Aluminium-Elektrolytkondensator

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Aluminium-Elektrolytkondensator
Bedrahtete radiale und axiale Elkos sowie SMD-Elkos

Ein Aluminium-Elektrolytkondensator, auch „Elko“ genannt, ist ein Kondensator, dessen Anodenelektrode aus dem sogenannten Ventilmetall Aluminium besteht, auf dem durch anodische Oxidation, auch Formierung genannt, eine gleichmĂ€ĂŸige, elektrisch isolierende Aluminium-Oxidschicht als Dielektrikum erzeugt wird. Ein flĂŒssiger oder fester Elektrolyt bildet die Kathode des Kondensators.

Aluminium-Elektrolytkondensatoren sind gepolte Kondensatoren, die nur mit Gleichspannung betrieben werden dĂŒrfen. Die Anode ist der Pluspol. Falschpolung, zu hohe anliegende Spannung oder Rippelstrom-Überlastung fĂŒhrt zur Zerstörung der Kondensatoren. Sie können sogar explodieren.

Aluminium-Elektrolytkondensatoren werden mit unterschiedlichen Elektrolytsystemen hergestellt. Diese bilden die Unterarten. Es werden unterschieden: FlĂŒssige Elektrolyte, feste Braunstein-Elektrolyte, feste TCNQ-Elektrolyte und feste Polymer-Elektrolyte.

Als Sonderform werden auch bipolare Aluminium-Elektrolytkondensatoren hergestellt. Sie bestehen aus zwei in Gegenpolung aufgebauten gepolten Anodenfolien und können mit Wechselspannung betrieben werden.

Inhaltsverzeichnis

Bauarten

Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit flĂŒssigem Elektrolyt sind die bekanntesten und verbreitetsten Elektrolytkondensatoren. Auf fast allen Platinen elektronischer GerĂ€te sind diese Bauteile zu finden.

Sie zeichnen sich, verglichen mit anderen Elektrolytkondensatoren, durch ein besonders preisgĂŒnstiges und leicht zu verarbeitendes Grundmaterial aus. Neben der hohen spezifischen KapazitĂ€t pro Bauvolumen bieten sie deshalb eine ĂŒberaus große Bauformen- und GrĂ¶ĂŸenvielfalt.

Kennwerte der unterschiedlichen Aluminium-Elko-Familien
Anodenmaterial Elektrolyt KapazitÀtsbereich
in ”F
max. Spannungsfestigkeit
bei 85 °C in V
max. Kategorietemperatur
in °C
Rippelstromdichte
in mA/mm3
Aluminiumfolie flĂŒssig, z. B. Glykol, DMF, DMA, GBL 0,1
2.700.000 550 150 0,05
2,0
fest, Braunstein (SAL) 0,1
1500 40 175 0,5
2,5
fest, TCNQ (OS-CON) 1
2700 35 125 3,0
8,0
fest, leitfÀhiges Polymer 10
1500 25 125 10
30

Übersicht ĂŒber die wichtigsten Kennwerte-Grenzen der heutigen Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit den unterschiedlichen Elektrolytsystemen Rippelstrom bei 100 kHz und 85 Â°C / Bauvolumen)

Aluminium-Elektrolytkondensator mit flĂŒssigem Elektrolyten

Geschichte

Der „FlĂŒssigkeitskondensator mit Aluminiumelektroden“, spĂ€ter „Elektrolytkondensator“ genannt, wurde 1896 von Charles Pollak erfunden. 1897 erhielt er dafĂŒr vom Kaiserlichen Patentamt in Frankfurt das Patent mit der Nummer DRP 92564.[1]

Weitere Informationen zur Geschichte siehe Elektrolytkondensatoren

Aufbau und Herstellung

Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit flĂŒssigem Elektrolyten sind, wie fast alle Kondensatoren in der Elektronik, im Grunde genommen Plattenkondensatoren, deren KapazitĂ€t umso grĂ¶ĂŸer ist, je grĂ¶ĂŸer die ElektrodenflĂ€che A und die DielektrizitĂ€tszahl Δ ist und je dichter die Elektroden zueinander stehen (d).

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

Grundmaterial ist eine Anodenfolie aus hochreinem Aluminium. Diese wird in einem elektro-chemischen Prozess aufgeraut, um die wirksame AnodenoberflĂ€che zu vergrĂ¶ĂŸern. Durch diese Aufrauung kann heutzutage die OberflĂ€che bis etwa Faktor 150 gegenĂŒber einer glatten OberflĂ€che vergrĂ¶ĂŸert werden. Das ist ein wichtiger Faktor, der zur relativ hohen spezifischen KapazitĂ€t der Elektrolytkondensatoren gegenĂŒber anderen Kondensatorfamilien beitrĂ€gt.

Grundprinzip der anodischen Oxidation

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

Die Spannungsfestigkeit dieser Oxidschicht ist mit etwa 700 V/”m sehr hoch. Da durch die Formierung gezielt jede gewĂŒnschte Spannungsfestigkeit erreicht werden kann, variiert die Dicke der Oxidschicht mit der Nennspannung des spĂ€teren Kondensators. Ein 10-V-Elko besitzt deshalb ein Dielektrikum mit der Schichtdicke von nur etwa 0,014 Â”m. Diese Ă€ußerst dĂŒnnen Dielektrika sind der zweite wichtige Faktor, der zur hohen spezifischen KapazitĂ€t der Elektrolytkondensatoren gegenĂŒber anderen Kondensatorfamilien beitrĂ€gt.

Im unteren Bild ist links das Schliffbild einer hoch aufgerauten 10-V-Anodenfolie von 100 Â”m Dicke zu sehen. Im rechten Teil sieht man den UltradĂŒnnschnitt einer Aluminiumpore in einer Anodenfolie in etwa 100.000-facher VergrĂ¶ĂŸerung. Die Pore ist hell zu erkennen.

Schliffbild einer Anodenfolie und einer Pore in der aufgerauten Struktur der Anode

Die aufgeraute und vorformierte Anodenfolie und auch eine zweite aufgeraute Aluminiumfolie, fĂ€lschlicherweise Kathodenfolie genannt – sie ist funktionell nur die elektrische Verbindung zum Elektrolyten, der eigentlichen Kathode – werden im weiteren Verlauf der Fertigung von einer Mutterrolle auf die gewĂŒnschte Breite, danach auf LĂ€nge zugeschnitten und mit quer zu den Folien gelegten Aluminiumstreifen zum Kontaktieren der AnschlĂŒsse verbunden. Zusammen mit zwei Papierstreifen als Schutz gegenĂŒber direkter metallischer BerĂŒhrung und als Reservoir fĂŒr den Elektrolyten werden sie dann zu einem Wickel aufgerollt.

Geöffneter Wickel eines Aluminium-Elektrolytkondensators mit Mehrfach-Kontaktierung und Schnitt durch eine Elko-Zelle

Der Aufbau eines Aluminium-Elektrolytkondensators bestimmt natĂŒrlich auch sein elektrisches Verhalten. Da zur Kontaktierung des flĂŒssigen Elektrolyten eine zweite Aluminiumfolie benötigt wird, die Kathodenfolie, diese aber mit einer natĂŒrlich entstandenen isolierenden Luftoxidschicht bedeckt ist, besteht die Konstruktion im Grunde genommen aus zwei in Serie geschalteten Einzelkondensatoren. Die GesamtkapazitĂ€t des Kondensators C wird deshalb nur dann von der GrĂ¶ĂŸe der AnodenkapazitĂ€t CAnode bestimmt, wenn die KathodenkapazitĂ€t CKathode sehr groß gegenĂŒber CAnode ist.

Der Wickel des Kondensators mit den herausgefĂŒhrten AnschlĂŒssen wird im nachfolgenden Produktionsschritt unter Vakuum mit dem Elektrolyten getrĂ€nkt (imprĂ€gniert). Dieser passt sich der Struktur der Anodenfolie und des darauf befindlichen Dielektrikums vollstĂ€ndig an und macht dadurch die OberflĂ€chenvergrĂ¶ĂŸerung der Anode kapazitiv erst wirksam. Der imprĂ€gnierte Wickel wird in einen Aluminium-Becher eingebaut, mit einer Abdichtsichtscheibe versehen und mechanisch durch Bördeln fest verschlossen. Anschließend wird der Kondensator durch Nachformierung von Fehlstellen im Dielektrikum befreit (ausgeheilt).

Fertigungsprozess von Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit flĂŒssigem Elektrolyten

Nach der Isolierung des Kondensators und der 100-%-Endmessung kann der „Elko“, z. B. in gegurteter Lieferform zur Auslieferung kommen. Ein besonderer Hinweis zur Montage von Al-Elektrolytkondensatoren: Der Metallbecher eines Aluminium-Elektrolytkondensators mit flĂŒssigem Elektrolyten ist normalerweise ĂŒber ElektrolytbrĂŒcken an der Wickel-AußenflĂ€che mit nicht definierbaren ÜbergangswiderstĂ€nden mit der Kathode verbunden. Nur bei der axialen Bauform ist der Becher direkt leitend mit der Kathode verbunden. Da der Elektrolyt weitgehend in den Papierlagen des Wickels gebunden ist, kann der „Elko“, sofern der Hersteller nicht anderes vorschreibt, in beliebiger Einbaulage verbaut werden.

Prinzipieller Aufbau (Wickel) eines radialen Aluminium-Elektrolytkondensators mit flĂŒssigem Elektrolyten

FlĂŒssiger Elektrolyt

Seinen Namen hat der Elektrolytkondensator vom Elektrolyten, der leitfĂ€higen FlĂŒssigkeit im Kondensator, die die eigentliche Kathode des Kondensators bildet. Die wichtigste elektrische Eigenschaft des Elektrolyten ist deshalb seine elektrische LeitfĂ€higkeit, die bei FlĂŒssigkeiten physikalisch eine Ionen-LeitfĂ€higkeit ist. Ein Elektrolyt besteht immer aus einem Gemisch von Lösungsmitteln und Zusatzstoffen zur ErfĂŒllung der gegebenen Anforderungen.

An die Betriebselektrolyte werden vielfĂ€ltige Anforderungen gestellt, u. a. große LeitfĂ€higkeit, Sauerstoff-Lieferant fĂŒr Formierprozesse und Selbstheilung, möglichst großer Temperaturbereich, chemische StabilitĂ€t, hoher Flammpunkt, chemische VertrĂ€glichkeit mit Aluminium, und anderen, im Kondensator verwendeten Materialien, geringe ViskositĂ€t, UmweltvertrĂ€glichkeit sowie geringe Kosten.

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

WĂ€sserige Elektrolyte schwacher SĂ€uren mit ZusĂ€tzen von Äthylen-Glykol (Wasser-Glykol-Elektrolyte), geeignet fĂŒr Anwendungen bis maximal 105 Â°C fĂŒr sog. Low-ESR-Elkos
Wasserfreie Lösungs-Elektrolyte auf Basis von z. B. N,N-Dimethylformamid oder N,N-Dimethylacetamid, geeignet fĂŒr Anwendungen bis etwa 105 Â°C und gutem Langzeitverhalten
Wasserfreie Lösungs-Elektrolyte, auf Basis von y-Butyrolacton-Basis, geeignet fĂŒr Anwendungen bis etwa 125 Â°C, letztere fĂŒhren zu Elektrolytkondensatoren mit sehr gutem Langzeitverhalten.

Da die Elektrolytmenge durch den Vorgang der Selbstheilung und durch DiffusionsvorgĂ€nge durch die Abdichtung wĂ€hrend der Betriebszeit der Kondensatoren stĂ€ndig abnimmt und damit die elektrischen Parameter der Kondensatoren negativ beeinflusst werden, ist die Brauchbarkeitsdauer (Lebensdauer) von „nassen Elkos“ begrenzt.

Elektrolyt als Fehlerquelle: Capacitor Plague & bad caps

Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit geöffneten Sollbruchstellen im Becher, sog. "bad caps"

Im Bild rechts sind Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit geöffneten Sollbruchstellen im Becher, sog. „bad caps“ zu sehen. Der ausgetretene Elektrolyt ist als brĂ€unliche Verkrustung auf dem Elko-Becher sichtbar

Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit flĂŒssigem Elektrolyten sind immer wieder durch Korrosion ausgefallen. Chlor-Korrosion, verursacht durch Chlor aus halogenhaltigen WaschmittelbĂ€dern, war in den 1970er und 1980er Jahren die Ursache fĂŒr viele AusfĂ€lle im Feld. Seitdem chlorierte Kohlenwasserstoffe in der Industrie verboten wurden, treten diese AusfĂ€lle nicht mehr auf.

Ein anderer Fall liegt erst einige Jahre zurĂŒck und ist im Internet unter„capacitor plague“ und „bad caps“ zu finden. Hier war die Ursache eine ungebremste Bildung von Aluminiumhydroxid, eine durch Wasser im Elektrolyten verursachte spezielle Form der Aluminiumkorrosion. Sie trat auf, weil einige Hersteller bei einem Plagiat eines niederohmigen wasserhaltigen Elektrolyten wichtige Inhaltsstoffe nicht mitkopiert hatten. Tausende Hauptplatinen von PCs wurden damals durch platzende Elkos zerstört. Dieses Problem wird im englischen Sprachraum auch als capacitor plague (dt. Kondensatorpest) bezeichnet.

GehÀuse

Aluminium-Elektrolytkondensatoren sind gepolte Kondensatoren, die Anodenfolie bildet den Pluspol. Falsch gepolte, zu hohe Spannung oder Rippelstrom-Überlastung fĂŒhrt zu einem starken Anstieg des Gasdruckes im Innern des Kondensator-GehĂ€uses. Steigt der Innendruck auf einen Wert, der vom GehĂ€use nicht mehr gehalten werden kann, kommt es durch Bersten (explodieren) oder Wegfliegen des GehĂ€uses zur Zerstörung des Kondensators. Um die vom Bersten des GehĂ€uses ausgehende Gefahr zu begrenzen, mĂŒssen Al-Elkos mit flĂŒssigem Elektrolyten ab einer bestimmten GrĂ¶ĂŸe ein Ventil aufweisen. Das können Kerben im Deckel oder in der Seitenwand des GehĂ€uses sein oder auch wieder verschließbare Ventile, z. B. bei Schraubanschluss-Elkos. Die Kerben im GehĂ€use sind eine Sollbruchstelle, die sich bei Überdruck im Kondensator öffnen und fĂŒr ein gezieltes Abblasen des Überdruckes sorgen. Falsch eingesetzte oder falsch dimensionierte Elektrolytkondensatoren bilden eine wesentliche Ursache fĂŒr den Ausfall von GerĂ€ten in der Elektronik.

Bauformen

Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit flĂŒssigem 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 herrĂŒhren.

  • SMD-Bauform fĂŒr die OberflĂ€chenmontage auf Leiterplatten oder Substraten
  • Bauform mit axialen DrahtanschlĂŒssen fĂŒr eine liegende Einbauweise auf Leiterplatten
  • Bauform mit radialen (einseitig herausgefĂŒhrten) Draht- oder StiftanschlĂŒssen fĂŒr eine stehende Einbauweise auf Leiterplatten
  • Bauform mit SchraubanschlĂŒssen fĂŒr hohe Strombelastbarkeit
Bauformen von Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit flĂŒssigem Elektrolyten

Besonderheiten der elektrischen Kennwerte von Elektrolytkondensatoren

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 KapazitĂ€t des Kondensators, Rleakage der Widerstand, der den Reststrom reprĂ€sentiert, RESR fĂŒr die ohmschen Verluste und die InduktivitĂ€t LESL, die InduktivitĂ€t des Bauelementes. Die ohmschen Verluste werden allgemein nur „ESR“ (engl. equivalent series resistance, dt. Â»Ă€quivalenter Serienwiderstand«) und die InduktivitĂ€t „ESL“ (equivalent series inductivity L, dt. Â»Ă€quivalente SerieninduktivitĂ€t L«) genannt. Die wesentlichen Kennwerte von Kondensatoren sind KapazitĂ€t und Spannungsfestigkeit. Beide GrĂ¶ĂŸen werden durch die verwendeten Materialien und deren Eigenschaften bestimmt.

KapazitÀt

Die KapazitĂ€t eines Elektrolytkondensators ist frequenzabhĂ€ngig. Der Wert wird gemessen bei der Frequenz von 100/120 Hz. Hierin unterscheiden sich Elektrolytkondensatoren von anderen Kondensatorarten, deren KapazitĂ€t bei 1 kHz gemessen wird.

KapazitÀtstoleranz

Die KapazitĂ€tstoleranz von Elektrolytkondensatoren, frĂŒher −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 KapazitĂ€tstoleranzen gefordert werden, genĂŒgt diese Toleranzbreite, die ĂŒberwiegend aus der Streuung des Aufraugrades der Anode stammt, meist den Anforderungen.

Spannungsfestigkeit

Die Dicke des Dielektrikums des Elektrolytkondensators bestimmt seine Spannungsfestigkeit. Da diese gezielt fĂŒr die Nennspannung des Kondensators hergestellt wird, fĂŒhrt ein Überschreiten der spezifizierten Spannungsgrenzen zur Zerstörung des Kondensators, d. h. weder die Nennspannung, die Spitzenspannung noch die Umpol- oder Falschpolspannung dĂŒrfen innerhalb des Nenntemperaturbereiches ĂŒber- bzw. unterschritten werden.

Strombelastbarkeit

Ein der Gleichspannung ĂŒberlagerter Wechselstrom (Rippelstrom) bewirkt Lade- und EntladevorgĂ€nge im Elektrolytkondensator. Dieser Wechselstrom fließt ĂŒber den ESR und fĂŒhrt zu frequenzabhĂ€ngigen Verlusten, die den Kondensator erwĂ€rmen. Diese WĂ€rme wird an die Umwelt abgegeben. Wie schnell das geschieht, hĂ€ngt von den Abmessungen des Kondensators und weiteren Bedingungen, wie z. B. ZwangskĂŒhlung ab. Der spezifizierte Rippelstrom darf innerhalb des Nenntemperaturbereiches nicht ĂŒberschritten werden. Ein Überschreiten dieser Grenze fĂŒhrt zur Zerstörung des Kondensators.

Schaltfestigkeit

Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit flĂŒssigem Elektrolyten können normalerweise ohne Strombegrenzung niederohmig geladen und entladen werden. Diese Eigenschaft ist keine SelbstverstĂ€ndlichkeit. Sie muss konstruktiv im Kondensator eingebaut sein.

Aluminium-Elkos mit flĂŒssigem Elektrolyten enthalten immer eine zweite Aluminiumfolie im Elko-Wickel, die sog. Kathodenfolie, die die StromzufĂŒhrung zum Elektrolyten bildet. Nun ist Aluminium ein sehr unedles Metall, das sich bei Kontakt mit dem Sauerstoff der Luft sehr schnell mit einer Oxidschicht bedeckt. Dadurch ergibt sich aber durch den Aufbau des Elkos, dass der Wickel eigentlich zwei Kondensatoren in Reihe bildet, denn die Luftoxidschicht auf der Katodenfolie ist ebenfalls das Dielektrikum eines Kondensators. Aus dieser Konstruktion folgt, dass die Anode mit ihrer aufgerauten OberflĂ€che nur dann maßgeblich die GesamtkapazitĂ€t des Kondensators bestimmt, wenn die KathodenkapazitĂ€t sehr groß gegenĂŒber der AnodenkapazitĂ€t ist. Das kann ohne viel Aufwand erreicht werden, weil die natĂŒrliche Oxidschicht auf der Kathodenfolie sehr dĂŒnn ist (Spannungsfestigkeit etwa 2 V) und dadurch die KapazitĂ€t dieser Folie schon bei leichter Aufrauung sehr groß werden kann. Wenn im Elko die KathodenkapazitĂ€t sehr groß gegenĂŒber der AnodenkapazitĂ€t ist, dann ist der Kondensator auch „schaltfest“. Wird diese Bedingung nicht eingehalten, dann wĂŒrden vor allem AusschaltvorgĂ€nge zum langsamen Aufformieren der Kathodenfolie fĂŒhren und die resultierende GesamtkapazitĂ€t des Kondensators wĂŒrde absinken.

Scheinwiderstand, Impedanzverhalten

Besonderheit der Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit flĂŒssigem Elektrolyten sind die relativ hohen KapazitĂ€tswerte, die mit dieser Technologie erreicht werden können. Da diese Kondensatoren ĂŒberwiegend in der Stromversorgung elektronischer Schaltungen eingesetzt werden, wo oftmals die Netzfrequenz von 50/60 Hz in das elektrische Verhalten der Versorgungsspannung mit einfließt, mĂŒssen auch tiefe Frequenzen „gesiebt“ werden. Das Impedanzverhalten von Elkos mit ihrer hohen KapazitĂ€t kommt dieser Anwendung entgegen.

Typische VerlÀufe des Scheinwiderstandes von Al-Elkos und Polymer-Elkos bei unterschiedlichen KapazitÀtswerten

Typischer Verlauf des Scheinwiderstandes in AbhĂ€ngigkeit von der Frequenz fĂŒr verschiedene Kondensatorarten und Kondensatoren mit unterschiedlicher KapazitĂ€t. Je grĂ¶ĂŸer die KapazitĂ€t ist, desto tiefer wird die Frequenz, die der Kondensator filtern (sieben) kann. Der Restwiderstand am Wendepunkt eines jeden Kurvenverlaufes ist mit dem ESR des betreffenden Kondensators gleichzusetzen. Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit Polymer-Elektrolyten (im Bild mit „Polymer“ beschriftet) besitzen deutlich geringere ESR-Werte als Al-Elkos mit flĂŒssigem Elektrolyten (im Bild mit „Al-Elko“ beschriftet).

Reststrom, Leckstrom

Eine Besonderheit bei Elektrolytkondensatoren ist der sogenannte Reststrom (engl. leakage current), frĂŒher auch Leckstrom genannt. Der Reststrom eines Elektrolytkondensators ist der Gleichstrom, der ihn durchfließt, wenn eine Gleichspannung richtiger PolaritĂ€t angelegt wird. Der Reststrom beinhaltet alle durch chemische Prozesse und mechanische BeschĂ€digungen des Dielektrikums sowie durch Tunneleffekte verursachten unerwĂŒnschten Gleichströme, die das Dielektrikum passieren können. Der Reststrom ist kapazitĂ€ts-, spannungs-, zeit- und temperaturabhĂ€ngig. Bei Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit flĂŒssigen Elektrolyten ist er auch noch abhĂ€ngig von der vorangehenden Temperaturbelastung durch Löten und der vorangegangenen Lagerzeit.

Spezifiziert wird der Reststrom meist durch Multiplikation des Nenn-KapazitĂ€tswertes und der Nennspannung, zu dem noch ein kleiner Festwert addiert wird. Zum Beispiel: Ileak = 0,01 Â· CN Â· UN + 0,4 Â”A. Dieser Wert ist nach der vorgeschriebenen Messzeit von z. B. 2 oder 5 Minuten einzuhalten. Bedingt durch Selbstheilungseffekte in Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit flĂŒssigen Elektrolyten wird der Reststrom normalerweise immer geringer, je lĂ€nger der Kondensator an Spannung liegt. Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit flĂŒssigen Elektrolyten hatten bis in die 1960er Jahre Probleme mit dem Reststromverhalten. Es waren hauptsĂ€chlich Korrosionsprobleme, hervorgerufen durch Verunreinigungen mit Chlor und/oder wasserbedingte Korrosion, die Hydroxidbildung. Die Korrosion machte sich durch stark erhöhte Reststromwerte bemerkbar. Heutzutage können Al-Elkos fehlerfrei hergestellt und geliefert werden. Reststromprobleme[2], z. B. nach lĂ€ngerer Lagerzeit ĂŒber besonders lange spannungslose Lagerung[3](> 1 Jahr) kommen heute in der Regel nicht mehr vor.

Nachladeeffekt (dielektrische Absorption)

Waren Kondensatoren einmal geladen und werden sie dann vollstĂ€ndig entladen können sie anschließend ohne Ă€ußeren Einfluss eine Spannung aufbauen, die an den AnschlĂŒssen gemessen werden kann. Dieser Nachladeeffekt ist als dielektrische Absorption oder dielektrische Relaxation bekannt. Ein geladener Kondensator hat elektrische Raumladungen (elektrische Dipole) im Dielektrikum. Bei seiner Entladung werden nicht alle Raumladungen gelöscht, einige Dipole verbleiben infolge ihrer TrĂ€gheit im geladenen Zustand. Diese entladen sich nach einiger Zeit spontan, dadurch bildet sich an nicht kurzgeschlossenen AnschlĂŒssen des Kondensators dann im Verlauf des Raumladungsausgleiches eine steigende Spannung aus. Bei Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit flĂŒssigem Elektrolyten können solche Nachladungen 10 % bis 15 % der vorher angelegten Spannung erreichen. Das kann unter UmstĂ€nden zu relativ hohen Spannungen fĂŒhren, die eine GefĂ€hrdung darstellen können: Es können dadurch SchĂ€den an Halbleitern oder Funkenbildung beim Kurzschließen der AnschlĂŒsse verursacht werden. Auch in Messschaltungen ist dieser Effekt unerwĂŒnscht, da er zu falschen Ergebnissen fĂŒhrt.

Ausfallrate und Lebensdauer

Die Begriffe Ausfallrate und Lebensdauer hĂ€ngen bei Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit flĂŒssigem Elektrolyten eng miteinander zusammen. Beide Kennwerte werden in PrĂŒfungen oder im Betrieb ĂŒber die aufgetretenen AusfĂ€lle ermittelt. Als Ausfall wird hierbei ein Fehler bezeichnet, der entweder zur FunktionsuntĂŒchtigkeit des Kondensators fĂŒhrt (Vollausfall: Kurzschluss oder Unterbrechung) oder sich durch eine Überschreitung von elektrischen Grenzwerten Ă€ußert (Änderungsausfall). Ausfallrate und Lebensdauer ergĂ€nzen sich in den Aussagen. Die Ausfallrate dient der Berechnung einer Überlebenswahrscheinlichkeit fĂŒr eine gewĂŒnschte GerĂ€te-Lebensdauer in Kombination mit den anderen beteiligten Bauelementen. Die Lebensdauer definiert die Zeit bis zum Ende der konstanten Ausfallrate der Elkos, dem Beginn der ÄnderungsausfĂ€lle, damit kann die gewĂŒnschte GerĂ€te-Lebensdauer niemals lĂ€nger als die Elko-Lebensdauer sein. Beide Parameter werden zwar mit mathematischen Methoden errechnet, sind aber, da sie Prognosen fĂŒr ein zukĂŒnftiges Verhalten der Bauelemente abgeben sollen, immer nur als SchĂ€tzwerte zu betrachten.

Ausfallrate

Die Ausfallrate λ ist der Kennwert fĂŒr die ZuverlĂ€ssigkeit einer Charge eingesetzter Bauelemente. Sie gibt an, wie viele Elemente in einer Zeiteinheit durchschnittlich ausfallen werden und wird angegeben in 1/Zeit, also Ausfall pro Zeiteinheit. Die Einheit fĂŒr die Ausfallrate ist FIT (Failure In Time). Sie gibt die Anzahl der AusfĂ€lle an, die in 109 Stunden auftreten: 10 FIT sind 10 AusfĂ€lle pro 109 Stunden beziehungsweise 10 AusfĂ€lle 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 VerschleißsausfĂ€lle, womit ebenfalls das Ende der Elko-Lebensdauer erreich ist.

Die Ausfallrate wird ĂŒblicherweise als sogenannte „Badewannenkurve“ dargestellt. Bei Elektrolytkondensatoren werden FrĂŒhausfĂ€lle allerdings schon beim Hersteller wĂ€hrend der Formierung im Herstellprozess aus der Charge entfernt so dass die Kunden von Elkos gleich mit einer konstanten Ausfallrate rechnen können. Im Bereich der konstanten Ausfallrate treten nur die sogenannten ZufallsausfĂ€lle (random accesses) auf. Nach Ă€lteren, inzwischen zurĂŒckgezogenen Normen endet der Bereich der konstanten Ausfallrate, wenn insgesamt 1 % der gesamten Charge durch ZufallsausfĂ€lle ausgefallen sind. Damit ist auch das Ende der Lebensdauer dieser Charge erreicht.

Die Ausfallrate, wie auch die Lebensdauer, wird ĂŒblicherweise mit Hilfe einer DauerspannungsprĂŒfung (Endurance test) nach DIN EN (IEC)60384-4-1 [4] ermittelt. In dieser PrĂŒfung werden die PrĂŒflinge bei anliegender Nennspannung und oberer Grenztemperatur fĂŒr eine vom Hersteller gewĂ€hlte Zeit in den WĂ€rmeofen gelegt und danach untersucht, ob AusfĂ€lle aufgetreten sind. AusfĂ€lle sind: Kurzschluss und Unterbrechung (TotalausfĂ€lle) sowie typischerweise eine Verringerung der KapazitĂ€t um mehr als 30 % vom Anfangswert und ein Anstieg des ESR bzw. des Verlustfaktors um mehr als den Faktor 3 gegenĂŒber dem Anfangswert (ÄnderungsausfĂ€lle). Die Ausfallrate in λ wird ermittelt durch die Division der aufgetretenen AusfĂ€lle C durch die Anzahl der PrĂŒflinge n multipliziert mit der PrĂŒfzeit t:

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

Da die Spannungs- und die Temperaturbelastung wĂ€hrend der PrĂŒfung nicht den Bezugsbedingungen entspricht, muss, um Vergleiche ermöglichen zu können, die ermittelte Ausfallrate noch auf die Referenz-Ausfallrate λref bei den Bezugsbedingungen (80 % der Nennspannung und der Umgebungstemperatur 40  °C) umgerechnet werden. Es gilt:

\text{Referenz-Ausfallrate}\ \lambda_\text{ref} = \lambda \cdot\Pi_U \cdot\Pi_T

mit Spannungs-AbhĂ€ngigkeitsfaktor ΠU und dem Temperatur-AbhĂ€ngigkeitsfaktor ΠT. Aus der DIN EN 61709 [5][6] können die hierfĂŒr festgelegten Umrechnungsfaktoren entnommen werden:

Spannungs-AbhĂ€ngigkeitsfaktor ΠU von 100 % auf 80 % der anliegenden Spannung: 0,77 Temperatur-AbhĂ€ngigkeitsfaktor ΠT von der oberen Grenztemperatur auf 40 Â°C: 0,05 fĂŒr 85 Â°C-Elkos, 0,013 fĂŒr 105 Â°C-Elkos und 0,0035 fĂŒr 125 Â°C-Elkos. Berechnungsbeispiel:

  • n = Zahl der untersuchten Bauelemente: 20.000
  • C = Zahl der AusfĂ€lle: 2
  • t = PrĂŒfzeit: 2000 Stunden
  • T = PrĂŒftemperatur: 85 Â°C

Ausfallrate λ = 2 / 20.000 ‱ 2000 = 2 / 40.000.000 = 0,05 ‱ 10-6 = 50 ‱ 10-9 = 50 FIT

Referenz-Ausfallrate λref = λ ‱ λU ‱ λT = 50 ‱ 0,77 ‱ 0,05 = 2 FIT

Die Ausfallraten fĂŒr Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit flĂŒssigem Elektrolyten, die von großen Herstellern angegeben werden, bewegen sich im Rahmen ĂŒblicher GrĂ¶ĂŸenordnungen fĂŒr Elektronische Bauelemente. FĂŒr Elkos mit dem Becherdurchmesser ≀ 22 mm sind etwa 10 FIT und fĂŒr Elkos mit dem Becherdurchmesser ≄ 25  mm etwa 20 bis 50 FIT ĂŒbliche Angaben fĂŒr eine Referenz-Ausfallrate. Dabei sollte beachtet werden, dass zur Ermittlung einer Ausfallrate von 10 FIT etliche PrĂŒfungen mit einem gewaltigen Zeit- und Kostenaufwand durchgefĂŒhrt werden mĂŒssen. Deshalb greifen einige Hersteller auch auf die sogenannte Feld-Ausfallrate zurĂŒck. Die hierin zugrunde liegenden Ergebnisse stammen aus Ausfall-RĂŒckmeldungen großer Anwender aus den Reparaturabteilungen, die zu Ausfallraten umgerechnet werden. Die Feld-Ausfallraten fĂŒr Elektrolytkondensatoren sind zum Teil deutlich kleiner und liegen im Bereich zwischen 0,5 bis 20 FIT. [7] [8] [9]

Die von Herstellern genannten Ausfallraten von z.B 10 FIT bedeutet, dass in 1 Milliarde Stunden 10 AusfĂ€lle bzw. in 100 Millionen Stunden (11.400 Jahre) 1 Ausfall in auftreten kann. Gilt die Definition, dass das Lebensdauerende einer Charge erreicht ist, wenn insgesamt 1 % einer Charge ausgefallen sind, dann heißt dies, dass Lebensdauerende dieser Elkos nach 114 Jahren erreicht ist. Eine Lebensdauerberechnung, wie nachfolgend beschrieben, die zu einer lĂ€ngeren Lebensdauer fĂŒhrt, als durch die Ausfallrate vorgegeben, hat dann auch einen höheren Ausfall-Prozentsatz zur Folge. Meist aber ist die Ausfallrate von Elkos so gering, dass der genannte Ausfallprozentsatz bei weitem nicht erreich wird, wenn die ersten durch Elektrolytverlust bedingten ÄnderungsausfĂ€lle auftreten, die Ausfallrate also in den Bereich der VerschleißausfĂ€lle kommt.

Lebensdauer, Brauchbarkeitsdauer

Die Lebensdauer von Elkos wird mit unterschiedlichen Begriffen definiert. Aus der internationalen Norm DIN EN (IEC) 60384-4 stammt der Begriff DauerspannungsprĂŒfung (Endurance test). Hiermit wird das Langzeitverhalten der Parameter von Elektrolytkondensatoren in einer DauerspannungsprĂŒfung bei der oberen Kategorietemperatur definiert.

Mit dem Begriff Brauchbarkeitsdauer (useful life, load life, service life) wird zusĂ€tzlich der fĂŒr Elkos normale Betrieb in Stromversorgungen berĂŒcksichtigt, bei dem meist der Rippelstrom eine zusĂ€tzliche WĂ€rmebelastung fĂŒr den Kondensator bedeutet. Diese Spezifikation wird Ă€hnlich wie die DauerspannungsprĂŒfung getestet, nur dass die PrĂŒftemperatur um die Temperaturdifferenz höher gewĂ€hlt wird, die sonst durch den Rippelstrom entstehen wĂŒrde (10  K, 5  K oder 3  K). Ein Test mit einem tatsĂ€chlich fließenden Rippelstrom ist fĂŒr keinen Hersteller bezahlbar. Mit einem diese Begriffe wird die Lebensdauer von Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit flĂŒssigem Elektrolyten in den DatenblĂ€ttern der Hersteller in Form einer Zeit/Temperatur-Angabe spezifiziert, beispielsweise: 2000  h/85  °C, 2000  h/105  °C, 5000 h/105 Â°C, 1000 h/125 Â°C.

Nicht zum Begriff Lebensdauer gehört die HeißlagerprĂŒfung (Shelf Life). Das ist eine PrĂŒfung bei der oberen Grenztemperatur ohne anliegende Spannung. Mit diesem Test wird die AggressivitĂ€t des Elektrolyten auf die Bestandteile des Elkos getestet um eine gewisse Lagerzeit ohne Betrieb abzusichern.

Die Lebensdauer von Elektrolytkondensatoren mit flĂŒssigen Elektrolyten liegt im Bereich der sehr geringen, konstanten Ausfallrate in der Badewannenkurve. Durch ihren flĂŒssigen Elektrolyten nehmen Aluminium-Elektrolytkondensatoren in der Elektronik allerdings eine Sonderstellung ein. Der flĂŒssige Elektrolyt kann ĂŒber die Betriebszeit verdunsten und bestimmt damit die Funktionsdauer der Elkos.

Die elektrischen Parameter von Elektrolytkondensatoren Ă€ndern sich wĂ€hrend einer LebensdauerprĂŒfung

Das obige Bild zeigt ein Beispiel der Änderungen der Kennwerte durch Verdunstung des Elektrolyten bei einer getesteten Charge von Elektrolytkondensatoren wĂ€hrend einer 2000 h DauerspannungsprĂŒfung bei 105 Â°C. Der Vorgang der Austrocknung von Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit flĂŒssigem Elektrolyten, der auch durch eine bestmögliche Abdichtung durch die Gummistopfendichtung nicht verhindert werden kann, wird ĂŒber die Diffusion von Gasen in erster Linie durch die Temperatur des Kondensators bestimmt. Die Diffusion nimmt mit steigender Temperatur zu. Parallel dazu fĂŒhren spannungsabhĂ€ngige chemische VorgĂ€nge im Elko, besonders bei Elektrolytsystemen mit einem hohen Wasseranteil, ĂŒber einen erhöhten Reststrom zu einem zusĂ€tzlichen Elektrolytverbrauch.

Mit abnehmender Elektrolytmenge Ă€ndern sich, wie im Bild gezeigt, die elektrischen Parameter der Kondensatoren, die KapazitĂ€t verringert sich und der Ă€quivalente Serienwiderstand ESR sowie der Scheinwiderstand nehmen zu. [10] Diese Änderungen elektrischer Parameter beeinflussen zunĂ€chst die FunktionsfĂ€higkeit der Kondensatoren nicht. Erst wenn bestimmte Grenzwerte ĂŒber- bzw. unterschritten werden, es zu sogenannten „ÄnderungsausfĂ€llen“ kommt, kann es unter UmstĂ€nden in einer Schaltung zu Problemen fĂŒhren. Die Ausfallgrenzen der ÄnderungsausfĂ€lle sind in der DIN EN (IEC) 60384-4-1spezifiziert. Typische Ausfallgrenzen sind eine Verringerung der KapazitĂ€t um mehr als 30 % vom Anfangswert und ein Anstieg des ESR bzw. des Verlustfaktors um mehr als den Faktor 3 gegenĂŒber dem Anfangswert. Mit Beginn des Auftretens von ÄnderungsausfĂ€llen endet der Bereich der konstanten Ausfallrate, das Ende der Lebensdauer der Kondensatoren ist erreicht.

Die Verdunstung des Elektrolyten und die damit verbundene Diffusion von Gasen aus dem Elko heraus ist temperaturabhĂ€ngig. Die LebensdauerprĂŒfungen der Hersteller werden aber immer bei der oberen Grenztemperatur (oder um die Rippelstromtemperatur darĂŒber) durchgefĂŒhrt. Ein Betrieb der Kondensatoren bei einer geringeren Temperatur fĂŒhrt aber zu einer geringeren Diffusionsrate des Elektrolyten, also zu einer lĂ€ngeren Lebensdauer. Die damit verbundene VerlĂ€ngerung der Lebensdauer wird in den DatenblĂ€ttern vieler Hersteller weltweit meist durch die sogenannte 10-Grad-Regel (Arrhenius-Regel, RGT-Regel) beschrieben, die eine Verdoppelung der Lebensdauer pro 10 Â°C Temperaturminderung ergibt, ohne allerdings eine SpannungsabhĂ€ngigkeit mit zu berĂŒcksichtigen:

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

Wenn fĂŒr die Umgebungstemperatur Tamb an dieser Stelle der Formel eine am Elko-Becher gemessene Bechertemperatur eingesetzt wird, dann wird auch ein anderer als der spezifizierte Rippelstrom das den berechneten Lebensdauerwert beeinflussen, er darf nur nicht grĂ¶ĂŸer als der Datenblattwert sein. Der Einfluss des Rippelstromes kann allerdings auch durch die erweiterte 10-Grad-Regel berĂŒcksichtigt werden:

L_x =L_0\cdot 2^\frac{T_0-T_A}{10}\cdot2^\frac{\Delta T_m-\Delta T_A}{10}
  • ΔTm = Temperaturdifferenz (K) beim Datenblattwert des Rippelstromes und bei der maximalen Kategorietemperatur.

Diese Temperaturdifferenz ist Baureihen- und HerstellerabhĂ€ngig. Es sind Werte zwischen 3 K bis 10 K möglich. Üblich sind 10 K fĂŒr 85 Â°C-Elkos, 5 K fĂŒr 105 Â°C-Elkos und 3 K fĂŒr 125 Â°C-Elkos

  • ΔT Temperaturdifferenz (K) beim aktuellen Rippelstrom. Diese Temperaturdifferenz kann mit Hilfe der folgenden Formel abgeschĂ€tzt werden:
\Delta T = \Delta T_m\cdot\left[\frac{I_\text{R Appl}}{I_\text{R Spec}}\right] ^2

I RAppl : Aktueller Ripplestrom (A) I RSpec : Datenblattwert des Rippelstromes (A) bei der maximalen Kategorietemperatur Die 10-Grad-Regel gilt nur, wenn sie vom jeweiligen Elko-Hersteller bestĂ€tigt wird [11] [12]. Denn einige Hersteller spezifizieren durchaus andere Lebensdauer-Berechnungsformeln, mitunter sogar unterschiedliche Formeln fĂŒr verschiedene Baureihen. [13] [14]

Generell aber haben die auf der 10-Grad-Regel basierenden Formeln einen Nachteil. In ihnen ist kein Korrekturglied fĂŒr eine SpannungsabhĂ€ngigkeit der Lebensdauer der Kondensatoren enthalten. Dies mag fĂŒr Baureihen mit einem organischen Lösungsmittel als Elektrolyten auch richtig sein, aber wenn der Elektrolyt Wasser enthĂ€lt, kann ĂŒber einen leicht erhöhten Reststrom die anliegende Spannung durchaus einen gewissen Einfluss auf die Elko-Lebensdauer haben. DarĂŒber hinaus gibt es bei einigen Herstellern Ergebnisse aus langjĂ€hrigen LebensdauerprĂŒfungen, die belegen, dass die 10-Grad-Regel nicht ĂŒber den gesamten Temperaturbereich gilt, sondern sich in einen Bereich von 8 bis 14 Grad bewegt. Deshalb spezifizieren einige Hersteller anstatt von Formeln sogenannte Lebensdauerdiagramme [15][16][17][18], aus denen fĂŒr jede Baureihe aus einem Diagramm die Elko-Lebensdauer fĂŒr unterschiedliche Belastungen ablesbar ist. Ein weiterer Vorteil solcher Diagramme ist, dass in ihnen auch eine Rippelstrom-Überlastung spezifiziert werden kann und in ihnen ablesbar ist.

Im Allgemeinen kann fĂŒr Aluminium-Elektrolytkondensatoren festgestellt werden, dass ihre ZuverlĂ€ssigkeit durchaus im Rahmen anderer elektronischer Bauelemente bewegt. AusfĂ€lle bei Elkos, sofern sie im Betrieb auftreten, sind meist durch eine ungenĂŒgende Lebensdauerberechnung begrĂŒndet. Die (langsame) Austrocknung des flĂŒssigen Elektrolyten fĂŒhrt meist nur zu (langsamen) Änderungen der elektrischen Parameter des Kondensators. Bei den heutigen hohen Reinheitsgraden in der Fertigung von Elektrolytkondensatoren ist auch bei einem vollstĂ€ndig ausgetrockneten Elko nicht mit einem Kurzschluss zu rechnen, sofern die Elektrolytkondensatoren mit einem Elektrolyten basierend auf organischen Lösungsmitteln versehen sind.

LagerfÀhigkeit, Nachformierung

Aus der Anfangszeit der Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit flĂŒssigem Elektrolyten stammt der auch heute noch weit verbreitete Hinweis, dass nach einer Lagerzeit von mehr als 2 Jahren die Elektrolytkondensatoren nachformiert werden mĂŒssten. Dies ist heutzutage meist nicht mehr notwendig. Viele Hersteller spezifizieren lĂ€ngere Lagerzeiten fĂŒr Al-Elektrolytkondensatoren im eingebauten Zustand. Heutige Angaben fĂŒr eine LagerfĂ€higkeit von Elektrolytkondensatoren von maximal 2 Jahren beziehen sich auf die LötfĂ€higkeit der AnschlĂŒsse, die durch Luftoxidation bei industriellen Lötverfahren problematisch werden kann. Allerdings kann es speziell bei Al-Elkos mit wasserhaltigem Elektrolyten auch heute noch vorkommen, durch die chemische AggressivitĂ€t des Wassers gegenĂŒber Aluminium die Oxidschicht auf der Anodenfolie durch eine lange Lagerzeit geschwĂ€cht wird. Bei diesen Elektrolytkondensatoren wird beim Einschalten nach einer Lagerzeit von mehr als 2 Jahren der Reststrom des Kondensators stark erhöht gegenĂŒber dem Datenblattwert sein. Unter UmstĂ€nden, wenn die Oxidschicht sehr stark geschwĂ€cht ist und die Stromquelle beim Einschalten niederohmig ist, kann es dann sogar zum Kurzschluss im Kondensator und dem Platzen des Elkos kommen.

Erkannt werden kann ein Elektrolytkondensator mit geschwĂ€chtem Dielektrikum am Reststrom. Liegt der Reststrom deutlich höher als der Datenblattwert, dann sollte eine Nachformierung erfolgen. Das Nachformieren eines Aluminium-Elektrolytkondensators erfolgt durch Anlegen einer Spannung (maximal der Nennspannung) ĂŒber einen Vorwiderstand zur Strombegrenzung. Durch die Nachformierung kann der Kondensator auf die ursprĂŒngliche Spannungsfestigkeit und einen niedrigen Reststromwert regeneriert werden. FĂŒr den Hausgebrauch hat sich als Vorwiderstand eine GlĂŒhbirne bewĂ€hrt. Am dunkler werdenden Leuchten der GlĂŒhbirne ist die ansteigende Spannungsfestigkeit der Anode beim Nachformieren gut zu beobachten. Der nachformierte Kondensator sollte dann einige Zeit an Nennspannung bleiben.

Achtung!

Bei in Reihe geschalteten Kondensatoren, wie sie oft z. B. in Frequenzumrichtern ab 400 V Netzanschlussspannung vorkommen, darf das Nachformieren nur bei vorhandener Symmetrierung der Elkos mittels SymmetrierwiderstĂ€nden erfolgen.

Kennzeichnung

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

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

”47 = 0,47 ”F
4”7 = 4,7 ”F
47” = 47 ”F

Das Herstelldatum (Date Code) wird oft entsprechend internationaler Normen in abgekĂŒrzter 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 usw.
Monatscode: "1" bis "9" = Januar bis September, "O" = Oktober, "N" = November, "D" = Dezember
Beispiel: "U5" ist 2006, Mai

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

PolaritÀt

Kennzeichnung der PolaritÀt an verschiedenen Bauformen von Aluminium-Elektrolytkondensatoren

Bei Aluminium-Elektrolytkondensatoren wird der negative Anschluss, die Kathode, mit einem Minusbalken gekennzeichnet. Damit unterscheidet sich die Kennzeichnung der PolaritĂ€t des grĂ¶ĂŸten Teils der "Alu-Elkos" von der Kennzeichnung der Tantal-Elektrolytkondensatoren, bei denen die Anode, der Plus-Anschluss, gekennzeichnet wird. ZusĂ€tzlich wird allerdings die liegende Bauform (axiale Bauform) von einigen Herstellern teilweise auch noch mit umlaufenden Plus-Zeichen versehen. Auch bei den grĂ¶ĂŸeren Bauformen von Aluminium-Elektrolytkondensatoren wie bei den Snap-In-Elkos und den Schraubanschluss-Elkos wird hĂ€ufig noch eine zusĂ€tzliche PolaritĂ€tskennzeichnung in Form einer PrĂ€gung an den AnschlĂŒssen angebracht.

Die schwarze Markierung auf dem GehÀuse der Polymer-Chips kennzeichnet den Anodenanschluss.

Achtung, Ausnahme: Bei den quaderförmigen Aluminium-Polymer-Chip-Elektrolytkondensatoren (Polymer-Chips) wird, wie bei den Tantal-Chips, der positive Anschluss mittels eines Balkens (Farbstrich) am GehÀuse gekennzeichnet. Dieser Balken kann leicht mit einem Minuszeichen verwechselt werden, was nicht geschehen darf.

Falschpolung

Einzelteile eines explodierten Elektrolytkondensators, (Teile beschriftet)

Aluminium-Elektrolytkondensatoren sind, mit der Ausnahme der recht selten eingesetzten bipolaren Elektrolytkondensatoren, gepolte Kondensatoren, die nur mit Gleichspannung betrieben werden dĂŒrfen. Die Anode ist der Pluspol. Falschpolung, zu hohe anliegende Spannung oder Rippelstrom-Überlastung fĂŒhrt zur Zerstörung der Kondensatoren. Sie können sogar explodieren. Das Bild rechts zeigt die Überreste eines durch Falschpolung explodierten Aluminium-Elektrolytkondensators.

Schaltzeichen

Schaltzeichen von Elektrolytkondensatoren

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

Normung

Die Bedingungen fĂŒr die PrĂŒfungen und Messungen der elektrischen Parameter der Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit flĂŒssigem Elektrolyten sind festgelegt in der Fachgrundspezifikation:

  • EN 60384-1 (VDE 0565-1),(IEC 60384-1), Festkondensatoren zur Verwendung in GerĂ€ten der Elektronik

sowie in den Rahmenspezifikationen:

  • IEC 60384-4, Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit festem oder flĂŒssigem Elektrolyten
  • IEC 60384-18, OberflĂ€chenmontierbare Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit festem oder flĂŒssigem Elektrolyten

Anwendungen

Typische Applikationen fĂŒr Al-Elektrolytkondensatoren mit flĂŒssigem Elektrolyten sind:

  • GlĂ€ttungs- und Pufferkondensator zur GlĂ€ttung bzw. Siebung von gleichgerichteten Wechselspannungen.
  • Sieben von Wechselspannungsanteilen innerhalb einer Schaltung (Ableitung von Wechselströmen) z. B. in DC/DC-Wandlern
  • Puffern von Gleichspannungsversorgungen bei LastĂ€nderungen
  • Zwischenspeicher fĂŒr PFC-Schaltungen (power factor control, dt. Â»Leistungsfaktor-Verbesserung«) in Frequenzumformern und unterbrechungsfreien Stromversorgungen (USV)
  • Ein- und Auskoppeln von Wechselspannungssignalen zum Beispiel in NiederfrequenzverstĂ€rkern, wenn ein Potentialunterschied vorliegt (level shifting). Dabei ist zu beachten, dass die Elektrolytkondensatoren eine entsprechende Vorspannung benötigen
  • Energiespeicher, z. B. in ElektronenblitzgerĂ€ten
  • Ladungssammler in Zeitgliedern, z. B. in Blinkern
  • Bipolare (ungepolte) Elektrolytkondensatoren als Anlasskondensator fĂŒr Asynchronmotoren
  • Tonfrequenzkondensatoren in Frequenzweichen von Lautsprecherboxen

Vor- und Nachteile

Vorteile:

  • Sehr preiswerte Kondensatoren mit sehr hohen KapazitĂ€ten pro Volumen.
  • Das Energiespeichervermögen pro Volumeneinheit wird nur von Doppelschicht-Kondensatoren (sog. Supercaps) ĂŒbertroffen, die jedoch nur strombegrenzt betrieben werden dĂŒrfen.
  • Der hohe KapazitĂ€tswert ermöglicht das Sieben auch relativ niedriger Störfrequenzen.
  • Der relativ hohe ESR-Wert eines einzelnen Elkos lĂ€sst sich durch Parallelschaltung mehrerer Bauteile preiswerter als mit anderen Lösungen reduzieren, sofern dafĂŒr Platz vorhanden ist.
  • FĂŒr Stromversorgungen mit Betriebsspannungen > 50 V bieten sog. „Nasse-Al-Elkos“ mit Nennspannungen bis 550 V die preiswertesten Lösungen
  • Ohne Strombegrenzung betreibbar

Nachteile:

  • Durch WĂ€rmeeinfluss begrenzte Brauchbarkeitsdauer/Lebensdauer. Die WĂ€rme kann auch durch höhere Rippelstrombelastung von Innen heraus entstehen.
  • Relativ hoher Reststrom, der sich allerdings nach lĂ€ngerer Betriebszeit deutlich reduziert.
  • Relativ schlechtes Tieftemperatur-Verhalten. Der Scheinwiderstand und der ESR sind bei -40 Â°C etwa 10mal höher als bei Raumtemperatur.
  • Sehr empfindlich gegenĂŒber mechanischen BeschĂ€digungen (Zug oder Druck an den AnschlussdrĂ€hten)
  • Sehr empfindlich gegenĂŒber Halogenen (Chlor, Brom). Schon geringe Mengen, die bei Kontaminierung auch durch die Abdichtung hindurch nach Innen gelangen können, können zu Korrosion und damit zur Zerstörung der Kondensatoren fĂŒhren
  • LĂ€ngere Spannungsbelastung in Falschpolrichtung zerstört den Kondensator unweigerlich, meist durch Explosion.

Aluminium-Elektrolytkondensator mit festem Braunstein-Elektrolyten

SAL-Elektrolytkondensatoren

Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit dem festen Elektrolyten Braunstein, SAL-Elkos genannt, bestehen aus geĂ€tzten und formierten gefalteten Aluminium-Streifen, in die der Elektrolyt mit einem pyrolytischen Verfahren hineingebracht wird und die mit einer LackumhĂŒllung zum Schutz gegen Ă€ußere EinflĂŒsse versehen werden.

Der feste Elektrolyt bietet eine sehr große LangzeitstabilitĂ€t der Kennwerte und eine sehr geringe AbhĂ€ngigkeit der Impedanz von der Temperatur. Außerdem besitzt das Dielektrikum Aluminium-Dioxid in Kombination mit dem Elektrolyten Braunstein eine verhĂ€ltnismĂ€ĂŸig hohe Falschpolspannungsfestigkeit, was ein wichtiges Argument gegen Tantal-Elkos war.

SAL-Elkos sind an ihrer typischen orange-roten LackumhĂŒllung leicht erkennbar.

Normung

Die Bedingungen fĂŒr die PrĂŒfungen und Messungen der elektrischen Parameter der Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit flĂŒssigem Elektrolyten sind festgelegt in der Fachgrundspezifikation:

  • EN 60384-1 (VDE 0565-1),(IEC 60384-1), Festkondensatoren zur Verwendung in GerĂ€ten der Elektronik

sowie in den Rahmenspezifikationen:

  • IEC 60384-4, Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit festem oder flĂŒssigem Elektrolyten
  • IEC 60384-18, OberflĂ€chenmontierbare Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit festem oder flĂŒssigem Elektrolyten

Anwendungen

  • Puffer- und Siebkondensator in Low-Drop-Wandlern in der Kfz-Elektronik
  • SekundĂ€r-Siebkondensator in miniaturisierten SMPS-AC-DC-Wandlern

Vor- und Nachteile

Vorteile:

  • SAL-Elkos haben deutlich geringere ESR-Werte als „Nasse Al-Elkos“.
  • Die Rippelstrombelastbarkeit der SAL-Elkos ist deutlich höher als die der „Nassen Al-Elkos“
  • SAL-Elkos haben ein gutes Tieftemperatur-Verhalten. Der Scheinwiderstand und der ESR sind bei −40 Â°C nur etwa 2-mal höher als bei Raumtemperatur.
  • SAL-Elkos können ohne Strombegrenzung betrieben werden (Schaltfest)
  • SAL-Elkos haben keine durch Verdunstung begrenzte Brauchbarkeitsdauer/Lebensdauer.
  • SAL-Elkos haben eine relativ hohe WiderstandsfĂ€higkeit gegenĂŒber Falschpolung

Nachteile:

  • SAL-Elkos sind teurer als „Nasse Al-Elkos“
  • SAL-Elkos sind ein single source-Produkt

Aluminium-Elektrolytkondensator mit festem TCNQ-Elektrolyten

OS-CON, TCNQ-Aluminium-Elektrolytkondensatoren

Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit festem TCNQ-Elektrolyten (TCNQ = Tetracyanchinodimethan), ein elektrisch leitfĂ€higes Salz, sind unter dem Namen „OS-CON“ bekannt. Sie sind wie herkömmliche „nasse“ Aluminium-Elkos als Wickel einer Anodenfolie und einer StromzufĂŒhrungsfolie mit einem Papierabstandshalter in einem Aluminiumbecher und einer entsprechenden Abdichtung aufgebaut. Als Elektrolyt wird in der Regel ein TCNQ-Salz-Komplex eingesetzt, z. B. Leiterplattenmontage und als oberflĂ€chenmontierbare SMD-Version.

Die LeitfĂ€higkeit des TCNQ-Salzes ist um etwa den Faktor 10 bis 100 grĂ¶ĂŸer als die herkömmlicher flĂŒssiger Elektrolyte in Al-Elkos und immerhin noch um den Faktor 10 besser als Braunstein. Weil dadurch bei den mit TCNQ-Elektrolyten versehenen Elkos die internen Verluste (ESR) bei höheren Frequenzen deutlich geringer als bei Aluminium- oder Tantal-Elkos sind, liegen die Vorteile dieser Kondensatoren in der höheren Belastbarkeit mit Rippelströmen bei gleichzeitig relativ kleinen Abmessungen.

Radiale TCNQ-Elkos von Sanyo (OS-CON) sind an ihrer lilafarbenen IsolierumhĂŒllung erkennbar.

Der Hersteller der OS-CON-Elektrolytkondensatoren mit dem TCNQ-Elektrolyten, (engl: organic semiciconductive electrolyte, organischer halbleitender Elektrolyt) Sanyo, hat fĂŒr Ende des Jahres 2010 diese Kondensatoren abgekĂŒndigt. Als Ersatz der TCNQ-Elkos werden Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit leitfĂ€higen Polymer-Elektrolyten (engl: conductive polymer electrolyte) vorgeschlagen, die allerdings ebenfalls mit der Familienbeziechnung „OS-CON“ angeboten werden.

Vorteile:

  • TCNQ-Elkos haben deutlich geringere ESR-Werte als „Nasse Al-Elkos“.
  • Die Rippelstrombelastbarkeit der TCNQ-Elkos ist deutlich höher als die der „Nassen Al-Elkos“
  • TCNQ-Elkos haben ein gutes Tieftemperatur-Verhalten. Der Scheinwiderstand und der ESR sind bei −40 Â°C nur etwa 2-mal höher als bei Raumtemperatur.
  • TCNQ-Elkos können ohne Strombegrenzung betrieben werden
  • TCNQ-Elkos haben keine durch Verdunstung begrenzte Brauchbarkeitsdauer/Lebensdauer.

Nachteile:

  • lĂ€ngere Spannungsbelastung in Falschpolrichtung zerstört unweigerlich den Kondensator.
  • TCNQ-Elkos sind teurer als „Nasse Al-Elkos“
  • TCNQ-Elkos mĂŒssen bei Parallelschaltung symmetriert werden

Aluminium-Elektrolytkondensator mit festem Polymer-Elektrolyten

Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit festem Polymer-Elektrolyten sind 1988 vom japanischen Hersteller Nitsuko mit der Bezeichnung „APYCAP“ als bedrahteten radiale Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit dem leitfĂ€higen Polymer Polypyrrol herausgebracht worden. Aber erst als 1991 der Hersteller Panasonic mit seinen „SP-Cap“ genannten Polymer-Elkos heraus kam, fand diese neue Technologie rasch Anerkennung.

Bedrahtete Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit festem Polymer-Elektrolyten sind wie herkömmliche „nasse“ Aluminium-Elkos als Wickel einer Anodenfolie und einer StromzufĂŒhrungsfolie mit einem Papier-Abstandshalter in einem Aluminium-Becher und einer entsprechenden Abdichtung aufgebaut. Der Polymer-Elektrolyt wird mit speziellen TrĂ€nkverfahren in die porige Struktur der Anode hineingebracht.

Polymer-Elkos gibt es auch fĂŒr OberflĂ€chenmontage. Hier werden eine oder mehrere Anodenfolien einseitig gemeinsam miteinander kontaktiert und geschichtet in die quaderförmige SMD-Bauform eingebracht.

Da leitfĂ€hige Polymere fast die LeitfĂ€higkeit von Metallen besitzen, können sie die Verluste in Elektrolytkondensatoren, die bei allen anderen Elko-Arten hauptsĂ€chlich im Elektrolyten auftreten, erheblich verringern. Heutzutage erreichen Aluminium-Polymer-Elektrolytkondensatoren ESR-Werte kleiner als 10 mΩ. Damit sind sie sogar gegenĂŒber keramischen Multilayer-Kondensatoren (MLCC) wettbewerbsfĂ€hig.

Normung

Die Bedingungen fĂŒr die PrĂŒfungen und Messungen der elektrischen Parameter der Elektrolytkondensatoren mit Polymer-Elektrolyten sind festgelegt in der Fachgrundspezifikation EN 60384-1 (VDE 0565-1), (IEC 60384-1) – Festkondensatoren zur Verwendung in GerĂ€ten der Elektronik – sowie in der Rahmenspezifikation

  • EN 60384-25 - OberflĂ€chenmontierbare Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit leitfĂ€higem Polymerfestkörper-Elektrolyten
  • EN 60384-26 - Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit leitfĂ€higem Polymerfestkörper-Elektrolyten

Alle genannten Normen sind national als DIN-Norm (Deutschland, OEVE/OENORM (Österreich) sowie SN in der Schweiz veröffentlicht.

Anwendungen

  • Puffer- und Siebkondensator in DC-DC-Wandlern in KompaktgerĂ€ten, z. B. Autoradios, CD-Playern, Digitalkameras, Laptops
  • SekundĂ€r-Siebkondensator in miniaturisierten SMPS-AC-DC-Wandlern
  • Digital-Analog-Wandler

Vor- und Nachteile

Vorteile:

  • Polymer-Elkos haben deutlich geringere ESR-Werte als „Nasse Al-Elkos“.
  • Die Rippelstrombelastbarkeit der Polymer-Elkos ist deutlich höher als die der „nassen“ Al-Elkos
  • Polymer-Elkos haben ein gutes Tieftemperatur-Verhalten. Der Scheinwiderstand und der ESR sind bei −40 Â°C nur etwa 2 mal höher als bei Raumtemperatur.
  • Polymer-Elkos können ohne Strombegrenzung betrieben werden
  • Polymer-Elkos haben keine durch Verdunstung begrenzte Brauchbarkeitsdauer/Lebensdauer.

Nachteile:

  • lĂ€ngere Spannungsbelastung in Falschpolrichtung zerstört unweigerlich den Kondensator.
  • Polymer-Elkos sind teurer als „nasse“ Al-Elkos
  • Polymer-Elkos mĂŒssen bei Parallelschaltung symmetriert werden

Literatur

  • K. H. ThiesbĂŒrger: Der Elektrolyt-Kondensator. 4. Auflage, Roederstein, Landshut 1991 (OCLC 313492506).
  • J. D. Moynihan: Theory, Design and Application of Electrolytic Capacitors. 1982 (OCLC 17158815).
  • D. NĂŒhrmann: Das komplette Werkbuch Elektronik. Franzis, Poing 2002, ISBN 3-772-36526-4.
  • O. Zinke; H. Seither: WiderstĂ€nde, Kondensatoren, Spulen und ihre Werkstoffe. Springer, Berlin 1982, ISBN 3-540-11334-7.
  • K. Leucht: Kondensatorkunde fĂŒr Elektroniker, Franzis Verlag, MĂŒnchen 1981, ISBN 3-7723-1491-0
  • J. Both: Knallige Belastungen – AusfĂ€lle von Elektrolytkondensatoren auf Mainboards. In: c’t. Nr. 21, 2003, S. 216ff.
  • J. Both: Tickende Zeitbomben. In: Elektronik Praxis. Nr. 18, 2004.
  • H-D. Langer: Festkörperelektrolytkondensatoren. Akademie-Verlag, Berlin 1982 (OCLC 74564862).
  • H. Yamamoto: Latest Trends in Specialty Polymer Capacitor Technology. In: Passive Component Industry. May/June 2006.
  • Masashi Oshima: Conductive Polymer Aluminum for Electrolytic Capacitor Technology. In: Passive Component Industries. July/August 2007,S. 14–15 (Online).
  • Valvo, Die Baureihe SAL-RP: Trockene Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit stabilen elektrischen Eigenschaften. TI Nr. 820129, 1982-

Einzelnachweise

  1. ↑ Charles Pollack: Elektrischen FlĂŒssigkeitskondensators mit Aluminiumelektroden Patentnummer 92564, Kaiserliches Patentamt, Deutschland, eingereicht am 14. Januar 1896, Patent erteilt am 19. Mai 1897.
  2. ↑ AusfĂŒhrliche Informationen zum Thema Reststrom bei Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit Hinweisen auf spezielle Applikationen (PDF)
  3. ↑ Christian Baur, Norbert Will: LangzeitstabilitĂ€t von Alu-Elkos -Rasten ohne Folgen. Juli 2007
  4. ↑ DIN EN 60384-4-1, Festkondensatoren zur Verwendung in GerĂ€ten der Elektronik, Teil 4-1: Bauartspezifikation, Aluminium-Elektroly-Kondensatoren mit flĂŒssigen Elektrolyten, Beuth Verlag, [www.beuth.de]
  5. ↑ DIN EN 61709, Bauelemente der Elektronik, ZuverlĂ€ssigkeit, Referenzbedingungen fĂŒr Ausfallraten und Beanspruchungsmodelle zur Umrechnung, Beuth Verlag, [www.beuth.de]
  6. ↑ E. Schwarz/Siemens AG, EinfĂŒhrung in die DIN EN 61709 : 1998, Bauelemente der Elektronik - ZuverlĂ€ssigkeit –Referenzbedingungen fĂŒr Ausfallraten und Beanspruchungsmodelle zur Umrechnung (PDF)
  7. ↑ Hitachi aic-europe, Explanations to the useful life, ErlĂ€uterungen zur Brauchbarkeitsdauer (PDF)
  8. ↑ Arne Albertsen, Jianghai Europe GmbH, ZuverlĂ€ssigkeit von Elektrolytkondensatoren (PDF)
  9. ↑ Sam G. Parler, Cornell Dubilier, Reliability of CDE Aluminum Electrolytic Capacitors (PDF)
  10. ↑ NCC/ECC Reliability Data (PDF)
  11. ↑ Panasonic (10-Grad-Regel) (PDF)
  12. ↑ NIC Life expectancy of aluminum electrolytic capacitors (rev.1)http://www.niccomp.com/Products/General/Alumlyticlifeexpect.pdf]
  13. ↑ NCC Technical Note, Cat. No. 1001L (PDF)
  14. ↑ Rubycon, LIFE OF ALUMINUM ELECTROLYTIC CAPACITORS, Page 9, (PDF)
  15. ↑ Arne Albertsen, Elko-LebensdauerabschĂ€tzung, Jianghai Europe GmbH (PDF)
  16. ↑ Vishay BCc, Baureihe 150 RMI (PDF)
  17. ↑ TDK Epcos, Lebensdauer (PDF)
  18. ↑ Snap-In HU. aic-europe.com. Abgerufen am 7. August 2011.

Weblinks

Weblinks von grĂ¶ĂŸeren bzw. deutschen Al-Elko-Herstellern

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