Elektrolytkondensator-Grundlagen Das 1 x 1 für Entwickler

Bild 1. Der innere Aufbau eines Alu-Elko enthält im Prinzip wenige Elemente.
Bild 1. Der innere Aufbau eines Alu-Elko enthält im Prinzip wenige Elemente.

Dieser Beitrag erläutert den Aufbau von Elkos sowie die grundlegenden Begriffe Spannungsfestigkeit, Leckstrom, ESR, Ripple-Strom, Eigenerwärmung, chemische Stabilität, Zuverlässigkeit und Lebensdauer. Zudem werden Hilfsmittel zur Abschätzung der Elko-Lebensdauer vorgestellt.

Bei vielen Applikationen hängen Lebensdauer und Zuverlässigkeit des Gerätes direkt von den entsprechenden Parametern der Aluminium-Elektrolytkondensatoren („Alu-Elkos“, „Elkos“) ab [1]. Um einen zuverlässigen Betrieb von elektronischen Geräten für eine definierte Lebensdauer zu erzielen, ist demnach ein Verständnis der Eigenschaften und physikalischen Einsatzgrenzen von Elkos geradezu unerlässlich. 

Ergänzend zum Beitrag gibt es weiterführende Informationen, insbesondere zum Thema Lebensdauer. Diese finden sich in den Veröffentlichungen des Autors – siehe [2, 3, 4]. Die in den Jahren 2015 und 2016 im IEEE Electrical Insulation Magazine erschienene, dreiteilige Artikelreihe von Jens Both gibt darüber hinaus einen Überblick über die faszinierende Technikgeschichte der Elkos im historischen, 120-jährigen Zusammenhang [5, 6, 7].

Grundlegender Aufbau von Elkos

Aluminium-Elektrolytkondensatoren vereinen Spannungsfestigkeiten im Bereich von wenigen Volt bis ca. 700 V und einen weiten Kapazitätsbereich von 1 µF bis über 1 F bei gleichzeitig kompaktem Aufbau. Eine hoch aufgeraute Anodenfolie aus Aluminium mit einer dünnen Dielektrikumschicht wird dabei vollflächig von einer passgenauen Kathode, der Elektrolytflüssigkeit, kontaktiert (Bild 1). 

Der flüssige Elektrolyt ist die Besonderheit der Konstruktion des Aluminium-Elektrolytkondensators, und seine Präsenz hat technische Konsequenzen:

  • Da der Stromfluss durch den Elektrolyten auf Ionenleitung beruht, sorgt eine steigende Temperatur des Elektrolyten für ein Absinken der Viskosität und damit des Widerstandes.
  • Der Siedepunkt des Elektrolyten bestimmt die obere Kategorietemperatur und limitiert die maximal zulässige Eigenerwärmung durch den überlagerten Wechselstrom (Ripple-Strom) in Verbindung mit der herrschenden Umgebungstemperatur.  
  • Elektrolytverluste durch elektrochemische Reaktionen an der Dielektrikumschicht (Selbstheilung) und Diffusion durch die Dichtung (Austrocknung) bewirken eine Drift der elek­trischen Parameter des Elko und führen zu einer Begrenzung seiner Lebensdauer [13].