Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren Elko fährt Auto

Über Jahrzehnte hinweg haben sich Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren vor allem in Anwendungen der Industrie- und Konsumelektronik bewährt. In der Automobilelektronik herrschen jedoch andere und teils wesentlich härtere Anforderungen bezüglich Vibrationsfestigkeit, Temperaturbereich, Wechselstrombelastbarkeit und Zuverlässigkeit. Das war bisher nichts für »Elkos« - bisher.

Dank intensiver Entwicklungsarbeit kann TDK-EPC nun Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren (Elkos) liefern, die selbst härteste Anforderungen an die Vibrations- und Temperaturfestigkeit in der Automobilelektronik erfüllen. Durch kontinuierliche Weiterentwicklungen etablieren sich diese leistungsfähigen Bauelemente auch in diesem höchst anspruchsvollen Einsatzfeld immer stärker - in der Antriebssteuerung genauso wie in Sicherheits- und Komfortanwendungen.

Die neu entwickelten Bauteile der Marke »Epcos« basieren meist auf axialen Ausführungen, die im Vergleich zu anderen Konstruktionen wesentliche Vorteile bieten: In dieser Bauweise lassen sich so genannte Multi-Tab-Anschlüsse realisieren. Das heißt, die Kontaktierungen der Anoden- und Kathodenfolien erfolgen nicht nur über jeweils eine, sondern über mehrere Verbindungen. Dadurch sinkt der elektrische Widerstand zwischen Folien und der Außenkontaktierung (ESR) deutlich.

Gleiches gilt für den ESL. Elkos werden im Bereich etlicher Kilohertz betrieben, wodurch bei jeder Ladung und Entladung am ESR elektrische Verluste entstehen, sodass sich das Bauelement erwärmt. Je kleiner dieser ESR ausfällt, umso geringer ist die Eigenerwärmung. Dies bedeutet bei der Multi-Tab-Variante, dass sich bei gleicher zulässiger Eigenerwärmung eine um bis zu 50 Prozent höhere Stromtragfähigkeit ergibt als bei Single-ended-Typen mit vergleichbaren Abmessungen. Eine zusätzliche Maßnahme besteht darin, die Tabs nicht zu nieten, sondern den Kontakt großflächig über Kaltschweißen herzustellen.

Ein einziger Kondensator mit diesen verbesserten Eigenschaften kann bis zu drei konventionelle Typen ersetzen. Neben der Platz- und Gewichtsersparnis sinken die Kosten, und die Zuverlässigkeit des Designs steigt.

Zu den neuen Kondensatoren mit 3-Tab-Anschlüssen gehören die Typen der Serie »B41691x« (axial) und »B41791x« (axial mit Lötstern) (Bild 1). Sie sind für Nennspannungen zwischen 25 V und 63 V mit Kapazitätswerten von 100 µF bis 4000 µF und Temperaturen von bis zu +150 °C ausgelegt.

Typische Einsatzgebiete dieser robusten Kondensatoren sind Motor- und Getriebesteuerung, Start-Stopp-Systeme, Steuergeräte für Betriebsmittelpumpen sowie Lüfter oder Hybridantriebe.

Gehäusesicken verbessern Eigenschaften

Bei den Kondensatorserien mit 3-Tab-Anschlüssen lässt sich die Eigenerwärmung auch durch eine geschickte Gehäusekonstruktion senken. Anstatt einer Kunststofffolie wird dazu um den gesamten Kondensatorwickel eine isolierte Aluminium-Klebefolie gelegt. An diese wird die im Wickel entstehende Wärme abgeleitet. Eine besonders breite Mittelsicke des Kondensatorgehäuses steht in thermischem Kontakt zur Folie und leitet die Verlustwärme schließlich nach außen ab.

Bild 2 zeigt dieses Konstruktionsprinzip. Damit sinkt der ESR um zehn Prozent beziehungsweise die Stromtragfähigkeit steigt dementsprechend. Eine der wichtigsten Voraussetzungen für den Einsatz von Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren in der Automobilelektronik ist eine hohe Vibrationsfestigkeit. Um die Bauteile auf der Leiterplatte zu fixieren, kommen vor allem bei Single-ended-Ausführungen oft Kleber, Harze oder zusätzliche verlötete Metallrahmen zum Einsatz.

All diese Maßnahmen sind zeit- und kostenintensiv und bieten bei der Bestückung in der Regel auch keine so genannte PAPR (Protection Against Polarity Reversion). Um die mechanische Stabilität spürbar zu verbessern, wurden völlig neue Gehäusekonstruktionen entwickelt. Hauptziel dabei war es einerseits, den Kondensatorwickel starr im Gehäuse zu fixieren, andererseits die Anschlussdrähte von mechanischem Stress zu entlasten. Die Fixierung wurde dabei durch eine oder mehrere speziell ausgeprägte Sicken erzielt.

Gerade das axiale Prinzip, bei dem der Minuspol (Kathode) üblicherweise mit dem Aluminiumgehäuse des Kondensators verbunden ist, bietet hier neue Ansatzmöglichkeiten, indem ein Lötstern mit drei Pins mit dem Gehäuse verbunden ist (siehe auch Bild 1).

Er schließt nach dem Bestücken und Verlöten plan mit der Leiterplatte ab, wodurch eine starre Verbindung zwischen Bauelement und Leiterplatte entsteht.

Dadurch können keinerlei Vibrationskräfte mehr auf den mittigen Anodenanschluss übertragen werden.

Ein weiteres neues Konstruktionsprinzip für axiale Bauformen besteht darin, an beiden Seiten des Gehäuses Kontaktplatten anzuschweißen, die über Pins zur Bestückung auf der Leiterplatte verfügen (Bild 3).

Durch diese beiden Techniken ergeben sich Vibrationsfestigkeiten von bis zu 40 g.

Whisker-Bildung verhindern

Bei den neuen Single-ended-Typen der Serien »B43866« wird ein dritter Pin mit der Kathode und gleichzeitig mit dem Gehäuse verbunden. Damit erreicht man eine Vibrationsfestigkeit von bis 20 g ohne zusätzliche Fixierung.

Bei allen Neuentwicklungen wurde besonderes Augenmerk auf die Vermeidung der Ausbildung von Whiskern gelegt. Dabei handelt es sich um nadelförmige Einkristalle, die besonders an zinnbeschichteten Oberflächen auftreten können. Whisker wachsen unter bestimmten mechanischen oder thermischen Bedingungen und können - als abgebrochenes Teil - zu Kurzschlüssen an Bauelementen oder auf der Leiterplatte führen.

Gerade in sicherheitsrelevanten Systemen in Automobilen wie elektrischen Lenkhilfen, Airbag-Steuerungen oder elektrischen Keilbremsen hätte dies fatale Folgen. Bei den axialen Typen verhindert eine Nickel-Gold-Beschichtung die Whisker-Bildung, bei Single-ended-Typen erfolgt dies durch zusätzliche Gummidichtungen an den Anschlüssen.

Über den Autor:

Christoph Jehle ist Pressereferent Fachpresse bei TDK-EPC.