Elektrolytkondensator

Ein Elektrolytkondensator (Abk. Elko) ist ein gepolter Kondensator, dessen Anoden-Elektrode aus einem Metall (Ventilmetall) besteht, auf dem durch Elektrolyse (anodische Oxidation, Formierung) eine nicht leitende Isolierschicht erzeugt wird, die das Dielektrikum des Kondensators bildet. Der Elektrolyt (zum Beispiel eine elektrisch leitende Flüssigkeit) ist die Kathode des Elektrolytkondensators.

Geläufigste Bauformen von Tantal- und von Aluminium-Elektrolytkondensatoren

Hauptvorteil von Elektrolytkondensatoren ist die, bezogen auf das Bauvolumen, relativ hohe Kapazität im Vergleich zu den beiden anderen wichtigen Kondensatorfamilien, den Keramik- und den Kunststoff-Folienkondensatoren.

Elektrolytkondensatoren sind gepolte Bauteile, die nur mit Gleichspannung betrieben werden dürfen. Eine evtl. überlagerte Wechselspannung darf keine Umpolung bewirken. Eine Ausnahme sind die für den Tonfrequenzbereich für Frequenzweichen vorgesehenen bipolaren Elkos. Die Anode ist der Pluspol. Falschpolung, zu hohe Spannung oder Rippelstrom-Überlastung zerstören das Dielektrikum und damit den Kondensator. Die Zerstörung kann katastrophale Folgen (Explosion, Brand) nach sich ziehen.

Prinzipieller Aufbau

Elektrolytkondensatoren sind, wie fast alle Kondensatoren in der Elektronik, im Grunde genommen Plattenkondensatoren, deren Kapazität umso größer ist, je größer die Elektrodenfläche A und die Dielektrizitätszahl ε ist und je dichter die Elektroden zueinander stehen (d).

$C = \varepsilon \cdot \frac{A}{d}$

Dabei setzt sich die Dielektrizitätszahl ε aus der elektrischen Feldkonstante ε₀ und der materialspezifischen Permittivität $\varepsilon_r$ des Dielektrikums zusammen:

ε = ε₀ε_r

Grundmaterial der Elektrolytkondensatoren ist das Anodenmetall, das bei Aluminium-Elektrolytkondensatoren aus einer Aluminiumfolie und bei Tantal- und Niob-Elektrolytkondensatoren aus feinkörnigem Metallpulver besteht. Die Aluminiumfolie wird elektrochemisch aufgeraut, das Tantal- und Niob-Pulver wird gepresst und gesintert. Beide Male entsteht eine aufgeraute Anode, deren Oberfläche deutlich größer als die einer glatten Oberfläche ist. Diese Oberflächenvergrößerung ist ein wichtiger Faktor, der zur relativ hohen spezifischen Kapazität der Elektrolytkondensatoren gegenüber anderen Kondensatorfamilien beiträgt.

Prinzipielle Darstellung des Aufbaus eines gewickelten Aluminium-Elektrolytkondensators mit flüssigem Elektrolyten(links) und eines gesinterten Tantal-Elektrolytkondensators mit festem Elektrolyten(rechts)

Die Anodenoberfläche wird anschließend „anodisch oxidiert“ bzw. „formiert“. Dabei wird durch Anlegen einer Stromquelle in richtiger Polarität in einem Elektrolytbad auf der Anodenoberfläche eine elektrisch isolierende Oxidschicht gebildet, das Dielektrikum des Kondensators.

Prinzipdarstellung der anodischen Oxidation, hier mit einer Aluminium-Anode

Die Spannungsfestigkeiten dieser Oxidschichten sind recht hoch. Dadurch arbeiten Elektrolytkondensatoren mit äußerst dünnen Dielektrika. Da man mit der Formierung außerdem jede gewünschte Spannungsfestigkeit gezielt erreichen kann, variiert diese Dicke der Oxidschicht auch noch mit der Nennspannung des späteren Kondensators, so dass bei den niedrigen Spannungen in der modernen Elektronik die Möglichkeit, dünne Schichten zu realisieren, ausgenutzt wird. Das äußerst dünne Dielektrikum ist der zweite wichtige Faktor, der zur relativ hohen spezifischen Kapazität der Elektrolytkondensatoren gegenüber anderen Kondensatorfamilien beiträgt.

Bei Elektrolytkondensatoren unterscheidet man drei Bauarten, die jeweils nach dem verwendeten Anodenmaterial bezeichnet werden.

1. Aluminium-Elektrolytkondensatoren
2. Tantal-Elektrolytkondensatoren
3. Niob-Elektrolytkondensatoren

Die folgende Tabelle gibt einen Überblick über die Eigenschaften der unterschiedlichen Oxid-Materialien. Elektrolytkondensatoren mit Titan oder Zirconium als Anode sind bisher aus dem Entwicklungsstadium nicht hinausgekommen.

Materialdaten der drei in der Elektronik verwendeten Elektrolytkondensator-Bauarten

Anodenmaterial	Dielektrikum	Relative Permittivität	Spannungsfestigkeit in V/µm
Aluminium	Aluminiumoxid, Al2O3	9,6	700
Tantal	Tantalpentoxid, Ta2O5	26	625
Niob	Niobpentoxid, Nb2O5	42	455

Ein geeigneter Elektrolyt, der sich den Poren der aufgerauten Anode möglichst perfekt anpasst, bildet die Kathode des Elektrolytkondensators. Er kann aus einem flüssigen oder gelartigen Elektrolyten (Ionenleiter) oder einem festen Elektrolyten (Elektronenleiter) bestehen. Die Stromzuführung zum Elektrolyten erfolgt über Folien gleichen Metalls wie das der Anode oder über eine andere geeignete Kontaktierung des Elektrolyten. Die so aufgebaute Kondensatorzelle wird anschließend in einem Becher eingebaut und verschlossen (Al-Elkos) oder mit einem Gehäuse umhüllt. Das Gehäuse größerer Al-Elkos hatte früher häufig ein Ventil in Form eines Gummistopfens oder neuerdings auch eine kreuzförmige Gehäusevorprägung, um entstehenden Überdruck durch Elektrolytverdampfung bei elektrischer Überlast gezielt entweichen lassen zu können.

Geschichte

Das Phänomen, dass man auf Aluminium in einem elektro-chemischen Verfahren eine Schicht erzeugen kann, die einen elektrischen Strom in nur einer Richtung hindurchlässt, in der anderen Richtung jedoch Strom sperrend wirkt, wurde 1875 von dem französischen Forscher Ducretet entdeckt. Dieses erste „elektrische Ventil“ gab Metallen mit dieser Eigenschaft den Beinamen „Ventilmetall“. Hierzu gehören Aluminium, Tantal, Niob, Mangan, Titan, Bismut, Antimon, Zink, Cadmium, Zirconium, Wolfram, Zinn, Eisen, Silber und Silizium.

Da die einseitig sperrende Schicht eine sehr hohe Spannungsfestigkeit schon bei sehr dünnen Schichtstärken aufweist, entstand 1896 die Idee, diese Schicht als Dielektrikum eines gepolten Kondensators mit hoher Kapazität in einem Gleichstromkreis auszunutzen. Im Jahre 1897 wurde dem Wissenschaftler Charles Pollack in Frankfurt für die Idee eines „Elektrischen Flüssigkeitskondensators mit Aluminiumelektroden“ das Patent DRP 92564^[1] erteilt, das zur Grundlage aller späteren Elektrolytkondensatoren wurde.

Flüssigkeitskondensator, Bell System Technik 1929

Im Bild rechts ist die gewellte Anode eines Aluminium-Elektrolytkondensators zu sehen, der seinerzeit „Flüssigkeitskondensator“ genannt wurde. Die gewellte Anode wurde freischwebend in einen mit dem Elektrolyten gefüllten Metallbecher eingebaut. Der Metallbecher diente dann gleichzeitig als Kathodenanschluss. Der Vorteil dieser Kondensatoren war, dass sie, bezogen auf den realisierten Kapazitätswert, erheblich kleiner und preiswerter als alle anderen technischen Kondensatoren der damaligen Zeit waren.

Die ersten kommerziell genutzten Aluminium-Elektrolytkondensatoren wurden schon im Jahre 1892 als Motor-Start-Kondensatoren zum Starten von Einphasen-Wechselstrom-Motoren genutzt. Anfang des 20. Jahrhunderts wurden zum Entstören von Telefonanlagen in Deutschland „Elektrolytkondensatoren“ benutzt, um die Brummgeräusche des Stromgenerators auf den Leitungen zu unterdrücken. Mit Beginn der Rundfunktechnik begann auch die Weiterentwicklung der Elektrolytkondensatoren, die Elko-Zelle wurde gewickelt und die Anodenfolien wurden zunächst mechanisch aufgeraut.

Nach dem 2. Weltkrieg wurden Tantal-Elektrolytkondensatoren mit festem Braunstein-Elektrolyten entwickelt und boten somit den Geräteherstellern die erste Möglichkeit zur Miniaturisierung elektronischer Schaltungen. Mit der Entwicklung neuer, fester Elektrolytsysteme (TCNQ, Polymer) Mitte der 1970er bzw. 1980er Jahre schafften es die Entwickler von Elektrolytkondensatoren, der Forderung der Anwender nach immer kleineren internen Verlusten (low ESR) auch mit dieser Technologie zu folgen. Heutzutage erreichen oberflächenmontierbare Aluminium-Polymer-Elektrolytkondensatoren ESR-Werte kleiner als 10 mΩ. Damit sind sie sogar gegenüber keramischen Mehrschicht-Kondensatoren (MLCC) wettbewerbsfähig.

Bauformen

Aluminium-Elektrolytkondensatoren bilden wegen der großen Bauformvielfalt und ihrer preiswerten Herstellung die große Masse der in der Elektronik verwendeten Elektrolytkondensatoren; Tantal-Elektrolytkondensatoren finden in der Militärtechnik und in Geräten mit geringem Bauraum Verwendung; Niob-Elektrolytkondensatoren, im Massengeschäft eine Neuentwicklung, stehen im Wettbewerb mit Tantal-Elektrolytkondensatoren.

Typische Bauformen von Aluminium- und Tantal-Elektrolytkondensatoren

Elektrolyt

Seinen Namen hat der Elektrolytkondensator vom Elektrolyten, der leitfähigen Flüssigkeit, die die eigentliche Kathode des Kondensators bildet. Da die aufgerauten Strukturen der Anodenoberfläche sich in der Struktur der Oxidschicht, des Dielektrikums fortsetzen, muss die Gegenelektrode, die Kathode, sich möglichst passgenau daran anpassen. Mit einer Flüssigkeit ist das einfach zu erreichen.

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

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 Verträglichkeit mit den im Kondensator verwendeten Materialien, geringe Viskosität, Umweltverträglichkeit sowie geringe Kosten.

Die Vielfalt dieser Anforderungen hat eine Vielzahl von herstellerspezifischen Lösungen zur Folge. Für Aluminium-Elektrolytkondensatoren lassen sich grob zusammenfassend drei Gruppen bilden:

• Wässerige Elektrolyte schwacher Säuren mit Zusätzen von Ethylenglycol (Wasser-Glycol-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 γ-Butyrolacton-Basis, geeignet für Anwendungen bis etwa 125 °C. Letztere führen zu Elektrolytkondensatoren mit sehr gutem Langzeitverhalten.

Als flüssiger Elektrolyt für Tantal-Elektrolytkondensatoren kommt meist Schwefelsäure zum Einsatz.

Neben flüssigen und pastösen Elektrolytsystemen können Elektrolytkondensatoren auch mit festen Elektrolytsystemen hergestellt werden. Solche festen Elektrolyte können aus dem Halbleiter Braunstein (Mangandioxid, MnO₂), aus einem leitfähigen Salz (TCNQ) oder Polymer (z. B. Polypyrrol) bestehen.

„Stammbaum“ der Elektrolytkondensatoren, der sich aus den unterschiedlichen Anodenmetallen und Elektrolytsystemen ergibt

Aus der Kombination der Anodenmaterialien für Elektrolytkondensatoren und möglicher Elektrolyte haben sich eine ganze Reihe von Elkotypen gebildet, die jeder für sich seine besonderen Vor- und Nachteile aufweist. Eine grobe Übersicht über die wichtigsten Kennwerte der unterschiedlichen Bauarten gibt die nachfolgende Tabelle.

Kennwerte der unterschiedlichen Elko-Familien

Anodenmaterial	Elektrolyt	Kapazitätsbereich in µF	max. Spannungsfestigkeit bei 85° in V	max. Kategorietemperatur in °C	Rippelstromdichte in mA/mm3 1)
Aluminiumfolie	flüssig, z. B. Glycol, DMF, DMA, GBL	0,1…2.700.000	550	150	0,05…2,0
	fest, Mangandioxid (MnO2, Braunstein)	0,1…1500	40	175	0,5…2,5
	fest, TCNQ2)	1…2700	35	125	3,0…8,0
	fest, leitfähiges Polymer	10…1500	25	125	10…30
Tantalfolie	flüssig, Schwefelsäure	0,1…1000	630	125	–
Tantalsinterkörper	flüssig, Schwefelsäure	0,1 – 15.000	150	200	–
	fest, Mangandioxid (MnO2, Braunstein)	0,1…33003)	125	150	1,5…15
	fest, leitfähiges Polymer	10…1500	35	125	10…30
Niobsinterkörper	fest, Mangandioxid (MnO2, Braunstein)	1…1500	10	125	5…20
	fest, leitfähiges Polymer	2,2…1000	25	105	10…30
1) Rippelstrom bei 100 kHz und 85 °C / Bauvolumen (Nennmaße) 2) abgekündigt 3) Einschließlich des Multi-Anoden-Aufbaus

Die sogenannten „nassen“ Al-Elkos waren und sind die preiswertesten Bauelemente im Bereich der hohen Kapazitätswerte und im Bereich höherer Spannungen. Sie bieten nicht nur die preiswerten Lösungen für Siebung und Pufferung, sondern sind auch relativ unempfindlich gegenüber Transienten und Überspannungen. Sofern in einem Schaltungsaufbau genug Platz vorhanden ist oder Spannungen größer 50 V benötigt werden, sind Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit flüssigem Elektrolyten, mit Ausnahme der militärischen Anwendungen, in der gesamten Elektronik zu finden.

Tantal-Elektrolytkondensatoren besitzen in Form der oberflächenmontierbaren „Ta-Chips“ in allen Bereichen der industriellen Elektronik einen festen Platz als zuverlässige Bauelemente für Geräte, in denen wenig Platz vorhanden ist oder die in einem möglichst großen Temperaturbereich ohne große Parameterabweichungen arbeiten sollen. Im Bereich militärischer und Weltraum-Applikationen haben nur Tantal-Elektrolytkondensatoren überhaupt die erforderlichen Zulassungen.

Niob-Elektrolytkondensatoren stehen in direkten Wettbewerb zu industriellen Tantal-Elkos, ihre Eigenschaften sind vergleichbar. Wegen ihres etwas geringeren Gewichtes bieten sie bei Applikationen mit hohen Anforderungen an Vibrations- und Stoßfestigkeit einen Vorteil gegenüber den Tantal-Elkos. Darüber hinaus ist Niob besser verfügbar.

Schaltzeichen

Schaltzeichen

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

Besonderheiten gegenüber anderen Kondensatorarten

Im Folgenden werden Besonderheiten von Elektrolytkondensatoren beschrieben, die diese Kondensatoren von anderen Kondensatorarten unterscheiden.

Ersatzschaltbild

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.

Serien-Ersatzschaltbild eines Elektrolytkondensators

Hierin sind:

• C, die Kapazität des Kondensators,
• R_Leak, der Parallelwiderstand zum idealen Kondensator, der den Reststrom (Leckstrom) des Elkos repräsentiert,
• R_ESR, der Äquivalente Serienwiderstand, er fasst die ohmschen Verluste des Bauelementes zusammen. Dieser Wirkwiderstand wird allgemein nur „ESR“ (Equivalent Series Resistance) genannt
• L_ESL, die Äquivalente Serieninduktivität, sie fasst die Induktivität des Bauelementes zusammen, sie wird allgemein nur „ESL“ (Equivalent Series Inductivity L) genannt.

Kapazität

Die Kapazität eines Elektrolytkondensators ist frequenzabhängig. Bei der Frequenz „0“, bei Gleichspannung, hat ein Elko eine Ladefähigkeit, die Gleichspannungskapazität genannt wird. Sie wird mit einer Zeitmessung über die Lade- bzw. Entladekurve eines RC-Gliedes gemessen. Die Gleichspannungskapazität ist etwa 10 bis 15 % höher als die Kapazität, die mit der von der Norm vorgeschriebenen Frequenz von 100/120 Hz gemessen wird. Hierin unterscheiden sich Elektrolytkondensatoren von anderen Kondensatorarten, deren Kapazität bei 1 kHz gemessen wird.

Kapazitätstoleranz

Die Kapazitätstoleranz von Elektrolytkondensatoren, früher −10/+50 % oder −10/+30 %, heute meist ±20 %, ist, verglichen mit anderen Kondensatorfamilien, recht groß. Da Elektrolytkondensatoren aber nicht in frequenzbestimmenden Schaltungen eingesetzt werden, wo enge Kapazitätstoleranzen gefordert werden, genügt diese Toleranzbreite, die überwiegend aus der Streuung des Aufraugrades der Anode stammt, meist den Anforderungen.

Spannungsfestigkeit

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

Umpolspannung

Die charakteristische Eigenschaft von Ventilmetallen ist, dass sie beim Anlegen einer Spannung in richtiger Polarität eine in dieser Richtung elektrisch sperrende Oxidschicht auf der Anodenoberfläche bildet. In Gegenpolrichtung hat diese Oxidschicht halbleitende Eigenschaften. Wird die Polarität, die am Ventilmetall anliegt, umgekehrt, so kann, wenn die Spannung über einen Schwellenwert hinausgeht, ein Strom fließen. Außerdem bildet sich die Oxidschicht zurück. Ergebnis ist, dass es zu Durchschlägen durch das Oxid kommen kann. Eine längere Zeit am Elektrolytkondensator anliegende Umpol- oder Falschpolspannung führt damit unweigerlich zum Kurzschluss und somit zur Zerstörung des Kondensators. Die Höhe der maximal zulässigen Falschpolspannung hängt ab von dem Aufbau des jeweiligen Elektrolytkondensators. Tantal-Elektrolytkondensatoren mit festem Elektrolyten verhalten sich anders als Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit flüssigem Elektrolyten.

Strombelastbarkeit

Ein der Gleichspannung überlagerter Wechselstrom (Rippelstrom) bewirkt Lade- und Entladevorgänge im Elektrolytkondensator. Dieser Wechselstrom fließt über den ESR und führt zu frequenzabhängigen Verlusten, die den Kondensator erwärmen. Diese Wärme wird an die Umwelt abgegeben. Wie schnell das geschieht, hängt von den Abmessungen des Kondensators und weiteren Bedingungen, wie z. B. Zwangskühlung ab. Der spezifizierte Rippelstrom darf innerhalb des Nenntemperaturbereiches nicht überschritten werden. Ein Überschreiten dieser Grenze führt zur Zerstörung des Kondensators.

Scheinwiderstand Z und Wirkwiderstand ESR

Grafische Darstellung der Berechnung des Scheinwiderstandes im Zeigerdiagramm

Typischer Frequenzverlauf der Impedanz und des ESR bei einem Al-Elko

Analog zum ohmschen Gesetz, wo der Quotient aus Gleichspannung U_DC und Gleichstrom I_DC gleich einem Widerstand R ist, wird der Quotient aus Wechselspannung U_AC und Wechselstrom I_AC:

$Z = \frac{U_{AC}}{I_{AC}}$

Wechselstromwiderstand oder Scheinwiderstand Z genannt. Er ist der Betrag der komplexen Impedanz $Z\ = |\underline Z|$ des Kondensators bei der gewählten Messfrequenz. (In den Datenblättern von Kondensatoren wird nur der Scheinwiderstand, also der Betrag der Impedanz angegeben).

Sind die Serienersatzwerte eines Kondensators bekannt, dann kann der Scheinwiderstand auch über diese Werte berechnet werden. Er ist dann die Summe der geometrischen (komplexen) Addition der Wirk- und der Blindwiderstände, also des Ersatzserienwiderstandes ESR und des induktiven Blindwiderstandes X_L abzüglich des kapazitiven Blindwiderstandes X_C. Die beiden Blindwiderstände weisen mit der Kreisfrequenz ω folgende Beziehungen auf:

$X_L=\omega \mathrm{ESL}, \qquad X_C= -\frac{1}{\omega C}$

womit sich für den Scheinwiderstand Z folgende Gleichung ergibt:

$Z=\sqrt{\mbox{ESR}^2 + (X_L + X_C)^2}$

(zur Herleitung der verwendeten Vorzeichenkonvention siehe unter Impedanz ).

Im Sonderfall der Resonanz, bei dem der kapazitive und der induktive Blindwiderstand gleich groß sind (X_C=X_L), wird der Scheinwiderstand Z gleich dem ESR des Kondensators, dem Wert, in dem alle ohmschen Verluste des Kondensators zusammengefasst werden.

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

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

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

Impedanzverhalten

Besonderheit der Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit flüssigen Elektrolyten sind die relativ hohen Kapazitätswerte, die mit dieser Technologie erreicht werden können. Da diese Kondensatoren überwiegend in der Stromversorgung elektronischer Schaltungen eingesetzt werden und 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.

Typische Verläufe des Scheinwiderstandes von Al-Elkos und Polymer-Elkos bei unterschiedlichen Kapazitätswerten

Im Bild gezeigt werden typische Verläufe 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 Elektrolyten (im Bild mit „Al-Elko“ beschriftet).

Reststrom

Prinzipielle Reststrom-Einschaltkurven

Eine Besonderheit bei Elektrolytkondensatoren ist der sogenannte Reststrom (engl. leakage current), früher auch Leckstrom genannt. Der Reststrom eines Elektrolytkondensators ist der Gleichstrom, der ihn durchfließt, wenn eine Gleichspannung richtiger Polarität angelegt wird. Der Reststrom beinhaltet alle durch chemische Prozesse und mechanische Beschädigungen des Dielektrikums sowie durch Tunneleffekte verursachten unerwünschten Gleichströme, die das Dielektrikum passieren können. Der Reststrom ist spannungs-, zeit- und temperaturabhängig und hängt von der Vorgeschichte des Kondensators, z. B. vom Löten und von der chemischen Verträglichkeit des Elektrolyten mit der Oxidschicht ab. Bei Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit flüssigem Elektrolyten ist er auch noch abhängig von der vorangegangenen Lagerzeit. Spezifiziert wird der Reststrom meist durch Multiplikation des Nennkapazitätswertes C_N und der Nennspannung U_N, zu dem noch ein kleiner Festwert addiert wird, beispielsweise:

$I_\mathrm{Leak} = 0{,}01\,\mathrm{{A}\over{ V \cdot F}} \cdot U_\mathrm N \cdot C_\mathrm N + 3\,\mathrm{\mu A}$

Dieser Wert, gemessen mit der Nennspannung, ist nach einer vorgeschriebenen Messzeit, zum Beispiel 2 oder 5 Minuten, einzuhalten. Aluminium- und Tantal-Elektrolytkondensatoren weisen unterschiedliches Reststromverhalten auf. Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit flüssigem Elektrolyten werden mit nur relativ wenig Sicherheit in der Dicke der Oxidschicht, des Dielektrikums, hergestellt. Außerdem ist Aluminium und sein Oxid relativ empfindlich gegenüber aggressiven oder wasserhaltigen Elektrolyten. Daher haben die sogenannten „nassen Elkos“ im Vergleich der Elko-Technologien beim Einschalten den höchsten Reststrom.

Tantal-Elektrolytkondensatoren mit festem Elektrolyten, aber auch Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit festem Elektrolyten (Braunstein, TCNQ, Polymer) werden mit sehr viel größerer Sicherheit hinsichtlich der Dicke der Oxidschicht aufgebaut. Dies bewirkt normalerweise eine größere Spannungsfestigkeit des Dielektrikums und hat beim Einschalten somit einen kleineren Reststrom zur Folge.

Noch bessere Eigenschaften hinsichtlich des Reststromes haben Tantal-Elektrolytkondensatoren mit flüssigem Elektrolyten. Da beim Einbringen von festen Elektrolyten kleinere Beschädigungen der Oxidschicht vorkommen können, was bei flüssigen Elektrolyten nicht der Fall ist, haben diese Kondensatoren im Vergleich beim Einschalten das beste Reststromverhalten.

Der Reststrom bei allen Elektrolytkondensatoren wird, bedingt durch Selbstheileffekte, immer geringer, je länger die Kondensatoren an Spannung liegen.

Lebensdauer

Die Lebensdauer von Bauelementen, auch von Elektrolytkondensatoren, wird berechnet nach den im Betrieb auftretenden Ausfällen. Als Ausfall bezeichnet man hierbei einen im Betrieb oder in einer Prüfung auftretenden Fehler, der entweder zur Funktionsuntüchtigkeit des Kondensators führt (Vollausfall: Kurzschluss oder Unterbrechung) oder sich durch eine Überschreitung von elektrischen Grenzwerten äußert (Änderungsausfall).

Wird ein bestimmter Prozentsatz an Ausfällen, Vollausfälle und Änderungsausfälle gelten als gleichwertig, in einer Charge überschritten, so spricht man vom „Lebensdauerende“ bzw. „Ende der Brauchbarkeitsdauer“ dieser Charge. Nach älteren, heute zurückgezogenen DIN-Normen war das Überschreiten von 1 % Ausfällen in einer Charge gleichbedeutend mit ihrem Lebensdauerende.

Der unterschiedliche Aufbau der verschiedenen Elko-Typen beinhaltet nun ein völlig unterschiedliches Entstehen einer Lebensdauerangabe für eine bestimmte Type. Dabei nehmen Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit flüssigem Elektrolyten eine Sonderstellung ein. Der flüssige Elektrolyt verdunstet über die Betriebszeit und bestimmt über seine Verdunstungsrate die Funktionsdauer der Elkos. Es tritt ein Elektrolytverlust auf, und zwar umso schneller, je höher die Temperatur ist. Mit abnehmender Elektrolytmenge ändern sich aber auch die elektrischen Parameter des Kondensators, die Kapazität verringert sich und der äquivalente Serienwiderstand ESR sowie die Impedanz nehmen zu. Das führt dazu, dass die Lebensdauer von Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit flüssigem Elektrolyten im Wesentlichen durch Überschreiten von Kennwerten, also durch Änderungsausfälle bestimmt wird.

Alle anderen Elektrolytkondensatorfamilien dagegen besitzen einen festen Elektrolyten, der nicht verdunsten kann. Sofern nicht durch Überlastbedingungen chemische Änderungen in z. B. Polymer-Elektrolytsystemen erfolgen, werden bei diesen Elektrolytkondensatoren die zufällig und selten auftretenden Vollausfälle zur Ermittlung der Lebensdauer herangezogen.

Speichervermögen und Impuls-Strombelastbarkeit

Vergleich von Leistungs- und Energiedichte von Doppelschicht- und Aluminium-Elektrolytkondensatoren und verschiedenen Akkumulatoren

Elektrolytkondensatoren, insbesondere Aluminium-Elektrolytkondensatoren, besitzen, verglichen mit Kunststoff-Folien- und Keramikkondensatoren, eine sehr hohe Kapazität pro Bauvolumen. Anders ausgedrückt, die Energiedichte ist recht hoch. Verglichen aber mit den relativ neuen Doppelschichtkondensatoren (DLC) ist die Energiedichte der Aluminium-Elektrolytkondensatoren deutlich geringer. Da die Strombelastbarkeit, sowohl bei Ein- als auch bei Ausschaltvorgängen, bei den Elkos deutlich höher ist als bei DLC-Kondensatoren ergibt sich vom Einsatzbereich her eine deutliche Trennung der beiden Kondensatorfamilien. Aluminium-Elektrolytkondensatoren puffern schnelle Energiespitzen und glätten Gleichspannungen durch Sieben von Wechselströmen gegen Masse, DLC-Kondensatoren und, wie im Bild rechts gezeigt, Akkumulatoren puffern Gleichspannungen und liefern Energie über längere Zeiträume.

Kennzeichnung

Allgemein

Die Kennzeichnung von Elektrolytkondensatoren kennt keine Farbcodierung. Die früher verwendete Farbcodierung von Tantal-Perlenkondensatoren gibt es heutzutage nicht mehr. 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 2006, Mai

Polarität

Achtung, bei den runden Elkos mit Metallgehäuse kennzeichnet die Farbmarkierung den Minuspol!

Zur Kennzeichnung der Polarität gibt es mehrere Varianten:

• Bei der axialen/liegenden Bauform ist der Minuspol mit dem Gehäuse verbunden, der Pluspol ist isoliert, und fast alle haben auf der positiven Seite eine umlaufende Kerbe. Vor allem bei älteren Elkos ist die negative Seite mit einem Farbring gekennzeichnet.
• Bei der stehenden Bauform (radiale Bauform oder auch „single ended“ genannt) verläuft auf einer Seite (meistens der negativen) eine senkrechte Markierung. Zudem ist üblicherweise bei loser, nicht gegurteter Ware der Plusanschluss länger als der Minusanschluss.
• Bei Tantal-Kondensatoren ist der positive Pol mit einem Plus gekennzeichnet.
• SMD-Elkos: siehe Bild

Anwendungen

Typische Applikationen für Elektrolytkondensatoren sind:

• Glättungs- und Pufferkondensator 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). Dabei 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 Betriebs- oder Motor-Startkondensatoren (Anlasskondensator) für Asynchronmotoren
• Tonfrequenzkondensatoren in Frequenzweichen von Lautsprecherboxen

Literatur

• D. Nührmann: Das komplette Werkbuch Elektronik. Franzis-Verlag, Poing 2002, ISBN 3-7723-6526-4.
• K. H. Thiesbürger: Der Elektrolyt-Kondensator. 4. Auflage, Roederstein, Landshut 1991 (OCLC 313492506).
• O. Zinke; H. Seither: Widerstände, Kondensatoren, Spulen und ihre Werkstoffe. Springer, Berlin 1982, ISBN 3-540-11334-7.
• H-D. Langer: Festkörperelektrolytkondensatoren. Akademie-Verlag, Berlin 1982 (OCLC 74564862).
• J. D. Moynihan: Theory, Design and Application of Electrolytic Capacitors. 1982 (OCLC 17158815).
• L. Stiny: Handbuch passiver elektronischer Bauelemente. Aufbau, Funktion, Eigenschaften, Dimensionierung und Anwendung. Franzis-Verlag, 2007, ISBN 978-3-7723-5430-4.
• K. Beuth, O. Beuth: Bauelemente. Elektronik 2. Vogel Fachbuch, 2006 ISBN 3-8343-3039-6.

Weitere Literaturhinweise siehe Unterartikel Aluminium-Elektrolytkondensatoren, Tantal-Elektrolytkondensatoren oder Niob-Elektrolytkondensatoren.

Siehe auch

• Doppelschicht-Kondensator

Einzelnachweise

1. ↑ Charles Pollack: Elektrischen Flüssigkeitskondensators mit Aluminiumelektroden Patentnummer 92564, Kaiserliches Patentamt, Deutschland, eingereicht am 14. Januar 1896, Patent erteilt am 19. Mai 1897.

Weblinks

 Commons: Elektrolytkondensatoren – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• About Us - History of Kemet. Kemet, abgerufen am 22. Apr. 2009. 
• Elektrolytkondensatoren – Grundlagen aus „das ELKO“
• Polarisierter Elektrolytkondensator für Wechselspannung und inverse Gleichspannung
• FARADNET, „Fast alles über Kondensatoren“ (englisch)