Hallo, dass sich die Kapazität von X7R-Kondensatoren ändert, wenn eine Spannung angelegt wird ist soweit klar. Auch dass X7R-Keramiken einen gewissen Altererungseffekt haben, ist zumindest bei Wikipedia beschrieben. Ich habe Vergleichsmessungen an Kondensatoren von verschiedenen Herstellern gemacht (alle 4,7 µF, Spannungsfestigkeit 25 V oder 50 V, Gehäuse 1206). Dabei ist mir aufgefallen, dass bei allen Bauteilen die Kapazität über einen Zeitraum von mehreren Stunden absinkt, wenn man eine Bias-Spannung anlegt, bei der Messung wurde 15 V als Bias-Spannung verwendet. Es war z. B. bei einer Messung so, dass die Kapazität ohne Bias-Spannung 4,5 µF war und direkt nach dem Einschalten der Spannung ist die Kapazität auf 2,5 µF gesunken. Die Kapazität ist dann relativ langsam immer weiter gesunken und hat sich nach längerer Zeit (> 30 Minuten) dann bei etwa 1,2 µF stabilisiert. Wenn man den Kondensator umdreht, so dass die Bias-Spannung in die andere Richtung angelegt wird, geht die Kapazität im ersten Moment hoch auf deutlich oberhalb von 3 µF und sinkt dann mit der Zeit auch wieder auf 1,2 µF ab. Was weiterhin auffällig war, dass sich Kodensatoren von unterschiedlichen Herstellern sehr stark unterschieden hatten; der beste war auch nach mehreren Sunden noch bei ca. 2,5 µF. Mich würde interessieren, was der physikalische Hintergrund ist, also warum die Kapazität über so einen langen Zeitraum erst einschwingt. Interessant ist auch, dass man zu diesem Effekt im Internet irgendwie gar keine Informationen findet oder ich habe einfach nur die falschen Suchbegriffe verwendet...
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Sehr interessant! Auf die schnelle hätte ich folgendes gefunden: http://www.kemet.com/Lists/TechnicalArticles/Attachments/191/Why%2047%20uF%20capacitor%20drops%20to%2037%20uF-%2030%20uF-%20or%20lower.pdf Siehe S11. Für die dielektrika gibts eine Hysteresekurve, wie man sie von magnetischen Materealien kennt. Da gibts also auch eine Koerzitivfeldstärke. Wenn der Kondensator also einem DC-Bias ausgesetzt war, dann die Spannung weg ist, bleibt das Dielektrikum teilweise "ausgerichtet". Das müsste man dem Kondensator anmerken, wenn die angelegte AC-Spannung nicht ausreicht, um das Dielektrikum zurückzusetzen. Der Effekt wird, soweit mir bekannt, auch bei FRAMs ausgenutzt. Der Effekt erklärt das Verhalten ganz gut. Das erklärt aber nicht, warum das so lange dauert. Da muss ich auch passen.
Johannes E. schrieb: > Interessant ist auch, dass man zu diesem Effekt im Internet irgendwie > gar keine Informationen findet oder ich habe einfach nur die falschen > Suchbegriffe verwendet... Solch ein Verhalten habe ich noch in keinem Datenblatt gesehen. Die Verminderung der Kapazitäten ist dort hinreichend beschrieben und wesentlich geringer als von Dir geschildert. https://www.wima.de/en/our-product-range/smd-capacitors/smd-pen/dielektrika-vergleich/ Mac G. schrieb: > Wie sieht denn der Messaufbau aus? mfg klaus
Die Kondensatorkeramiken sind den Piezokeramiken von der chemischen Zusammensetzung sehr ähnlich. Demzufolge treten als "Nebenwirkung" parasitär an einem Kondensator auch piezoelektrische Effekte auf. Zu Piezokeramiken gibt es ein interessantes Dokument: http://www.keramverband.de/keramik/pdf/05/sem05_04.pdf Lies das mal "zwischen den Zeilen", dann sind einige der von dir beobachteten Effekte besser erklärbar. Die Kapazitätsabnahme könnte durch Polarisation und Ausrichtung der Domänen erklärbar sein. Dafür spricht auch, da bei Keramikkondensatoren piezoelektrische Eigenschaften direkt beobachtbar sind. Nicht umsonst wird vom Einsatz von kochkapazitiven Keramikkondensatoren im Signalweg von HiFi Verstärkern wegen Mikrofonieeffekten abgeraten. Einen zirpenden Scheibenkondensator hatte ich ebenfalls mal, der wie ein Piezoschwinger Krach machte :-)
m.n. schrieb: > A. K. schrieb: >> https://www.maximintegrated.com/en/app-notes/index... > > Sehr lesenswert! Aber am Thema vorbei. Der Umstand, dass Kerkos ein DC-Bias haben ist trivial.
In der Ferroelektrischen Keramik bilden sich Domänen aus in denen die Dipole grötenteils parallel ausgerichtet sind. Wenn so eine Domäne erst einmal voll parallel zum externen Feld ausgerichtet ist, kann sie nicht mehr wesentlich zur differentiellen Kapazität beitragen. Das Ausrichten findet einmal schnell durch das anlegen der Spannung statt, aber zum Teil auch noch mal verzögert, wenn die Spannung längere Zeit anliegt. Die Art der Messung hat ggf. auch einen Einfluss. Vermutlich dürfte mit einer eher kleinen AC Amplitude überlagert zur DC Spannung gemessen werden. Das gibt dann die differentielle Kapazität.
Hmm schrieb: > Aber am Thema vorbei. > Der Umstand, dass Kerkos ein DC-Bias haben ist trivial. Und dem Fragesteller auch bekannt? Es geht um ihn, nicht um dich. Dein Link ist sehr gut. Viel umfassender und detailliert bis runter in den inneren Aufbau. Meiner ist dafür kurz und auf dem Punkt. Oder siehst du eine andere Ursache als den Bias?
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A. K. schrieb: > Hmm schrieb: >> Aber am Thema vorbei. >> Der Umstand, dass Kerkos ein DC-Bias haben ist trivial. > > Und dem Fragesteller auch bekannt? Es geht um ihn, nicht um dich. Offensichtlich, denn ich zitiere mal: >dass sich die Kapazität von X7R-Kondensatoren ändert, wenn eine Spannung >angelegt wird ist soweit klar. Für mich ist das eindeutig - dem Autor ist die Problematik klar. Im Ernst: Das sind grundlegende Dinge, die ein Entwickler / Bastler wissen MUSS. Kein Mensch kann hochkapazitive Klasse-II-Kerkos richtig verwenden, ohne diesem Umstand Rechnung zu tragen. Es ist keine Seltenheit, dass ein 10µ-10V-Kerko bei 5V nur noch die halbe Kapazität hat. Dazu ist es zwingend, die Datenblätter zu sichten, und fallweise mehr oder andere verbauen. Wer das nicht tut, baut Pfusch zusammen.
Hinterher klug reden, ist einfach. Ich habe mir etliche der geposteten Links angesehen und war bei dem Link von Maxim schon überrascht, das nicht nur die angegebene Maximalspannung, sondern auch noch die mechanische Baugröße einen wesentlichen Einfluss auf den zu erwartenden Kapazitätsverlust hat. ist für mich aber weniger das Problem, da ich ohnehin nur Bauform 1206 und 1210 verbaue.
Gerald B. schrieb: > Hinterher klug reden, ist einfach. > Ich habe mir etliche der geposteten Links angesehen und war bei dem Link > von Maxim schon überrascht, das nicht nur die angegebene > Maximalspannung, sondern auch noch die mechanische Baugröße einen > wesentlichen Einfluss auf den zu erwartenden Kapazitätsverlust hat. ist > für mich aber weniger das Problem, da ich ohnehin nur Bauform 1206 und > 1210 verbaue. Das ist leider wirklich zwingend nötiges Grundwissen. Jeder verwendet MLCC im µF-Bereich in der Versorgung. Darum kommt man gar nicht herum. Und katastrophale DC-Bias-Charakteristiken mit 90% Kapazitätsverlust sind gar nicht so selten. Wer seine Schaltungen auch wirklich ernsthaft in Betrieb nimmt, wird über das Problem irgenwann stolpern. Spätesten bei einem Lastwechseltest beim Schaltnetzteil, oder einem schwingenden Linearregler. Viele Hersteller bieten Hilfeleistungen bei dieser Sache an. Beipiel: http://ksim.kemet.com/Plots/SpicePlots.aspx Einen Typ herauspicken, dann kann man das nachkucken. --> Einen Kondensator auswählen ist nicht nur "22µF -> passt"... Das ist eines der schwierigeren Dinge bei Schaltnetzteilen, und ist genauso wichtig wie die Wahl der richten MOSFET oder Spulen. Das Problem bei solchen Dingen ist allerdings, dass die Hersteller nicht gerade offen mit solchen Schwächen umgehen. Daher hilft nur: Lesen, lesen, lesen...
@ Gerald B. (gerald_b) >für mich aber weniger das Problem, da ich ohnehin nur Bauform 1206 und >1210 verbaue. Warst du mal Maurer? Oder warum verbaust du solche Ziegelsteine? ;-)
Hmm schrieb: > Das ist leider wirklich zwingend nötiges Grundwissen. Für Entwickler, die sowas täglich machen, sicherlich. Nur kommmt man nicht als Entwickler auf die Welt ;-) Um so befremdlicher ist das Auseinanderdriften von Profis und "Makern" Einerseits wird das Design immer komplexer, das Angebot von am Markt befindlichen Bauelementen fächert sich immer breiter auf und in der Makerszene wird irgendwas "zusammengekloppt", Hauptsache es funktioniert irgendwie. Früher gab es Elkos, Folienkondensatoren und Keramikkondensatoren - fertig! Dann kamen Low ESR Typen, 105°, dann 125° Typen, unterschiedliche MBTF, Gel-Elkos und und und... Bei anderen Bauelementen sieht es nicht besser aus. Gleichzeitig schwindet aber subjektiv gesehen, die Bereitschaft sich in diese immer komplexeren Zusammenhänge einzulesen. Früher wurde das Thema Abblockkondensatoren in jedem guten Schaltkreisbastelbuch behandelt, weil es einfach essentiell war. Ein TTL-Grab bekam man anders einfach nicht stabil zum Laufen. Interessiert heute kaum einen. Ich bin lediglich interessierter Laie, aber von Null anfangen würde ich heute nicht mehr wollen.
Falk B. schrieb: > @ Gerald B. (gerald_b) > >>für mich aber weniger das Problem, da ich ohnehin nur Bauform 1206 und >>1210 verbaue. > > Warst du mal Maurer? Oder warum verbaust du solche Ziegelsteine? ;-) Nein, aber trotz Brille werden meine Augen nicht besser. Von der Feinmotorik würde ich auch 603 hinbekommen. Aber SOT23 ist schon eine Qual. Ist mehr Blindflug und dann unter der Leuchtlupe das Ergebnis kontrollieren u. ggf. nachbessern.
Bitte entschuldigt, dass ich erst jetzt antworte. Mac G. schrieb: > Wie sieht denn der Messaufbau aus? Gemessen wure mit einem Hameg bzw. Rohde&Schwarz LCR-Meter HM8118, bei diesem Gerät kann man eine externe Bias-Spannung einspeisen. Gemessen wird mit einer Wechselspannung von 1 V, die der Bias-Spannung überlagert wird. Die Bauteile wurden mit dem zugehörigen SMD-Testadapter HZ188 kontaktiert. Die Ergebnisse waren auch sehr gut reproduzierbar und größere Messfehler kann ich eigentlich ausschließen. Klaus R. schrieb: > Solch ein Verhalten habe ich noch in keinem Datenblatt gesehen. Nicht im Datenblatt, aber z. B. bei TDK auf der Homegape kann man sich die Kurven anzeigen lassen, für einen willkürlich ausgewählten KerKo mit 4,7 µF und 50V Spannungsfestigkeit im 1206-Gehäuse sieht das so aus: https://product.tdk.com/en/search/capacitor/ceramic/mlcc/info?part_no=C3216X7R1H475K160AC Die Kurven auf der TDK-Seite passen übrigens sehr gut zu meinen Messergebnissen, auch deshalb gehe ich davon aus, dass ich richtig gemessen habe. Ich habe schon einiges über dieses Thema gelesen, allerdings bin ich bisher immer davon ausgegangen, dass diese Effekte wie Piezo-Effekt und Polarisationseffekte eher schnell ablaufen. Deshalb hätte ich eigentlich erwartet, dass die Kapazität sofort entsprechend sinkt, wenn man eine entsprechende Spannung anlegt. Dass es aber bis zu mehreren Stunden dauern kann, bis sich die Kapazität stabilisiert, das hätte ich nicht erwartet und hat mich schon ziemlich überrascht. Man lernt eben nie aus ...
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Tag. Wie viel Zeit ist den zwischen löten und messen vergangen? Multilayer Keramik Kondensatoren bekommen einen "Thermal Shock" und brauche einige Stunden um sich zu beruhigen.
Es wurde gar nicht gelötet, die Kondensatoren wurden direkt in den SMD-Messadapter eingelegt.
Gerald B. schrieb: > ist > für mich aber weniger das Problem, da ich ohnehin nur Bauform 1206 und > 1210 verbaue. Lötest Du die von Hand oder rein Reflow? Denn die größeren Bauformen (und dazu zähle ich beide genannte) sind deutlich empfindlicher für Mikrorisse und daraus folgende Kurzschlüsse als kleinere. Eine mögliche Ursache für die Mikrorisse ist die sehr punktuelle Erhitzung mit der Lötspitze beim manuellen Löten. Daher geben einige Hersteller irgendwo tief unten versteckt in ihren Verarbeitungshinweisen an, daß man MLCCs größer 0805 nicht mehr von Hand löten soll.
Die in der Keramik ausgerichteten Dipole des Piezomaterials bewirken ja lokal mechanische Spannungen, die nach einiger Zeit, durch Wärmebewegung unterstützt, sich ausgleichen. (daher kein sofortiger Endzustand sondern verzögerte Wirkung) Damit dürfte dann verbunden sein, dass sich die für die Kapazität verantwortlichen beweglichen Bereiche verfestigen oder verringern und nach einiger Zeit nicht mehr an dielektrischen Verschiebungen teilnehmen. Von außen eben als verringerte Kapazität messbar.
Johannes E. schrieb: > dass diese Effekte wie Piezo-Effekt und > Polarisationseffekte eher schnell ablaufen. Deshalb hätte ich eigentlich > erwartet, dass die Kapazität sofort entsprechend sinkt, wenn man eine > entsprechende Spannung anlegt. > > Dass es aber bis zu mehreren Stunden dauern kann, bis sich die Kapazität > stabilisiert, das hätte ich nicht erwartet und hat mich schon ziemlich > überrascht. Das meinte ich mit "zwischen den Zeilen lesen". Der Piezoeffekt, wenn die Domänen bereits ausgerichtet sind, ist schnell (sonst würde der Piezopieper keine hörbaren Töne abgeben) Die Polaristation der Piezokeramik, die Ausrichtung der Domänen dauert allerdings. Um Piezoelemente bewusst herzustellen, wird die Keramik über die Curietemperatur erwärmt und per Hochspannung werden die Domänen ausgerichtet. Dann wird mit anliegendem Feld unterhalb der Curietemperatur abgekühlt. Die Ausrichtung wird gewissermaßen eingefroren und die Piezoelektrischen Eigenschaften bleiben so dauerhaft erhalten (so man nicht erhitzt). Im kalten Zustand ist der Effekt nicht so ausgeprägt, aber vorhanden.
MLCC Typ II haben auch eine Art Curietemperatur. Mit Löttemperatur initialisieren sie den Kapazitätswert neu, der mit der Zeit absinkt. Daher steigt die Kapazität, wenn man einen alten MLCC auslötet. Hab gerade einen 1206 4u7 50V aus der Rolle mit 4.33uF gemessen. Nach dem Anlöten hatte er 4.67uF. Jetzt habe ich ihn mal über Nacht an 14V gelegt. Initial ging mit 14V die Kapazität auf 3.88uF zurück, was noch ganz gut ist. Alles bei 1Khz gemessen.
Am nächsten Morgen gemessen. 2.90uF. An dem Effekt ist was dran.
Johannes E. schrieb: > Ich habe schon einiges über dieses Thema gelesen, > allerdings bin ich bisher immer davon ausgegangen, > dass diese Effekte wie Piezo-Effekt und Polarisations- > effekte eher schnell ablaufen. Ja, das ist auch richtig. > Deshalb hätte ich eigentlich erwartet, dass die Kapazität > sofort entsprechend sinkt, wenn man eine entsprechende > Spannung anlegt. Ja, im Prinzip richtig. > Dass es aber bis zu mehreren Stunden dauern kann, bis sich > die Kapazität stabilisiert, das hätte ich nicht erwartet > und hat mich schon ziemlich überrascht. Naja, in den HDK-Kondensatoren sind Ferroelektrika verbaut. Diese Substanzen sind nicht einfach nur piezoelektrisch (wie Quarz beispielsweise), sondern ihre Polarisation lässt sich durch äußere Felder umpolen. Ich könnte mir schon vorstellen, dass da Prozesse ähnlich der dielektrischen Relaxation ablaufen -- aber nix genaues weiss man nicht. Interessant wäre, ob sich Stärke oder Zeitkonstante des Effekts ändert, wenn Du den Bias konstant beibehältst, aber die Mess- Spannung auf 100mV, 10mV... verringerst.
Christian K. schrieb: > An dem Effekt ist was dran. Danke, dass du das bestätigt hast. Aus Vergleich mit meiner Messreihe liegt dieser Kondensator so im oberen Mittelfeld bzgl. des kapazitätsverlusts. Dei Probanten von AVX (12065C475KAT2A) und von TDK (C3216X7R1H475K160AE) hatten ungefähr die gleichen Werte. Sehr stark an Kapazität verloren haben die Kondensaoren von Kemet, Walsin und Tayio Yuden, der schlechteste hatte am Ende weniger als 1 µF bei 15 V. Am besten abgeschnitten haben die von Murata (GRJ31CR71H475KE11L), Samsung (CL31B475KBHNFNE) und Würth (885012208094), die waren im eingeschwungenen Zustand im Bereich 3 - 3,5 µF.
Possetitjel schrieb: > Interessant wäre, ob sich Stärke oder Zeitkonstante des Effekts > ändert, wenn Du den Bias konstant beibehältst, aber die Mess- > Spannung auf 100mV, 10mV... verringerst. Das habe ich jetzt nicht getestet. Es war aber auffällig, dass die Geschwindgkeit, mit der die Kapazität absikt, bei den unterschiedlichen Herstellern sehr unterschiedlich war. Die Kondensatoren, bei denen die Kapazität sehr stark sinkt, waren schon etwa nach einer Stunde eingeschwungen. Bei den "besseren" hat es mehrere Stunden gedauert.
Johannes E. schrieb: > Possetitjel schrieb: >> Interessant wäre, ob sich Stärke oder Zeitkonstante des Effekts >> ändert, wenn Du den Bias konstant beibehältst, aber die Mess- >> Spannung auf 100mV, 10mV... verringerst. > > Das habe ich jetzt nicht getestet. > > Es war aber auffällig, dass die Geschwindgkeit, mit der die Kapazität > absikt, bei den unterschiedlichen Herstellern sehr unterschiedlich war. > Die Kondensatoren, bei denen die Kapazität sehr stark sinkt, waren schon > etwa nach einer Stunde eingeschwungen. Bei den "besseren" hat es mehrere > Stunden gedauert. vllt. ist das von Interesse, falls nicht bekannt. eine mögliche Messschaltung https://www.maximintegrated.com/en/app-notes/index.mvp/id/6014 Simulation, murata "simsurfing" https://www.murata.com/support/faqs/products/capacitor/mlcc/char/0005
mlcc schrieb: > Simulation, murata "simsurfing" Vielen Dank für den Link, den kannte ich noch nicht!
SMD-Widerstände werden ja meist in 1% Ausführung angeboten; der Wert ist aufgedruckt. Jetzt wird mir endlich klar, warum bei diesen keram. Cs kein Wert aufgedruckt ist ;-)
Ich benutze immer eine MLCC Bias Test Schaltung für Arme. Ich messe mit einem einfachen LCR Meter die Serienschaltung aus DUT (MLCC 4u7 oder was auch immer) und einem mehrere Tausend uF Elko. Einmal mit 0V am Elko, gibts fast die Bias 0 Kapazität am MLCC. Dann mit dem Elko auf die gewünschte Bias Spannung aufgeladen. Durch die Serienschaltung “sieht” das LCR Meter keine Biasspannung, obwohl sie an beiden Kondensatoren (Alu und MLCC) anliegt.
Kann man machen. Ist mit einem fetten Folienkondensator allerdings sinnvoller. Ansonsten mißt man den viel schlechteren ESR des Elko. Bei der Induktivität siehts ähnlich aus.
Hoffentlich kommt dieser Effekt nicht allzu bald den Machern der EMV-Messstandards zu Ohren. Sonst muss man bald die Prüflinge für den EMV-Test erst mal 2 Tage am Stück eingeschaltet lassen bevor man mit dem Testen beginnen darf...
ESR ist einer der ganz wenigen Parameter der sich bei Typ 2 MLCC weder mit Temperatur noch mit Biasspannung verschlechtert. Induktivität bleibt auch gleich, da sie nur von mechanischen Größen abhängt. Für die EMV geht daher maximal die Resonzfrequenz mit der Zeit hoch.
Christian K. schrieb: > Für die EMV geht daher maximal die Resonzfrequenz mit der Zeit hoch. Der Ripple von z.B. Schaltreglern geht hoch wenn ich mit der Kapazität runtergehe. Auch bei einem LC-Filter (z.B. am Ausgang eines Schaltreglers) verschiebt sich die Frequenz wenn sich die Kapazität so deutlich ändert.
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