Aluminium-Elektrolytkondensator

Ein Aluminium-Elektrolytkondensator ist ein Kondensator, dessen Anodenelektrode aus dem Ventilmetall Aluminium besteht, auf dem durch ein spezielles Verfahren, das anodische Oxidation oder Formierung genannt wird, eine gleichmäßige Aluminium-Oxidschicht als Dielektrikum erzeugt wird. Ein leitfähiges Material, der Elektrolyt, der aus einer Flüssigkeit, einem leitfähigem Salz oder einem leitfähigem Polymer bestehen kann, bildet die Kathode des Kondensators. Sie passt sich der Struktur der Anodenfolie und des darauf befindlichen Dielektrikums vollständig an. Der Elektrolyt muss dann mit geeigneten Mitteln dann mit dem äußeren Kathodenanschluss kontaktiert werden.

Im Bild ist das Grundprinzip der anodischen Oxidation dargestellt. Eine in einem Elektrolytbad getauchte Aluminiumfolie wird beim Anlegen einer Stromquelle in richtiger Polarität auf der Aluminium-Oberfläche eine Oxidschicht Al₂O₃ ausbilden.

Die Spannungsfestigkeit der Oxidschicht von Aluminium-Elektrolytkondensatoren auch kurz „Elko“ genannt, ist mit etwa 700 V/µm sehr hoch. Im Fomierverfahren wird die Dicke der Oxidschicht gezielt der geforderten Spannungsfestigkeit des Kondensators hergestellt. Ein 10-V-Elko besitzt ein Dielektrikum mit der Schichtdicke von etwa nur 0,014 µm. Damit können äußerst dünne Dielektrika erzeugt werden und da außerdem noch die Oberfläche der Aluminium-Elektrode chemisch stark aufgerauht wird, ergibt sich eine sehr hohe spezifische Kapazität pro Bauvolumen.

Aluminium-Elektrolytkondensatoren sind gepolte Kondensatoren, die Anodenfolie bildet den Pluspol. Falschpolung, zu hohe anliegende Spannung oder Überlastung mit zu hohem Rippelstrom führt zur Zerstörung der Kondensatoren. Sie können sogar explodieren.

Bipolare Elektrolytkondensatoren, die keine polare Vorzugsrichtung haben und nicht gepolt eingebaut werden dürfen, bestehen aus zwei in Gegenpolung aufgebauten gepolten Anodenfolien.

Aluminium-Elektrolytkondensatoren zeichnen sich, verglichen mit anderen Elektrolytkondensatoren, durch ein besonders preisgünstiges und leicht zu verarbeitendes Grundmaterial aus. Sie bieten neben der hohen spezifische Kapazitätswerte pro Bauvolumen deshalb eine überaus große Bauformen- und vor allem Baugrößenvielfalt auf.

Auf dem Gebiet der Aluminium-Elektrolytkondensatoren haben sich im Laufe der Zeit vier unterschiedliche Kondensatorarten herausgebildet: Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit flüssigem Elektrolyten, mit festem Braunstein-Elektrolyten, mit festem TCNQ-Elektrolyten und mit festem Polymer-Elektrolyten.

Kennwerte der unterschiedlichen Aluminium-Elko-Familien

Anodenmaterial	Elektrolyt	Kapazitätsbereich in µF	max. Spannungsfestigkeit bei 85 °C in V	max. Kategorietemperatur in °C	Ripplestromdichte in mA/mm3
Aluminiumfolie	flüssig, 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, leitfähiges Polymer	10 - 1500	25	125	10 - 30

Übersicht über die wichtigsten Kennwerte-Grenzen der heutigen Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit den unterschiedlichen Elektrolytsystemen

Ripplestrom bei 100 kHz und 85 °C / Bauvolumen)

Inhaltsverzeichnis 1 Aluminium-Elektrolytkondensator mit flüssigem Elektrolyten 1.1 Historie 1.2 Aufbau 1.3 Flüssiger Elektrolyt 1.4 Elektrolyt als Fehlerquelle: „bad caps“ 1.5 Gehäuse 1.6 Bauformen 1.7 Besonderheiten der elektrischen Kennwerte von Elektrolytkondensatoren 1.7.1 Kapazität 1.7.2 Kapazitätstoleranz 1.7.3 Spannungsfestigkeit 1.7.4 Strombelastbarkeit 1.7.5 Schaltfestigkeit 1.7.6 Lebensdauer 1.7.7 Scheinwiderstand, Impedanzverhalten 1.7.8 Reststrom, Leckstrom 1.7.9 Nachladeeffekt (dielektrische Absorption) 1.8 Kennzeichnung 1.8.1 Polarität 1.9 Schaltbild 1.10 Normung 1.11 Anwendungen 1.12 Vor- und Nachteile 1.13 Quellen 2 Aluminium-Elektrolytkondensator mit festem Braunstein-Elektrolyten 2.1 Normung 2.2 Anwendungen 2.3 Vor- und Nachteile 2.4 Quellen 3 Aluminium-Elektrolytkondensator mit festem TCNQ-Elektrolyten 3.1 Anwendungen 3.2 Vor- und Nachteile 3.3 Quelle: 4 Aluminium-Elektrolytkondensator mit festem Polymer-Elektrolyten 4.1 Normung 4.2 Anwendungen 4.3 Vor- und Nachteile 4.4 Quellen:

Aluminium-Elektrolytkondensator mit flüssigem Elektrolyten

Historie

Der „Flüssigkeitskondensators mit Aluminiumelektroden“, später „Elektrolytkondensator“ genannt, wurde 1896 von Charles Pollak erfunden. 1897 erhielt er dafür vom Kaiserlichen Patentamt in Frankfurt das Patent mit der Nummer DRP 92564.

Weitere Informationen zur Historie siehe Elektrolytkondensatoren

Aufbau

Aluminium-Elektrolytkondensator mit flüssigem Elektrolyt sind die bekanntesten und markantesten Elektrolytkondensatoren. Auf fast allen Platinen elektronischer Geräte sind diese Bauteile zu finden.

Grundmaterial der Al-Elkos ist die Anodenfolie aus hochreinem Aluminium. Diese Anodenfolie wird in einem elektro-chemischen Prozess aufgerauht um die wirksame Anodenoberfläche zu vergrößern. Nach dem Aufrauhen wird die Anode „formiert“, d. h. es wird durch Anlegen einer Stromquelle in richtiger Polarität auf der Aluminium-Oberfläche eine Oxidschicht Al₂O₃ ,das Dielektrikum des Kondensators, aufgebracht. Die durch die Aufrauhung erzielbare Vergrößerung der Oberfläche geht heutzutage bis etwa Faktor 150 gegenüber einer glatten Oberfläche. Im unteren Bild rechts ist das Schliffbild einer hoch aufgerauhten 10 V-Anodenfolie von 100 µm Dicke zu sehen. Im linken Bild sieht man einen Ultradünnschnitt einer Aluminiumpore in einer Anodenfolie in etwa 100000-facher Vergrößerung. Hell ist die Pore zu erkennen. Der Elektrolyt im Elko, die Kathode, wird später während der Fertigung des Kondensators tief in die Strukturen der Aufrauhung bis in die feinsten Poren hinein eindringen.

Aufgebaut werden Aluminium-Elektrolytkondensatoren als Wickelkondensatoren mit der hoch aufgerauhten und formierten Aluminium-Anodenfolie, einer Papier-Zwischenlage als Reservoir des Elektrolyten, einer zweiten Aluminiumfolie, die fälschlicherweise immer „Kathodenfolie“ genannt wird aber lediglich die Funktion einer Stromzuführung besitzt und einer weiteren Papierfolie als Schutz.

Dieser Wickel mit den herausgeführten Anschlüssen wird mit dem Elektrolyten getränkt, in einen Aluminium-Becher eingebaut, mit einer Dichtscheibe versehen und mechanisch durch Bördeln fest verschlossen.

Der Metallbecher eines Al-Elkos ist über einen nicht definierbaren Elektrolytwiderstand mit der Kathode verbunden. Nur in seltenen Fällen, z. B. bei der axialen Bauform ist der Becher direkt leitend mit der Kathode verbunden. Der Aufbau eines Aluminium-Elektrolytkondensators bestimmt natürlich auch das elektrische Verhalten des Kondensators. Da zur Kontaktierung des flüssigen Elektrolyten eine zweite Aluminiumfolie im Wickel benötigt wird, diese aber mit einer natürlichen isolierenden Luftoxidschicht bedeckt ist, besteht diese Konstruktion im Grunde aus zwei in Serie geschalteten Einzelkondensatoren. Die Gesamtkapazität des Kondensators C wird deshalb nur dann von der Größe der Anodenkapazität C_Anode bestimmt, wenn die Kathodenkapazität C_Kathode sehr groß gegenüber C_Anode ist.

Flüssiger Elektrolyt

Seinen Namen hat der Elektrolytkondensator vom Elektrolyten, der leitfähigen Flüssigkeit im Kondensator, die die eigentliche Kathode des Kondensators bildet. Die wichtigste elektrische Eigenschaft eines Elektrolyten im Elektrolytkondensator ist deshalb seine elektrische Leitfähigkeit, die bei Flüssigkeiten physikalisch eine Ionen-Leitfähigkeit ist. Ein Elektrolyt besteht immer aus einem Gemisch von Lösungsmitteln und Zusatzstoffen zur Erfüllung der gegebenen Anforderungen bzw. der gewünschten Zielsetzungen.

An die Betriebselektrolyte werden vielfältige Anforderungen gestellt, u. a. große Leitfähigkeit, Sauerstoff-Lieferant für Formierprozesse und Selbstheilung, möglichst großer Temperaturbereich, chemische Stabilität, Hoher Flammpunkt, chemische Verträglich¬keit mit Aluminium, und anderen, im Kondensator verwendeten Materialien, geringe Viskosität, Umweltverträglichkeit sowie geringen Kosten.

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

Wässerige Elektrolyte schwacher Säuren mit Zusätzen von Äthylen-Glykol (Wasser-Glykol-Elektrolyte), geeignet für Anwendungen bis maximal 105 °C für sog. Low-ESR-Elkos

Wasserfreie Lösungs-Elektrolyte auf Basis von z. B. N,N-Dimethylformamid oder N,N-Dimethylacetamid geeignet für Anwendungen bis etwa 105 °C und gutem Langzeitverhalten

Wasserfreie Lösungs-Elektrolyte, auf Basis von y-Butyrolacton-Basis, geeignet für Anwendungen bis etwa 125 °C, letztere führen zu Elektrolytkondensatoren mit sehr gutem Langzeitverhalten.

Da die Elektrolytmenge 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 (Lebensdauer) von „nassen Elkos“ begrenzt.

Elektrolyt als Fehlerquelle: „bad caps“

Im Bild links sind Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit geöffneten Sollbruchstellen im Becher, sog. "bad caps" zu sehen. Der ausgetretene Elektrolyt ist als bräunliche Verkrustung auf dem Elko-Becher sichtbar

Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit flüssigem Elektrolyten sind immer wieder durch Korrosion ausgefallen. Chlor-Korrosion, verursacht durch Chlor aus halogenhaltigen Waschmittelbädern, war Ursache in den 1970er und 1980er Jahren für viele Elko-Ausfälle im Feld. Seitdem die chlorierten Kohlenwasserstoffe in der Industrie verboten wurden, tauchen diese Ausfälle nicht mehr auf.

Ein andere Fall liegt erst einige Jahre zurück und ist im Internet unter „bad caps“ zu finden. Hier war die Ursache eine Hydroxidbildung“, eine durch Wasser im Elektrolyten verursachte spezielle Form der Korrosion. Sie trat auf, weil einige chinesischer Hersteller bei einer Raubkopie eines niederohmigen wasserhaltigen Elektrolyten wichtige Inhaltsstoffe nicht mit kopiert hatten. Durch die Hydroxidbildung wurden tausende von PCs durch platzende Elkos zerstört.

Gehäuse

Aluminium-Elektrolytkondensatoren sind gepolte Kondensatoren, die Anodenfolie bildet den Pluspol. Falschpolspannung, zu hohe Spannung oder Rippelstrom-Überlastung führt zu einem starken Anstieg des Gasdruckes im Innern des Kondensator-Gehäuses. Steigt der Innendruck auf einen Wert, der vom Gehäuse nicht mehr gehalten werden kann, dann führt es durch Bersten (explodieren) oder Wegfliegen des Gehäuses zur Zerstörung der Kondensatoren. Um die Gefahr, die von einem Besten des Gehäuses ausgehen kann, zu begrenzen, müssen Al-Elkos mit flüssigem Elektrolyten ab einer bestimmten Größe ein Ventil aufweisen. Dieses können Kerben im Deckel oder in der Seitenwand des Gehäuses sein oder aber auch wieder verschließbare Ventile, z. B. bei Schraubanschluss-Elkos. Die Kerben im Gehäuse sind eine Sollbruchstelle, die bei internem Überdruck des Kondensators sich öffnen und für ein gezieltes Abblasen des Überdruckes sorgen. Falsch eingesetzte oder falsch dimensionierte Elektrolytkondensatoren bilden eine wesentliche Ursache für den Ausfall von Geräten in der Elektronik.

Bauformen

Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit flüssigem Elektrolyten weisen mehrere unterschiedliche Bauformen auf. Dieses resultiert einerseits aus den Anforderungen der Anwender nach einer bestimmten Montagemöglichkeit und andererseits 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 für eine stehende Einbauweise auf Leiterplatten Bauform mit Schraubanschlüssen für hohe Strombelastbarkeit

Besonderheiten der elektrischen Kennwerte von Elektrolytkondensatoren

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. Kennwerte heißen sie deswegen, weil die Kondensatoren für die Herstellung und die Anwendung „benannt“ werden müssen. Die elektrischen Kennwerte werden beschrieben durch ein idealisiertes Serien-Ersatzschaltbild eines Kondensators, in diesem Fall eines Elektolytkondensators.

Hierin sind: Kapazität C die ideale Kapazität des Kondensators, der Widerstand Rleakage, der den Reststrom bei Elektrolytkondensatoren repräsentiert, der RESR , der die ohmschen Verluste und die Induktivität LESL , die die Induktivität des Bauelementes zusammengefasst. Die ohmschen Verluste werden allgemein nur „ESR“ (Eqivalent Series Resistance, Äqivalenter Serienwiderstand) und die Induktivität nur „ESL“ (Equivalent Series Inductivity L, Äquivalente Serieninduktivität L) genannt. Die wichtigsten elektrischen Kennwerte für Kondensatoren sind: Die wesentlichen Kennwerte von Kondensatoren sind Kapazität und Spannungsfestigkeit. Beide Größen werden durch die verwendeten Materialien und deren Eigenschaften bestimmt.

Kapazität

Die Kapazität eines Elektrolytkondensators ist frequenzabhängig. Der Wert der Kapazität wird gemessen mit der Frequenz von 100/120 Hz. Hierin unterscheiden sich Elektrolytkondensatoren von anderen Kondensatorarten, deren Kapazität mit der Messfrequenz 1 kHz gemessen wird.

Kapazitätstoleranz

Die Kapazitätstoleranz von Elektrolytkondensatoren, früher -10/+50 % oder -10/+30 %, heute meist ±20 %, ist, verglichen mit den Kapazitätstoleranzen anderer Kondensatorfamilien, recht groß. Da Elektrolytkondensatoren aber nicht in frequenz-bestimmenden Schaltkreisen eingesetzt werden, wo enge Kapazitätstoleranzen gefordert werden, genügt die große Toleranzbreite, die überwiegend aus der Streuung des Aufrauhgrades der Anode stammt, meist voll den Anforderungen der für Elektrolytkondensatoren typischen Anwendungen.

Spannungsfestigkeit

Die Dicke des Dielektrikums des Elektrolytkondensators bestimmt seine Spannungsfestigkeit. Da diese Dicke gezielt für die Nennspannung des Kondensators hergestellt wird, führt ein Überschreiten der spezifizierten Spannungsgrenzen zur Zerstörung des Kondensators. D. h. weder die Nennspannung, die Spitzenspannung noch die Umpol- oder Falschpolspannung dürfen innerhalb des Nenntemperaturbereiches über- bzw. Unterschritten werden.

Strombelastbarkeit

Ein der Gleichspannung überlagerter Wechselstrom (Rippelstrom) bewirkt Lade- und Entladevorgänge im Elektrolytkondensator. Dieser Wechselstrom fließt über den ESR und führt zu Verlusten, die den Kondensator von Innen heraus erwärmen. Die internen Wärmeverluste sind frequenzabhängig. Die entstandene Wärme wird an die Umwelt abgegeben. Dieses hängt von den Maßen des Kondensators und weiteren Bedingungen, wie z. B. Zwangskühlung ab. Der spezifizierte Ripplestrom darf innerhalb des Nenntemperaturbereiches nicht überschritten werden. Ein Überschreiten der spezifizierten Rippelstromgrenze führt zur Zerstörung des Kondensators.

Schaltfestigkeit

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 Aluminium-Folie im Elko-Wickel, die sog. Kathodenfolie, die die Stromzuführung 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 2 Kondensatoren in Reihe bildet, denn die Luftoxidschicht auf der Katodenfolie ist ebenfalls ein Dielektrikum eines Kondensators. Aus dieser Konstruktion folgt, dass die Anode mit ihrer aufgerauhten Oberfläche nur dann maßgeblich die Gesamtkapazität des Kondensators bestimmt, wenn die Kathodenkapazität sehr groß gegenüber der Anodenkapazität ist. Dies kann ohne viel Aufwand erreicht werden, weil die Luftoxidschicht auf der Kathodenfolie sehr dünn ist (Spannungsfestigkeit etwa 2 V) und dadurch die Kapazität dieser Folie schon bei leichter Aufrauhung sehr groß werden kann. Wenn im Elko die Kathodenkapazität sehr groß gegenüber der Anodenkapazität ist, dann ist der Kondensator auch „schaltfest“. Wird diese Bedingung nicht eingehalten, dann würden vor Allem Ausschaltvorgänge zum langsamen Aufformieren der Kathodenfolie führen und die resultierende Gesamtkapazität des Kondensators würde langsam absinken.

Lebensdauer

Der Vorgang der Austrocknung von Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit flüssigem Elektrolyten durch Diffusion wird durch die chemischen Prozesse im Innern des Kondensators, durch die Qualität der Abdichtung und durch die auf den Kondensator einwirkende Wärme bestimmt. Meist wird die durch Austrocknung bedingte zu erwartende Lebensdauer mit dem sogenannten 10-Grad-Gesetz (Arrhenius-Gesetz) beschrieben. Das bedeutet, dass die Lebensdauer sich pro 10 °C Temperaturminderung verdoppelt.

Die Lebensdauer von Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit flüssigem Elektrolyten wird in Form einer Zeit/Temperatur-Angabe spezifiziert, beispielsweise: 2000 h/85 °C, 2000 h/105 °C, 5000 h/105 °C, 1000 h/125 °C. Sie gilt, sofern nicht anders angegeben, einschließlich der Strombelastung mit dem spezifizierten Rippelstrom.

Wenn man die Lebensdauer-Spezifikation von der oberen Temperaturgrenze mit dem 10-Grad-Gesetz auf normale Umgebungstemperaturen zurück rechnet, kommt man im Allgemeinen zu einer akzeptablen Gebrauchsdauer dieser Kondensatoren.

Die (langsame) Austrocknung des flüssigen Elektrolyten führt zu (langsamen) Änderungen der elektrischen Parameter des Kondensators. Die Kapazität nimmt ab, ESR und Verlustfaktor steigen an. Bei den heutigen hohen Reinheitsgraden in der Fertigung auch von Elektrolytkondensatoren ist auch bei einem vollständig ausgetrockneten Elko nicht mit einem Kurzschluss zu rechnen.

Scheinwiderstand, Impedanzverhalten

Besonderheit der Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit flüssigem Elektrolyten sind die relativ hohen Kapazitätswerte, die mit dieser Technologie erreicht werden können. Da diese Kondensatoren überwiegend in der Stromversorgung elektronische Schaltungen eingesetzt werden, hier oftmals die Netzfrequenz von 50/60 Hz in das elektrische Verhalten der Versorgungsspannung mit einfließt, müssen auch tiefe Frequenzen „gesiebt“ werden. Das Impedanzverhalten von Elkos mit ihrer hohen Kapazität kommt dieser Anwendung entgegen.

Typischer Verlauf des Scheinwiderstandes in Abhängigkeit von der Frequenz für verschiedene Kondensatorarten und Kondensatoren mit unterschiedlicher Kapazität. Je größer die Kapazität 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 flüssigem Elektolyten (im Bild mit „Al-Elko“ beschriftet).

Reststrom, Leckstrom

Eine Besonderheit bei Elektrolytkondensatoren ist der sogenannte Reststrom, früher auch Leckstrom genannt. Der Reststrom eines Elektrolytkondensators ist der Gleichstrom, der durch den Kondensator fließt, wenn eine Gleichspannung richtiger Polarität an die Anschlüsse angelegt wird. Der Reststrom beinhaltet alle durch chemische Prozesse und durch mechanische Beschädigungen des Dielektrikums verursachten unerwünschten Gleichströme, sowie durch Tunneleffekte verursachte Gleichströme, die das Dielektrikum passieren können. Der Reststrom ist kapazitäts-, spannungs-, zeit- und temperaturabhängig. Bei Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit flüssigem Elektrolyten ist der Reststrom auch noch abhängig von der vorangehenden Temperaturbelastung durch Löten und der vorangegangenen Lagerzeit. Spezifiziert wird der Reststrom meist durch eine Multiplikation des Nenn-Kapazitätswertes und der Nennspannung, zu dem noch ein kleiner Festwert addiert wird. Zum Beispiel: I leak = CN • UN + 0,4 (µA). Dieser Wert ist nach der vorgeschriebenen Messzeit von z. B. 2 oder 5 Minuten einzuhalten. Bedingt durch Selbstheilungseffekte in Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit flüssigem Elektrolyten wird der Reststrom normalerweise immer geringer, je länger der Kondenstor an Spannung liegt. Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit flüssigem Elektrolyten hatten bis in die 60er Jahre Probleme mit dem Reststromverhalten. Es waren hauptsächlich Korrosionsprobleme, hervorgerufen durch Verunreinigungen mit Chlor und/oder wasserbedingte Korrosion, die Hydroxidbildung. Die Korrrosion machte sich durch stark erhöhte Reststromwerte bemerkbar. Heutzutage können Al-Elkos fehlerfrei hergestellt und geliefert werden. Reststromprobleme, z. B. nach längerer Lagerzeit (> 1 Jahr) kommen normalerweise heutzutage nicht mehr vor.

Nachladeeffekt (dielektrische Absorption)

Waren Kondensatoren einmal geladen und werden sie dann vollständig entladen können sie anschließend ohne äußeren Einfluss eine Spannung aufbauen, die an den Anschlüssen gemessen werden kann. Dieser Nachladeeffekt ist als dielektrische Absorption oder als dielektrische Relaxation bekannt. Ein geladener Kondensator hat elektrische Raumladungen (elektrische Dipole) im Dielektrikum. Mit einer Entladung des Kondensators werden nicht alle Raumladungen gelöscht, einige Dipole verbleiben infolge ihrer Trägheit im geladenen Zustand. Diese Dipole entladen sich nach einiger Zeit spontan, dadurch bildet sich an nicht kurzgeschlossenen Anschlüssen des Kondensators dann im Verlauf des Raumladungsausgleiches eine steigende Spannung aus. 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 (sogar einige -zig Volt) führen, die eine Gefährdung darstellen können: Es können dadurch Schäden an Halbleitern oder Funkenbildung beim Kurzschließen von Anschlüssen verursacht werden. Aber auch in Messschaltungen ist dieser Effekt eher unerwünscht, da er zu falschen Messergebnissen führt.

Kennzeichnung

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 DIN 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 wird oft entsprechend internationaler Normen in abgekürzter Form aufgedruckt. Version 1: Codierung mit Jahr/Woche, „0708“ ist dann 2007, 8. Kalenderwoche Version 2: Codierung mit Jahrescode/Monatscode Jahrescode: „R“ = 2003, „S“= 2004, „T“ = 2005, „U“ = 2006, „V“ = 2007, usw. Monatscode: „1“ bis „9“ = Jan. bis Sept., „O“ = Oktober, „N“ = November, „D“ = Dezember

“U5“ ist dann 2005, Mai

Polarität

Achtung, böse Falle! Bei Aluminium-Elektrolytkondensatoren wird normalerweise, anders als bei Tantal-Elkos der Kathodenanschluss mit einem Minus-Balken oder Minus-Aufdruck gekennzeichnet.

Schaltbild

Elektrische Schaltbilder von Elektrolytkondensatoren.

Im Schaltsymbol 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 2 Anodenfolien aufgebaut. Deshalb wird des Schaltsymbol mit 2 hohlen Rechtecken gebildet.

Normung

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

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

sowie in den Rahmenspezifikationen:

IEC 60384-4, Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren mit festem oder flüssigem Elektrolyten

IEC 60384-18, Oberflächenmontierbare Aluminium Elektrolytkondensatoren mit festem oder flüssigem Elektrolyten

Anwendungen

Typische Applikationen für Al-Elektrolytkondensatoren mit flüssigem Elektrolyten sind:

• Glättungs- und Bufferkondensator zur Glättung bzw. Siebung von gleichgerichteten Wechselspannungen.
• Sieben von Wechselspannungsanteilen innerhalb einer Schaltung (Ableitung von Wechselströmen) z. B. in DC/DC-Wandlern
• Puffern von Gleichspannungsversorgungen bei Laständerungen
• Zwischenspeicher für PFC-Schaltungen (Power Factor Control = Leistungsfaktor-Verbesserung) in Frequenzumformern und unterbrechungsfreien Stromversorgungen (USV)
• Ein- und Auskoppeln von Wechselspannungssignalen zum Beispiel in Niederfrequenzverstärkern, wenn ein Potentialunterschied vorliegt (level shifting). Hierbei ist zu beachten, dass die Elektrolytkondensatoren eine entsprechende Vorspannung benötigen
• Energiespeicher, z.B. in Elektronenblitzgeräten
• Ladungssammler in Zeitgliedern, z. B. in Blinkern
• Bipolare (ungepolte) Elektrolytkondensatoren als Anlasskondensator für Asynchronmotoren
• Tonfrequenzkondensatoren in Frequenzweichen von Lautsprecherboxen
• Motor-Startkondensatoren (Anlasskondensator) für Asynchronmotoren

Vor- und Nachteile

Vorteile

• sehr preiswerte Kondensatoren mit sehr hohen Kapazitäten pro Volumen.
• Das Energiespeichervermögen pro Volumeneinheit wird nur von sog. Doppelschicht-Kondensator (sog. Supercaps) übertroffen, die jedoch nur strombegrenzt betrieben werden dürfen.
• 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 auf einen gewünschten Wert reduzieren sofern der Platz dafür vorhanden ist.
• Für Stromversorgungen mit Betriebsspannungen > 50 V bieten sog. „Nasse-Al-Elkos“ mit Nennspannungen bis 550 V die preiswertesten Lösungen
• ohne Strombegrenzung betriebbar

Nachteile

• durch Wärmeeinfluss begrenzte Brauchbarkeitsdauer/Lebensdauer. Die Wärme kann auch durch höhere Rippelstrombelastung von Innen heraus entstehen.
• relativ hohe Restströme, der sich allerdings nach längerer Betriebszeit deutlich reduziert.
• relativ schlechtes Tieftemperatur-Verhalten. Der Scheinwiderstand und der ESR sind bei -40 °C etwa 10mal 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 von Außen nach Innen gelangen können, können zur Korrosion und damit zur Zerstörung de Kondensatoren führen
• Längere Spannungsbelastung in Falschpolrichtung zerstört unweigerlich den Kondensator, meist durch Explosion.

Quellen

• K. H. Thiesbürger, Roederstein, Der Elektrolytkondensator, 1991
• A. Güntherschulze, H. Betz, Elektrolytkondensatoren, Verlag Herbert Cram, Berlin, 2. Auflage 1952
• Zinke, Seither, Widerstände, Kondensatoren, Spulen und ihre Werkstoffe, Springer-Verlag, Berlin 1982
• Handbuch der Elektronik, Franzis-Verlag, München 1979
• Nührmann, Werkbuch Elektronik, Franzis-Verlag München 1981
• Kurt Leucht, Kondensatorkunde für Elektroniker, Franzis Verlag, München,1981
• J. Both, Knallige Belastungen, c’t 2003, Heft 21
• J. Both, Tickende Zeitbomben, Elektronik Praxis Nr. 18, 2004

Aluminium-Elektrolytkondensator mit festem Braunstein-Elektrolyten

Aluminium-Elektrolytkondensator mit dem festen Elektrolyten Braunstein, SAL-Elkos genannt, bestehen aus geätzten und formierten gefalteten Aluminium-Streifen, in die in einem pyrolytischen Verfahren der Elektrolyt hineingebracht wird und die mit einer Lackumhüllung zum Schutz gegen äußere Einflüsse versehen werden.

Der feste Elektrolyt bietet eine sehr große Langzeitstabilität der Kennwerte und eine sehr geringe Abhängigkeit der Impedanz von der Temperatur. Außerdem besitzt das Dielektrikum Aluminium-Dioxid in Kombination mit dem Elektrolyten Braunstein eine verhältnismäßig hohe Falschpolspannungsfestigkeit, was ein wichtiges Argument gegen Tantal-Elkos war.

SAL-Kondensatoren, das sind Aluminium-Elektrolytkondensator mit dem festen Elektrolyten Braunstein, sind an ihrer typischen orange-roten Lackumhüllung leicht erkennbar

Normung

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

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

sowie in den Rahmenspezifikationen:

IEC 60384-4, Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren mit festem oder flüssigem Elektrolyten

IEC 60384-18, Oberflächenmontierbare Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit festem oder flüssigem Elektrolyten

Anwendungen

• Buffer- und Siebkondensator in Low-Drop-Wandlern in der Kfz-Elektronik
• Sekundär-Siebkondensator in miniaturisierten SMPS-AC-DC-Wandlern

Vor- und Nachteile

Vorteile

• Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit Braunstein-Elektrolyten haben ESR-Werte, die deutlich geringer als bei „Nassen Al-Elkos“ sind.
• Die Rippelstrombelastbarkeit der SAL-Elkos ist deutlich höher als die der „Nassen Al-Elkos“
• Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit Braunstein-Elektrolyten haben ein gutes Tieftemperatur-Verhalten. Der Scheinwiderstand und der ESR sind bei -40 °C nur etwa 2 mal höher als bei Raumtemperatur.
• Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit Braunstein-Elektrolyten können ohne Strombegrenzung betrieben werden (Schaltfest)
• Aluminium-Elektrolytkondensatoren Braunstein-Elektrolyten haben keine durch Verdunstung begrenzte Brauchbarkeitsdauer/Lebensdauer.
• Aluminium-Elektrolytkondensatoren Braunstein-Elektrolyten haben eine relativ hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber Falschplspannungen

Nachteile

• Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit Braunstein-Elektrolyten sind teurer als „Nasse Al-Elkos“
• Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit Braunstein-Elektrolyten sind ein single source-Produkt

Quellen

• Valvo, Die Baureihe SAL-RP, Trockene Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit stabilen elektrischen Eigenschaften, TI Nr. 820129, 1982
• Ungepolte Elektrolytkondensatoren (Grundlagen aus das ELKO)

Aluminium-Elektrolytkondensator mit festem TCNQ-Elektrolyten

Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit festem TCNQ-Elektrolyten sind unter dem Namen „OS-CON“ bekannt. Sie sind wie herkömmliche „nasse“ Aluminium-Elkos als Wickel einer Anodenfolie und einer Stromzuführungsfolie mit einem Papier-Abstandshalter in einem Aluminium-Becher und einer entsprechenden Abdichtung aufgebaut. Der Elektrolyt, TCNQ, wird in speziellen Tränkverfahren in die porige Struktur der Anode hineingebracht.

Die OS-CON Elkos gibt es in 2 Bauformen, als „single ended“ für eine stehende Leiterplatenmontage und als oberflächenmontierbare SMD-Version.

Die Leitfähigkeit des TCNQ-Salzes ist um etwa den Faktor 10 bis 100 größer als die herkömmlicher flüssiger 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 Rippleströmen bei gleichzeitig relativ kleinen Abmessungen.

Radiale TCNQ-Elkos von Sanyo (OS-CON) sind an ihrer lila-farbenen Isolierumhüllung erkennbar

Anwendungen

• Buffer- und Siebkondensator in DC-DC-Wandlern in Kompaktgeräten, z. B. Autoradios, CD-Playern, Digitalkameras, Laptops
• Sekundär-Siebkondensator in miniaturisierten SMPS-AC-DC-Wandlern
• Digital-Analog-Wandler

Vor- und Nachteile

Vorteile

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

Nachteile

• längere Spannungsbelastung in Falschpolrichtung zerstört unweigerlich den Kondensator.
• Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit TCNQ-Elektrolyten sind teurer als „Nasse Al-Elkos“
• Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit TCNQ-Elektrolyten müssen bei Parallelschaltung symmetriert werden

Quelle:

Sanyo, OS-CON, Technical Book Ver. 13, 2005

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 leitfähigen Polymer Polypyrrol heraus gebracht worden. Aber erst als 1991 der Hersteller Panasonic mit seinen „SP-Cap“ genannten Polymer-Elkos heraus kam, fand diese neue Technologie rasch seine Anerkennung.

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

Polymer-Elkos gibt es aber auch in der Bauform für die Oberflächenmontage. Hier werden eine oder mehrere Anodenfolien einseitig gemeinsam miteinander kontaktiert und geschichtet in die quaderförmige SMD-Bauform eingebracht.

Da leitfähige Polymere fast die Leitfähigkeit von Metallen besitzen können sie die Verluste in Elektrolytkondensatoren, die bei allen anderen Elko-Arten hauptsächlich im Elektrolyten auftreten, erheblich verringern. Heutzutage erreichen Aluminium-Polymer-Elektrolytkondensatoren ESR-Werte kleiner als 10 mΩ. Damit sind sie sogar gegenüber keramischen Multilayer-Kondensatoren (MLCC) wettbewerbsfähig.

Normung

Die Bedingungen für die Prüfungen und Messungen der elektrischen Parameter der Elektrolytkondensatoren mit Polymer-Elektrolyten sind festgelegt in der Fachgrundspezifikation DIN EN 60384-1 (VDE 0565-1),(IEC 60384-1) – Festkondensatoren zur Verwendung in Geräten der Elektronik – sowie in der Rahmenspezifikation DIN EN 60384-25 (IEC 60384-25) – Oberflächenmontierbare Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit leitfähigem Polymerfestkörper-Elektrolyten

Anwendungen

• Buffer- und Siebkondensator in DC-DC-Wandlern in Kompaktgeräten, z. B. Autoradios, CD-Playern, Digitalkameras, Laptops
• Sekundär-Siebkondensator in miniaturisierten SMPS-AC-DC-Wandlern
• Digital-Analog-Wandler

Vor- und Nachteile

Vorteile

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

Nachteile

• längere Spannungsbelastung in Falschpolrichtung zerstört unweigerlich den Kondensator.
• Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit TCNQ-Elektrolyten sind teurer als „Nasse Al-Elkos“
• Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit TCNQ-Elektrolyten müssen bei Parallelschaltung symmetriert werden

Quellen:

• H. Yamamoto, Panasonic, Latest Trends in Specialty Polymer Capacitor Technology, Passive Component Industry, May/June 2006