Aufbau und Lebensdauerberechnung Elektrolytkondensatoren

Paul-Martin Kamprath | Leitung Marketing | pk components GmbH

Besonders im mittleren bis höheren Leistungsbereich stellen Kondensatoren einen großen Kostenpunkt dar, der Aufmerksamkeit verlangt. Mit Elektrolytkondensatoren können hohe Kapazitäten mit einem sehr guten Preisleistungsverhältnis realisiert werden. Ihre Nutzung ist aus diesem Grund für z.B. die Siebung und Glättung in Stromversorgungen weit verbreitet. Die zuverlässige Lebensdauer-Berechnung von Aluminium-Elektrolytkondensatoren ist ein entscheidender Faktor für die Ausfallsicherheit elektronischer Systeme. Insbesondere Temperatur, Ripple-Strom und reale Betriebsbedingungen beeinflussen Alterung und Funktionsdauer dieser Bauelemente maßgeblich. Im Folgenden wird zunächst der grundlegende Aufbau und die Funktionsweise von Aluminium-Elektrolytkondensatoren erklärt. Darauf aufbauend werden die physikalischen Alterungsmechanismen und gängigen Berechnungsmodelle und Herstellerangaben vorgestellt, mit denen Entwickler die reale Lebensdauer praxisnah abschätzen können.

Der Aufbau eines Kondensators

Zwischen zwei Platten mit der Fläche A, die Anode und die Kathode, ist der Abstand d. Dazwischen ist ein nicht leitendes Dielektrikum mit der relativen Permittivtiät ε_r. Die Kapazität in Farad (Q/V) errechnet sich wie folgt:

wobei ε₀ die elektrische Feldkonstante des Vakuums ist.

Der Aufbau eines Elektrolyt-Kondensators

Die Kathode und die Anode werden mit Folien aufgebaut und mit einem Trägermaterial, oft Papier, separiert. Die Folien werden mit speziellen Technologien geätzt und aufgeraut, um die Fläche stark zu vergrößern. Das Dielektrikum wird mit einer Oxidschicht hergestellt. Um eine lückenlose Anbindung der Kathode an die feine Struktur der Oxidschicht sicherzustellen wird ein leitender Elektrolyt eingebracht. Der Elektrolyt fungiert als eigentliche Kathode, während die Kathodenfolie nur die elektrische Verbindung zum äußeren Stromkreis herstellt.
 

Das Dielektrikum

Damit der Kondensator als Kondensator funktioniert, muss eine nicht leitende Schicht, das Dielektrikum, dazwischen sein. Idealerweise ist das Dielektrikum mit einer hohen relativen Permittivität ε_r belegt, um die Kapazität des Kondensators zu steigern. Bei Elektrolytkondensatoren wird das Dielektrikum über eine anodische Oxidation, auch Formierung genannt, hergestellt. Hierzu wird eine Spannung in einem Elektrolytbad angelegt, die sich ca. in einem Bereich der 1,25- bis zweifachen der Nennspannung des Kondensators bewegt. Dieser sogenannte Formierungsfaktor beeinflusst die Dicke und Qualität der Oxidschicht und somit die endgültigen Eigenschaften des Kondensators.

Die unterschiedlichen Arten von Elektrolyten

Ein grundsätzlicher Unterschied ist der Aggregatzustand. Er reicht von flüssig bis fest.

Ein flüssiger Elektrolyt kann sich sehr gut mit den hochfeinen Strukturen der Anoden und Kathoden verbinden. Die durch die Vorbehandlung vergrößerte Fläche (siehe oben) wird somit beibehalten. Flüssigkeiten unterliegen auch einer Verdunstung, die durch höhere Temperaturen gefördert wird. Der Prozess bewirkt, dass die Kontaktierung der gesamten Fläche abnimmt, letztendlich die Kapazität sinkt und elektrische Widerstände steigen. Kondensatoren mit flüssigem Elektrolyt haben aus diesem Grund eine begrenzte Lebensdauer.

Bei Kondensatoren mit einem festen Elektrolyt verhält es sich andersherum. Die Lebensdauer ist sehr hoch bzw. die Problematik nicht vorhanden. Im Gegenzug können nicht so hohe Kapazitätswerte erreicht werden. Gelförmige Elektrolyte wie z.B. Polymere werden seit einiger Zeit erfolgreich eingesetzt. Gelförmige Elektrolyte haben jedoch eine deutlich höhere Viskosität als flüssige Elektrolyte und kommen nicht in die „letzte Pore“ der Anodenoberfläche. Dafür bieten sie eine sehr hohe Lebensdauer. Eine Kombination eines Elektrolyts aus Polymer und flüssigen Bestandteilen wird im "Hybrid-Kondensator" umgesetzt, dessen Verwendung aufgrund der Kombination dieser Vorteile stark zugenommen hat (siehe Artikel Kondensatoren: Grundlagen, Technologien und deren Eigenheiten  unter "Hybrid-Polymer-Kondensatoren")

Übersicht Elektrolyte

Flüssiger

• Flüssiger wasserhaltiger Elektrolyt
• Flüssiger organischer Elektrolyt

Gelförmig bis fest

• Polymer (PEDOT, Polypyrrol)

Fester

• Mangandioxid (speziell für Tantalkondensatoren)

Die selbstheilende Wirkung des Elektrolyts auf das Dielektrikum

Der Elektrolyt eines Elektrolytkondensators hat eine selbstheilende Wirkung auf das Dielektrikum. Dieses ist, wie oben beschrieben, eine sehr dünne Oxidschicht, die durch Anlegen einer Spannung auf einer Aluminiumelektrode gebildet wird. Diese Oxidschicht ist im Allgemeinen sehr dünn. Wenn kleine Defekte in der Oxidschicht auftreten, wie etwa Risse oder dünne Stellen, kann es passieren, dass an diesen Stellen ein elektrischer Durchschlag stattfindet. Dadurch würde normalerweise das Dielektrikum beschädigt und der Kondensator unbrauchbar werden. Der Elektrolyt im Kondensator wirkt jedoch selbstheilend, indem er sich an der beschädigten Stelle zersetzt und Sauerstoffione freisetzt. Diese Sauerstoffione reagieren mit dem Aluminium der Elektrode, wodurch sich erneut eine dünne Oxidschicht bildet, die das ursprüngliche Dielektrikum an der beschädigten Stelle „repariert“. Dieser Prozess isoliert den durchgeschlagenen Punkt und verhindert, dass ein Kurzschluss entsteht. 

Der ESR (Equivalent Series Resistance)

Der ESR von Elektrolytkondensatoren ist ein wesentlicher Parameter, der ihre Effizienz und Leistungsfähigkeit beeinflusst. Der ESR ist der äquivalente Serienwiderstand, der die effektiven Verluste des Kondensators bei Wechselstrom beschreibt. Er kombiniert die Widerstände der Anschlüsse, der Elektroden und des Elektrolyten. Ein höherer ESR führt zu höheren Verlusten in Form von Wärme bei Betrieb. Im Allgemeinen sinkt der ESR mit zunehmender Frequenz. Ebenso ist der ESR temperaturabhängig: bei tiefen Temperaturen steigt der ESR üblicherweise an, was die Leistung des Kondensators verringern kann. Daher ist der ESR bei niedrigen Temperaturen besonders relevant. In der praktischen Anwendung ist das bei einem Kaltstart von Bedeutung. Mit der Alterung des Kondensators erhöht sich der ESR aufgrund der Austrocknung des (flüssigen) Elektrolyts (siehe unten), was die Verluste erhöht. In Anwendungen wie z.B. Schaltnetzteile oder Hochfrequenz-Schaltungen ist ein niedriger ESR wichtig, um die Effizienz zu steigern und Verluste zu minimieren. Kondensatoren mit niedrigem ESR lassen aufgrund der geringeren Wärmeentwicklung höhere Rippelströme* zu und sind somit leistungsfähiger.

Die Lebensdauer

Wie oben schon angedeutet erfährt ein Kondensator mit Elektrolyten, die Flüssiganteile besitzen, eine Begrenzung der Lebensdauer. Das bedeutet nicht, dass der Kondensator sich irgendwann unerwartet in einem elektrisch offenen oder geschlossenen Zustand befindet. Vielmehr verändern bzw. verschlechtern sich bestimmte Parameter über die Zeit aufgrund von chemischen Prozessen, in diesem Fall durch die Verdunstung. Das Ende der Lebensdauer ist dann gegeben, wenn die Parameter eine definierte Abweichung vom Ausgangszustand erreichen. In der Regel ist diese relativ. Das heißt, der Kondensator degradiert soweit, bis eine Verwendung nicht mehr sinnvoll erscheint.

Typische Veränderungen im Laufe der Lebensdauer:

• Die Kapazität sinkt
• Der Verlustfaktor bzw. ESR (equivalent series resistance) steigt
• Die Impedanz steigt

Die Berechnung der Lebensdauer der Elektrolytkondensatoren

Die wichtigsten Faktoren für die Lebensdauer sind in absteigender Rangfolge:

• Eigenerwärmung in Abhängigkeit von der Frequenz, dem Strom und der Spannung
• Umgebungstemperatur
• Selbstheilungseffekt

Unterm Strich ist die Kerntemperatur des Kondensators und die Diffusion des Elektrolyts durch die Versiegelung des Bechers ein dominierender Faktor für die Lebensdauer eines Elektrolytkondensators. Die Geschwindigkeit geht einher mit der Arrhenius-Gleichung. Diese ist nicht-linear. Für eine recht gute Abschätzung kann die sogenannte „10-Grad-Verdoppelungsregel“ herangezogen werden. Diese beschreibt eine Verdoppelung der Lebensdauer bei einer um 10°C geringeren Temperatur. Mathematisch sieht das aus wie folgt:

mit

L_x = zu berechnende Lebensdauer
L_{min (spec)} = spezifizierte Lebensdauer bei der oberen Grenztemperatur T₀ in C°
T_A = Umgebungstemperatur in C°

Wer es genauer haben möchte muss den Rippelstrom* berücksichtigen:

 

mit

L_x = zu berechnende Lebensdauer
L₀ = Spezifizierte Lebensdauer bei Nenn-Rippelstrom
ΔT₀ = Wärmezunahme im Kern des Elektrolytkondensators bei Nenn-Rippelstrom
ΔT_j = Wärmezunahme im Kern des Elektrolytkondensators mit dem Rippelstrom der Anwendung
k = 0,25 (SMD / radiale Bauform), 0,17 (Snap-In), 0 (Schraubanschluss)

Der Wert für ΔT₀ ist für jede Serie vorhanden und muss beim Hersteller angefragt werden.

ΔT_j kann über 

mit

ΔT_c = Wärmenzunahme an der Oberfläche 

z.B. empirisch bestimmt werden. Der Parameter ∝ ist wieder produktspezifisch und vom Hersteller zu erfahren.

Es gibt noch weitere Faktoren, die die Lebensdauer beeinflussen. Zum Beispiel ist die Lebensdauer bei Produkten in größeren Bauformen wie z.B. Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren mit Snap-In oder Schraubanschlüssen von der Spannung abhängig. Hier ist nicht nur die Verdunstung des Elektrolyts ausschlaggebend, sondern der Verbrauch der Flüssigkeit durch Leckströme, auch Restströme genannt. Die bei größeren Bauformen überproportionale Folienflächenzunahme spielt hier ebenso eine Rolle. Der Effekt wird mit folgender Gleichung abgebildet:
 

mit

L = Lebensdauer bei der angelegten Spannung
L₀ = Lebensdauer bei angelegter Nennspannung
V = Angelegte Spannung
V₀ = Nennspannung
κ = Produktspezifische Konstante, die vom Hersteller erfragt werden muss

Min [A, B] bedeutet, dass der kleinste Wert aus A oder B genommen wird.

Die Gleichung (5) bedeutet, dass wenn weniger als 80% der Nennspannung angelegt wird, die Lebenszeit κ-Mal größer ist als wenn mit Nennspannung betrieben wird.

Die gezeigte Spannungsabhängigkeit ist nur anwendbar bei Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren mit Snap-In Terminierung oder Schraubanschluss und Nennspannungen ≥ 160V. Der Effekt der Austrocknung steht bei kleineren Bauformen wesentlich mehr im Vordergrund und die Spannungsabhängigkeit der Lebensdauer wird vernachlässigbar bei Nennspannungen < 160V.

Berechnung der Lebensdauer für Produkttypen

Für Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren in SMD und radialer Ausführung mit Tmax = 105°C:

L_ges = (2) · (3) mit k = 0,25

Snap-In Typen mit <160V Nennspannung: 

L_ges = (2) · (3) mit k = 0,17

Snap-In Typen mit ≥160V Nennspannung: 

L_ges = (2) · (3) · (5) mit k = 0,17

Typen mit Schraubanschluss und <160V Nennspannung: 

L_ges = (2) · (3) mit k = 0

Typen mit Schraubanschluss und ≥160V Nennspannung: 

L_ges = (2) · (3) · (5) mit k = 0

Es ist offensichtlich, dass die Berechnung an Komplexität zunimmt. Es ist auch eher die Regel als die Ausnahme, dass der Hersteller die genauen Parameter für die Berechnung kennt. Aus diesen Gründen empfiehlt es sich, die genauen Berechnungen vom Hersteller durchführen zu lassen. Die Parameter unterscheiden sich auch in den Serien und können nicht von einem Hersteller auf den anderen einfach übertragen werden.

Anwendungsspezifische Parameter – Welche Faktoren können beeinflusst werden

Die Lebensdauer hängt hauptsächlich von der Temperatur ab. Die Abführung der Wärme kann passiv mit einer konstruktiv optimierten Durchströmung mit Luft sein. Etwas aufwändiger mit angebrachtem Kühlkörper. Eine zusätzliche Kühlung kann forciert mit einem Lüfter erfolgen. Bei allen additiven Maßnahmen für eine bessere Kühlung ist abzuwägen, ob nicht die Verwendung höherwertiger Serien mit längeren Lebensdauern aus der gesamtwirtschaftlichen Sicht sinnvoller ist.

Die wichtigsten Parameter der Kondensatorbestandteile, auf die der Hersteller Einfluss nehmen kann, sind:

• Der Becher
• Der Wickel
• Die Folie
• Der Elektrolyt

Mit der richtigen Kombination der Materialien kann der Hersteller eine optimale bzw. optimierte Performance hinsichtlich der Applikation, in der der Kondensator eingesetzt wird, erreichen. Wie bei der Diskussion zur Lebensdauer oben verdeutlicht, gibt es viele Parameter, die nur dem Hersteller bekannt sind bzw. deren richtigen Einsatz nur dieser mit Expertise kennt.

Für viele Applikationen, besonders bei hochwertigen, ist es somit ratsam diese Expertise zu nutzen und die Berechnungen vom Hersteller durchführen zu lassen. Dabei ist es eine Variante, sich aufgrund der Rand- und Betriebsbedingungen einen optimalen Kondensator empfehlen zu lassen. Dieser kann, wenn gewünscht, sich ausschließlich am Katalogspektrum orientieren. Darüber hinaus ist es auch möglich mit bestimmten Modifikationen den Kondensator hinsichtlich Leistung, Lebensdauer und auch Kosten zu optimieren.

Mehr zum Thema: Auf die Applikation abgestimmte Elektrolyt-Kondensatoren

*Der Wechselstrom, der (effektiv) in den Kondensator hinein oder herausfließt.

Weitere Quellen: Rubycon, Wikipedia