Schwerpunkte

Elektrolytkondensator-Grundlagen

Das 1 x 1 für Entwickler

21. September 2016, 09:42 Uhr   |  Von Dr. Arne Albertsen


Fortsetzung des Artikels von Teil 2 .

Spannungsfestigkeit als Leistungsmerkmal

Bild 4. Qualitativer Verlauf des Betriebsleckstroms in Abhängigkeit von der Spannung für einen Hochvolt-Elko.
© Jianghai Europe Electronic Components

Bild 4. Qualitativer Verlauf des Betriebsleckstroms in Abhängigkeit von der Spannung für einen Hochvolt-Elko.

Insbesondere die Prozessschritte des Formierens und Nachformierens haben großen Einfluss auf die Spannungsfestigkeit von Elkos im Betrieb, aber auch auf die Kosten der Herstellung. Die Firma Jianghai zum Beispiel verfolgt das Ziel, einen hinreichenden Sicherheitsabstand der Formierspannung zur Nennspannung sowie stets ausreichende Verweildauern beim Nachformieren zu gewährleisten, um eine hohe Zuverlässigkeit zu erzielen.

Spannungen außerhalb des zulässigen Bereichs (zulässig: grün bzw. gelb gefärbter Bereich in Bild 4) können bereits bei einmaligem Auftreten zu bleibenden Schäden des Elko führen. Für den sicheren und zuverlässigen Betrieb von Elkos sind daher die folgenden Definitionen von zentraler Bedeutung [4]:

  • Umpolspannung (Reverse Voltage, IEC 60384-4, 4.15) – Alu-Elkos als gepolte Bauelemente müssen stets mit korrekter Polarität angeschlossen werden. Eine Umpolung kann (je nach Spannung und Stromangebot) zur Zerstörung des Bauteils führen [3].
  • Bemessungsspannung und überlagerte Wechselspannung (Nennspannung, Rated Voltage, IEC 60384-4, 2.2.3 ... 2.2.5) – Die kontinuierlich am Kondensator anliegende Betriebsspannung inklusive der überlagerten Wechselspannung soll nicht den Wert der Bemessungsspannung übersteigen (grüner Bereich in Bild 4), wobei der Bemessungs-Wechselstrom ebenfalls nicht überschritten werden darf.
  • Spitzenspannung (Surge Voltage, IEC 60384-4, 4.14) – Die Spitzenspannung kennzeichnet den maximalen Spannungswert, der innerhalb der Elko-Lebensdauer mit einer Häufigkeit von 1000 Zyklen bei einer Verweildauer von 30 s und einer Pause von 5 Minuten und 30 s bei oberer Kategorietemperatur angelegt werden darf, ohne dass es zu sichtbaren Schäden am Elko oder einer Kapazitätsänderung von mehr als 15 % kommt (gelber Bereich in Bild 4).
  • Transienten-Überlastspannung (Transient Voltage, IEC 60384-4, 4.22) – Eine Überschreitung der Spitzenspannung liegt außerhalb des im Datenblatt angegebenen Betriebsbereiches (roter Bereich rechts in Bild 4). Spannungen jenseits der Spitzenspannung führen zu hohen Leckströmen und einer Spannungsbegrenzung ähnlich einer Zenerdiode [9]. Wenn die elektrische Feldstärke zu hoch für den Elektrolyten wird, kann es unmittelbar zu einem Kurzschluss kommen. Wenn in einer Applikation definierte Transienten zu erwarten sind, verfügt Jianghai über technische Möglichkeiten, um hier eine spezifische Lösung im Rahmen der physikalischen Grenzen zu schaffen.   

Leckstrom als weitere Kenngröße

Die wesentliche Ursache des Leckstromes sind Fehlstellen des Oxid-Dielek­trikums. Diese resultieren aus Kris­tall­bau­feh­lern, mechanischen Spannungsrissen, fertigungsbedingten Beschädigungen und Anlösungen der Oxidschicht durch den Elektrolyten [13]. Innerhalb weniger Minuten klingt der Leckstrom in etwa exponentiell ab und nimmt einen fast konstanten Wert – den Betriebsleckstrom – ein.

Der Betriebsleckstrom als Maß für den Formierzustand der Anodenfolie hängt von der Zeit, angelegter Spannung, Temperatur und Vorgeschichte des Kondensators ab [13]. Typische Werte des Betriebsleckstromes betragen ca. 5 bis 15 % vom Datenblattwert des Leckstromes, der auch nach längerer spannungsloser Lagerung eingehalten werden soll.

Um eine gleichmäßige Aufteilung der Spannung bei einer Serienschaltung von Elkos zu gewährleisten, sollte der Strom durch einen Spannungsteiler aus Widerständen den Leckstrom um ein Mehrfaches übersteigen. Die Verwendung von Elkos aus einem Fertigungslos ist dabei vorteilhaft, denn diese weisen in der Regel geringere Abweichungen der Leckströme aus als Elkos aus verschiedenen Fertigungslosen.

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1. Das 1 x 1 für Entwickler
2. Herstellung von Elkos
3. Spannungsfestigkeit als Leistungsmerkmal
4. Äquivalenter Serienwiderstand ESR
5. Zuverlässigkeit - das Leistungsmerkmal schlechthin
6. Elkos erfolgreich einsetzen
7. Literatur

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