Kondensatoren Elko-Lebensdauer bei zyklischen Lastprofilen

In vielen Applikationen hängen Lebensdauer und Zuverlässigkeit des Gerätes direkt von den entsprechenden Parametern der Aluminium-Elektrolytkondensatoren (Elkos) ab. Während frühere Beiträge des Autors das Thema Lebensdauerabschätzung und Zuverlässigkeit beleuchteten und die Grenzen der Elko-Spannungsfestigkeit aufzeigte, geht es im Folgenden um die Elko-Lebensdauer bei zyklisch wiederkehrenden Lastprofilen.

Aluminium-Elektrolytkondensatoren vereinen auf sich Eigenschaften wie Spannungsfestigkeiten im Bereich von wenigen Volt bis ca. 750 V und einen weiten Kapazitätsbereich von 1 µF bis über 1 F bei gleichzeitig kompaktem Aufbau. Eine hoch aufgeraute Anodenfo-lie mit einer dünnen Dielektrikumsschicht wird dabei vollflächig von einer passgenauen Katode, der Elektrolytflüssigkeit, kontaktiert. Der flüssige Elektrolyt im Elko ist die Hauptursache für seine endliche Lebensdauer und die kontinuierliche Drift seiner elektrischen Parameter [1].

Um den Anwendern Hilfsmittel für die Abschätzung der Lebensdauer von Elkos in einer Applikation zu geben, hat Jianghai ein Modell für Elkos entwickelt, das die zu erwartende Lebensdauer bei kontinuierlichem Betrieb in einem zulässigen, stationären Betriebspunkt angibt [1].

Dabei ist der Betriebspunkt gekennzeichnet durch Temperatur, Ripplestrom und die am Elko anliegende Spannung. Zulässige Betriebspunkte gestatten einen Betrieb des Elkos [2] unterhalb der Siedetemperatur des Elektrolyten [1] und vermeiden Überspannungen [3]. Ein stationärer Betrieb stellt sich dann ein, wenn die Verweildauer in einem Betriebspunkt groß gegenüber der thermischen Zeitkonstante des Bauteils ist. Je nach Abmessung des betrachteten Bauteils liegen die Zeitkonstanten zum Erreichen eines thermischen Gleichgewichtszustandes im Bereich von wenigen zehn Sekunden bis hin zu einigen Minuten.

Als Eingangsgrößen verwendet das Lebensdauermodell neben den Datenblattangaben des Elkos (Nenn-Ripplestromtragfähigkeit I0 , obere Kategorietemperatur T0 und Nennspannung Ur ) die applikationsbezogenen Parameter wie Umgebungstemperatur Ta, Ripplestrom Ia und die im Betrieb angelegte Spannung Ua. Bei Zwangskühlung ist ein entsprechend der Luftgeschwindigkeit modifizierter Wert für den Ripplestrom zu berücksichtigen.

Das Jianghai-Lebensdauermodell hat die links abgebildete Gleichungs-Struktur 1. Des Weiteren geht in die Betrachtungen der Effektivwert (quadratische Mittelwert) der gewichteten Rippleströme (Gleichungen 2) mit ein. Denn Ströme aller Frequenzen tragen ihren Anteil zum Entstehen der Wärmeleistung bei.

Die  Korrekturfaktoren für Ströme unterschiedlicher Frequenzen haben ihren Ursprung in der Frequenzabhängigkeit des ESR; sie werden im Datenblatt direkt als Stromkorrekturfaktoren für jede Baureihe tabelliert. Weitere Details sowie Erläuterungen zu den Gleichungen sind in [1] ausgeführt.