temperaturkoeffizienten, etwa U2J (N750, rund −750 ppm/K), mit denen man früher die Drift von Spulen in Schwingkreisen ausglich.

Klasse 2 verwendet ferroelektrische Keramik auf Basis von Bariumtitanat mit ε_r von einigen Hundert bis über 10 000. Damit passen in dasselbe Volumen hundertmal mehr Kapazität. Dafür ändert sich die Kapazität stark und nichtlinear mit der Temperatur, sie sinkt bei angelegter Gleichspannung und nimmt mit der Zeit ab. Bezeichnet werden die Werkstoffe mit einem dreistelligen Code wie X7R, X5R oder Y5V; was die Zeichen bedeuten, erklärt Kennzeichnung von Kondensatoren, die Aufdrucke vertieft Kennzeichnung von Keramikkondensatoren.

Eine frühere Klasse 3 mit Sperrschichtkeramik ist heute praktisch verschwunden. Moderne Klasse-2-MLCCs erreichen inzwischen 100 µF und mehr – die alte Faustregel „Keramik gibt es nur bis einige Nanofarad“ stimmt seit Jahrzehnten nicht mehr.

Alterung und Mikrofonie

Klasse-2-Keramik verliert nach jeder Erwärmung über ihren Curie-Punkt (bei Bariumtitanat um 125 °C) langsam an Kapazität. Der Verlust ist logarithmisch: in jeder Zeitdekade – von 1 h bis 10 h, von 10 h bis 100 h und so weiter – um denselben Prozentsatz. Datenblätter beziehen den Nennwert deshalb meist auf 1000 Stunden nach der letzten Erwärmung. Weil das Löten den Kondensator wieder über den Curie-Punkt bringt, misst du direkt nach der Bestückung einen etwas zu hohen Wert.

Ferroelektrische Keramik ist außerdem piezoelektrisch (siehe Thermoelektrik und Piezo). Liegt eine Wechselspannung im hörbaren Bereich an, schwingt der Kondensator mechanisch und die Platine „singt“ – typisch bei Schaltreglern im Leichtlastbetrieb. Umgekehrt erzeugen Erschütterungen kleine Spannungen: In empfindlichen Audio- und Messverstärkern hörst du Klopfen auf dem Gehäuse als Knacken. Klasse 1 zeigt beide Effekte praktisch nicht.

Bauformen

• Scheibenkondensatoren mit Drähten im Rastermaß 2,5 oder 5 mm, meist 1 pF bis 100 nF und 50 bis 500 V.
• Bedrahtete Vielschichtkondensatoren in blauer oder gelber Tauchumhüllung, innen ein MLCC-Chip. Gängig als 100 nF/50 V X7R für Steckbrett und Lochraster.
• SMD-Chips (MLCC) von 0201 bis 2220 – heute die Standardform, ausführlich unter MLCC.
• Hochspannungs-Scheiben für 1 bis 6 kV, etwa in Netzteilen und Röhrengeräten, sowie zugelassene Funkentstörkondensatoren nach Klasse Y für Netzspannung (siehe X- und Y-Kondensatoren).
• Durchführungskondensatoren, die eine Leitung durch eine Abschirmwand führen und Störungen direkt am Gehäuse ableiten.

Typische Anwendungen

• Abblocken und Entstören mit X7R oder X5R, etwa 100 nF an jedem Versorgungspin. Hier zählen kleine Impedanz und niedriger Preis, nicht die genaue Kapazität (siehe kapazitiver Blindwiderstand).
• Lastkondensatoren am Quarz, Filter, Oszillatoren und HF-Anpassung mit C0G, weil die Kapazität dort die Frequenz festlegt.
• Zeitglieder mit C0G bis einige Nanofarad; darüber ist ein Folienkondensator oft günstiger.
• Koppeln von Digitalsignalen; in Audiopfaden nimmst du wegen der Mikrofonie und der Spannungsabhängigkeit lieber C0G oder Folie.

Die beiden Lastkondensatoren eines Schwingquarzes sind ein Paradebeispiel für C0G – rechne ihren Wert hier aus:

Auswahl und Praxistipps

Entscheide zuerst die Klasse: Bestimmt die Kapazität eine Frequenz oder Zeit, nimmst du C0G. Geht es nur um „genug Kapazität“, ist X7R der Standard, X5R ist in Ordnung, wenn es nicht über 85 °C warm wird. Y5V und Z5U meidest du in neuen Entwürfen. Werte gibt es für C0G meist in E12 oder E24, für Klasse 2 oft nur in E6 (siehe E-Reihen).

Häufige Fehler:

• X7R im Zeitglied oder Filter: Temperatur, Gleichspannung und Alterung zusammen können die Kapazität um ein Drittel und mehr verschieben.
• Nennwert unter Gleichspannung erwartet: Ein Klasse-2-Kondensator an seiner Nennspannung liefert oft nur noch die Hälfte. Plane Reserve oder eine größere Bauform.
• Kapazität nach dem Löten nachgemessen und gewundert: Direkt nach dem Löten ist eine Klasse-2-Keramik „verjüngt“; der Wert sinkt in den folgenden Tagen.
• Keramik im Mikrofonverstärker: Klopfen und Vibration werden hörbar. C0G oder Folie verwenden.
• Billige Y5V als Bulk-Kondensator: Bei 0 °C und angelegter Spannung bleibt davon ein Bruchteil übrig.

Selbsttest