Aluminium-Elektrolytkondensator

Aufbau und Bedeutung

Ein Aluminium-Elektrolytkondensator (Al-Elko, „Elko“) ist ein gepolter Kondensator. Seine Anode (+) ist eine Aluminiumfolie mit einer durch anodische Oxidation (Formierung) erzeugten, sehr dünnen Aluminiumoxidschicht als Dielektrikum, also als elektrisch isolierender Schicht. Ein flüssiger Elektrolyt passt sich der porigen Anodenoberfläche an und bildet die Kathode (−); eine zweite Aluminiumfolie stellt den Kontakt zum Minusanschluss her.

Die hier beschriebenen „nassen“ Al-Elkos verwenden flüssigen Elektrolyten. Dieser ermöglicht Selbstheilung: Er liefert Sauerstoff, um kleine Fehlstellen der Oxidschicht nachzuformen. Dadurch werden niedrige Restströme erreicht. Zugleich kann Elektrolyt mit der Zeit verdunsten; daher altern diese Kondensatoren und ihre Lebensdauer ist begrenzt.

Durch geätzte, stark vergrößerte Anodenflächen und das dünne Dielektrikum erreichen sie hohe Kapazitäten pro Volumen. Verfügbar sind 0,1 µF bis 2.700.000 µF (2,7 F) bei Nennspannungen von 4 V bis 630 V. Sie dürfen grundsätzlich nur mit Gleichspannung in richtiger Polarität betrieben werden. Falschpolung, Wechselspannung, Überspannung oder zu hoher Rippelstrom können Kurzschluss, Zerstörung und auch eine Explosion auslösen. Bipolare Elkos besitzen zwei intern gegenpolig geschaltete Anoden und können mit Wechselspannung betrieben werden.

Prinzip, Folien und Elektrolyt

Wie beim Plattenkondensator gilt: C = ε · A/d. Die Kapazität C wächst mit der Elektrodenfläche A und der Dielektrizitätszahl ε und sinkt mit dem Elektrodenabstand d. Dabei ist ε = ε0εr. Das Aufrauen der Anode vergrößert A stark, ohne das Grundprinzip zu ändern.

Die 50 bis 100 μm dicke Anodenfolie besteht aus mindestens 99,98 % reinem Aluminium. Elektrochemisches Ätzen vergrößert ihre Oberfläche abhängig von der Spannungsfestigkeit bis etwa um den Faktor 200. Anschließend entsteht beim Formieren Al2O3. Die Oxidschichtdicke ist proportional zur Formierspannung; diese liegt üblicherweise um den Faktor 1,25 bei ≤100 V bis 1,60 bei >100 V über der Nennspannung.

Amorphe Oxidschichten werden vor allem bei kleineren Nennspannungen eingesetzt: Sie haben weniger Fehlstellen und niedrigeren Reststrom, aber mit etwa 710 V/µm eine niedrigere Durchschlagsfestigkeit als kristallines Oxid mit etwa 1000 V/µm. Daher besitzen Elkos mit amorphem Oxid bei gleichem Volumen wegen der dickeren Schicht etwa 40 % weniger Kapazität. Kristallines Oxid eignet sich für höhere Spannungen, kann beim Wickeln aber leichter brechen und benötigt längere Nachformierung.

Die Kathodenfolie ist 20 bis 50 μm dick, enthält etwa 98 bis 99,8 % Aluminium und ist ebenfalls geätzt. Sie kontaktiert den Elektrolyten und besitzt eine natürliche Oxidschicht. Kondensatorpapier trennt die Folien gegen Kurzschluss, speichert Elektrolyt und ist bei Elkos bis 100 V 30 bis 75 μm dick. Höhere Spannungen können mehrere Papierlagen erfordern.

Der Elektrolyt muss gut leitfähig, chemisch stabil und mit Aluminium verträglich sein; seine Leitung ist Ionenleitung. Standardelektrolyte auf Ethylenglycol- und Borsäurebasis enthalten 5 bis etwa 20 % Wasser und werden für 85- bis maximal 105-°C-Elkos eingesetzt. Nahezu wasserfreie organische Elektrolyte, etwa mit DMF, DMA oder GBL, eignen sich bis 105 oder 125 °C und haben gutes Langzeitverhalten. Stark wasserhaltige Elektrolyte mit bis zu 70 % Wasser ermöglichen preiswerte Low-ESR- und High-Ripple-Current-Elkos bis 100 V, erfordern aber Schutz vor wassergetriebener Aluminiumkorrosion.

Herstellung und Bauformen

In der üblichen Bauart werden Anodenfolie, Papier, Kathodenfolie und nochmals Papier zu einem Wickel verarbeitet; die Anschlüsse werden angeschweißt. Der Wickel wird unter Vakuum mit Elektrolyt imprägniert, in einen Aluminiumbecher eingebaut, abgedichtet und durch Bördeln verschlossen. Danach beseitigt Nachformierung Fehlstellen im Dielektrikum. Eine 100-%-Endmessung prüft Kapazität, Reststrom und Impedanz.

Der Aluminiumbecher verhindert galvanische Reaktionen. Bei Überlastung kann Gasdruck entstehen. Deshalb haben größere Elkos Sollbruchstellen oder Ventile, die den Überdruck gezielt ablassen. Dichtungen müssen gegenüber dem Elektrolyten chemisch inert sein, können Diffusion aber nicht vollständig verhindern.

Flüssige Al-Elkos gibt es als SMD für Oberflächenmontage, radial bedrahtete stehende Bauteile, axial bedrahtete liegende Bauteile, Snap-in-Elkos mit selbstklemmenden Stiften für hohe Strombelastbarkeit und Power-Elkos mit Schraubanschlüssen. Die Baugrößen reichen von 3 mm × 5 mm (D×H) bis 90 mm × 210 mm bei Schraubanschluss-Elkos.

Neben flüssigen Al-Elkos existieren Polymer-Al-Elkos sowie Hybridtypen mit Polymer- und Flüssigelektrolyt. Feste Braunstein-Elektrolytkondensatoren (SAL) werden seit Ende 2015 nicht mehr hergestellt. Polymer- und Hybridtypen haben niedrigere ESR-Werte, während der flüssige Elektrolyt die Selbstheilung unterstützt.

Elektrische Kennwerte und sichere Belastung

Das Serien-Ersatzschaltbild enthält die Kapazität C, den Ersatzserienwiderstand RESR (ESR) für ohmsche Verluste, die Ersatzserieninduktivität LESL (ESL) und den Parallelwiderstand RLeak für den Reststrom. Die Impedanz Z und der ESR sind neben der Kapazität besonders wichtig für Stromversorgungen. Sie werden üblicherweise bei 100 kHz angegeben; bei flüssigen Elkos steigen Z und ESR bei −40 °C ungefähr auf das Zehnfache des Raumtemperaturwerts.

Die Nennkapazität CR wird mit 0,5 V Wechselspannung bei 100/120 Hz und 20 °C gemessen. Der 100-Hz-Wert liegt etwa 10 bis 15 % unter der Kapazität, die der gespeicherten Gleichstromladung entspricht. Übliche Toleranzen sind ±20 % (Kennbuchstabe M) oder ±10 % (K). Mit steigender Frequenz und sinkender Temperatur nimmt die Kapazität ab.

Die Nennspannung UR ist die Gleichspannung, die dauerhaft im Nenntemperaturbereich anliegen darf. Gleichspannung plus Scheitelwert einer überlagerten Wechselspannung dürfen UR nicht überschreiten. Zulässige Spitzenspannung US beträgt nach DIN/EN IEC 60384-1 bis 315 V das 1,15-Fache und über 315 V das 1,1-Fache der Nennspannung.

Bei Entladung bilden Anode und Kathodenfolie zwei Reihenkondensatoren: CElko = (CA · CK)/(CA + CK). Damit hauptsächlich CA wirkt und die Kathodenfolie beim Entladen nicht aufformiert wird, muss CK deutlich größer sein; typisch ist mindestens 10:1, bei bestimmten Ausführungen bis 100:1. Solche Kondensatoren heißen schaltfest.

Ein überlagerter Wechselstrom ist der Rippelstrom IR. Er erwärmt den Kondensator durch PVel = IR² · ESR. Im Wärmegleichgewicht gilt ΔT = IR² · ESR/(A · β). Der spezifizierte Rippelstrom darf ohne Zwangskühlung nicht überschritten werden. Hohe seltene Lade-, Entlade- und Einschaltstromspitzen sind meist zulässig, sofern die thermische I²R-Belastung der Anschlüsse und der maximale Rippelstrom eingehalten werden.

Der Reststrom ILeak ist der Gleichstrom bei richtiger Polarität. Ein Beispiel für die Spezifikation lautet ILeak = 0,01 A/(V·F) · UR · CR + 3 µA. Er sinkt durch Selbstheilung während des Betriebs. Nach Abschalten und Entladen kann die dielektrische Absorption eine Nachladespannung von 10 bis 15 % der vorherigen Spannung erzeugen; bei 400-V-Elkos können dies durchaus 50 V sein.

Lebensdauer, Ausfälle und Lagerung

Die Zuverlässigkeit wird mit der Badewannenkurve beschrieben: Frühausfälle, Bereich konstanter Zufallsausfälle und Verschleißausfälle. Die Ausfallrate lautet λ = C/(n · t), wobei C die Zahl der Ausfälle, n die Zahl der Prüflinge und t die Prüfzeit ist. Sie wird häufig in FIT angegeben: Ausfälle pro 10^9 Stunden. Veröffentlichte Werte liegen bei 6,3 bis 160 V bei 1 bis 20 FIT und bei >160 bis 550 V bei 20 bis 200 FIT. Diese statistische Ausfallrate ersetzt nicht die Lebensdauerbetrachtung, weil Elektrolytverdunstung später Verschleiß verursacht.

Lebensdauer beziehungsweise Brauchbarkeitsdauer endet, wenn Kennwerte definierte Grenzwerte überschreiten. Nach IEC/DIN/EN 60384-4-1 zählen dazu beispielsweise mehr als 30 % Kapazitätsverlust oder ein Anstieg von ESR beziehungsweise Verlustfaktor auf mehr als das Dreifache des Anfangswerts. Typische Spezifikationen sind „5000 h/85 °C“, „2000 h/105 °C“ oder „1000 h/125 °C“ bei dauernder Nennspannung und maximaler Temperatur.

Viele Hersteller verwenden zur groben Abschätzung die 10-Grad-Regel: Lx = LSpec · 2^((T0 − TA)/10). Eine um 10 K niedrigere Temperatur verdoppelt danach die Lebensdauer. Ein 2000-h/105-°C-Elko ergibt bei 45 °C rechnerisch 128.000 Stunden beziehungsweise etwa 15 Jahre. Die Regel gilt nur, wenn der Hersteller sie bestätigt; Spannungseinflüsse sind darin nicht berücksichtigt.

Moderne Elkos mit organischen Elektrolyten können bis zu 10 Jahre spannungslos lagerfähig sein, Standardelektrolyte mit 5 bis 20 % Wasser mindestens 2 Jahre und Low-ESR-Elkos mit >40 % Wasser etwa 1 bis 2 Jahre. Lagerfähig bedeutet, dass sie anschließend ohne besondere Vorsichtsmaßnahme eingeschaltet werden können. Nachformieren vor der Inbetriebnahme ist bei heutiger Produktion im Normalfall nicht mehr nötig.

Selbstheilung beginnt bei richtiger Spannung sofort: Der Elektrolyt liefert Sauerstoff für neue Oxidschicht an punktuellen Fehlstellen, zunächst mit erhöhtem Reststrom. Wichtige vermeidbare Ausfallursachen sind falscher Elektrolyt, Korrosion durch Halogene, mechanische Belastung der Anschlüsse, Übertemperatur und zu hoher Rippelstrom. Beim „Capacitor Plague“ führten unvollständige, gestohlene Elektrolytrezepturen von 2000 bis 2003 zu massenhaften Ausfällen bis etwa 2007.

Einsatz, Kennzeichnung und Grenzen

Al-Elkos glätten und sieben gleichgerichtete Spannungen in Netzteilen, Schaltnetzteilen und DC/DC-Wandlern. Sie puffern Versorgungsspannungen bei Laständerungen, dienen als Gleichspannungs-Zwischenkreisspeicher in Frequenzumrichtern und als Energiespeicher etwa in Fotoblitzgeräten. Weitere Anwendungen sind USV, PFC-Schaltungen, das Ein- und Auskoppeln von Wechselspannungssignalen mit erforderlicher Vorspannung sowie bipolare Elkos als Anlasskondensatoren für Asynchronmotoren und in Lautsprecherweichen.

In Parallelschaltungen kann bei Kurzschluss eines Exemplars die Energie aller Kondensatoren über dieses fließen; bei großen Kondensatoren sollte der Strom einzeln abgesichert werden. In Reihenschaltungen führen unterschiedliche Restströme zu ungleicher Spannungsverteilung. Besonders bei größeren Hochvolt-Elkos sind daher Symmetrierwiderstände oder aktive Spannungsbalancierung erforderlich.

Bei flüssigen Elkos wird der Minuspol gekennzeichnet: bei radialen Typen durch einen Minusstreifen, bei SMD-Typen meist durch einen schwarzen Balken. Der Aufdruck soll unter anderem Polarität, Nennkapazität, Toleranz, Nennspannung, Temperaturbereich, Hersteller und Herstellungsdatum enthalten.

Vorteile sind sehr hohe Kapazität pro Volumen, niedrige Impedanzen bereits bei niedrigen Frequenzen, Nennspannungen bis 630 V, Schaltfestigkeit ohne allgemeine Strombegrenzung und eine große Bauformvielfalt. Nachteile sind die temperaturbedingte begrenzte Lebensdauer, schlechtes Tieftemperaturverhalten, Empfindlichkeit gegen mechanische Schäden und Halogene sowie die zerstörerische Wirkung längerer Falschpolung.