Aluminium-Elektrolytkondensator

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Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit flüssigem Elektrolyten weisen eine große Vielfalt an Bauformen, Baugrößen und Baureihen auf.

Ein Aluminium-Elektrolytkondensator, auch „Elko“ genannt, ist ein Kondensator, dessen Anodenelektrode aus Aluminium besteht, auf dem durch anodische Oxidation, auch Formierung genannt, eine gleichmäßige, aber äußerst dünne elektrisch isolierende Aluminiumoxidschicht als Dielektrikum erzeugt wird. Ein flüssiger oder fester Elektrolyt, der sich der Oberflächenstruktur der Oxidschicht auf der aufgerauten Anode anpasst, bildet die Kathode des Kondensators. Eine zweite Aluminiumfolie kontaktiert den Elektrolyten und bildet die elektrische Verbindung zum negativen Anschluss. Das dünne Dielektrikum und die durch Ätzung sehr große Anodenoberfläche ergeben die größten Kapazitätswerte pro Bauvolumen im Vergleich zu den beiden anderen wichtigen Kondensatorfamilien, den Keramik- und den Kunststoff-Folienkondensatoren.

Aluminium-Elektrolytkondensatoren gliedern sich durch die Verwendung unterschiedlicher Elektrolytsysteme in zwei Unterfamilien, in

Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit flüssigem Elektrolyten, auch „nasse“ Elkos genannt, sind die preiswertesten Elkos und auch diejenigen mit den meisten Baugrößen, Kapazitäts- und Nennspannungswerten. Der flüssige Elektrolyt liefert den Sauerstoff für die Selbstheilung der Oxidschicht für niedrige Reststromwerte. Er kann jedoch durch temperaturabhängige Austrocknungsvorgänge verdunsten, wodurch Elkos altern, was jedoch durch Wahl einer Baureihe mit entsprechenden Lebensdauerspezifikation den jeweiligen Anforderungen angepasst werden kann.

Aluminium-Elektrolytkondensatoren, die dank ihrer hohen Kapazitätswerte auch bei kleineren Frequenzen wie der Netzfrequenz schon niedrige Impedanz­werte aufweisen, werden typischerweise in Netzteilen, Schaltnetzteilen und Gleichspannungswandlern zum Glätten und Sieben gleichgerichteter Spannungen eingesetzt. Sie puffern Versorgungsspannungen bei plötzlichen Lastspitzen in digitalen Schaltungen und bilden den Energiezwischenspeicher in Frequenzumrichtern.

Aluminium-Elektrolytkondensatoren sind gepolte Kondensatoren, die nur mit Gleichspannung betrieben werden dürfen. Falschpolung oder Wechselspannung aber auch Spannungen größer als die Nennspannung sowie Rippelstrom-Überlastung kann zu einem elektrischen Kurzschluss und zur Zerstörung der Kondensatoren führen. Sie können sogar explodieren.

Als Sonderform werden auch bipolare Aluminium-Elektrolytkondensatoren hergestellt. Sie bestehen aus zwei intern in Gegenpolung geschalteten Anoden. Bipolare Elektrolytkondensatoren können mit Wechselspannung betrieben werden.

Geschichte[Bearbeiten]

Grundprinzip der anodischen Oxidation, bei der durch Anlegen einer Stromquelle eine Oxidschicht auf einer metallischen Anode gebildet wird.
Flüssigkeitskondensator, Bell System Technik 1929

Das Phänomen, dass auf Aluminium in einem elektro-chemischen Verfahren eine Schicht erzeugen werden kann, die einen elektrischen Strom in nur einer Richtung hindurch lässt, in der anderen Richtung jedoch Strom sperrend wirkt, wurde 1875 von dem französischen Erfinder und Firmengründer Eugène Ducretet entdeckt. Er gab diesen Metallen, die sozusagen ein „elektrisches Ventil“ ergaben, den Beinamen „Ventilmetall“. Zu diesen Metallen gehören neben Aluminium unter anderen auch Tantal und Niob.

Da die einseitig sperrende Oxidschicht eine sehr hohe Spannungsfestigkeit schon bei sehr dünnen Schichtstärken aufweist, hatte Charles Pollack 1896 die Idee, diese Schicht als Dielektrikum eines gepolten Kondensators in einem Gleichstromkreis auszunutzen. Dieses Patent eines Elektrischen Flüssigkeitskondensators mit Aluminiumelektroden[1] wurde zur Grundlage aller späteren Elektrolytkondensatoren. Pollack entdeckte, dass aufgrund der geringen Dicke der elektrisch sperrenden Aluminiumoxidschicht auf der Anode eine sehr hohe Kapazität zwischen der Aluminium-Anode und der Elektrolytlösung als Kathode realisiert werden konnte und fand heraus, dass ein alkalischer oder neutraler Elektrolyt eine stabile Oxidschicht bildet, die auch nach dem Abschalten des Stromes chemisch stabil blieb.

Die Bauweise der ersten Elektrolytkondensatoren war ein metallischer Becher, der sowohl als Kathode als auch als Behälter des flüssigen Elektrolyten diente. In diesen Becher wurde die Anode als gefaltetes Aluminiumblech hineingehängt und mit dem Elektrolyten, der damals üblicherweise ein wasserhaltiger Natrium-Borat (Borax) Elektrolyt war, gefüllt. Die damit erreichbare Kapazität war deutlich größer und preiswerter herzustellen als bei anderen vergleichbaren technischen Kondensatoren der damaligen Zeit.

Historische Anodenformen zur Erhöhung der kapazitiv wirksamen Anodenfläche aus den 1920er Jahren, bevor die Wickeltechnik erfunden wurde. Für alle Versionen war der Becher der Anschluss zur Kathode

Die ersten kommerziell genutzten Aluminium-Elektrolytkondensatoren wurden schon im Jahre 1892 als Motor-Start-Kondensatoren zum Starten von Einphasen-Wechselstrom-Motoren genutzt.[2] Anfang des 20ten Jahrhunderts wurden Elektrolytkondensatoren dann in größeren Stückzahlen in großen Telefonanlagen eingesetzt, um die Störgeräusche der Relais und die Brummgeräusche des Stromgenerators auf der 48-Volt-Gleichstromleitung zu reduzieren. Mit der Entwicklung des Rundfunks in den späten 1920er Jahren entstand ein Bedarf für größere Kapazitätswerte mit 250 bis 500 Volt Spannungsfestigkeit für die Röhrentechnik,[3] der zur Entwicklung von Elektrolytkondensatoren mit Mehrfach-Kapazitäten in einem Gehäuse führte.

Ein “trockener” Elektrolytkondensator mit 100 µF und 150 V

Mit der Erfindung des „trockenen“ Aluminium-Elektrolytkondensators durch Samuel Ruben im Jahre 1925[4][5] änderte sich die Bauweise der damaligen Elektrolytkondensatoren mit dem umhüllenden Becher als Kathode. Ruben übernahm von den Glimmerkondensatoren die Technik der geschichteten Bauweise, beschichtete die formierte Anode mit einem wasserfreien (trockenen) Elektrolyten und führte eine zweite Aluminiumfolie, die er mit einem eigenen Anschluss ausstattete, zur Kontaktierung des Elektrolyten ein. Der umhüllende Becher hatte damit keine elektrische Funktion mehr. Damit und mit der kurz danach erfolgten Erfindung der gewickelten Folien mit Papier-Zwischenlage wurde das Bauvolumen der Kondensatoren erheblich kleiner und preiswerter, was dazu beitrug, dass die neuen Rundfunkgeräte erschwinglich wurden. Mit dieser neuen Konstruktion des „trockenen“ Elektrolytkondensators begann die eigentliche Entwicklung der „Elkos“.[2]

Kurz danach, 1931, begann bei CDE Cornell-Dubilier in South Plainfield, NJ, USA, die erste industrielle Serienfertigung von Aluminium-Elektrolytkondensatoren. Hier wurden bis 1938 die ersten Anodenfolien mit aufgerauter Oberflächenstruktur verarbeitet Dieses erfolgte zunächst mechanisch mit Bürsten oder Sandstrahlen, später wurden sie durch elektro-chemische Ätzverfahren aufgeraut.[2][6] Die Aufrauhung der Anodenoberfläche bewirkte, dass bei gleicher Folienlänge ein höherer Kapazitätswert erreicht wurde. Sie erfolgte zunächst mechanisch mit Bürsten oder Sandstrahlen. Später wurden die Anodenfolien durch immer wieder verbesserte elektro-chemische Ätzverfahren aufgeraut, wobei heute (2013) bei Niedervoltfolien eine über 140fache Oberflächenvergrößerung gegenüber einer glatten Oberfläche erreicht werden kann.[7][8] Dies ist der Grund für die fortwährenden Abmessungsverkleinerungen bei den Aluminium-Elektrolytkondensatoren.

Miniaturisierung bei Aluminium-Elektrolytkondensatoren durch höhere Aufrauhung der Anodenfolie

Die Zeit nach dem Zweiten Weltkrieg ist verbunden mit einer rasanten Entwicklung in der Rundfunk- und Fernsehtechnik, die großen Einfluss auf die Produktionskapazität der Elektrolytkondensatoren hatte. Weltweit wurden viele neue Firmen gegründet. In Hinsicht auf die Qualität von Al-Elektrolytkondensatoren mit flüssigem Elektrolyten war einerseits das Ätzen der Anodenfolien ein kritischer Vorgang, weil dabei u. a. Chemikalien verwendet wurden, die Chlor[2] enthielten. Andererseits waren die damals verwendeten Borax-Elektrolyte wasserhaltig. Auf den Anodenfolien fanden dadurch Korrosionserscheinungen statt, die die Reststromprobleme der Elkos der frühen 1950er Jahre verursachten. Daraus resultierten Nachformier-Vorschriften, die zur Selbstheilung der Kondensatoren vorgeschlagen wurden. Diese Vorschriften halten sich unsinnigerweise in der Öffentlichkeit hartnäckig bis zum heutigen Tag. Denn Anfang der 1960er Jahre wurde das Chlorproblem erkannt und abgestellt und mit der Entwicklung wasserfreier Elektrolytsysteme in den 1970er Jahren konnten Al-Elkos mit flüssigem Elektrolyten ohne Reststromprobleme hergestellt werden.

Die Entwicklung von Tantal-Elektrolytkondensatoren Anfang 1950 mit einem festen Elektrolyten aus Mangandioxid (Braunstein)[9][10] beeinflusste auch die Entwicklung neuer Aluminium-Elkos. Dieser erste „feste“ Elektrolyt hatte eine 10fach bessere Leitfähigkeit als flüssige Elektrolyte. 1964 kamen, entwickelt von Philips, die ersten Al-Elkos mit festem Elektrolyten (SAL-Elektrolytkondensatoren) auf den Markt.[11]

Die Jahrzehnte von 1970 bis 1990 waren geprägt durch die Entwicklung einer Vielzahl neuer professionelle Al-Elko-Baureihen mit sehr geringen Restströmen oder mit Langlebensdauereigenschaften oder für höhere Temperaturbereiche bis 125 °C, die gezielt für bestimmte industrielle Anwendungen geeignet waren.[12] Die große Baureihenvielfalt bei den Al-Elkos mit flüssigem Elektrolyten ist heute (2013) ein Kennzeichen für die Anpassungsfähigkeit der Kondensatoren an die unterschiedlichsten Anforderungen.

Leitfähigkeitswerte einiger Elektrolytsysteme

Ein flüssiger Elektrolyt ist immer verbunden mit einem relativ hohen ESR. Eine Verringerung des ESR konnte erst mit neuartigen festen Elektrolytsystemen erreicht werden. Dies erfolgte 1983 durch Sanyo mit seinen „OS-CON“ genannten Aluminium-Elektrolytkondensatoren. Diese Kondensatoren verwendeten einen organischen Leiter, das Ladungs-Transfer-Salz TTF-TCNQ, (Tetracyanochinodimethan), der eine Verbesserung der Leitfähigkeit um den Faktor 10 gegenüber dem Braunstein-Elektrolyten bot.

Die ESR-Werte der TCNQ-Elektrolytkondensatoren wurden noch deutlich verringert durch die Entdeckung leitfähiger Polymere durch Alan J. Heeger, Alan MacDiarmid und Hideki Shirakawa. Die Leitfähigkeit leitfähige Polymere wie Polypyrrol[13] oder PEDOT[14] ist um den Faktor 100 bis 500 besser als von TCNQ und reichen nahe an die Leitfähigkeit von Metallen heran. 1991 kam Panasonic mit seinen „SP-Cap“[15] genannten Polymer-Aluminium-Elektrolytkondensatoren auf den Markt. Diese Elektrolytkondensatoren mit Polymer-Elektrolyten erreichten so geringe ESR-Werte, dass sie einen direkten Wettbewerb zu Keramik-Multilayer-Schichtkondensatoren (MLCC) boten. In der quaderförmigen SMD-Bauform wurden sie schon kurze Zeit später in Geräten mit flacher Bauweise wie Laptops und Handys eingesetzt.

Der Preisdruck im Massengeschäft mit digitalen Geräten, insbesondere mit PCs, hat bei der bislang letzten Entwicklung neuer Al-Elkos eine große Rolle gespielt. Mit dem Ziel der Kostensenkung wurden ab Mitte der 1980er Jahre in Japan neue Elektrolyte auf Wasserbasis entwickelt. Wasser ist preiswert, ist ein wirkungsvolles Lösungsmittel für Elektrolyte und verbessert die Leitfähigkeit des Elektrolyten deutlich. Aber Wasser reagiert mit ungeschütztem Aluminium recht heftig und hat eine wassergetriebene Korrosion zur Folge, die zur Zerstörung des Elkos führen kann. Deshalb war das Hauptproblem bei der Entwicklung des neuen wasserhaltigen Elektrolyten die Aggressivität des Wassers gegenüber Aluminium mit Zusatzstoffen in den Griff zu bekommen, damit die Kondensatoren auch eine hinreichend gute Langzeitstabilität besitzen.[16][17] 1998 brachte der japanische Hersteller Rubycon[18] mit der „Z-Serie“[19] die ersten Kondensatoren auf den Markt, die mit einem Elektrolyten mit einem Wassergehalt von etwa 40 % arbeiteten. Andere Hersteller folgten kurze Zeit später. Die neuen Serien wurden als englisch „Low ESR-“, „Low-Impedance-“, „Ultra-Low-Impedance-“ oder „High-Ripple Current-Elkos“ angepriesen und setzten sich im Massengeschäft schnell durch. Eine gestohlene Rezeptur eines solchen wasserhaltigen Elektrolyten, bei der allerdings wichtige stabilisierende Stoffe fehlten, führte in den Jahren 2000 bis 2005 zu dem Problem der massenweise platzenden Elkos in PCs und Netzteilen, was unter dem Begriff „Capacitor Plague“ bekannt wurde.

Prinzipieller Aufbau[Bearbeiten]

Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit flüssigem Elektrolyten bestehen grundsätzlich aus zwei gewickelten Aluminiumfolien, die mit Papierstreifen mechanisch voneinander getrennt werden. Eine der beiden Aluminiumfolie ist die Anode, sie ist geätzt (aufgeraut) zur Vergrößerung der Oberfläche und oxidiert (formiert), die zweite Aluminiumfolie dient als Stromzuführung zum Elektrolyten. Die elektrisch isolierende Oxidschicht auf der Anodenoberfläche ist das Dielektrikum des Elkos. Der Wickel wird mit dem Elektrolyten getränkt, in einen Becher eingebaut und der Becher mit einer Dichtung verschlossen.

Dieser Aufbau eines Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit flüssigem Elektrolyten bildet einen „Plattenkondensator“, dessen Kapazität umso größer ist, je größer die Elektrodenfläche A und die Permittivität ε ist und je dichter die Elektroden zueinander stehen (d).

C = \varepsilon_0\varepsilon_\mathrm{r} \cdot \frac{A}{d}

Die Oberfläche der Anodenfolie aus hochreinem Aluminium wird in einem elektro-chemischen Prozess aufgeraut. Dadurch wird sie bis zu etwa Faktor 140 größer als die glatte Oberfläche. Nach dem Aufrauen wird die geätzte Anodenoberfläche „anodisch oxidiert“ bzw. „formiert“. Dabei wird durch Anlegen einer Stromquelle in richtiger Polarität in einem Elektrolytbad eine elektrisch isolierende Aluminiumoxidschicht Al2O3 auf der Anodenoberfläche gebildet. Diese Oxidschicht ist das Dielektrikum des Elektrolytkondensators. Die Spannungsfestigkeit dieser Oxidschicht ist mit etwa 700 V/µm sehr hoch. Da durch die Formierung gezielt jede gewünschte Spannungsfestigkeit erreicht werden kann, variiert die Dicke der Oxidschicht mit der Nennspannung des späteren Kondensators. Ein 10-V-Elko besitzt deshalb ein Dielektrikum mit der Schichtdicke von nur etwa 0,014 µm.

Die sehr große Oberfläche der Anode und die äußerst dünne Oxidschicht des Dielektrikums ergeben zusammen über die Formel des Plattenkondensators die relativ hohe spezifische Kapazität der Elektrolytkondensatoren gegenüber anderen Kondensatorfamilien.

Konstruktionsbedingt hat der Aluminium-Elektrolytkondensator zur Kontaktierung des Elektrolyten aber auch noch eine sog. Kathodenfolie. Dieser Aufbau eines Aluminium-Elektrolytkondensators hat eine Besonderheit zur Folge. Die Kathodenfolie ist mit einer natürlich entstandenen isolierenden Luftoxidschicht bedeckt. Dadurch besteht die Konstruktion des Elkos aus zwei in Serie geschalteten Einzelkondensatoren mit der der Anodenkapazität CA und der Kathodenkapazität CK. Die Gesamtkapazität des Kondensators CElko ergibt sich damit aus der Formel der Reihenschaltung zweier Kondensatoren:

C_\text{Elko} = \frac{C_A \cdot C_K}{C_A+C_K}

Daraus ergibt sich, dass die Gesamtkapazität des Kondensators CElko im Wesentlichen durch die Anodenkapazität CA bestimmt wird, wenn die Kathodenkapazität CK sehr groß gegenüber der Anodenkapazität CA ist. Diese Bedingung ist erfüllt, wenn die Kathodenkapazität etwa um den Faktor 10 größer ist als die Anodenkapazität.[20]

Bauarten[Bearbeiten]

Aluminium-Elektrolytkondensatoren gliedern sich durch die Verwendung von entweder flüssigen oder festen Elektrolytsystemen in zwei Unterbauarten, deren Elektrolytsysteme jeweils mit anderen Materialien aufgebaut sind und die weitere Unterfamilien enthalten.

Beschreibung der Unterteile:
1) Anode (Aluminium), 2) Aluminiumoxid (Dielektrikum), 3) Kathodenfolie, 4) Luftoxidschicht auf der Kathodenfolie, 5) flüssiger Elektrolyt, 6) mit dem jeweiligen Elektrolyten durchtränkter Abstandshalter (Separator), 7) Leitfähiges Polymer, 8) Braunstein (MnO2), 9) Graphitschicht und 10) Silberschicht zur Kontaktierung des Kathodenanschlusses

Die folgende Tabelle zeigt eine Übersicht über die wichtigsten Kennwerte der unterschiedlichen Bauarten von Aluminium-Elektrolytkondensatoren.

Vergleich der Kennwerte der unterschiedlichen Aluminium-Elko-Bauarten
Bauart / Elektrolyt Kapazitätsbereich
in µF
Nenn-
Spannungs-
bereich
in V
Typ.
ESR 1)
100 kHz, 20 °C
in mΩ
Typ.
Rippelstrom 1)
100 kHz,105 °C
in mA
Reststrom
nach 2 Min.
an 10 V
in µA
Al-Elko
flüssiger Elektrolyt
Borax oder organisch
0,1…2.700.000[21] 4…630[22] 800 130 <10
Al-Elko
flüssiger wasserhaltiger
Elektrolyt
1…18.000 4…100 360 240 10
Al-Elko
fester
Braunstein-Elektrolyt
0,1…1500 6,3…40[23] 400 620 12
Al-Elko
fester
Polymer-Elektrolyt
2,2…2700 2…125[24] 25 2500 240
Al-Elko
fester Polymer plus
flüssiger Elektrolyt
(Hybrid-Elektrolyt)
6,8…1000 6,3…125[25] 40 1500 100

1) Werte für einen typischen 100 µF/10…16 V-Kondensator

Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit flüssigem Elektrolyten sind die bekanntesten unter den Bauarten der Elektrolytkondensatoren. Auf fast allen Platinen elektronischer Geräte sind diese „nassen Elkos“ zu finden. Al-Elkos mit flüssigen Elektrolyten auf Borax-Basis oder auf Basis organischer Lösungsmittel bilden den großen Anteil an Standard- und professionellen Baureihen im gesamten Spannungsbereich. Al-Elkos mit wasserhaltigen Elektrolyten sind vielfach in digitalen Geräten für die Massenproduktion zu finden.

Die Al-Elko-Bauart mit festem Braunstein-Elektrolyt hat in der Vergangenheit als „Tantal-Ersatz“ gedient. Al-Elkos mit festem leitfähigem Polymer gewinnen eine immer größere Bedeutung, insbesondere in Geräten mit flachem Design wie Tablet-PCs oder Flachbildschirme. Elkos mit Hybrid-Elektrolyten sind relativ neu auf dem Markt. Sie kombinieren mit ihrem Hybrid-Elektrolytsystem die bessere Leitfähigkeit des Polymers mit der Eigenschaft flüssiger Elektrolyte zur Selbstheilung der Oxidschicht, wodurch die Kondensatoren sowohl niedrige ESR-Werte als auch kleine Restströme aufweisen.

Im vorliegenden Artikel werden die „Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit flüssigem Elektrolyten“ beschrieben.

Unterteile[Bearbeiten]

Anodenfolie, Formierung, Struktur des Dielektrikums[Bearbeiten]

Blick auf die Oberfläche einer aufgerauten Anodenfolie
Die Ätzstrukturen einer geätzten 10 V-Niedervolt- und einer 400 V-Hochvolt-Anodenfolie zeigen völlig unterschiedliche Ätzstrukturen
Ultra-Dünnschliff einer geätzten Pore in einer 10 V Niedervolt-Anodenfolie, Vergrößerung 100,000fach. Hellgrau: Aluminium, dunkelgrau: amorphes Aluminiumoxid, Hell: Pore, in der sich später der Elektrolyt befindet

Grundmaterial der Anode für Aluminium-Elektrolytkondensatoren ist eine Folie mit der Dicke von 20 ~ 100 μm aus hochreinem Aluminium mit einem Reinheitsgrad von mindestens 99,9 %.[8][26] Diese wird in einem elektro-chemischen Prozess geätzt (aufgeraut), um die wirksame Elektrodenoberfläche zu vergrößern.[27] Durch die Ätzung kann die Oberfläche der Anode, abhängig von der späteren Spannungsfestigkeit, um bis etwa Faktor 140 gegenüber einer glatten Oberfläche vergrößert werden.[7]

Nach dem Ätzen wird die Aluminium-Anode „anodisch oxidiert“ bzw. „formiert“. Dabei wird durch Anlegen einer Stromquelle in richtiger Polarität in einem Elektrolytbad auf der Aluminium-Oberfläche eine elektrisch isolierende Oxidschicht Al2O3 gebildet, das Dielektrikum des Kondensators.

Der Vorgang der Formierung erfolgt in zwei Reaktionsschritten. Zunächst wird in einer stark exothermen Reaktion Aluminium (Al) in sein Hydroxid Al(OH)3 umgewandelt:

2 Al + 6 H2O → 2 Al(OH)3 + 3 H2

Diese Reaktion wird beschleunigt durch ein hohes elektrisches Feld und durch hohe Temperaturen, wobei Wasserstoffgas freigesetzt wird. Das gelartige Aluminiumorthohydroxid Al(OH)3, auch Aluminiumhydroxid, Aluminiumhydrat oder Aluminiumtrihydrat (ATH) genannt, wandelt sich im zweiten Reaktionsschritt nach einiger Zeit in die kristalline Form des Aluminiumoxids Al2O3 um:

2 Al(OH)3 → 2 AlO(OH) + 2 H2O → Al2O3 + 3 H2O

Allerdings ist normalerweise die so erzeugte Schicht aus Aluminiumoxid nicht homogen. Eine anodisch erzeugte Schicht ohne zusätzliche Strukturierung bildet ein kompliziertes Mehrschichtgebilde aus amorphen, kristallinem und porös kristallinem Aluminiumoxid auf der meist auch noch ein Rest nicht umgeformten Aluminiumhydroxids liegt. Aus diesem Grunde wird bei der Formierung der Anodenfolie durch eine spezielle chemische Behandlung die Oxidschicht so strukturiert, dass entweder ein amorphes Oxid oder ein kristallines Oxid gebildet wird. Das amorphe Oxid besitzt eine größere mechanische Stabilität und mit geringeren Fehlstellen, wodurch ein geringerer Reststrom entsteht. Es hat einen Isolationswiderstand mit einer Spannungsfestigkeit von ~1,4 nm/V. Das kristalline Oxid besitzt eine höhere Spannungsfestigkeit von nur ~1,0 nm/V, wodurch eine Anodenfolie mit kristallinem Oxid bei gleicher Oberfläche eine um etwa 40 % höhere Kapazität aufweist.[28] Nachteil des kristallinen Oxids ist jedoch seine geringere mechanische Belastbarkeit, wodurch z. B. nach dem Wickeln eine größere Nachformierung notwendig wird.

Die unterschiedlichen Eigenschaften der Oxidstrukturen haben Einfluss auf die späteren Eigenschaften der Elektrolytkondensatoren. Anodenfolien mit amorphen Oxid werden überwiegend für Elkos mit stabilen Lang-Lebensdauereigenschaften, für Kondensatoren mit niedrigen Reststromwerten und für Nennspannungen bis etwa 100 V verwendet. Kondensatoren mit höheren Spannungen, beispielsweise Blitzlichtelkos[29], enthalten meist Anodenfolien mit kristallinem Oxid.

Die Schichtdicke des bei der Formierung gebildeten Aluminiumoxids ist proportional zur Formierspannung

Die Formierung, d. h. das Erzeugen einer gleichmäßig dicken und vollständigen Überdeckung der Anode mit Aluminiumoxid unabhängig von der Struktur des Oxids erfolgt mit einer Formierspannung, die oberhalb der Nennspannung liegt. Üblicherweise liegt bei Aluminium-Elkos mit flüssigem Elektrolyten das Verhältnis aus Formierspannung zu Nennspannung im Bereich 1,25 (≤100 V) bis 1,60 (>100 V). Bei Elkos mit festem Elektrolyten liegt das Verhältnis deutlich höher. Die Schichtdicke des durch Formierung gebildeten Oxids ist proportional zur Formierspannung, damit ist die Spannungsfestigkeit des Kondensators gegenüber der Nennspannung mit einem Sicherheitsbereich gewährleistet.

Die Spannungsfestigkeit dieser Oxidschicht mit amorpher Struktur ist mit etwa 700 V/µm sehr hoch. Da durch die Formierung gezielt bis 630 V[22] jede gewünschte Spannungsfestigkeit bei gegebener Struktur erreicht werden kann, variiert die Dicke der Oxidschicht mit der Formierspannung bzw. Nennspannung des späteren Kondensators. Ein 10-V-Elko besitzt ein Dielektrikum bei amorpher Struktur mit der Schichtdicke von nur etwa 0,014 µm, ein 100-V-Elko von nur etwa 0,14 µm. Dadurch beeinflusst die Spannungsfestigkeit auch die Baugröße des Kondensators.

Die Spannungsfestigkeit der Oxidschicht erreicht jedoch nur dann den hohen Wert von 700 V/µm mit einem entsprechen geringen Reststrom, wenn sie als Anode geschaltet ist. Bei umgekehrter, falscher Polarität fließt ein sehr viel größerer Strom. Offenbar setzt die Oxidschicht auf der Elektrode, wenn sie als Anode geschaltet ist, dem Strom einen deutlich größeren Widerstand entgegen, als bei umgekehrter Stromrichtung. Diese Ventilwirkung ist durch ein reines physikalisches Verhalten nicht erklärbar, denn eigentlich müsste Aluminiumoxid als guter elektrischer Isolator unabhängig von der Stromrichtung sein. Die Erklärung für dieses Ventilverhalten kann nur durch die spezielle Mikrostruktur der Aluminium-Oxidschicht gegeben werden. Über Mikrorisse im Grenzbereich zwischen Oxidschicht und Elektrolyt erfolgt bei Falschpolung recht schnell eine Auflösung des Oxids. Damit verbunden wird das Dielektrikum geschwächt und es beginnt ein großer Strom zu fließen. Die damit verbundene Wärmeentwicklung beschleunigt die Oxidauflösung, sie verbreitet sich lawinenartig und schwächt die Oxidschicht. Es kommt letztendlich zu einem Kurzschluss.

Anodenfolien werden als sogenannte „Mutterrollen“ von etwa 50 cm oder etwa 1 m Breite gefertigt. Sie sind für die gewünschte Spannungsfestigkeit in der gewünschten Oxidstruktur vorformiert. Erst bei der Elko-Fertigung werden aus der Mutterrolle die Breiten und Längen, wie sie für einen Kondensator erforderlich sind, herausgeschnitten.[30]

Kathodenfolie[Bearbeiten]

Anoden- und Kathodenfolien werden als sog. Mutterrollen gefertigt und vorformiert geliefert, erst zur Fertigung der Kondensatoren werden sie auf die gewünschte Breite zugeschnitten

Die zweite Aluminiumfolie im Elektrolytkondensator, die üblicherweise Kathodenfolie genannt wird obwohl sie funktionell nur die elektrische Verbindung zum Elektrolyten, der eigentlichen Kathode bildet, besitzt einen etwas geringeren Reinheitsgrad, der etwa 99,8% beträgt. Diese Folie ist von Haus aus mit einer äußerst dünnen Oxidschicht versehen, die aus der Berührung von Aluminium mit der Luft auf natürliche Weise immer entsteht. Um den Übergangswiderstand zum Elektrolyten zu verringern und um Oxidbildung bei Entladevorgängen zu erschweren, ist die Kathodenfolie mit Metallen wie Kupfer, Silizium oder Titan legiert.

Die Kathodenfolie ist zur Vergrößerung der Oberfläche ebenfalls wie die Anodenfolie geätzt. Ihre spezifische Kapazität ist allerdings wegen der äußerst dünnen Oxidschicht, die etwa einer Spannungsfestigkeit von 1,5 V entspricht, deutlich größer als die von Anodenfolien.[8] Zur Begründung der Notwendigkeit für eine große Oberflächenkapazität der Kathodenfolie siehe Abschnitt #Schaltfestigkeit.

Auch die Kathodenfolien werden als sogenannte „Mutterrollen“ in derselben Breite wie die Anodenfolien gefertigt und werden erst bei der Elko-Fertigung auf die vom Kondensator erforderliche Breite geschnitten.

Elektrolyt[Bearbeiten]

Seinen Namen hat der Elektrolytkondensator vom Elektrolyten, der leitfähigen Flüssigkeit im Kondensator. Als Flüssigkeit kann sie sich der porigen Struktur der Anode mit dem aufgewachsenen Oxid formgleich anpassen und eine „passgenaue“ Kathode bilden.

Ein Elektrolyt besteht immer aus einem Gemisch von Lösungsmitteln und Zusatzstoffen zur Erfüllung der gegebenen Anforderungen. Die wichtigste elektrische Eigenschaft des Elektrolyten ist seine elektrische Leitfähigkeit, die bei Flüssigkeiten physikalisch eine Ionen-Leitfähigkeit ist.

An die Betriebselektrolyte werden neben der guten Leitfähigkeit vielfältige Anforderungen gestellt, unter anderem, chemische Stabilität, hoher Flammpunkt, chemische Verträglichkeit mit Aluminium, geringe Viskosität, Umweltverträglichkeit sowie geringe Kosten. Er soll auch noch Sauerstoff-Lieferant für Formierprozesse und Selbstheilung liefern und das alles in einem möglichst großen Temperaturbereich.

Diese Vielfalt der Anforderungen an den flüssigen Elektrolyten hat eine Vielzahl von herstellerspezifischen Lösungen zur Folge.[31][32] Daraus lassen sich grob zusammenfassend drei Gruppen bilden:

  • Stark wasserhaltige Elektrolyte mit bis zu 70 % Wasser für sog. englisch low-impedance-, low-ESR- oder high-ripple-current-Elkos mit Nennspannungswerten bis 100 V[33] für preiswerte Massenanwendungen. Die Aggressivität des Wassers gegen Aluminium muss mit geeigneten Zusätzen unterbunden werden.[16]
  • Elektrolyte auf Basis von Ethylenglycol und Borsäure. Bei diesen sogenannten Glycol- oder Borax-Elektrolyten tritt eine ungewollte chemische Kristallwasser-Reaktion nach dem Schema: Aus „Säure + Alkohol“ wird „Ester + Wasser“ auf. Diese seit langem benutzten Standard-Elektrolyte enthalten einen Wassergehalt zwischen 5 und etwa 20 % und werden für 85 °C- bis maximal 105 °C-Elkos im gesamten Nennspannungsbereich eingesetzt. Auch bei diesen Elkos muss die Aggressivität des Wassers durch geeignete Maßnahmen unterbunden werden.[17]
  • Nahezu wasserfreie Elektrolyte auf Basis organischer Lösungsmittel, beispielsweise N,N-Dimethylformamid (DMF), N,N-Dimethylacetamid (DMA) oder γ-Butyrolacton (GBL). Diese Elkos mit organischen Lösungsmittelelektrolyten sind geeignet für Temperaturbereiche von 105 °C oder 125 °C im gesamten Nennspannungsbereich, haben stabile, niedrige Reststronwerte und weisen ein sehr gutes Langzeitverhalten der Kondensatoren auf.

Da die Elektrolytmenge bei der Verwendung flüssiger Elektrolyte durch den Vorgang der Selbstheilung und durch Diffusionsvorgänge durch die Abdichtung während der Betriebszeit der Kondensatoren ständig abnimmt und damit die elektrischen Parameter der Kondensatoren negativ beeinflusst werden, ist die Brauchbarkeitsdauer (siehe Abschnitt #Ausfallrate und Lebensdauer) von „nassen Elkos“ begrenzt.

Kondensatorpapier (Separator)[Bearbeiten]

Anodenfolie und Kathodenfolie müssen vor direktem Kontakt gegeneinander geschützt werden, weil eine solche Berührung schon bei relativ kleinen Spannungen zu einem Kurzschluss führt. Das erfolgt über einen Abstandshalter bzw. einem Separator aus einem speziellen, sehr saugfähigen Papier. Dieses Papier dient außerdem noch als Reservoir für den Elektrolyten, damit auch nach längerer Betriebszeit noch genügend vorhanden ist um den Sauerstoff liefern zu können, der für die Selbstheilung der Oxidschicht benötigt wird.

Die Dicke des Kondensatorpapiers liegt bei Elkos bis 100 V zwischen 30 bis 75 µm.[20]. Für höhere Spannungen werden mehrere Lagen Papier (Duplexpapier) verwendet um die Durchschlagsfestigkeit zu erhöhen.

Gehäuse[Bearbeiten]

Blick auf drei unterschiedliche eingeprägte Sollbruchstellen (Ventile) im Becherboden von radialen Elektrolytkondensatoren

Das Gehäuse von Aluminium-Elektrolytkondensatoren besteht ebenfalls aus Aluminium, um galvanische Reaktionen zu vermeiden. Es ist bei radialen (stehenden) Elkos über den Elektrolyten mit einem nicht definierten Widerstand mit der Kathode (Masse) verbunden. Bei axialen (liegenden) Elkos ist jedoch konstruktionsbedingt das Gehäuse direkt mit der Kathode verbunden.

Bei einem Fehlverhalten oder bei Überlastung eines Elektrolytkondensators kann im Inneren des Bechers erheblicher Gasdruck entstehen. Der Becher kann dadurch bersten, explodieren oder wegfliegen. Um die vom Bersten des Gehäuses ausgehende Gefahr zu begrenzen, müssen Al-Elkos mit flüssigem Elektrolyten ab einer bestimmten Größe ein Ventil aufweisen. Das können Kerben im Deckel oder in der Seitenwand des Gehäuses sein oder auch wieder verschließbare Ventile, wie zum Beispiel bei Schraubanschluss-Elkos. Die Kerben im Gehäuse sind eine Sollbruchstelle, die sich bei Überdruck im Kondensator öffnen und für ein gezieltes Abblasen des Überdruckes sorgen.

Abdichtung[Bearbeiten]

Die Abdichtmaterialien von Aluminium-Elektrolytkondensatoren unterscheiden sich bei den unterschiedlichen Bauformen. Bei größeren Schraubanschlusselkos und den sog. „Snap-in-Elkos“ besteht die Abdichtscheibe aus einem Plastikmaterial. Axiale Elkos besitzen meist eine Abdichtscheibe aus Phenolharz, die mit einer Gummischicht lamelliert ist. Radiale Elkos verwenden einen Gummistopfen mit sehr dichter Struktur. Alle Abdichtmaterialien müssen gegen die chemischen Bestandteile des Elektrolyten inert sein und dürfen keine löslichen Verbindungen enthalten, die zu einer Verunreinigung des Elektrolyten führen könnten.

Herstellung[Bearbeiten]

Fertigungsprozess von Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit flüssigem Elektrolyten

Die aufgeraute und vorformierte Anodenfolie, die Kathodenfolie und das Kondensatorpapier werden zunächst aus den jeweiligen Mutterrollen auf die erforderliche Breite geschnitten.[27][26] Die Folien werden einem Wickelautomaten zugeführt, der in einem Arbeitsgang daraus einen Wickel aus Anodenfolie/Papier/Kathodenfolie/Papier und den angeschweißten Kontakten herstellt.

Der Wickel des Kondensators mit den herausgeführten Anschlüssen wird im nachfolgenden Produktionsschritt unter Vakuum mit dem Elektrolyten getränkt (imprägniert). Der imprägnierte Wickel wird in einen Aluminium-Becher eingebaut, mit einer Abdichtsichtscheibe versehen und mechanisch durch Bördeln fest verschlossen. Anschließend wird der Kondensator zur Isolierung mit einer Schrumpfschlauchfolie versehen und durch Nachformierung von Fehlstellen im Dielektrikum befreit (ausgeheilt).

Nach der Nachformierung erfolgt eine 100-%-Endmessung der Kondensatoren auf Kapazität, Reststrom und Impedanz. Danach können die „Elkos“ zur Auslieferung kommen.

Bauformen[Bearbeiten]

Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit flüssigem Elektrolyten weisen mehrere unterschiedliche Bauformen auf, resultierend aus den Anforderungen der Anwender nach einer bestimmten Montagemöglichkeit und aus den elektrischen Randbedingungen, die aus den Schaltungsanforderungen herrühren.

  • SMD-Bauform für die Oberflächenmontage auf Leiterplatten oder Substraten
  • Bauform mit axialen Drahtanschlüssen für eine liegende Einbauweise auf Leiterplatten
  • Bauform mit radialen (einseitig herausgeführten) Draht- oder Stiftanschlüssen (Snap-in) für eine stehende Einbauweise auf Leiterplatten
  • Bauform mit Schraubanschlüssen für hohe Strombelastbarkeit
Bauformen von Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit flüssigem Elektrolyten

Elektrische Kennwerte[Bearbeiten]

Serien-Ersatzschaltbild eines Elektrolytkondensators

Die allgemeinen elektrischen Kennwerte von Kondensatoren werden in der technischen Anwendung im internationalen Bereich harmonisiert durch die Rahmenspezifikation IEC 60384-1, die in Deutschland als DIN EN 60384-1 im Februar 2002 erschienen ist. Sie werden durch ein idealisiertes Serien-Ersatzschaltbild beschrieben. Hierin sind:

  • C die ideale Kapazität des Kondensators,
  • Rleakage der Widerstand, der den Reststrom repräsentiert,
  • RESR für die ohmschen Verluste und die
  • LESL, die Induktivität des Bauelementes.

Die ohmschen Verluste werden allgemein nur „ESR“ (englisch equivalent series resistance , deutsch: Ersatz-Serienwiderstand) und die Induktivität „ESL“ (englisch equivalent series inductivity L , deutsch: Ersatz-Serieninduktivität L) genannt.

Kapazität und Kapazitätstoleranz[Bearbeiten]

Typischer Kapazitätsverlauf in Abhängigkeit von der Temperatur

Die in den Datenblättern der Hersteller angegebene Kapazität, der Nenn-Kapazitätswert CN bzw. CR (Rated capacitance), wird mit einer Wechselspannung von 0,5 V und der Frequenz von 100/120 Hz bei Raumtemperatur 20 °C gemessen. Die übliche Einheit der Kapazität für Aluminium-Elektrolytkondensatoren ist "µF". Mit dieser Messfrequenz unterscheiden sich Elektrolytkondensatoren von anderen Kondensatorarten, deren Kapazität bei 1 kHz gemessen wird. Bei der Messfrequenz 1 kHz ist der Kapazitätswert eines Elkos schon etwa 10 % geringer als der 100/120 Hz Wert.

Die Kapazität eines Elektrolytkondensators mit flüssigen Elektrolyten ist frequenz- und vor allem temperaturabhängig: die Kapazität nimmt mit steigender Frequenz und mit sinkender Temperatur stark ab. Kondensatoren im „Niedervoltbereich“ (≤ 100 V) zeigen eine stärkere Änderungen als Kondensatoren im „Hochvoltbereich“ (> 100 V). Das liegt an der Größe und der Anzahl der Poren in den geätzten Anodenfolien. Bei kleineren Nennspannungen haben die Anoden deutlich kleinere und mehr Poren als bei höheren Spannungen. Bei tiefen Temperaturen sinkt die Ladungsträgerbeweglichkeit im flüssigen Elektrolyten und dringt nicht mehr in alle Poren bis zum Ende der Poren ein. Die Kapazität nimmt ab. Bei hohen Temperaturen bewirkt die steigende Ladungsträgerbeweglichkeit das Gegenteil. Dieser Effekt ist bei Anodenfolien für kleinere Spannungen stärker ausgeprägt als bei solchen für hohe Spannungen.

Elektrolytkondensatoren mit Polymer-Elektrolyten haben eine deutlich geringere Abhängigkeit der Kapazität von der Temperatur.

Die Kapazität eines Elektrolytkondensators muss innerhalb des spezifizierten Toleranzbereiches um den Nennwert der Kapazität liegen. Die lieferbaren Nennkapazitätswerte, die nach den genormten E-Reihen gestaffelt sind, und die bevorzugten Toleranzen sind miteinander gekoppelt. Für Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit flüssigem Elektrolyten sind üblich:

  • Nennkapazitätswerte nach E3, zugehörige Toleranz ±20 %, Kennbuchstabe „M“
  • Nennkapazitätswerte nach E6, zugehörige Toleranz ±20 %, Kennbuchstabe „M“
  • Nennkapazitätswerte nach E12, zugehörige Toleranz ±10 %, Kennbuchstabe „K“

Die Kapazitätstoleranz von Elektrolytkondensatoren, früher −10/+50 % oder −10/+30 %, heute meist ±20 %, ist, verglichen mit anderen Kondensatorfamilien, recht groß. Da Elektrolytkondensatoren aber nicht in frequenzbestimmenden Schaltungen eingesetzt werden, wo enge Kapazitätstoleranzen gefordert werden, ist diese Toleranzbreite für die üblichen Elko-Anwendungen, z. B. in Stromversorgungen, völlig ausreichend.

Der mit einer Wechselspannungsmethode bei 100/120 Hz gemessene Kapazitätswert (Wechselspannungskapazität) ist etwa um 10 % niedriger als die eigentlich im Kondensator gespeicherte Kapazität die der elektrischen Ladung entspricht. Diese Kapazität wird „Gleichspannungskapazität“ CG genannt und wird mit einer speziellen Entladungsmethode gemessen. Sie ist wichtig bei der Bemessung der Kondensatoren für Fotoblitzgeräte. Die Gleichspannungskapazität hatte bis in die 1970er Jahre eine große Bedeutung in RC-Zeitgliedern für Blinkerschaltungen in Kraftfahrzeugen.

Spannungsfestigkeit[Bearbeiten]

Nennspannung[Bearbeiten]

Die Spannungsfestigkeit von Aluminium-Elektrolytkondensatoren wird über die Formierung, mit der die Aluminiumoxidschicht erzeugt wird, gezielt für die gewünschte Nennspannung des Kondensators hergestellt.[7] Die „Nennspannung UR“, in den neuen Ausgaben der Normung jetzt „Bemessungsspannung UR“ genannt, ist die Gleichspannung, die dauernd im gesamten Temperaturbereich am Kondensator anliegen darf. Ein dauerhaftes Überschreiten der spezifizierten Nennspannung führt zur Zerstörung des Kondensators.

Die Summe aus einer dauerhaft am Kondensator anliegenden Gleichspannung und dem Scheitelwert einer überlagerten Wechselspannung darf die für den Kondensator spezifizierte Nennspannung nicht überschreiten.

Spitzenspannung[Bearbeiten]

Aluminium-Elektrolytkondensatoren werden aus Sicherheitsgründen mit einer höheren Spannung formiert als die Nennspannung. Da außerdem die chemische Reaktionen in der Oxidschicht etwas verzögert erfolgen, können Elkos kurzzeitig mit einer sogenannten Spitzenspannung belastet werden. Die Spitzenspannung ist der maximale Spannungswert, der innerhalb der Elko-Lebensdauer mit einer Häufigkeit von 1000 Zyklen bei einer Verweildauer von 30 Sekunden und einer Pause von fünf Minuten und 30 Sekunden angelegt werden darf, ohne dass es zu sichtbaren Schäden am Elko oder einer Kapazitätsänderung von mehr als 15% kommt. Sie beträgt das 1,15fache der Nennspannung für UR ≤ 315 V oder das 1,10fache der Nennspannung für UR > 315 V.

Umpolspannung, Falschpolung[Bearbeiten]

Ein explodierter Elektrolytkondensator auf einer Leiterplatte

Elektrolytkondensatoren sind generell polarisierte Kondensatoren deren Anodenelektrode mit positiver Spannung gegenüber der Kathodenelektrode betrieben werden muss. Als Ausnahme sind bipolare Elektrolytkondensatoren zu betrachten, die mit zwei gegenpoligen Anodenfolien aufgebaut sind. Die Kathodenfolie von Aluminium-Elektrolytkondensatoren, die Stromzuführung zum Elektrolyten, ist jedoch mit einer sehr dünnen, natürlichen Luftoxidschicht versehen. Diese Oxidschicht besitzt eine geringe Spannungsfestigkeit von etwa 1 bis 1,5 V.[34] Deshalb dürfen Al-Elkos mit flüssigem Elektrolyten mit sehr kleinen Wechselspannungen belastet werden, z. B, zum Messen der elektrischen Parameter nach geltenden Normen mit einer Wechselspannung von 0,5 V.

Wird eine Umpolspannung, die größer ist als 1,5 V, an den Elektrolytkondensator angelegt. dann wird zunächst auf der Kathodenfolie, die ja jetzt als Anode geschaltet ist, durch anodische Oxidation eine Oxidschicht entsprechend der anliegenden Spannung aufgebaut. Dies ist verbunden mit Gasbildung (Wasserstoffgas) und einem Druckaufbau im Kondensator. Zur gleichen Zeit bewirkt die Spannung umgekehrter Polarität an der Anode eine Auflösung der Anodenoxidschicht wodurch die Spannungsfestigkeit geschwächt wird. Weil über Mikrorisse in kristallisierten Bereichen der Oxidschicht recht schnell Lösungserscheinungen einhergehen, erfolgt die damit verbundene Schwächung des Oxids recht schnell.

Es ist nun eine Frage der Beschaltung des Kondensators, ob der ansteigende Gasdruck zum Platzen des Bechers führt oder ob es durch die Schwächung des Anodenoxids zu einem Durchschlag und somit einem Kurzschluss kommt. Wenn die Beschaltung hochohmig ist, wird der Kondensator höchstwahrscheinlich durch den ansteigenden Gasdruck mit der Folge der Öffnung des Ventils bzw. des Platzens des Bechers ausfallen. Ist der Vorschaltwiderstand niederohmig, dann ist ein Kurzschluss wahrscheinlicher. In jedem Fall führt ein dauerhaftes Überschreiten des Wertes der Umpolspannung von etwa 1 bis 1,5 V zur Zerstörung des Kondensators.

Das Bersten eines Elektrolytkondensators kann recht spektakulär sein. Aus diesem Grunde haben die Becher der Kondensatoren bis 18 mm Durchmesser Ventile in Form von Sollbruchstellen im Aluminium-Gehäuse. Größere Elektrolytkondensatoren besitzen spezielle Ventile, um die Gefährdung zu vermindern.

Um die Gefahr der Falschpolung beim Bestücken zu minimieren, werden alle Elektrolytkondensatoren mit einer Markierung der Polarität versehen, siehe #Polaritätskennzeichnung

Schaltfestigkeit[Bearbeiten]

Beim Entladen eines Kondensators ergibt sich aus den Übergangs- und Leitungswiderständen des Aufbaus eine Spannungsverteilung, die bei Entladevorgängen oder hoher Strombelastung zur Aufformierung der Kathode führen kann

Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit flüssigem Elektrolyten können normalerweise ohne Strombegrenzung niederohmig geladen und entladen werden. Diese Eigenschaft ist keine Selbstverständlichkeit. Sie muss konstruktiv im Kondensator eingebaut sein. Aluminium-Elkos mit flüssigem Elektrolyten enthalten immer eine zweite Aluminiumfolie im Elko-Wickel, die sog. Kathodenfolie, die die Stromzuführung zum Elektrolyten bildet und die mit einer sehr dünnen Luftoxidschicht bedeckt ist. Dadurch bildet die Elko-Konstruktion eine Serienschaltung zweier Kondensatoren. Wie unter dem Abschnitt #Prinzipieller Aufbau beschrieben, bestimmt die Anodenkapazität maßgeblich die Gesamtkapazität des Kondensators, wenn die Kathodenkapazität sehr groß gegenüber der Anodenkapazität ist. Üblicherweise ist dies gegeben, wenn die Kathodenkapazität um den Faktor 10 größer ist als die Anodenkapazität. Das kann ohne viel Aufwand erreicht werden, weil die natürliche Oxidschicht auf der Kathodenfolie sehr dünn ist (Spannungsfestigkeit etwa 1,5 V) und dadurch die Kapazität dieser Folie schon bei leichter Aufrauung sehr groß werden kann. Unter dieser konstruktiven Bedingung ist der Kondensator „schaltfest“ im Sinne, dass er ohne Strombegrenzung niederohmig geladen und entladen werden kann.

Wird diese Bedingung nicht eingehalten, dann würden Entladevorgänge oder hoher Rippelstrom zum langsamen Aufformieren der Kathodenfolie führen. Denn wird ein geladener Kondensator entladen, dann kehrt sich die Polarität im Kondensator um: Aus der Kathode wird eine Anode, der Strom fließt aus dem Kondensator hinaus. Über die Spannungsverteilung an den Übergangs- und Leitungswiderständen baut sich dann eine Spannung umgekehrter Polarität an der Kathodenfolie auf, die zu einer Aufformierung der Folie führen würde wodurch die resultierende Gesamtkapazität des Kondensators absinken würde.[20]

Impedanz und ESR[Bearbeiten]

Typische Impedanzkurven von „nassen“ Aluminium-Elkos und Polymer-Elkos mit unterschiedlichen Kapazitätswerten

Neben der Kapazität sind die Impedanz und der der Serienersatzwiderstand ESR die wichtigsten elektrische Kennwerte zur Beurteilung der Eigenschaften von Elektrolytkondensatoren. In den Datenblättern von Elektrolytkondensatoren wird die Impedanz nur als Scheinwiderstand, also nur dem Betrag der Impedanz, sowie der ESR, gemessen bei 100 Hz, 10 kHz oder 100 kHz, angegeben.

Besonderheit der Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit flüssigem Elektrolyten ist die relativ hohe spezifische Kapazität gegenüber anderen Kondensatorfamilien. Verbunden mit den großen Kapazitätswerten sind damit niedrige Impedanzwerte auch schon bei relativ kleinen Frequenzen. Das bedeutet, dass Al-Elkos aufgrund ihrer großen Kapazität relativ gute Siebeigenschaften im Bereich niedriger Frequenzen bis etwa 1 MHz haben. Für höhere Frequenzen bieten andere Kondensatortechnologien bessere Möglichkeiten. Gewickelte Elkos weisen außerdem aufgrund ihres Aufbaus eine relativ hohe Induktivität auf, so dass sie auch aus Gründen der Konstruktion für höheren Frequenzen nicht so gut geeignet sind.

Das nebenstehende Bild zeigt einige typischer Impedanzkurven in Abhängigkeit von der Frequenz für „nasse“ Alu-Elkos und Polymer-Elkos mit unterschiedlichen Kapazitätswerten. Der flüssige Elektrolyt besitzt eine deutlich geringere Leitfähigkeit als der feste Polymer-Elektrolyt, deshalb weisen Polymer-Elkos im Resonanzbereich sehr viel niedrigere ESR-Werte auf.

Typischer Frequenzverlauf der Impedanz und des ESR bei einem Al-Elko
Typischer Impedanzverlauf in Abhängigkeit von der Temperatur

Die Kurven zeigen, dass im Sonderfall der Resonanz, bei dem der kapazitive und der induktive Blindwiderstand gleich groß sind (XC=XL), die Impedanz Z gleich dem ESR des Kondensators wird, dem Wert, in dem alle ohmschen Verluste des Kondensators zusammengefasst werden. Sie zeigen auch die Abhängigkeit der Resonanzfrequenz vom Kapazitätswert. Je größer die Kapazität, desto niedriger die Resonanzfrequenz. Damit sind Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit ihren hohen Kapazitätswerten für die Anwendung als kapazitiver Wechselstromwiderstand zum Filtern, Sieben, und Entkoppeln von unerwünschten Frequenzen oder zum Koppeln erwünschter Frequenzen im niedrigen Frequenzbereich von 50/60 Hz bis etwa 1 MHz bestens geeignet.

Da diese Schaltungsfunktionen aber immer mit einem überlagerten Rippelstrom behaftet sind, dieser Strom über den ESR und dem Quadrat des über den Kondensator fließenden Stromes eine Verlustleistung PV zur Folge hat (PV = ESR · I2) deren Wärmeentwicklung die Lebensdauer des Kondensators beeinflusst, wird in den Datenblättern von Elektrolytkondensatoren neben der Impedanz auch immer noch der ESR bei einer bestimmten Frequenz und Temperatur mit spezifiziert.

Die Verluste bei Aluminium-Elektrolytkondensatoren, spezifiziert im ESR, treten im gesamten Frequenz- und Temperaturbereich auf. Zu diesen Verlusten gehören die Verluste in den Oxidschichten von Anode und Kathode, die Zuleitungs- und Ableitungsverluste über die Kontaktierung der Anschlüsse, die dielektrischen Verluste im Dielektrikum und die Leitungsverluste im Elektrolyten.[35] Die dielektrischen Verluste im Dielektrikum sind frequenzabhängig, sie steigen mit ansteigender Frequenz. Andererseits sinkt mit steigender Frequenz die Eindringtiefe der Ionen im Elektrolyten in die Poren der aufgerauten Anode, so dass die Leitungsverluste im Elektrolyten mit steigender Frequenz sinken. Generell sinkt der ESR mit ansteigender Frequenz und auch mit steigender Temperatur. Das bedeutet, dass die Belastung eines Kondensators mit einem gegebenen Rippelstrom mit steigender Frequenz des Stromes und steigender Temperatur geringer wird, weil weniger Verlustwärme entsteht.

Die Impedanz aber auch der ESR ist bei Aluminium Elektrolytkondensatoren mit flüssigem Elektrolyten stark temperaturabhängig. Beide Werte steigen mit sinkender Temperatur deutlich an. Diese Abhängigkeit ist bei Elkos mit Polymer-Elektrolyten deutlich geringer ausgeprägt.

In einigen, vor allem älteren Datenblättern von Aluminium-Elektrolytkondensatoren wird anstelle des ESR der Verlustfaktor tan δ spezifiziert. Er kann mit folgender Formel in den ESR umgerechnet werden:

ESR=\frac{\tan\delta}{\omega C}

Dabei ist zu beachten, dass wegen der starken Frequenzabhängigkeit der Kapazität die Umrechnung des ESR aus dem tan δ nur für die Frequenz gilt, bei der der Verlustfaktor gemessen wurde.

Strombelastbarkeit, Rippelstrom[Bearbeiten]

Der Lade- und Entladestrom (Rippelstrom) im Glättungskondensator C1 verursacht über den ESR des Kondensators Verluste, die zu einer eine interne Wärmeentwicklung führen

Ein der Gleichspannung überlagerter Wechselstrom (Rippelstrom) IR, der über einen Elektrolytkondensator fließt, bewirkt Lade- und Entladevorgänge im Kondensator. Dieses tritt beispielsweise in jeder Stromversorgungen hinter der Gleichrichtung einer Wechselspannung am nachgeschalteten Sieb- oder Glättungskondensator auf. Der Rippelstrom fließt über den ESR des Kondensators und hat frequenzabhängige elektrische Verluste PV el zur Folge

 P_{V el} = I_R^2 \cdot\ ESR

die ihn von Innen heraus erwärmen.

Die intern erzeugte Verlustwärme addiert sich mit der Umgebungstemperatur und eventuell andere Wärmequellen zur Betriebstemperatur des Kondensators, deren heißeste Zone sich im Wickel des Kondensators befindet und dessen Temperatur sich um den Wert Δ T von der Umgebungstemperatur unterscheidet. Die im Kondensator Wärme muss als thermische Verlustleistung PV th über die Oberfläche A des Kondensators abgeführt werden, wobei ein den Wärme-Übergangswiderstand ß wirksam ist, der von der Baugröße des Elkos bestimmt wird.

 P_{V th} = \Delta T \cdot A \cdot \beta

Wenn die intern erzeugte Verlustwärme PV el mit der durch Wärmeleitung, -strahlung und -konvektion abgeführten Wärme PV th übereinstimmt, dann stellt sich ein Wärme-Gleichgewicht ein.[36]

Der Rippelstrom verursacht interne Wärmeverluste, die über die Umwelt wieder abgegeben werden müssen

Typischerweise führt der Datenblattwert des Rippelstromes zu einer Erwärmung des Kondensators von 10 °C bei 85 °C-Elkos, 5 °C bei 105 °C-Elkos bzw.3 °C bei 125 °C-Elkos. Von dieser Temperaturerhöhung, die im Wickelkern am höchsten ist, ist jedoch wegen des Temperaturgefälles am Becher des Kondensators nur etwa der halbe Wert messbar. Der spezifizierte Rippelstrom von Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit flüssigem Elektrolyten korrespondiert mit der spezifizierten Lebensdauer der Kondensatoren. Er kann während der gesamten Betriebszeit, der berechneten Lebensdauer, auch bei der maximalen Temperatur, dauernd über den Kondensator fließen. Kleinere Rippelströme als spezifiziert beeinflussen die Lebensdauer der Kondensatoren positiv.

Die Kerntemperatur des Kondensators bestimmt letztendlich die Verdunstungsrate des Elektrolyten und somit die Lebensdauer des Elkos. Durch geeignete Maßnahmen wie z. B. besondere Positionierung auf der Platine oder Zwangskühlung kann die Wärmeabfuhr forciert werden, wodurch die Lebensdauer der Kondensatoren positiv beeinflusst werden kann.

Der Rippelstrom ist immer ein Effektivwert eines Stromes beliebiger Frequenz und Kurvenform. Der Datenblattwert ist als sinusförmiger Strom meist bei 100 Hz oder bei 10 kHz und der maximalen Temperatur spezifiziert. Bei nicht-sinusförmigen Rippelströmen und anderen Frequenzen muss der Strom, da der ESR frequenzabhängig ist, per Fourier-Analyse in seine sinusförmigen Anteile zerlegt werden.[37] Diese können dann quadratisch addiert werden.[36]

Z=\sqrt{{i_1}^2 + {i_2}^2  +  {i_3}^2 + {i_n}^2 }

Dies gilt ebenso bei periodisch auftretenden Impulsbelastungen, bei der der einzelne Impulsstrom deutlich höher sein kann als der spezifizierte Rippelstrom.

Weil der in den Datenblättern spezifizierte Wert des Rippelstromes frequenzabhängig ist, er sinkt mit steigender Frequenz, kann ein im Datenblatt spezifizierte 100 Hz-Wert für höhere Frequenzen umgerechnet werden, er wird für höhere Frequenzen größer. Beispielsweise wird der 10 kHz-Wert etwa 30 bis 40 % größer als der 100 Hz-Wert. Entsprechende Korrelationsfaktoren sind beim jeweiligen Hersteller spezifiziert.

Der in den Datenblättern spezifizierte Rippelstrom darf ohne Zwangskühlung innerhalb des Nenntemperaturbereiches nicht überschritten werden. Ein höherer Rippelstrom als spezifiziert kann unter Umständen zum Überschreiten des Siedepunktes des Elektrolyten führen, wodurch der Kondensator zerstört wird. Höhere Rippelströme als spezifiziert sind nur mit Zwangskühlung zulässig. [36][38]

Reststrom, Leckstrom[Bearbeiten]

Das Einschaltverhalten des Reststromes von Elektrolytkondensatoren hängt stark von der Art des Elektrolyten ab

Eine Besonderheit bei Elektrolytkondensatoren ist der sogenannte Reststrom (englisch leakage current) Ileak, früher auch Leckstrom genannt. Der Reststrom eines Elektrolytkondensators ist der Gleichstrom, der ihn durchfließt, wenn eine Gleichspannung richtiger Polarität angelegt wird. Der Reststrom wird verursacht durch sowohl durch Fehlstellen im Dielektrikum, die durch chemische Lösungsprozesse während spannungsloser Lagerung stattfinden als auch durch Verunreinigungen mit Fremdmetallen im Oxid des Dielektrikums. Der Reststrom ist kapazitäts-, spannungs-, zeit- und temperaturabhängig sowie von der Vorgeschichte, beispielsweise von vorangegangener Temperaturbelastung durch Löten oder durch Lagerzeiten. Bedingt durch Selbstheilungseffekte in Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit flüssigen Elektrolyten wird der Reststrom normalerweise immer geringer, je länger der Kondensator an Spannung liegt.

Spezifiziert wird der Reststrom meist durch Multiplikation des Nenn-Kapazitätswertes CR und der Nennspannung UR, zu dem oft noch ein kleiner Festwert addiert wird. Zum Beispiel

I_\text{Leak} = 0{,}01\,\mathrm{\frac{A}{ V \cdot F}} \cdot U_\mathrm R \cdot C_\mathrm R + 3\,\mathrm{\mu A}

Dieser Wert ist nach der vorgeschriebenen Messzeit von beispielsweise 2 oder 5 Minuten einzuhalten. Wenn der Reststrom nach dieser Zeit den spezifizierten Wert überschreitet, dann kann durch Anlegen der Nennspannung über einen Strom-Begrenzungswiderstand von 1 kΩ über etwa 1 Stunde eine Nachformierung durchgeführt werden. Wenn danach der Reststrom immer noch nicht den spezifizierten Grenzwert unterschritten hat, dann ist dies ein Hinweis darauf, dass der Kondensator oder die Charge der Kondensatoren eine Schädigung aufweist.[39]

Typische Reststrom-Einschaltkurve eines industriellen Lang-Lebensdauer-Elkos mit organischem Elektrolyten

Der Reststrom eines Kondensators bildet sich zurück, wenn der Elko an Spannung gelegt wird. Nach einer Betriebszeit von etwa 1 Stunde wird sich ein Betriebs- Reststrom einstellen, der meist deutlich unter dem Datenblattwert liegt. Er kann bis zum Faktor 100 kleiner sein, wird aber den Wert des additiven Gliedes in der o. g. Berechnungsformel nicht unterschreiten.

Der Reststrom ist Spannungs- und temperaturabhängig. Bezogen auf den Betriebsreststrom kann der Reststrom bei 85 °C etwa den vierfachen Wert gegenüber dem 20 °C- °C-Wert erreichen. Andererseits wird der Reststrom nur etwa 50 % des 20 °C-Wertes erreichen, wenn die Betriebsspannung etwa 30 % unter der Nennspannung liegt.[40]

Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit flüssigen Elektrolyten hatten bis in die 1960er Jahre Probleme mit hohen Restströmen nach Lagerzeiten. Grund dafür war einerseits Korrosion, hervorgerufen durch Verunreinigungen mit Chlor in der Fertigung aufgerauter Anodenfolien. Andererseits war die Aggressivität wasserhaltiger Elektrolytsysteme für eine Schwächung der Oxidschichten verantwortlich. Heutzutage (2013) können Al-Elkos ohne Reststromprobleme hergestellt und geliefert werden, weil die Anodenfolien nach der Ätzung von Chlor-Resten durch gründliche Reinigung befreit und die Aggressivität des Wassers, sofern vorhanden, durch Zusätze im Elektrolyten vermindert werden. Reststromprobleme, zum Beispiel nach spannungslose Lagerung > 1 Jahr kommen zumindest bei Elektrolytsystemen auf Basis organischer Lösungsmittel heute in der Regel nicht mehr vor.[41] Elektrolytkondensatoren mit Elektrolytsystemen auf Basis organische Lösungsmittel einiger Hersteller können sogar bis zu 10 Jahren spannungslos ohne Nachformierung gelagert werden.[42]

Etwas anders sieht es bei Elkos mit Elektrolytsystemen auf Basis stark wasserhaltiger Elektrolytsysteme aus. Bei diesen „low-ESR“- oder „low-impedance“-Elkos ist die Aggressivität des Wassers bei einem Wassergehalt von >40 % schwer beherrschbar. Die Streubreite gemessener Reststromwerte einer größeren Anzahl getesteter Elkos nach längeren Lagerzeiten ist sehr groß. Für Anwendungen, in denen niedrige, konstante Reststromwerte verlangt werden, sind solche Elkos nicht geeignet. Allerdings bildet sich ein hoher Reststromwert bei diesen Elkos schon nach kurzem Betrieb stark zurück auf einen niedrigen, „normalen“ Wert.

Lagerfähigkeit[Bearbeiten]

Moderne Elektrolytsysteme sind chemisch stabil und haben, zumindest für Kondensatoren bis 100 V und Elektrolytsystemen auf Basis organischer Lösungsmittel, keinerlei korrosive Effekte, die einen zu hohen Reststrom zur Folge haben könnten. Für Elkos mit einem hohen Wassergehalt im Elektrolyten und für Spannungen >100 V sind normalerweise ebenfalls nur geringe Auswirkungen auf einen etwas erhöhten Reststrom zu erwarten.

Überprüft wird die Lagerfähigkeit von Elektrolytkondensatoren mit Hilfe einer spannungslosen Lagerzeitprüfung, dem sog. englisch „Shelf Life Test“. Dieser Test ist eine beschleunigte Lagerzeitprüfung, die die spannungslose Lagerung von Elkos bei ihrer oberen Kategorietemperatur für eine bestimmte Dauer, meist 1000 oder 2000 Stunden, vorschreibt. Ohne die am Elko anliegende Betriebsspannung entfällt seine Möglichkeit zur Selbstheilung wodurch evtl. mögliche aggressive chemische Prozesse durch zu hohen Reststrom, hoher Kapazitätsverlust und/oder durch zu hohen ESR erkennbar sind.

Der Shelf Life Test ist ein guter Indikator für die chemische Stabilität des Elektrolytsystems, die durch hohe Reinheit sowohl bei den verwendeten Materialien als auch bei der Fertigung und durch spezielle chemische Passivatoren sichergestellt wird. Vorausgesetzt die chemischen Prozesse, die auf die Anodenoxidschicht wirken, folgen ebenfalls wie bei der Abschätzung der Elko-Lebensdauer einem 10-Grad-Gesetz, dann würde ein bestandener Shelf Life Test von 1000 Stunden bei 85 °C einer spannungslosen Lagerzeit bei 25 °C von rund 7 Jahren entsprechen. Aus diesem Grunde ist es möglich, dass bestimmte Baureihen von einzelnen Herstellern bezogen auf Stabilität der elektrischen Werte zulässige Lagerzeiten von bis zu 10 Jahren zulassen.[42]

Der auch heutzutage (2014) noch weit verbreitete Hinweis in Elko-Datenblättern, dass nach einer Lagerzeit von mehr als 2 Jahren die Elektrolytkondensatoren nachformiert werden müssten, bezieht sich deshalb nicht so sehr auf die elektrischen Werte, sondern meist nur auf die Lötfähigkeit der Anschlüsse, die durch Luftoxidation bei industriellen Lötverfahren nach 2 Jahren Lagerzeit problematisch werden kann.

Sollte dennoch einmal ein Elektrolytkondensator nach eine längeren Lagerzeit einen zu hohen Reststrom aufweisen, dann könnte die Ursache dafür auch an einer mechanische Beschädigung im Wickel des Kondensators liegen. Diese könnte z. B. durch mechanischen Stress beim Biegen der Anschlüsse ohne Zugentlastung während der Gerätefertigung entstanden sein.

Nachladeeffekt (dielektrische Absorption)[Bearbeiten]

Hauptartikel: Dielektrische Absorption

Die dielektrischen Absorption (lateinisch absorbere „absaugen, aufsaugen“) beschreibt die dielektrischen Eigenschaften eines Nichtleiters als Funktion der Frequenz.[43] Bei Aluminium-Elektrolytkondensatoren ist der Effekt einerseits für die dielektrischen Verluste bei Wechselspannungsbetrieb und andererseits für das Auftreten einer Spannung am Kondensator nach dem Abschalten und Entladen verantwortlich. Dieser Effekt wird auch Nachladeeffekt genannt.

Der Effekt wird bestimmt durch eine materialabhängige Relaxationszeitkonstante, die gegenüber dem Raumladungsprozess des Kondensators zu einer zeitlich verzögerten Ausrichtung der polarisierten permanenten molekularen Dipole im Dielektrikum führt. Diese Zeitkonstante bewirkt auch, dass nach einem vollständigen Entladen eines Kondensators eine materialabhängige Anzahl molekularer Dipole in Feldrichtung polarisiert sind, ohne dass zunächst noch eine Spannung an den Anschlüssen messbar ist. Die verbleibende Polarisation im Dielektrikum relaxiert allerdings im Laufe der Zeit spontan, wodurch dann an den Elektroden des Kondensators wieder eine Spannung in der Polarität der vorher angelegt gewesenen Spannung entsteht, sozusagen „nachgeladen“ wird. Dadurch bildet sich an nicht kurzgeschlossenen Anschlüssen des Kondensators dann im Verlauf des Raumladungsausgleiches eine steigende Spannung aus. Bis zum Entladen aller Dipole kann es materialabhängig Tage bis Wochen dauern. Die „nachgeladene“ Spannung kann sich bei dem hohen Isolationswiderstand des Aluminiumoxids bei den Elkos monatelang halten. Das Entladen mit anschließender Nachladung lässt sich mehrfach wiederholen.

Bei Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit flüssigem Elektrolyten können solche Nachladungen 10 % bis 15 % der vorher angelegten Spannung erreichen. Das kann unter Umständen zu relativ hohen Spannungen führen, die eine Gefährdung der Umwelt darstellen können.[44] Es können durch diese Spannung, die bei 400 V-Elkos durchaus 50 V betragen kann, beim Einbau in die Schaltung Schäden an Halbleitern oder Funkenbildung während des Einbaus verursacht werden. Auch in Messschaltungen ist dieser Effekt unerwünscht, da er zu falschen Ergebnissen führt. Größere Aluminium-Elektrolytkondensatoren werden daher üblicherweise mit einem Kurzschlussbügel über den Anschlüssen transportiert bzw. geliefert.

Lebensdauer und Ausfallrate[Bearbeiten]

Lebensdauer[Bearbeiten]

Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit flüssigem Elektrolyten nehmen in der Elektronik eine Sonderstellung ein, da sie eine Flüssigkeit enthalten. Der flüssige Elektrolyt kann über die Betriebszeit verdunsten. Damit verbunden ändern sich über die Zeit die elektrischen Kennwerte der Kondensatoren, die Kapazität nimmt ab, der ESR bzw. die Impedanz steigt an. Werden bestimmte Änderungsgrenzen überschritten, dann ist die Funktionsfähigkeit der Kondensatoren nur noch beschränkt vorhanden. Die Zeit der Funktionsfähigkeit der Elkos wird „Lebensdauer“ oder „Brauchbarkeitsdauer“ (englisch “useful life“, „load life“, „service life“) genannt. Sie ist die Zeit, in der die elektrischen Parameter der Elektrolytkondensatoren sich innerhalb definierter Änderungsgrenzen durch Austrocknung ändern dürfen.

Überprüft wird die Zeit der Funktionsfähigkeit mit Hilfe einer Dauerspannungsprüfung (englisch Endurance test) mit anliegender Nennspannung bei der oberen Kategorietemperatur nach IEC 60384-4-1.[45] Die nach dieser Norm definierten Grenzen, deren Überschreitung als Ausfall zu werten ist, sind einerseits Totalausfälle (Kurzschluss, Unterbrechung) und andererseits eine Verringerung der Kapazität um mehr als 30 % und ein Anstieg des ESR bzw. des Verlustfaktors um mehr als den Faktor 3 gegenüber dem Anfangswert. Werden diese Grenzen durch einen kleinen Prozentsatz von Bauelementen überschritten, so wird dieses als das Ende der Elko-Lebensdauer gewertet.

Mit Beginn des Auftretens von Änderungsausfällen, dem Ende der Elko-Lebensdauer, endet auch der Bereich der konstanten #Ausfallrate.

Die mit Hilfe von Dauerspannungsprüfungen beim Hersteller ermittelte Lebensdauer einer Elko-Baureihe wird in den Datenblättern der Hersteller in Form einer Zeit/Temperatur-Angabe spezifiziert, beispielsweise: 2000  h/85  °C, 2000  h/105  °C, 5000 h/105 °C, 1000 h/125 °C. Diese Angaben spezifiziert die Mindest-Lebensdauer der Kondensatoren, die sie bei der maximalen Temperatur und bei anliegender Nennspannung ausgesetzt sein können.

Diese Spezifikation umfasst außerdem, dass die Kondensatoren mit dem nominalen Rippelstromwert belastet werden können. Die durch den Rippelstrom über Wärmeverluste entstehende Erwärmung des Kondensators von 3 bis 10 K, je nach Baureihe, wird normalerweise vom Hersteller durch Sicherheitsreserven bei der Interpretation der Ergebnisse seiner Dauerspannungsprüfungen berücksichtigt. Ein Test mit einem tatsächlich fließenden Rippelstrom ist für keinen Hersteller bezahlbar.

Beispiel der Änderungen der Kennwerte einer getesteten Charge von Elektrolytkondensatoren durch Verdunstung des Elektrolyten während einer 2000 h Dauerspannungsprüfung bei 105 °C.

Das Bild rechts zeigt den Verlauf der Änderungen der Kennwerte von Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit flüssigem Elektrolyten durch Verdunstung des Elektrolyten bei einer getesteten Charge während einer 2000 h Dauerspannungsprüfung bei 105 °C. Deutlich erkennbar ist auch die unterschiedliche Austrocknungsgeschwindigkeit durch Spreizung der Chargenwerte zum Ende des Tests. Auch mit einer bestmöglichen Abdichtung des Elektrolytkondensators kann die Diffusion nicht völlig verhindert werden. Der Vorgang der Austrocknung ist auch durch Gewichtsverlust nachweisbar. Für Elkos mit wasserhaltigen Elektrolyten tritt darüber hinaus noch ein geringer zusätzlicher Elektrolytverlust durch die etwas höheren Restströme auf. Die gesamte Diffusionsrate wird aber in erster Linie über die Temperatur des Kondensators bestimmt. Diese Verdunstungsrate des Elektrolyten ist temperaturabhängig und verringert sich mit kleineren Kondensatortemperaturen.

Normalerweise sind die Betriebsbedingungen in Geräten deutlich geringer als die Prüfbedingungen in der Dauerspannungsprüfung. Um die Lebensdauer der Kondensatoren im Betrieb von Geräten bei geringeren Temperaturen abschätzen zu können, muss die o. g. Lebensdauerspezifikation, die ja für die maximale Temperatur gilt, auf Betriebsbedingungen bei niedrigeren Temperaturen umgerechnet werden. Viele Hersteller geben in ihren Datenblättern dazu Formeln, Diagramme oder Kurven an.

Am häufigsten wird bei vielen Herstellern die Abschätzung einer Lebensdauer bei Temperaturen unterhalb der Kategorietemperatur durch die sogenannte 10-Grad-Regel (Arrhenius-Regel, RGT-Regel) beschrieben, die eine Verdoppelung der Lebensdauer pro 10 °C Temperaturminderung ergibt, ohne allerdings eine Spannungsabhängigkeit mit zu berücksichtigen:

L_x =L_\text{Spec}\cdot 2^\frac{T_0-T_A}{10}
  • Lx = zu berechnende Betriebs-Lebensdauer
  • LSpec = Spezifizierte Lebensdauer (useful life, load life, service life)
  • T0 = obere Kategorietemperatur, obere Grenztemperatur (°C)
  • TA = Umgebungstemperatur (°C), besser Temperatur des Elko-Bechers

Nach dieser Formel errechnet sich die zu erwartende Lebensdauer eines 2000  h/105 °C-Elkos, der bei nur 45 °C betrieben wird mit 128.000 Stunden oder etwa 15 Jahre. Würde die Betriebstemperatur auf 65 °C ansteigen und soll die gleiche Betriebslebensdauer erreicht werden, dann müsste ein Elko einer anderen Baureihe mit der Spezifikation von entweder 8000  h/105  °C oder 2000  h/125 °C genommen werden.

Die 10-Grad-Regel gilt nur, wenn sie vom jeweiligen Elko-Hersteller bestätigt wird,[46][47] denn einige Hersteller spezifizieren durchaus andere Lebensdauer-Berechnungsformeln, mitunter sogar unterschiedliche Formeln für verschiedene Baureihen,[48][49] oder unterschiedliche Lebensdauerdiagramme,[36][50][51][52] aus denen für jede Baureihe aus einem Diagramm die Elko-Lebensdauer für unterschiedliche Belastungen ablesbar ist. Bei allen diesen „Berechnungen“ einer Lebensdauer sollte aber beachtet werden, dass die Berechnung nur einen „Schätzwert“ ergibt, der eigentlich immer nur als Mindestwert der zu erwartenden Betriebs-Lebensdauer einer Charge gleichartiger Kondensatoren gilt.

Im Allgemeinen kann für Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit flüssigem Elektrolyten festgestellt werden, dass durch Wahl entsprechend spezifizierter Baureihen sowohl kleinere Lebensdauerzeiten für geringere Anforderungen als auch längere Betriebslebensdauern bei höheren Temperaturen zu erreichen sind. Aber auch nach Überschreiten des Lebensdauerendes durch weiteren Betrieb der Kondensatoren droht der Schaltung keine unmittelbare Gefahr. Bei den heutigen hohen Reinheitsgraden in der Fertigung von Elektrolytkondensatoren ist auch nach Überschreiten der Änderungsgrenzen am Ende der Lebensdauer bei fortschreitender Austrocknung nicht mit einem Kurzschluss zu rechnen. Es können sich allerdings durch Verschlechterung der Speicherfähigkeit oder der Siebeigenschaft z. B. Probleme bei der Störunterdrückung oder ähnliches ergeben.

Ausfallrate[Bearbeiten]

Die Ausfallrate dient der Berechnung einer Überlebenswahrscheinlichkeit für eine gewünschte Geräte-Lebensdauer in Kombination mit den anderen beteiligten Bauelementen. Bezogen auf ein Bauelement ist die Ausfallrate λ der Kennwert für die Zuverlässigkeit dieser eingesetzten Bauelemente. Sie gibt an, wie viele Elemente in einer Zeiteinheit durchschnittlich ausfallen werden und wird angegeben in 1/Zeit, also Ausfall pro Zeiteinheit. Als Ausfälle gewertet werden sowohl Totalausfälle (Kurzschluss, Unterbrechung) als auch Änderungsausfälle (Überschreiten von Kennwerten).

Die Ausfallrate in λ wird ermittelt durch die Division der aufgetretenen Ausfälle C' durch die Anzahl der Prüflinge n multipliziert mit der Prüfzeit t:

\text {Ausfallrate}\ \lambda =\frac{C}{n \cdot t}

Die Einheit für die Ausfallrate ist FIT (Failure In Time). Sie gibt die Anzahl der Ausfälle an, die in 109 Stunden auftreten: 10 FIT sind 10 Ausfälle pro 109 Stunden beziehungsweise 10 Ausfälle pro 114.000 Jahre oder 1 Ausfall pro 11.400 Jahre.

Bei Aluminium-Elektrolytkondensatoren endet der Bereich der konstanten Ausfallrate λ mit dem Beginn der Verschleißausfälle, womit ebenfalls das Ende der Elko-Lebensdauer erreich ist.

Das zeitliche Verhalten der Ausfallrate wird als sogenannte „Badewannenkurve“ dargestellt, die drei Bereiche kennt: Bereich der Frühausfälle, der konstanten Ausfallrate und der Änderungsausfälle. Bei Elektrolytkondensatoren werden Frühausfälle schon beim Hersteller während der Formierung entfernt. Für den Betrieb der Elkos ist deshalb der Bereich der konstanten Ausfallrate bestimmend. Dieser Bereich in der Badewannenkurve der sehr geringen, konstanten Ausfallrate entspricht der berechneten Lebensdauer der Elektrolytkondensatoren. Das bedeutet auch, dass die mit Hilfe der einzelnen Ausfallraten der eingesetzten Bauelemente in einem Gerät ermittelte Überlebenswahrscheinlichkeit des Gerätes (Gerätelebensdauer) niemals länger sein kann als die errechnete Lebensdauer der eingesetzten Elektrolytkondensatoren.

Für die Ausfallrate können zwei unterschiedliche Spezifikationen angegeben werden, deren Werte unterschiedlich ermittelt werden, eine in Lebensdauerprüfungen ermittelte Ausfallrate und eine durch Rückmeldungen aus dem Feld ermittelte Feld-Ausfallrate. Die in Lebensdauerprüfungen ermittelte Ausfallrate für Elektrolytkondensatoren wird mit Hilfe von Ausfällen in der „Dauerspannungsprüfung“ (englisch Endurance test) nach IEC 60384-4-1[45] mit anliegender Nennspannung bei der oberen Kategorietemperatur ϑmax berechnet. Sie ist ein Maximalwert, beinhaltet keine Pausenzeiten und ist temperatur- und spannungsabhängig. Sie wird für die Spezifikation in den Datenblättern auf eine sog. Referenz-Ausfallrate λref bei Referenzbedingungen (U = 0,5 oder 0,8 UN, ϑ = 25 oder 40 °C) umgerechnet. Für andere Betriebsbedingungen kann die Referenz-Ausfallrate entweder nach EN 61709[53] oder nach dem international mehr gebräuchlichen MIL-HBK-217F[54] auf die jeweiligen Betriebsbedingungen umgerechnet werden. Übliche Referenz-Ausfallraten für Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit flüssigem Elektrolyten von großen Herstellern, die aus den Ergebnissen von Lebensdauerprüfungen stammen, sind für Elkos mit dem Becherdurchmesser ≤ 22 mm etwa 10 FIT und für Elkos mit dem Becherdurchmesser ≥25 mm etwa 20 bis 50 FIT. Eine Ausfallrate von zum Beispiel 10 FIT bedeutet, dass in einer Milliarde Stunden 10 Ausfälle bzw. in 100 Millionen Stunden (11.400 Jahre) ein Ausfall auftreten kann. Diese Werte bewegen sich im Rahmen üblicher Größenordnungen für Elektronische Bauelemente.

Die „Feldausfallrate“ wird berechnet aus den Elko-Ausfällen in ausgefallenen Geräten industrieller Kunden durch Rückmeldungen an den Elko-Hersteller und hat die gleiche Einheit „FIT“. Die Feldausfallrate enthält auch Pausenzeiten, das ist die Zeit, in der das Gerät nicht im Betrieb war und ist deshalb näher an der Realität. Die Feld-Ausfallraten für Elektrolytkondensatoren, die aus Rückmeldungen industrieller Kunden aus Feldausfällen stammen, sind zum Teil deutlich kleiner als die o. g. Referenz-Ausfallraten und liegen im Bereich zwischen 0,5 bis 20 FIT.[55][56][57] Auch diese Werte bewegen sich im Rahmen üblicher Größenordnungen für elektronische Bauelemente.

Ausfallursachen[Bearbeiten]

Ausgefallene Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit geöffneter Sollbruchstelle im Becher

Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit flüssigem Elektrolyten haben hinsichtlich ihrer Qualität ein negatives Image in der Öffentlichkeit. Dies steht im Gegensatz zu den Erfahrungen in der Industrie, in der diese Kondensatoren als zuverlässige Bauelemente innerhalb ihrer berechneten Lebensdauer betrachtet werden. Das negative Image mag unter anderem aber auch daran liegen, dass ausgefallenen Elkos in Geräten visuell sofort zu erkennen sind.[58] Dies ist bei anderen elektronischen Bauelementen nicht der Fall. Wie bei jedem Industrieprodukt, sind auch bei Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit flüssigem Elektrolyten bestimmte Ursachen (englisch failure mode) für Ausfälle bekannt.[59] Es werden dabei Ausfallursachen unterschieden, die bei der Elko-Herstellung, bei der Gerätefertigung, bei der Anwendung als Folgeschaden äußerer Einflüsse oder beim Gebrauch durch den Anwender oder entstehen.

Hersteller-bedingte Ausfallursachen entstehen u. a. durch Unkenntnis chemischer Reaktionen bei der Entwicklung, bei unsauberer Fertigung, mangelhaft gewarteter Werkzeuge, ungenügender Qualitätsabsicherung oder der Verwendung falscher Unterteile. Aber heutzutage haben zumindest alle großen Hersteller von Elektrolytkondensatoren eine gut strukturierte Qualitätsabsicherung, die alle Schritte beginnend bei der Entwicklung über alle Prozessschritte bis hin zum Endprodukt sorgfältig überwacht. Die Ablaufdiagramme der Hersteller zu den Fehlerarten in den Prozessschritten belegen diesen hohen Qualitätsstandard.[60][61][62] [63] [64]

Die Unkenntnisse chemischer Zusammenhänge aber auch verfügbarer Messmethoden sind aber eher in der Vergangenheit zu suchen. Während der 1940er bis 1960er Jahren waren geringe Mengen an Verunreinigungen mit Chlor Ursache für erhöhte Restströme verbunden mit Korrosionen. Seit Mitte der 1960er Jahre ist dieses Problem der verunreinigten Unterteile gelöst. Aber möglicherweise ist das damalige Problem infolge tradierter Vorurteile über mehrere Generationen hinaus auch heute noch ein Grund für das schlechte Qualitätsimage der Elkos.

Aber die Qualitätsüberwachung funktioniert nicht in allen Fällen. Bei dem Vorfall, der unter dem Begriff Capacitor Plague bekannt wurde, versagte das System. In den Jahren 2000 bis 2003 wurde von einigen taiwanesischen Herstellern ein gestohlener, ungenügend zusammengestellter Elektrolyt verwendet. Vorteil dieses Elektrolyten war sein geringer Preis verbunden mit niedrigen ESR-Werten, wodurch z. B. bei gleicher Rippelstrombelastung kleinere und somit deutlich preiswertere Elkos hergestellt werden konnten. Dieser „falsche“ Elektrolyt bewirkte eine Wasser-getriebene Aluminiumkorrosion mit ungebremster Bildung von Aluminiumhydroxid und Wasserstoffgas und führte zu massenhaften vorzeigen Ausfällen von Elkos dieser Hersteller bis etwa zum Jahre 2007. Die Kombination eines geringeren Herstellpreises auf Seiten der Hersteller und eines geringeren Einkaufpreises auf Seiten der Anwender bei gleichzeitigem Versagen einer Absicherung der Langzeit-Qualität führte zu dieser Katastrophe. Im Bild rechts oben sind solche Aluminium-Elektrolytkondensatoren, die vorzeitig durch Korrosion verbunden mit internem Überdruck und anschließender geöffneter Sollbruchstelle im Becher, sog. „bad caps“ zu sehen. Die bräunliche Verkrustung auf dem Elko-Becher ist ausgetretener und eingetrockneter Elektrolyt.

Abgebrannte Schnittkante einer Anodenfolie nach einem Kurzschluss, verursacht durch Grate, die durch schlecht gewartetes Schneidewerkzeug beim Schneiden der Folie entstanden

Nicht nur die Elko-Hersteller können Ausfälle verursachen. Eine systematische Ausfallursache, die bei Geräteherstellern während der Fertigung von Geräten nach dem Einbau von Elkos auf Platinen verursacht wurde, waren Korrosionen mit nachfolgenden Totalausfällen, hervorgerufen durch Chlor aus halogenhaltigen Waschmittelbädern beim Reinigen frisch gefertigter Platinen. Die Chlor-Korrosion war in den 1970er und 1980er Jahren die Ursache für viele Ausfälle im Feld. Seitdem chlorierte Kohlenwasserstoffe aus Gründen des Umweltschutzes in der Industrie verboten wurden, treten diese Ausfälle nicht mehr auf.

Mechanischer Druck auf einen Anschluss beim manuellen Bestücken der Leiterplatte verursachte das Ausreißen des Anschlusses im Wickel mit der Folge eines Wackelkontaktes

Ein anderes Beispiel eines Elko-Ausfalls lässt sich auf mangelnde Sorgfalt beim Herstellen eines Gerätes zurückführen, wie im Bild links zu sehen ist. Radiale Elkos sind recht empfindlich gegenüber mechanischen Belastungen an den Anschlüssen. Ein mechanischer Druck auf einen Anschluss beim manuellen Bestücken einer Leiterplatte verursachte in dem gezeigten Fall das Ausreißen des Anschlusses im Wickel mit der Folge eines Wackelkontaktes.

Ein aufgeblähter Elko-Becher muss nicht immer ein Ausfall sein

Auch Anwender waren und sind mitunter für vorzeitige Elko-Ausfälle verantwortlich. Als Beispiel kann das Übertakten von Prozessoren mit dem Ziel, eine höhere Rechenleistung zu erreichen, dienen. Das hat eine Erhöhung der Rippelströme im Netzteil des Gerätes zur Folge. Dabei kann die Lebenserwartung der Netzteil-Siebelkos durch die damit verbundene erhöhte Wärmeentwicklung mitunter signifikant sinken.

Ein Elko-Ausfall kann auch als Folgeschaden eines Ausfalls vorgeschalteter Bauelemente auftreten. Hat beispielsweise eine Diode in der Gleichrichtung der Netzspannung, die einem Siebkondensator vorgeschaltet ist, einem Kurzschluss, so wird auch der Elko wegen der plötzlich anliegenden Wechselspannung ausfallen. Ebenfalls entsteht ein Folgeschaden, wenn durch Blitzschlag auf Stromleitungen transiente Überspannungsspitzen im Netz entstehen. Gerade weil Elkos in den Netzteilen von Geräten sitzen, können diese Überspannungen zu Elko-Ausfällen führen. In solchen Fällen wird dann aber, weil die Vorgeschichte nicht wahrgenommen wird, der Elko-Ausfall dahingegen sehr deutlich sichtbar ist, meist nur ein „Elko-Ausfall“ gesehen. Aber nicht alles, was bei der Betrachtung bestückter Leiterplatten auffällig ist und nach einem fehlerhaften Elektrolytkondensator aussieht, ist auch wirklich beschädigt. Bei der Reflow-Lötung, insbesondere wenn dabei bleifreie Lote verwendet werden, kann durch die Temperaturbelastung beim Löten ein starker Innendruck in einem SMD-Elko entstehen. Abhängig vom Volumen des Kondensators kann sich unter Umständen dadurch der Elko-Becher aufblähen.[65] Der Innendruck baut sich im Laufe der Zeit zwar wieder ab, aber die Ausbeulung kann dauerhaft bleiben, wodurch die Zuverlässigkeit des Kondensators allerdings nicht beeinträchtigt wird.

Die leichte visuelle Erkennbarkeit eines Elko-Ausfalls, oft in PCs, dessen Benutzer schnell bereit ist sich in entsprechenden Internet-Blogs zu melden, beeinflusst das Image von Elektrolytkondensatoren negativ. Viele der Ausfälle sind aber nicht der Qualität der Elkos anzulasten. Die tatsächlich abgelieferte Elko-Qualität von namhaften Herstellern ist durchaus im Rahmen der üblichen, sehr hohen Zuverlässigkeit elektronischer Bauelemente.

Kennzeichnung und Normung[Bearbeiten]

Polaritätskennzeichnung[Bearbeiten]

Die Kennzeichnung der Polarität bei Elektrolytkondensatoren unterscheidet sich, mit einer Ausnahme, zwischen Elkos mit flüssigem Elektrolyten und denjenigen mit festem Elektrolyten.

Bei Elektrolytkondensatoren mit flüssigem Elektrolyten wird der negative Anschluss, die Kathode, mit einem Minusbalken gekennzeichnet. Die Farbe der Kennzeichnung kann bei den verschiedenen Herstellern variieren. Bei den größeren Bauformen von Aluminium-Elektrolytkondensatoren wie bei Snap-In-Elkos und Schraubanschluss-Elkos wird häufig noch eine zusätzliche Polaritätskennzeichnung in Form einer Prägung an den Anschlüssen angebracht.

Bei Aluminium-und Tantal-Elektrolytkondensatoren mit festem Elektrolyten wird im Allgemeinen die Anode, der Plus-Anschluss, mit einem Aufdruck (Balken) gekennzeichnet. Der balkenförmige Aufdruck darf nicht mit einem Minuszeichen verwechselt werden.

Ausnahme:

Bei Polymer-Aluminium-Elektrolytkondensatoren, die ja einen festen Polymer-Elektrolyten besitzen und eigentlich am negativen Anschluss gekennzeichnet werden müssten, wird bei der radialen und der V-Chip-Bauform der Minus-Anschluss durch einen Balken-Aufdruck gekennzeichnet. An der V-Chip-Bauform ist außerdem der Minus-Anschluss immer an der nicht abgeschrägten Seite des Unterlegplättchens zu erkennen. Bei der quaderförmigen Bauform der SMD-Polymer-Aluminium-Elektrolytkondensatoren wird dahingegen der Plus-Pol (Anode) durch einen Balken-Aufdruck gekennzeichnet.

Typ-Kennzeichnung[Bearbeiten]

Die Kennzeichnung von Elektrolytkondensatoren kennt keine Farbcodierung. Sofern der Platz dazu ausreicht, sollten die Kondensatoren durch entsprechende Aufdrucke gekennzeichnet sein mit: Polarität, Nennkapazität, Toleranz, Nennspannung, Nenntemperaturbereich, Herstelldatum, Hersteller, Baureihenbezeichnung.

Kapazität, Toleranz, und Herstelldatum können nach EN 60062 mit Kurzkennzeichen gekennzeichnet werden. Beispiele einer Kurz-Kennzeichnung der Nennkapazität (Mikrofarad):

µ47 = 0,47 µF
4µ7 = 4,7 µF
47µ = 47 µF

Das Herstelldatum (Date Code) wird oft entsprechend internationaler Normen in abgekürzter Form aufgedruckt.

  • Version 1: 4stellige Codierung mit Jahr/Woche,
Beispiel: „0708“ ist 2007, 8. Kalenderwoche
  • Version 2: 2stellige Codierung mit Jahrescode/Monatscode
Jahrescode: „R“ = 2003, „S“= 2004, „T“ = 2005, „U“ = 2006, „V“ = 2007, „W“ = 2008, „X“ = 2009, „A“ = 2010, „B“ = 2011 „C“ = 2012, „D“ = 2013 usw.
Monatscode: „1“ bis „9“ = Januar bis September, „O“ = Oktober, „N“ = November, „D“ = Dezember
Beispiel: „U5“ ist 2006, Mai

Einige Hersteller fügen dem 2stelligen Herstelldatumscode noch einen weiteren Buchstaben zur Kennzeichnung eines bestimmten Werkes hinzu.

Normung[Bearbeiten]

Die Bedingungen für die Prüfungen und Messungen der elektrischen Parameter der Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit flüssigem Elektrolyten sind festgelegt in der Fachgrundspezifikation:

  • IEC 60384-1 (VDE 0565-1), Festkondensatoren zur Verwendung in Geräten der Elektronik

sowie in den Rahmenspezifikationen:

  • IEC 60384-4, Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit festem (Mangandioxid) oder flüssigem Elektrolyten
  • IEC 60384-18, Oberflächenmontierbare Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit festem (Mangandioxid) oder flüssigem Elektrolyten

In Deutschland sind diese Normen als Teile der Normenreihe DIN EN 60384 veröffentlicht.

Schaltzeichen[Bearbeiten]

Schaltzeichen für Elko

Im Schaltzeichen des gepolten Elektrolytkondensators ist der Pluspol (Anode) durch ein hohles Rechteck gekennzeichnet, der Minuspol durch ein ausgefülltes. Bei einem bipolaren Elektrolytkondensator ist der Kondensator mit zwei Anodenfolien aufgebaut. Deshalb wird das Schaltsymbol mit zwei hohlen Rechtecken gebildet.

Markt, Anwendungen und Hersteller[Bearbeiten]

Der Markt von Aluminium-Elektrolytkondensatoren betrug 2010 rund 3,9 Milliarden US$, das sind rund 2,9 Milliarden €. Damit decken Al-Elkos mit etwa 6 % der Stückzahl, das sind etwa 70 bis 80 Milliarden Stück, ungefähr 22 % des Wertes des Kondensatormarktes ab.[66]

Anwendungen[Bearbeiten]

Typische Anwendungen für Al-Elektrolytkondensatoren mit flüssigem Elektrolyten sind:

  • Glättungs- und Pufferkondensator zur Glättung bzw. Siebung von gleichgerichteten Wechselspannungen in Netzteilen und Schaltnetzteilen
  • Sieben von Wechselspannungsanteilen innerhalb einer Schaltung (Ableitung von Wechselströmen) beispielsweise in DC/DC-Wandlern
  • Puffern von Gleichspannungsversorgungen bei Laständerungen z. B. in Frequenzumformern und unterbrechungsfreien Stromversorgungen (USV)
  • Zwischenspeicher für PFC-Schaltungen (power factor correction, dt. „Leistungsfaktorkorrektur“)
  • Ein- und Auskoppeln von Wechselspannungssignalen zum Beispiel in Niederfrequenzverstärkern, wenn ein Potentialunterschied vorliegt (level shifting). Dabei ist zu beachten, dass die Elektrolytkondensatoren eine entsprechende Vorspannung benötigen
  • Energiespeicher, beispielsweise in Elektronenblitzgeräten
  • Bipolare (ungepolte) Elektrolytkondensatoren als Anlasskondensator für Asynchronmotoren
  • Tonfrequenz- oder bipolare Kondensatoren in Frequenzweichen von Lautsprecherboxen

Vor- und Nachteile[Bearbeiten]

Vorteile:

  • Sehr preiswerte Kondensatoren mit sehr hohen Kapazitäten pro Volumen
  • Das Energiespeichervermögen pro Volumeneinheit wird nur von Superkondensatoren (Doppelschichtkondensatoren) übertroffen
  • Der hohe Kapazitätswert ermöglicht das Sieben auch relativ niedriger Störfrequenzen
  • Der relativ hohe ESR-Wert eines einzelnen Elkos lässt sich durch Parallelschaltung mehrerer Bauteile preiswerter als mit anderen Lösungen reduzieren, sofern dafür Platz vorhanden ist
  • Für Stromversorgungen mit Betriebsspannungen > 50 V bieten sog. „nasse Al-Elkos“ mit Nennspannungen bis 630 V die preiswertesten Lösungen
  • Al-Elkos können ohne Strombegrenzung geschaltet werden
  • Der flüssige Elektrolyt macht Al-Elkos unempfindlich gegenüber Transienten
  • Der Reststrom sinkt durch Selbstheilung relativ schnell auf einen niedrigen Wert
  • Durch Wahl einer entsprechenden Baureihe (Langlebensdauer) sind sehr lange Betriebszeiten möglich
  • Sehr große Bauformenvielfalt, sehr viele Anbieter

Nachteile:

  • Durch Wärmeeinfluss begrenzte Brauchbarkeitsdauer/Lebensdauer. Die Wärme kann auch durch höhere Rippelstrombelastung von innen heraus entstehen
  • Relativ schlechtes Tieftemperatur-Verhalten. Der Scheinwiderstand und der ESR sind bei -40 °C etwa zehnmal höher als bei Raumtemperatur
  • Sehr empfindlich gegenüber mechanischen Beschädigungen (Zug oder Druck an den Anschlussdrähten)
  • Sehr empfindlich gegenüber Halogenen (Chlor, Brom). Schon geringe Mengen, die bei Kontaminierung auch durch die Abdichtung hindurch nach innen gelangen konnten, können zu Korrosion und damit zur Zerstörung des Kondensators führen
  • Längere Spannungsbelastung in Falschpolrichtung zerstört den Kondensator unweigerlich, meist durch Explosion

Hersteller und Produkte[Bearbeiten]

Produktprogramme größerer Hersteller von Aluminium-Elektrolytkondensatoren
Hersteller Verfügbare Ausführungen
SMD- Radial Axial Snap-in Schraub-
anschluss
Bipolar
Audio
Motor-
start
Polymer Polymer-
Hybrid
CapXon, X X X X X
Daewoo, (Partsnic) X X X
CDE Cornell Dubillier X X X X X
Capacitor Industries X X X
Elna X X X X X X -
Frolyt X X X X
Fischer & Tausche X X X X X X
Hitachi X X
Hitano X X X X
Illinois Capacitor X X X X X X
Itelcond X X
Jackcon X X X X X
Jianghai X X X X X -
Lelon X X X X X X
Kaimei Electronic Corp, (Jamicon) X X X X X X
KEMET-Evox-Rifa Group X X X X X X
MAN YUE, (Samxon) X X X X X
Nantung X X X X
Nippon Chemi-Con, (NCC, ECC, UCC) X X X X X X X X
NIC X X X X X X
Nichicon X X X X X
Panasonic, Matsushita X X X X X X X
Richey Capacitor Inc. Richey X X X X
Rubycon X X X X X X
SUN Electronic Industry X X
Suntan X X X X X X X
TDK EPCOS X X X X
Vishay, (BCc, Roederstein) X X X X X
Yageo X X X X X

Siehe auch[Bearbeiten]

Literatur[Bearbeiten]

  • E. Hering, K. Bressler, J. Gutekunst: Elektronik Für Ingenieure und Naturwissenschaftler. 6., vollst. akt. u. erw. Auflage. Springer Verlag, Berlin 2013, ISBN 978-3-642-05498-3.
  • K. Leucht: Kondensatorkunde für Elektroniker. Franzis Verlag, München 1981, ISBN 3-7723-1491-0.
  • J. D. Moynihan: Theory, Design and Application of Electrolytic Capacitors. 1982, OCLC 17158815.
  • D. Nührmann: Das komplette Werkbuch Elektronik. Franzis, Poing 2002, ISBN 3-7723-6526-4.
  • K. H. Thiesbürger: Der Elektrolyt-Kondensator. 4. Auflage. Roederstein, Landshut 1991, OCLC 313492506.
  • O. Zinke; H. Seither: Widerstände, Kondensatoren, Spulen und ihre Werkstoffe. Springer, Berlin 1982, ISBN 3-540-11334-7.

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. Charles Pollack: Elektrischer Flüssigkeitskondensator mit Aluminiumelektroden Patentnummer 92564, Kaiserliches Patentamt, Deutschland, eingereicht 14. Januar 1896, Patent erteilt 19. Mai 1897 D.R.P. 92564
  2. a b c d P. McK. Deeley: Electrolytic Capacitors. The Cornell-Dubilier Electric Corp. South Plainfield New Jersey, 1938.
  3. VALVO, Taschenbuch 1975.
  4. Samuel Ruben: Electrolytic Condenser. US Patent Nr. 1774455 [1]
  5. Kathryn R. Bullock: Samuel Ruben: Inventor, Scholar, and Benefactor. www.electrochem.org (PDF-Datei; 219 kB)
  6. J. Ho, T. R. Jow, S. Boggs: Historical Introduction to Capacitor Technology. In: Electrical Insulation Magazine. IEEE (Volume:26, Issue: 1) 19. Januar 2010, ISSN 0883-7554, doi:10.1109/MEI.2010.5383924, PDF [2]
  7. a b c A. Albertsen: Mit Abstand am besten – Spannungsfestigkeit von Elkos. [3]
  8. a b c Katalog des Herstellers KDK, Specifications for Etched Foil for Anode, Low Voltage [4]
  9. R. L. Taylor, H. E. Haring In: J. Electrochem. Soc. 103 (1956), S. 611.
  10. D. A. McLean, Power, F. S., Proc. Inst. Radio Engrs. 44 (1956), S. 872.
  11. Elektrolytkondensatoren. Valvo-Handbuch Einzelteile 1964.
  12. VALVO, Datenbuch 1986, erste 125 °C Elko-Baureihe AHT
  13. Y. K. Zhang, J. Lin, Y. Chen: Polymer Aluminum Electrolytic Capacitors with Chemically-Polymerized Polypyrrole (PPy) as Cathode Materials Part I. Effect of Monomer Concentration and Oxidant on Electrical Properties of the Capacitors. PDF
  14. U. Merker, K. Wussow, W. Lövenich: New Conducting Polymer Dispersions for Solid Electrolyte Capacitors. PDF
  15. Panasonic, SP-Caps [5]
  16. a b J. L. Stevens, T. R. Marshall, A. C. Geiculescu, C. R. Feger, T. F. Strange: The Effects of Electrolyte Composition on the Deformation Characteristics of Wet Aluminum ICD Capacitors. 2006. [6]
  17. a b Alfonso Berduque, Zongli Dou, Rong Xu: Electrochemical Studies for Aluminium Electrolytic Capacitor Applications: Corrosion Analysis of Aluminium in Ethylene Glycol-Based Electrolytes. PDF
  18. Rubycon [7]
  19. Rubycon, Baureihe ZL PDF
  20. a b c K. H. Thiesbürger: Der Elektrolyt-Kondensator. 4. Auflage. Roederstein, Landshut 1991, OCLC 313492506, S. 88–91.
  21. CDE, Type DCMC, PDF
  22. a b Jianghai, 630 V-Elkos PDF
  23. Vishay, Datenblatt 128 SAL-RPM [8]
  24. Nichicon, CV Serie PDF
  25. NIC, NSPE-H Serie, PDF
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  27. a b CapXon, Manufacturing Process [9]
  28. J.L. Stevens, A.C. Geiculescu, T.F. Strange, Dielectric Aluminum Oxides: Nano-Structural Features and Composites, Fig 6, Page 68, PDF
  29. S. Parler, Cornell Dubilier, Heating in Aluminum Electrolytic Strobe and Photoflash Capacitors PDF
  30. Rubycon, TECHNICAL NOTES FOR ELECTROLYTIC CAPACITOR, 2. MANUFACTURE OF ALUMINUM ELECTROLYTIC CAPACITOR PDF
  31. NON-AQUEOUS ELECTROLYTES and THEIR CHARACTERISTICS, FaradNet Electrolytic Capacitors, Part III: Chapter 10 [10]
  32. Elna, Principles, 3. Electrolyte, Table 2: An Example of the Composition of the Electrolyte [11]
  33. Shigeru Uzawa, Akihiko Komat-u, Tetsushi Ogawara, Rubycon Corporation, Ultra Low Impedance Aluminum Electrolytic Capacitor with Water based Electrolyte (Version vom 24. Mai 2012 im Internet Archive)
  34. Product Information: Aluminum Electrolytic Capacitors FAQ/Capacitor, Power Supply Units RUBYCON CORPORATION
  35. A. Berduque: Low ESR Aluminium Electrolytic Capacitors for Medium to High Voltage Applications. PDF
  36. a b c d A. Albertsen: Elko-Lebensdauerabschätzung. PDF
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  39. Epcos, Aluminum electrolytic capacitors, General technical informations (PDF)
  40. Vishay BCcomponents, Introduction Aluminum Capacitors, Revision: 10-Sep-13 1 Document Number: 28356, (PDF)
  41. Ch. Baur, N. Will: Langzeitstabilität von Alu-Elkos -Rasten ohne Folgen.
  42. a b Vishay BCcomponents: Introduction Aluminum Capacitors. Revision: 10-Sep-13 1 Document Number: 28356, Chapter Storage, PDF
  43. K. Kundert: Modeling Dielectric Absorption in Capacitors. [13]
  44. Gefährdung durch Dielektrische Absorption (in Englisch)
  45. a b DIN EN 60384-4-1, Festkondensatoren zur Verwendung in Geräten der Elektronik, Teil 4-1: Bauartspezifikation, Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren mit flüssigen Elektrolyten, Beuth Verlag
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  47. NIC Life expectancy of aluminum electrolytic capacitors (rev.1) (PDF)
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