Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren Leckströme machen Schaltungsmaßnahmen erforderlich

Schichtaufbau des Dielektrikums

Bild 3 indes macht den Schichtaufbau des Dielektrikums im Querschnitt deutlich. Auf die Aluminiumfolie (Bild 3, Zone 1) folgt zunächst eine Schicht amorphen Aluminiumoxids (Zone 2), der sich eine kristalline (Zone 3) und schließlich eine hydratisierte Schicht (Zone 4) anschließen.

Die kompakten Moleküle der amorphen Schicht (Zone 2) weisen nur einen losen Verbund auf; sie haben also nur geringe Wechselwirkungen untereinander. Dies ist vorteilhaft, wenn ein durch den Ripplestrom aufgeprägtes Feld sie anregt, denn in diesem Fall wird weniger Wärme dissipiert als bei fester gekoppelten Molekülen. Die »Reibung« untereinander fällt gering aus.

Die ebenfalls kompakten Moleküle in der kristallinen Schicht (Zone 3) sind enger angeordnet und bieten einen guten Isolationswiderstand, der kleine Leckströme begünstigt. Die großen Moleküle der Hydratschicht (Zone 4) lassen sich leicht polarisieren und erzeugen im Wechselfeld relativ viel »Reibungsverluste«. Bei erhöhter Temperatur lösen sich zudem Wassermoleküle aus der Hydratschicht, was u.a. zu einer Schwächung der kristallinen Schicht (Zone 3) und damit zu einem Anstieg des Leckstromes führt.

Ein Ziel bei der Entwicklung von neuen Anodenfolien ist daher auch eine dünnere Hydratschicht bei einer gleichzeitig dickeren amorphen Schicht. Jianghai verfügt dank seiner Strategie der vertikalen Integration über eigene Werke zur Formierung des Anodenmaterials und kann daher die Technologie der Folien optimieren.

Leckströme entstehen durch Fehlstellen im Dielektrikum

Eine wesentliche Ursache des Leckstromes von Elkos sind Fehlstellen im Dielektrikum der Anode. Fehlstellen resultieren z.B. aus Kristallbaufehlern, der Anwesenheit von Fremdatomen in der Aluminium-Basisschicht, mechanischen Spannungsrissen (vom Wickeln), fertigungsbedingten Beschädigungen (Zuschnitt der Folie, genietete Verbindungen mit den Anschlussfähnchen) und Anlösungen der Oxidschicht durch den Elektrolyten [5].

Kleinere Beiträge zum Leckstrom leisten die dielektrische Absorption, Querströme außerhalb des Elko-Wickels sowie Tunneleffekte [6]. Innerhalb weniger Minuten an Spannung klingt der Elko-Leckstrom in etwa exponenziell ab und nimmt einen fast konstanten Wert an, den Betriebsleckstrom  (Bild 4a).

Der Betriebsleckstrom [5], als Maß für den Formierzustand der Anodenfolie, hängt von der Zeit, der angelegten Spannung, Temperatur und Vorgeschichte des Kondensators ab (siehe Bilder 4a bis 4c). Typische Werte des Betriebsleckstromes können ca. 5 bis 15 % vom Datenblattwert des Leckstromes betragen und stellen sich in der Regel bereits nach mehreren zehn Minuten kontinuierlichen Betriebs ein.

Lagerung von Elkos

Der im Datenblatt spezifizierte Leckstrom soll auch nach längerer, spannungsloser Lagerung eingehalten werden – und hat daher auch einen wesentlich höheren Zahlenwert als der Betriebsleckstrom. In Abhängigkeit von Temperatur und Elektrolyt-Zusammensetzung löst sich die Oxidschicht teilweise – mehr oder weniger – auf, denn ohne angelegte Spannung kann sich die Oxidschicht nicht regenerieren (Stichwort »Selbstheilung«) [5].

Zu Wartungszwecken eingelagerte Geräte sollen daher von Zeit zu Zeit betrieben werden. Die Zeiträume für einen »Regenerationsbetrieb« hängen von den eingesetzten Elkos ab und liegen typischerweise im Bereich von mehreren Jahren.

Bei neuen, noch nicht bestückten und gelöteten Elkos empfiehlt Jianghai, einen Zeitraum von zwölf Monaten nach dem Eintreffen beim Endanwender bis zur Verarbeitung und Nutzung nicht zu überschreiten. Eine längere Lagerung kann die Verarbeitbarkeit beim Löten beeinträchtigen bzw. zu erhöhten Leckströmen beim ersten Betrieb führen. In Abhängigkeit von der Baureihe und den Umgebungsbedingungen bei der Lagerung können allerdings längere Lagerdauern individuell vereinbart werden.

Während Niedervolt-Elkos (bis 100 V Nennspannung) mit lösemittel-basierten Elektrolytsystemen in der Regel sehr stabil  sind, können Hochvolt-Elkos (ab 160 V Nennspannung) mit Ethylenglykol-basierten Elektrolyten und insbesondere sogenannte Low-ESR-Typen mit wasserhaltigen Elektrolyten einen Anstieg der Leckströme ausprägen.

Ein ca. 15- bis 30-minütiger Betrieb der Elkos an einer über Widerstände (Niedervolt: 100 Ω, Hochvolt: 1 kΩ, vgl. [7], Abschnitt 4.1 »Vorbehandlung«) zugeführten, schrittweise auf Nennspannung erhöhten Spannung kann in diesem Fall eine weitgehende Ausheilung der geschwächten Stellen im Dielektrikum bewirken und den Leckstrom wieder unter den Datenblattwert senken.