Wie sich passive Bauelemente entwickeln, um den heutigen Schaltungsanforderungen gerecht zu werden

Bei der Bewertung Ihres nächsten Smartphones konzentrieren Sie sich sicherlich auf Parameter wie CPU-Typ und Speicherkapazität: Das ist wenig verwunderlich, wenn man bedenkt, wie sich diese auf Ihre Qualität des Online-Erlebnisses auswirken.

Die Leistung des Geräts – oder seine Funktionsfähigkeit – hängt jedoch auch von der Ausstattung mit passiven Bauelemente ab. Und diese Tatsache erstreckt sich vom Smartphone, das Sie in Erwägung ziehen, bis hin zu den entlegensten Bereichen des heutigen technologischen Ökosystems.

Die drei Haupttypen von passiven Bauelementen sind Widerstände, Kondensatoren und Induktivitäten. Sie haben keinen Leistungsgewinn und können den Stromfluss weder verstärken noch steuern. Sie erfordern jedoch keine externe Stromversorgung, während sie linear auf die ihnen zugeführte Spannung oder den zugeführten Strom reagieren.

Dieser Artikel befasst sich mit den Möglichkeiten, die Ihnen zur Verfügung stehen, wenn Sie versuchen, passive Bauelemente in elektronische oder elektrische Schaltungen zu integrieren. Aber diese Optionen ändern sich ständig, da Anwendungen anspruchsvoller werden und neue Entwicklungen auf den Markt kommen. Wie in jeder anderen Branche im Laufe der Geschichte werden Fortschritte durch sich ständig wiederholende Schritte erzielt – von der Entwicklung revolutionärer neuer Materialien oder Prozesse über evolutionäre oder inkrementelle Verbesserungen bestehender Technologien bis hin zur weit verbreiteten Produktion und Normalisierung des neuen Ansatzes.

Dementsprechend unterziehen wir die derzeit weit verbreiteten Produkte und ihre kontrastreiche Eignung für verschiedene Anwendungen einer Prüfung – aber wir decken auch neuere evolutionäre Produkte ab, die zu berücksichtigen sind, und sogar einige revolutionäre Entwicklungen, welche einen Hinweis darauf geben, was die Zukunft bringen könnte.

WIDERSTÄNDE

Widerstände spielen aus vielen Gründen eine entscheidende Rolle in allen elektronischen Schaltungen. Sie erschweren den elektrischen Stromfluss in einer Schaltung und verursachen einen Spannungsabfall. Auf diese Weise können sie den Strom regeln, die Spannung teilen und Arbeitspunkte in elektronischen Systemen festlegen. Sie sind mit verschiedenen Widerstandswerten erhältlich, die zur einfachen Identifizierung jeweils farblich gekennzeichnet sind.

Revolution

Eine Überprüfung der jüngsten Forschung zeigt, dass Widerstände eine überraschend komplexe Rolle bei aufkommenden High-Tech-Anwendungen spielen können. Forscher am MIT haben protonische programmierbare Widerstände entwickelt – die Bausteine analoger Deep Learning-Systeme –, die Daten millionenfach schneller verarbeiten können als die Synapsen im menschlichen Gehirn. Diese ultraschnellen, energiesparenden Widerstände könnten analoge Deep Learning-Systeme ermöglichen, die neue und leistungsfähigere neuronale Netze schnell trainieren, welche dann für neuartige Anwendungen in Bereichen wie selbstfahrende Autos, Betrugserkennung und Gesundheitswesen eingesetzt werden könnten.

Evolution

OVon den vier Arten von Festwertwiderständen – Kohlemasse-Widerstände, Folien- oder Cermet-Widerstände, drahtgewickelte Widerstände und Halbleiterwiderstände – sind Dickschichtprodukte besonders beliebt, wobei die Technologie viele Innovationen hervorgebracht hat.

Dickschichtwiderstände sind aufgrund ihrer relativ niedrigen Kosten sowohl in Industrie- als auch in Verbraucheranwendungen besonders beliebt. Die allgegenwärtige Anforderung an geringen Stromverbrauch und Schaltungsschutz in relevanten Anwendungen treibt jedoch die Nachfrage nach leistungsstarken Dickschichtwiderständen an.

Höherer Nennstrom, niedrigerer TCR-Wert: Zur Erfüllung des steigenden Stromsparbedarfs von Industrie- und Verbraucheranwendungen konzipieren Entwickler Dickschicht-Widerstandslösungen, die hohe Leistungswerte mit deutlich niedrigeren TCR-Eigenschaften aufweisen.

Zum Beispiel hat ROHM kürzlich seine LTR-Baureihe um den Dickschicht-Shuntwiderstand LTR100L erweitert, der eine branchenführende Nennleistung für Hochleistungs-Stromerkennungsanwendungen bietet. Ein ursprünglicher Ansatz, der in Bezug auf Widerstandsmaterial und einer reduzierten Anschlusstemperatur überarbeitet wurde, hat zu einer leistungsfähigeren Dickschicht-Widerstandslösung geführt. Infolgedessen wurden neben Vorteilen gegenüber bestehenden Metall-Shunt-Widerständen auch wesentliche Verbesserungen in Bezug auf herkömmliche Dickschichtwiderstände erzielt. So können Kunden von Metall-Shunt-Widerständen auf kostengünstigere Dickschichtwiderstände umsteigen.

Zusätzlich ermöglicht ein niedrigerer Temperaturkoeffizient des Widerstands (TCR) eine höhere Stromerfassungsgenauigkeit im Vergleich zu bestehenden Dickschichtwiderständen.

Abb. 1 zeigt die Vorteile der höheren Nennleistung und des überlegenen TCR-Werts des Geräts

Abb. 1 Vorteile der höheren Nennleistung und des überlegenen TCR-Werts des LTR100L

Verbesserter Überspannungsschutz: Die Dickschichtwiderstände der Baureihe ERJ-PM8 von Panasonic mit Überspannungsschutz tragen dazu bei, den Bedarf an Widerständen mit hohem Widerstandswert zu reduzieren. Sie bieten zudem eine hohe Präzision, Hochspannung und einen hohen Widerstand mit einer begrenzten Elementspannung von 500 V.

Abb. 2: Konstruktionsdetail – Dickschicht-Chip-Widerstand mit Überspannungsschutz der Baureihe ERJ PM8 von Panasonic

Gängige Optionen

Die vier derzeit verfügbaren Arten von Widerstandstechnologie sind:

• Kohlenmasse-Widerstand: Hergestellt aus Kohlenstoffstaub oder Graphitpaste, niedrige Wattwerte
• Folien- oder Cermet-Widerstand: Hergestellt aus leitfähiger Metalloxidpaste, sehr niedrige Wattwerte
• Drahtgewickelter Widerstand: Metallkörper zur Kühlkörpermontage, sehr hohe Wattleistung
• Halbleiterwiderstand: Hochfrequenz-/Präzisions-Dünnschicht-Technologie zur Oberflächenmontage

Um die gesamte Palette der Widerstände zu erkunden, klicken Sie hier

KONDENSATOREN

Kondensatoren sind passive Bauelemente, die elektrische Ladung speichern. Sie bestehen aus zwei leitenden Platten, die durch ein isolierendes dielektrisches Material getrennt sind. Wenn Spannung angelegt wird, sammelt sich elektrische Ladung auf den Platten an, wobei die Polarität von der Spannungspolarität abhängt. Der Kapazitätswert bestimmt, wie viel Ladung für eine bestimmte angelegte Spannung gespeichert werden kann (Kondensatorladungsrechner).

Zu den Kondensatorfunktionen gehören:

• Speicherung und Entladung elektrischer Ladung
• Filterung von Signalen
• Entkopplung von Netzteilen
• AC-Kopplung zwischen Schaltungsstufen
• Abstimm- und Resonanzschaltungen
• Transienten-Snubbing

Revolution

Miniaturisierung und hohe Leistungsdichte sind für alle Bauelemente unerlässlich, da Produkte mehr Leistung und Funktionen von kleineren Formfaktoren erhalten. Eine fortschrittliche Lösung, die Siliziumkondensatoren mit hoher Dichte umfasst, wurde mit einem Halbleiter-MOS-Prozess entwickelt. Diese nutzen die dritte Dimension dazu, die Kondensatorfläche und damit ihre Kapazität wesentlich zu verbessern, ohne dabei jedoch den Kondensatorfußabdruck zu erhöhen. Dieser Prozess, der von Unternehmen wie IPDIA (Murata) in Frankreich perfektioniert wurde, bietet einen Einblick in die möglicherweise nächste Phase der volumetrischen Effizienz von Bauelementen und beginnt, den allgegenwärtigen MLCC zu erweitern.

Evolution

Dennoch ist, wie durch die folgenden Beispiele veranschaulicht, die Fähigkeit, rauen Umgebungen standzuhalten, oft eine entscheidende Anforderung, und auch Kondensatoren stellen da keine Ausnahme dar.

Metallisierte Polypropylen-Folienkondensatoren für AC-Filterung: Vishay Roederstein hat eine neue Baureihe von metallisierten Polypropylen-Folienkondensatoren für die AC-Filterung eingeführt, welche für Umgebungen mit hoher Luftfeuchtigkeit optimiert sind. Geräte für die AC-Filterung der Baureihe MKP1847C halten anspruchsvollen THB-Tests stand (d. h. 40 °C und 93 Prozent relative Luftfeuchtigkeit für 56 Tage bei Nennspannung), ohne dabei ihre elektrischen Eigenschaften zu verändern.

Figure 3: VISHAY MKP1847C510355K2 Power Film Capacitor, Metallized PP, Radial Box - 4 Pin, 1 µF, ± 10%, AC Filter, Through Hole.

Diese Kondensatoren sind so konzipiert, dass sie stabile Kapazitäts- und ESR-Werte über eine lange Lebensdauer unter rauen Umgebungsbedingungen während des Betriebs gewährleisten. Im Vergleich zu Geräten der vorherigen Generation bieten die AC-Filter-Kondensatoren der Baureihe MKP1847C eine höhere Feuchtigkeitsbeständigkeit bei geringeren Kosten und gleicher Stellfläche. Die Geräte zielen auf die Ein- und Ausgangsfilterung in USV-Systemen, Wechselrichter-Netzschnittstellen für erneuerbare Energien und Schweißgeräten ab.

Hochtemperatur-Hybrid-Aluminiumkondensatoren: Die neuen leitfähigen Polymer-Hybrid-Aluminiumkondensatoren der Baureihe EEH-ZU von Panasonic sollen in der Lage sein, bei hohen Temperaturen mit leitfähiger Polymerkondensatorleistung und Aluminium-Elektrolytkondensatorsicherheit in einem oberflächenmontierten Gehäuse arbeiten zu können.

Figure 4: PANASONIC EHZU1V471P Hybrid Aluminium Electrolytic Capacitor, 470 µF, ± 20%, 35 V, Radial Can - SMD, 0.009 ohm

Diese neuen Kondensatoren sind für eine Betriebstemperatur von 135 °C ausgelegt und verfügen über eine Lebensdauer von 4.000 Stunden. Diese Hybridkondensatoren sind für einen Spannungsbereich von 25 bis 63 V DC konzipiert, haben 100-560 Mikrofarad und sind auf Wunsch in vibrationsfesten Varianten erhältlich. Die Zulassung nach AEC-Q200 gewährleistet Qualität und Zuverlässigkeit. Diese Teile sind gut geeignet, wenn hohe Temperaturen und eine hohe Strombelastbarkeit von der Anwendung gefordert werden.

Gängige Geräte und Optionen

Kondensatoren, die derzeit im Einsatz sind, können in die folgenden fünf Arten eingeteilt werden:

• Keramikkondensatoren:
  1. Vielschicht-Keramikkondensatoren (MLCC): Hergestellt durch abwechselndes Stapeln keramischer dielektrischer und Metallelektrodenschichten, um eine hohe Kapazitätsdichte zu erreichen. Das ist der häufigste SMT-Kondensatortyp.
  2. Keramik-Scheibenkondensatoren: Bedrahtete Kondensatoren mit einer Kapazität von 1 pF bis 0,1 μF. Sie werden zur Hochfrequenzkopplung und Überbrückung eingesetzt.
  3. Keramische Leistungskondensatoren: Können große Ströme und Spannungen bis 10 kV verarbeiten. Sie werden für Stromversorgungsanwendungen und Snubber verwendet.
• Elektrolytkondensatoren
  1. Aluminium-Elektrolyt: ist die häufigste Art mit Gehäusen zur Durchsteck- und Oberflächenmontage.
  2. Tantal-Elektrolyt: Stabiler, zuverlässiger und teurer als Aluminium. Wird in platzkritischen Anwendungen eingesetzt.
  3. Niob-Elektrolyt : Ersatz für Tantal mit höherer Kapazitätsdichte.
  4. Leitfähiges Polymer-Aluminium: Stabiler und zuverlässiger als Standard-Aluminium-Elektrolyt.
• Superkondensatoren
• Folienkondensatoren
• Glimmerkondensatoren

Um die gesamte Palette der Kondensatoren zu erkunden, klicken Sie hier

INDUKTIVITÄTEN

Eine Induktivität, auch Spule, Drossel oder Reaktor genannt, ist ein passives elektrisches Bauelement mit zwei Anschlüssen, das Energie in einem Magnetfeld speichert, wenn elektrischer Strom dadurch fließt. Eine Induktivität besteht typischerweise aus einem isolierten Draht, der zu einer Spule gewickelt ist.

Revolution

Ein neuer Fortschritt in der Induktortechnologie, der jetzt an Bedeutung gewinnt, bezieht sich auf das planare Induktivitätsdesign. Dies liegt daran, dass planare Induktivitäten, die mit PCB-Technologie hergestellt werden können, eine hervorragende Leistung, eine hohe Effizienz und eine kompakte Größe bieten. Sie verwenden Wicklungen in flacher Bauweise mit geringem Leckstrom und AC-Wicklungswiderstand, wodurch Verluste minimiert werden.

Diese Induktivitäten können in verschiedenen Formen ausgeführt sein, wie zum Beispiel kreisförmig, rechteckig, quadratisch, sechseckig oder achteckig. Insbesondere die quadratischen Spiralinduktivitäten erfreuen sich für Anwendungen wie Wearables, Kommunikationssysteme und elektronische Geräte großer Beliebtheit.

Die Planartechnologie zielt darauf ab, die Nachteile herkömmlicher Hochfrequenzinduktivitäten auszugleichen. Sie ermöglicht eine flache Magnetik und eignet sich daher für moderne Leistungselektronik, welche mit höheren Frequenzen arbeitet.

Evolution

Leistungsinduktivitäten für Kfz-LED-Scheinwerfer: : Innovationen bei Induktivitäten werden auch bei Anwendungen mit höherer Leistung eingesetzt. Die Baureihe SPM-VT von TDK erfüllt die hohen Wärme- und Stromanforderungen der Kfz-LED-Scheinwerferumgebung.

Die Baureihe SPM-VT ist die neueste Ergänzung des TDK-Angebots an drahtgewickelten Leistungsinduktivitäten mit Metallkern. Um den anspruchsvollen Bedingungen in rauen Kfz-Umgebungen gerecht zu werden, verfügen diese Metallkern-Stromleiter über einen breiten Betriebstemperaturbereich von -55 °C bis +155 °C

Die Einheiten bieten einen niedrigen DC-Widerstand bei sehr geringer Größe im Vergleich zu Induktivitäten mit Ferritwicklung. Dies wird durch die DC-Überlagerungseigenschaften metallischer magnetischer Materialien ermöglicht.

Diese Induktivitäten zeichnen sich durch eine überlegene DC-Überlagerung in einer kompakten Größe aus. Laut TDK weisen die Mitglieder der Baureihe SPM-VT einen Nennstrom auf, der etwa zwei- bis dreimal höher ist als der von vergleichbaren Hochtemperaturprodukten.

Figure 5: TDK SPM12565VT-1R5M-D Power Inductor (SMD), 1.5 µH, 44.2 A, Shielded, 32.8 A, SPM-VT-D Series (Source)

Allgemeine Arten von Induktivitäten

Abgesehen von diesen neuesten Technologiebeispielen sind viele Arten von Induktivitäten weit verbreitet.

• Gekoppelte Induktivitäten
• Luftspule
• Induktivität mit laminiertem Kern
• Induktivität mit Ferritkern
• Induktivitäten mit Ringkern
• Spuleninduktivitäten
• Axialinduktivitäten
• Vielschicht-Chip-Induktivitäten
• Folieninduktivität

Um die gesamte Palette der Induktivitäten zu erkunden, klicken Sie hier

Die Zukunft

Die Zukunft der passiven Bauelemente liegt in ihrer kontinuierlichen Evolution, Anpassungsfähigkeit und Ausrichtung an den technologischen Fortschritten.

Der Wettlauf in Richtung Miniaturisierung geht weiter. Innovationen wie die winzigen Vielschicht-Keramikkondensatoren (MLCCs) von Murata Manufacturing, die nur 0,25 x 0,125 mm messen, zeigen, wie fortschrittliche Materialien und Techniken die Größe von passiven Bauelementen reduzieren und gleichzeitig die Leistung verbessern können.

Die Miniaturisierung wird durch die Integration unterstützt, da integrierte passive Geräte (IPDs) verschiedene passive Bauelemente (Widerstände, Kondensatoren und Induktivitäten) in einer einzigen Einheit konsolidieren. Neben der Reduzierung des physischen Fußabdrucks verbessert die Integration die Leistung, indem sie parasitäre Effekte minimiert und die Signalintegrität verbessert.

Eingebettete passive Bauelemente sind auch im Begriff, eine wichtige Innovation im elektronischen Design zu werden. Sie bieten Kosteneinsparungen und Platzeffizienz. Darüber hinaus ist es mit eingebetteten passiven Bauelementen möglich, Bypass-Kondensatoren näher an der idealen Position zu platzieren.

Die steigende Nachfrage in der zukünftigen Elektronik, Elektrifizierung und Digitalisierung treibt auch das Marktwachstum für hochgradig zuverlässige und kundenspezifische Induktivitäten, Widerstände und Kondensatoren für Anwendungen in anspruchsvollen Bereichen voran.

Farnell - Ihre erste Wahl für passive Bauelemente

Wir sind ein autorisierter Distributor von weltweit führenden Herstellern wie Vishay, AVX, Bourns, KEMET, YAGEO, Murata, Panasonic, KOA, TDK-Epcos, TE Connectivity, TT Electronics, Ohmite und mehr. Mit über 230.000 Produkten auf Lager bieten wir ein umfangreiches Sortiment an passiven Bauelementen wie Kondensatoren, EMV/HFI-Unterdrückung, Filtern, Induktivitäten, Potentiometern, Trimmern, Widerständen – alles an einem Ort, verfügbar für eine schnelle Lieferung in 24-48 Stunden.

Ihr Partner Nr. 1 für alle passiven Bauelemente. Entdecken Sie jetzt das Angebot!