Elektrolytkondensator

Grundprinzip und Einsatz

Ein Elektrolytkondensator (Elko oder Elyt) ist ein gepolter Kondensator mit hoher Kapazität bezogen auf sein Bauvolumen. Seine Anode (+) besteht aus einem Ventilmetall, meist Aluminium, Tantal oder Niob. Durch anodische Oxidation (Formierung) entsteht darauf eine sehr dünne, isolierende Oxidschicht. Diese ist das Dielektrikum, also die Schicht zwischen den Elektroden, die elektrische Ladung speichert. Ein flüssiger oder fester Elektrolyt passt sich der Oberfläche an und bildet die Kathode (−).

Wie beim Plattenkondensator gilt C = ε · A/d. Die Kapazität C wird größer, wenn die Elektrodenfläche A und die Dielektrizitätszahl ε größer werden oder der Elektrodenabstand d kleiner wird. Dabei ist ε = ε₀εᵣ. Elkos vergrößern A durch geätzte Aluminiumfolie oder gesintertes Tantal- bzw. Niobpulver; bei kleinen Spannungen kann die wirksame Oberfläche bis zum Faktor 200 größer als eine glatte Fläche sein. Die Oxidschichtdicke wird durch die Formierspannung bestimmt.

Elkos werden zum Glätten gleichgerichteter Spannungen in Netzteilen, Schaltnetzteilen und Gleichspannungswandlern, zum Entkoppeln störender Frequenzen vom zweistelligen Hertz-Bereich bis zu einigen MHz, zum Puffern bei Lastspitzen sowie als Energiespeicher verwendet, etwa in Frequenzumrichtern, Airbag-Schaltungen und Fotoblitzgeräten. Sie speichern pro Volumen mehr als Keramik- und Folienkondensatoren, aber deutlich weniger Energie als Superkondensatoren. Dafür können sie schnelle Energiespitzen aufnehmen oder abgeben; Superkondensatoren liefern Energie eher über längere Zeit und sind nicht zum Glätten gleichgerichteter Wechselspannungen geeignet.

Normale Elkos dürfen nur mit Gleichspannung richtiger Polarität betrieben werden. Eine überlagerte Wechselspannung darf keine Umpolung verursachen. Falschpolung, Überspannung oder zu hoher Rippelstrom können Dielektrikum und Kondensator zerstören und Explosion oder Brand auslösen. Bipolare Elkos besitzen zwei intern gegenpolig geschaltete Anoden; sie eignen sich für Wechselspannung, beispielsweise zur Kopplung niederfrequenter Audiosignale.

Materialien, Elektrolyte und Bauarten

Aluminium-Elkos verwenden geätzte Aluminiumfolie mit Aluminiumoxid Al₂O₃, Tantal-Elkos gesintertes Tantalpulver mit Tantalpentoxid Ta₂O₅, Niob- oder Nioboxid-Elkos gesintertes Niob bzw. Nioboxid mit Niobpentoxid Nb₂O₅. Tantalpentoxid hat mit εᵣ = 27 eine höhere relative Permittivität als Aluminiumoxid mit εᵣ = 11,6…14,2; Niobpentoxid erreicht εᵣ = 41. Tantal-Elkos werden jedoch aus Sicherheitsgründen oft mit dickerem Oxid formiert, als die Nennspannung allein erfordern würde. Dadurch fallen die praktischen Größenunterschiede zu Aluminium-Elkos geringer aus als theoretisch erwartet.

Der Elektrolyt muss die Poren und raue Oberfläche der Anode möglichst vollständig bedecken. Flüssige Elektrolyte sind Ionenleiter. Sie sind preiswert und können Sauerstoff für die Selbstheilung des Oxids liefern, aber ihre elektrischen Werte sind stark temperaturabhängig; bei hohen Temperaturen kann der Elektrolyt austrocknen. Feste Elektrolyte, etwa Mangandioxid MnO₂ oder leitfähige Polymere wie PEDOT:PSS, sind Elektronenleiter. Sie haben geringere Temperaturabhängigkeit und trocknen nicht aus, leiten schnelle Änderungen jedoch ohne Verzögerung weiter. Deshalb reagieren sie empfindlicher auf Transienten und benötigen teils besondere Schaltungsmaßnahmen.

Bei Aluminium-Elkos werden Anodenfolie, eine zweite Aluminiumfolie und Papier als Abstandshalter gewickelt, mit Elektrolyt getränkt und in einen Metallbecher eingebaut. Die zweite Folie heißt Kathodenfolie, obwohl der Elektrolyt die eigentliche Kathode bildet. Tantal- und Niob-Elkos besitzen einen gesinterten und formierten Pulverblock; Elektrolyt, Graphit- und Silberschicht stellen den Kontakt her. Sie sind meist kunststoffummantelt und oft als oberflächenmontierbare SMD-Bauteile ausgeführt.

Flüssige Aluminium-Elkos sind besonders preiswert, decken hohe Kapazitäten und Spannungen ab und sind bei genügend Platz oder bei Spannungen über 50 V in der Elektronik verbreitet. Tantal-Chips haben hohe spezifische Kapazität, stabile Werte über große Temperaturbereiche und eignen sich für flache, platzsparende Geräte. Niob-Elkos sind als Alternative zu Tantal gedacht, sind leichter und besser verfügbar, aber in Spannungs- und Temperaturbereich eingeschränkter. Polymer-Elkos besitzen besonders niedrige innere Verluste; Hybrid-Polymer-Elkos kombinieren Polymer mit flüssigem Elektrolyt und können dadurch niedrigere Restströme erreichen.

Elektrische Kennwerte und Grenzen

Das Serien-Ersatzschaltbild beschreibt einen realen Elko mit der Kapazität C, dem Ersatzserienwiderstand ESR, der Ersatzserieninduktivität ESL und dem Parallelwiderstand Rleak für den Reststrom. ESR fasst ohmsche Verluste zusammen, ESL alle induktiven Anteile. Die Nennkapazität Cᵣ wird üblicherweise in μF angegeben und bei 20 °C mit höchstens 0,5 V Wechselspannung bei 100/120 Hz gemessen. Der gemessene Wert liegt etwa 10 bis 15 % unter der aus gespeicherter Ladung bestimmten Gleichspannungskapazität. Übliche Toleranzen sind ±20 % mit Kennbuchstabe M oder ±10 % mit K.

Die Nennspannung Uᵣ ist die maximal dauerhaft zulässige Gleichspannung im Nenntemperaturbereich Tᵣ. Die Kategoriespannung Uc gilt im erweiterten Kategorietemperaturbereich Tc und kann niedriger sein. Gleichspannung plus Scheitelwert einer überlagerten Wechselspannung darf die spezifizierte Spannung nicht überschreiten. Kurzzeitig ist unter festgelegten Prüfbedingungen eine Spitzenspannung Us erlaubt: bei Aluminium-Elkos bis 315 V das 1,15-Fache von Uᵣ, oberhalb 315 V das 1,1-Fache, bei Tantal- und Niob-Elkos mit festem Elektrolyten das 1,3-Fache. Bei festen Elektrolyten kann dies dennoch die Ausfallrate erhöhen.

Der Scheinwiderstand ist Z = UAC/IAC. Mit XL = ωESL und XC = −1/(ωC) gilt Z = √(ESR² + (XL + XC)²). Bei Resonanz XC = XL ist Z gleich ESR. Die Impedanz wird normgemäß bei 100 kHz gemessen; ihr Wert entspricht meist dem ESR bei 100 kHz. Impedanz und ESR hängen von Frequenz und Temperatur ab und sinken im Allgemeinen mit steigender Frequenz und Temperatur. Bei −40 °C haben Elkos mit flüssigem Elektrolyten etwa den zehnfachen Z-/ESR-Wert gegenüber Raumtemperatur, feste Elektrolyte etwa den zweifachen.

Der Rippelstrom Iᵣ ist der Effektivwert des Wechselstroms, der durch Lade- und Entladevorgänge bei überlagerter Wechselspannung entsteht. Seine Verlustleistung beträgt PVel = Iᵣ² · ESR und erwärmt den Kondensator. Zu hoher Rippelstrom verkürzt die Lebensdauer oder kann zur Zerstörung führen. Flüssige Aluminium-Elkos sind gegenüber hohen Lade-, Entlade- und Einschaltstromspitzen relativ unempfindlich, solange der maximale Rippelstrom eingehalten wird. Tantal- und Niob-Elkos mit festem Elektrolyten sind empfindlich gegenüber steilen Stromflanken und benötigen gegebenenfalls Spannungsminderung oder Strombegrenzung.

Der Reststrom Ileak ist der unerwünschte Gleichstrom bei richtiger Polarität. Er hängt unter anderem von Kapazität, Spannung, Temperatur, Zeit und Vorgeschichte ab. Eine mögliche Spezifikation lautet Ileak = 0,01 A/(V·F) · Uᵣ · Cᵣ + 3 μA, gemessen nach einer vorgeschriebenen Zeit, zum Beispiel 2 Minuten. Elkos sind wegen dieses Stroms nicht für Sample-and-Hold-Schaltungen, präzise Zeitmessungen oder die Stabilisierung hochohmiger Spannungsquellen geeignet. Außerdem besitzen sie eine hohe dielektrische Absorption von etwa 10 bis 15 %; nach Entladen kann wieder Spannung auftreten, sogar einige 10 Volt.

Betrieb, Alterung und Zuverlässigkeit

Aluminium-Elkos mit flüssigem Elektrolyten altern vor allem durch Verdunstung und chemische Zersetzung des Elektrolyten. Polymer-Elkos altern durch thermische Degradation des Polymers. Als Änderungsausfall gelten bei Aluminium-Elkos mehr als 30 % Kapazitätsverlust oder ein ESR- bzw. Verlustfaktoranstieg um mehr als Faktor 3; bei Polymer-Elkos sind es mehr als 20 % Kapazitätsverlust oder ein Anstieg um mehr als Faktor 2. Tantal-Elkos mit MnO₂ und hermetisch geschlossene Tantal-Elkos mit flüssigem Elektrolyten haben keine so definierte, parameterbezogene Lebensdauer.

Die Lebensdauer wird etwa als „2000 h/105 °C“ angegeben: Das ist die Mindestlebensdauer bei oberer Temperatur, Nennspannung und zulässigem Rippelstrom. Für flüssige Aluminium-Elkos verwenden viele Hersteller die 10-Grad-Regel Lx = LSpec · 2^((T₀ − TA)/10). Je 10 K niedrigere Temperatur verdoppelt sich danach die Lebensdauer. Ein Elko mit 2000 h/105 °C erreicht bei 45 °C rechnerisch 128.000 h oder etwa 15 Jahre. Die Formel liefert nur eine Schätzung und gilt nur, wenn der Hersteller sie bestätigt. Für Aluminium-Polymer-Elkos wird häufig Lx = LSpec · 10^((T₀ − TA)/20) genutzt; ein 2000-h/105-°C-Polymer-Elko ergibt bei 65 °C theoretisch 200.000 h. Hybrid-Polymer-Elkos folgen wieder der 10-Grad-Regel.

Die Badewannenkurve unterscheidet Frühausfälle, einen Bereich konstanter Zufallsausfälle und Verschleißausfälle. Die Ausfallrate λ lautet λ = C/(n · t), mit C Ausfällen, n Prüflingen und Prüfzeit t. FIT bedeutet Ausfälle pro 10⁹ Stunden; eine grobe Gleichsetzung ist 0,1 %/1000 h = 1 FIT. Für Aluminium-Elkos mit 6,3 bis 160 V werden 1 bis 20 FIT genannt, für >160 bis 550 V 20 bis 200 FIT, jeweils bei 40 °C und 0,5 bzw. 0,8 Uᵣ.

Selbstheilung ist je nach Bauart verschieden. Bei flüssigen Aluminium-Elkos bildet sich durch Spannung in richtiger Polarität mit Sauerstoff aus dem Elektrolyten Oxid nach. Bei MnO₂-Tantal-Elkos kann Feldkristallisation an Fehlstellen einen Kurzschluss auslösen; mit Strombegrenzung wird MnO₂ zum isolierenden Mn₂O₃ umgewandelt und die Stelle abgeschaltet. Dafür nennt die Tabelle eine Spannungsminderung von 50 % und einen Vorschaltwiderstand von 3 Ω/V. Bei Tantal-Polymer-Elkos wird 20 % Spannungsminderung angegeben. Für Niob-Elkos sind je nach Anode 50 % (Niob) oder 20 % (Nioboxid) Spannungsminderung genannt. Bei Polymer-Elkos kann sich das Polymer an Fehlstellen hochohmig verändern oder verdampfen.

Bei Lagerung sind stark wasserhaltige Low-ESR-Aluminium-Elkos mit über 40 % Wasser etwa 1 bis 2 Jahre lagerfähig, Standardelektrolyte mit 5 bis 20 % Wasser mindestens 2 Jahre und wasserfreie Elektrolyte bis zu 10 Jahre. Nach zwei Jahren kann jedoch die Lötfähigkeit der Anschlüsse durch Oxidation der Verzinnung problematisch werden.

Schaltung, Kennzeichnung und typische Anwendungen

In einer Parallelschaltung kann der Kurzschluss eines einzelnen Kondensators die gesamte Energie aller parallel geschalteten Kondensatoren über die Fehlerstelle entladen. Bei großen Kondensatoren sind daher Maßnahmen zur Begrenzung des Entladestroms sinnvoll, beispielsweise eine eigene Überstromschutzeinrichtung für jedes Exemplar. Bei einer Serienschaltung verteilt sich die Gesamtspannung nach den individuellen Isolationswiderständen beziehungsweise Restströmen. Unterschiedliche Restströme können einzelne Elkos überlasten; größere Aluminium-Elkos für hohe Spannungen benötigen daher Symmetrierwiderstände oder aktive Spannungsbalancierung.

Die Polarität muss vor dem Einbau geprüft werden. Bei Elkos mit flüssigem Elektrolyten ist meist der Minuspol markiert: bei radialen Bauteilen durch einen Minusstreifen und bei SMD-Bechern meist durch einen schwarzen Balken. Bei festen Elektrolyten wird häufig der Pluspol markiert, besonders bei quaderförmigen SMD-Bauteilen; zylindrische Polymer-Elkos können dagegen den Minuspol markieren. Bei axialen Formen ist der Minuspol mit dem Gehäuse verbunden und auf der positiven Seite liegt eine umlaufende Kerbe.

Aufdrucke können Polarität, Nennkapazität, Toleranz, Nennspannung, Temperaturbereich, Herstelldatum, Hersteller und Baureihe enthalten. Beispiele für Kapazitätsangaben sind μ47 = 0,47 μF, 4μ7 = 4,7 μF und 47μ = 47 μF. Der Code 476 bedeutet 47 × 10⁶ pF = 47 μF. K steht für ±10 %, M für ±20 %.

Typische gepolte Anwendungen sind Glättungs- und Siebkondensatoren in AC/DC- und DC/DC-Wandlern, Stützkondensatoren bei schnellem Lastwechsel, Entkopplung höherfrequenter Wechselanteile, Energiezwischenspeicher in PFC-Schaltungen, Airbags, Elektronenblitzgeräten und USV sowie RC-Zeitglieder. Zum Ein- und Auskoppeln von Wechselspannungssignalen benötigen sie eine passende Gleichvorspannung. Bipolare Elkos dienen unter anderem als Anlaufkondensatoren für einphasige Asynchronmotoren und als Tonfrequenzkondensatoren in Lautsprecher-Frequenzweichen.

Wichtige Grundnorm ist IEC 60384-1 beziehungsweise DIN EN 60384-1; Schaltzeichen sind nach IEC/DIN/EN 60617-4 genormt.