Wichtiges zum Elektrolytkondensator vor dem Hintergrund der optimierten Anpassung an die Applikation

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.

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 Permittivtiät ε_r. Die Kapazität in Farad (Q/V) errechnet sich wie folgt:

(1)

wobei ε₀ die elektrische Feldkonstante 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. Somit ist der Elektrolyt eigentlich die Kathode.

Aufbau eines Elektrolytkondensators

Das Dielektrikum

Damit der Kondensator als Kondensator funktioniert muss eine nicht leitende Schicht, das Dielektrikum, dazwischen sein. Idealerweise ist das Dielektrikum mit einer hohen 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 ca. dem 1,25 bis 1,6-fachen der Nennspannung des Kondensators entspricht.

Elektrolytbad (Quelle)

Unterschiedliche Dieelektriken

Anodenmaterial	Dielektrikum	Oxidstruktur	Relative Permittivität ε_r	Durchschlagsfestigkeit (V/µm)	Oxidschichtdicke (nm/V)
Aluminium	Aluminiumoxid Al₂O₃	amorph	9,6	710	1,4
Tantal	Tantalpentoxid Ta₂O₅	kristallin	11,6 - 14,2	800 - 1000	1,25 - 10
Niob	Niobpentoxid Nb₂O₅	amorph	27	625	1,6
Nioboxic	Niobpentoxid Nb₂O₅	amorph	41	400	2,5

Vereinfachtes Ersatzschaltbild Kondensator

Impedanz Z mit den einzelnen Komponenten im Zeigerbild

Vereinfachtes Ersatzschaltbild Kondensator

Ersatzschaltbild unter Berücksichtigung von Leckstrom und Isolation

Impedanz Z mit den einzelnen Komponenten
im Zeigerbild

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 und 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. Diese können die feinen Strukturen der Folien gut kontaktieren und bieten eine sehr hohe Lebensdauer.

Übersicht Elektrolyte

Flüssiger

Flüssiger wasserhaltiger Elektrolyt
Flüssiger organischer Elektroly

Gelförmig bis fest

Polymer (PEDOT, Polypyrol)

Fester

Mangandioxid (speziell für Tantalkondensatoren)

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 serial resistance) steigt
Die Impedanz steigt

Die Berechnung der Lebensdauer der Elektrolytkondensatoren

Die wichtigsten Faktoren für die Lebensdauer sind in absteigender Rangfolge:

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

Die Diffusion des Elektrolyts durch die Versiegelung des Bechers ist im Allgemeinen 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 alle 10°C. 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°

Berechnung Lebensdauer Elektrolytkondensator

(2)

Ein Vergleich der Kurven zeigt, dass die Arrhenius-Gleichung und die 10-Grad-Verdoppelungsregel gut im Bereich 70ºC bis 90ºC übereinstimmen, jedoch ist die Abweichung bei < 60ºC oder >105ºC groß. Für Lebensdauerberechnungen von Produkten mit >105°C spezifizierter Lebensdauer sind die Ausführungen im Folgenden nicht anwendbar.

Vergleich 10-Grad-Verdoppelungsregel mit Arrhenius-Gleichung (Quelle: Rubycon)

Wer es genauer haben möchte muss den Rippelstrom* berücksichtigen:

Berechnung Lebensdauer Elektrolytkondensator mit Rippelstrom

(3)

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

ΔT_j = ∝ · ΔT_c

(4)

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. Der Effekt wird mit folgender Gleichung abgebildet:

Berechnung Lebensdauer Elektrolytkondensator in Abhängigkeit von der Spannung

(5)

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 wurde nicht beobachtet bei geringen Nennspannungen.

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
Das 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.