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Elektrolytkondensatoren

Ein Elektrolytkondensator (Abk. Elko) ist ein gepolter Kondensator, dessen Anoden-Elektrode aus einem Metall (Ventilmetall) besteht, auf dem durch Elektrolyse (anodische Oxidation, Formierung) eine gleichmäßige, elektrisch isolierende Oxidschicht erzeugt wird, die das Dielektrikum des Kondensators bildet. Der Elektrolyt, entweder eine elektrisch leitende Flüssigkeit oder ein festes elektrisch leitendes Material aus Mangandioxid oder aus einem leitfähigen Polymer bildet die Kathode des Elektrolytkondensators.

Geläufigste Bauformen von Tantal- und von Aluminium-Elektrolytkondensatoren

Je nach Art des verwendeten Anodenmetalls werden die Elektrolytkondensatoren unterschieden in

• Aluminium-Elektrolytkondensatoren
• Tantal-Elektrolytkondensatoren
• Niob-Elektrolytkondensatoren

Eine weitere Gruppe, die nach dem speziellen Elektrolyten benannt ist, sind die Polymer-Elektrolytkondensatoren, die sowohl Aluminium- als auch Tantal-Elektrolytkondensatoren umfassen.

Aluminium-Elkos sind die preiswertesten Bauelemente aus diesen drei Bauarten und werden im gesamten Bereich elektronischer Geräte eingesetzt. Tantal- und Niob-Elkos konkurrieren miteinander und sind überwiegend in der SMD-Bauform in tragbaren elektronischen Geräten in Flachbauweise zu finden.

Hauptvorteil von Elektrolytkondensatoren ist die – bezogen auf das Bauvolumen – relativ hohe Kapazität im Vergleich zu den beiden anderen wichtigen Kondensatorfamilien, den Keramik- und den Kunststoff-Folienkondensatoren. Dies wird erreicht durch die zur Oberflächenvergrößerung aufgeraute Struktur der Anode und ihres sehr dünnen Dielektrikums. Ihre Kapazität ist jedoch deutlich kleiner als die von elektrochemischen Superkondensatoren.

Elektrolytkondensatoren sind gepolte Bauteile, die nur mit Gleichspannung betrieben werden dürfen. Die Anode ist der Pluspol. Eine evtl. überlagerte Wechselspannung darf keine Umpolung bewirken. Eine Ausnahme bei Aluminium-Elektrolytkondensatoren sind die für Frequenzweichen vorgesehenen bipolaren Elkos. Falschpolung, zu hohe Spannung oder Rippelstrom-Überlastung können das Dielektrikum und damit auch den Kondensator zerstören. Die Zerstörung kann katastrophale Folgen (Explosion, Brand) nach sich ziehen.

Durch die große Kapazität eignen sich Elektrolytkondensatoren besonders zum Entkoppeln von unerwünschten kleineren Frequenzen bis hin zu einigen Megahertz und zum Glättung gleichgerichteter Ströme in Netzteilen und Schaltnetzteilen sowie zum Koppeln niederfrequenter Signale in Audio-Anlagen. Darüber hinaus dienen sie als Energiespeicher in Gleichspannungs-Zwischenkreisen oder in Fotoblitzgeräten.

Grundlagen

Alle Elektrolytkondensatoren sind, wie fast alle Kondensatoren in der Elektronik, im Grunde genommen Plattenkondensatoren, deren Kapazität umso größer ist, je größer die Elektrodenfläche A und die Dielektrizitätszahl ε ist und je kleiner der Abstand der Elektroden zueinander ist (d).

$C=\varepsilon \cdot {\frac {A}{d}}$

Dabei setzt sich die Dielektrizitätszahl ε aus der elektrischen Feldkonstante $\varepsilon _{0}$ und der materialspezifischen Permittivität $\varepsilon _{r}$ des Dielektrikums zusammen:

$\varepsilon =\varepsilon _{0}\varepsilon _{r}$

Anodenstrukturen

Grundmaterial aller Elektrolytkondensatoren ist das verwendete Anodenmetall. Es besteht bei

• Aluminium-Elektrolytkondensatoren aus einer elektrochemisch geätzten und damit aufgerauten Aluminiumfolie und bei
• Tantal-, Niob- und Nioboxid-Elektrolytkondensatoren aus feinkörnigem, gepresstem und gesintertem Metallpulver.

• Strukturen der Anodenmaterialien von Elektrolytkondensatoren
• 
  Die Anodenfolien von Al-Elkos werden elektrochemisch geätzt (aufgeraut), links: 10 V-Niedervolt-Anodenfolie, rechts: 400 V-Hochvolt-Anodenfolie
• 
  Gesintertes Tantalpulver mit aufliegender Oxidschicht

Sowohl durch die Ätzung der Aluminium-Anodenfolie als auch durch das Sintern des Tantal- bzw. Niob-Pulvers entsteht eine aufgeraute Anode, deren Oberfläche deutlich größer als die einer glatten Oberfläche ist.

Anodische Oxidation

Prinzipdarstellung der anodischen Oxidation

Elektrolytkondensatoren basieren nun auf einem speziellen elektrochemischen Effekt, der bei den sog. Ventilmetallen wie Niob, Nioboxid, Tantal oder Aluminium auftritt und zum Aufbau eines elektrochemisch hergestellten Kondensators führt, dessen Kapazität sich wie bei einem Plattenkondensator aus der oben beschriebenen Geometrie ergibt. Denn bei diesen Metallen wird die Oberfläche (Anode) durch Anlegen des Pluspoles einer Gleichstromquelle in einem mit dem Minuspol verbundenen flüssigem Elektrolyten auf der Anodenoberfläche (A) anodisch oxidiert bzw. formiert. Dabei wird auf der Anode eine elektrisch isolierende Oxidschicht (d) gebildet, die als Dielektrikum (ε) eines Elektrolytkondensators genutzt werden kann.

Diese Oxidschichten sind sehr dünn und haben aber außerdem noch eine sehr hohe Spannungsfestigkeit, die im Bereich nm/V liegt. Die Dicke der Oxidschicht wird mit der Formierspannung bestimmt. Dadurch können Elektrolytkondensatoren für die vielfältigen Anwendungen in elektronischen Geräten für jede erforderliche Spannung mit optimaler Dicke des Dielektrikums, innerhalb der physikalischen und chemischen Grenzen, ohne Kapazitätsverluste gezielt hergestellt werden. Für Aluminium-Elkos mit hohen Nennspannungswerten aber speziell auch bei Tantal-Elkos in Hinsicht auf ihre Zuverlässigkeit spielt die Oxidstruktur außerdem noch eine wichtige Rolle.

Materialdaten der drei in der Elektronik verwendeten Dielektrika bei Elektrolytkondensatoren

Anodenmaterial	Dielektrikum	Dielektrizitäts- zahl	Oxid- struktur	Durchschlags- festigkeit (V/µm)	Spannungs- festigkeit (nm/V)
Aluminium	Aluminiumoxid Al2O3	9.6	amorph	710	1.4
			kristallin	1000	1.0
Tantal	Tantalpentoxid Ta2O5	27	amorph	625	1.6
Niob oder Nioboxid	Niobpentoxid Nb2O5	41	amorph	400	2.5

Durch die Aufrauhung der Anodenoberfläche im Zusammenwirken mit der durch die anodische Oxidation der Oberfläche erzeugten sehr dünnen Oxidschicht des Dielektrikums ergibt sich die hohe spezifische Kapazität der Elektrolytkondensatoren.

Elektrolyt

Der Elektrolyt, Namensgeber der Elektrolytkondensatoren, hat nun die Aufgabe, die aufgerauten Strukturen der jeweiligen Anoden mit dem aufliegenden Dielektrikum möglichst vollständig zu bedecken um als Gegenelektrode (Kathode) zu wirken. Dazu muss er mechanisch in die Poren eingebracht werden können, was nur in flüssiger Form erfolgen kann. Feste Elektrolyte werden zunächst in flüssiger Form in die Anodenstrukturen eingebracht und anschließend verfestigt. Die wichtigste elektrische Eigenschaft eines Elektrolyten im Elektrolytkondensator ist seine [[[Elektrische Leitfähigkeit|Leitfähigkeit]].

Aluminium-Elektrolytkondensatoren haben meist einen flüssigen oder gelartigen Elektrolyten, der als Ionenleiter physikalisch eine Ionen-Leitfähigkeit mit begrenzter Ionenbeweglichkeit besitzt, siehe auch Aluminium-Elektrolytkondensator#Elektrolyt.

Ein flüssiger Elektrolyt für Elektrolytkondensatoren besteht immer aus einem Gemisch von Lösungsmitteln und Zusatzstoffen zur Erfüllung der gegebenen Anforderungen. An diese flüssigen Betriebselektrolyte werden vielfältige Anforderungen gestellt, u. a. hohe Leitfähigkeit, Sauerstoff-Lieferant für Formierprozesse und Selbstheilung, möglichst großer Temperaturbereich, chemische Stabilität, hoher Flammpunkt, chemische Verträglichkeit mit den im Kondensator verwendeten Materialien, geringe Viskosität, Umweltverträglichkeit sowie geringe Kosten. Die Vielfalt dieser Anforderungen hat eine Vielzahl von herstellerspezifischen Lösungen zur Folge. Für Aluminium-Elektrolytkondensatoren lassen sich grob zusammenfassend drei Gruppen bilden:

• Wässerige Elektrolyte schwacher Säuren mit Zusätzen von Ethylenglycol (Wasser-Glycol-Elektrolyte), geeignet für Anwendungen bis maximal 105 °C für sog. Low-ESR-Elkos
• Wasserarme Lösungs-Elektrolyte auf Basis von z. B. Dimethylformamid oder Dimethylacetamid geeignet für Anwendungen bis etwa 105 °C und gutem Langzeitverhalten
• Wasserfreie Lösungs-Elektrolyte, auf Basis von γ-Butyrolacton, geeignet für Anwendungen bis etwa 125 °C. Letztere führen zu Elektrolytkondensatoren mit sehr gutem Langzeitverhalten.

Als flüssiger Elektrolyt für Tantal-Elektrolytkondensatoren kommt meist Schwefelsäure zum Einsatz.

Neben flüssigen Elektrolytsystemen können Elektrolytkondensatoren auch mit festen Elektrolytsystemen hergestellt werden. Tantal- und Niob-Elektrolytkondensatoren haben meist einen festen Elektrolyten. Diese Elektrolyte sind Elektronenleiter, das heißt, elektrische Änderungen wie Schaltflanken werden ohne Verzögerung weitergeleitet. Solche festen Elektrolyte bestehen entweder aus dem Halbleiter Braunstein (Mangandioxid, MnO₂, siehe auch Tantal-Elektrolytkondensator#Aufbau und Herstellung) oder aus einem leitfähigen Polymer, beispielsweise Pedot:PSS bestehen, siehe auch Polymer-Elektrolytkondensator#Elektrolyte.

Prinzipieller Aufbau von Aluminium-Elektrolytkondensatoren

Bei Aluminium-Elektrolytkondensatoren wird die geätzte und formierte Anodenfolie zusammen mit einer zweiten Aluminiumfolie und einem Papierstreifen als Abstandshalter gewickelt, mit dem Elektrolyten getränkt, in einem Aluminium-Metallbecher eingebaut und dann verschlossen. Die zweite Al-Folie wird Kathodenfolie genannt, obgleich der Elektrolyt die eigentliche Kathode ist.

• Prinzipieller Aufbau eines Aluminium-Elektrolytkondensators mit flüssigem Elektrolyten
• 
  Geöffneter Wickel eines Aluminium-Elektrolytkondensators mit Mehrfachkontaktierung der Elektrodenfolien
• 
  Querschnitt durch den Aufbau eines Aluminium-Elektrolytkondensators mit der Anodenfolie, dem aufliegenden Oxid (Dielektrikum), dem Papier-Abstandshalter und der Kathodenfolie
• 
  Aufbau eines typischen radialen (single-ended) Aluminium-Elektrolytkondensator mit flüssigem Elektrolyten

Prinzipieller Aufbau von Tantal- und Niob-Elektrolytkondensatoren

Bei Tantal- und bei Niob-Elektrolytkondensatoren besteht die Anode aus feinkörnigem, gesintertem und formierten Metallpulver. Diese Elko-Zelle wird mit dem Elektrolyten versehen, der dann mit einer Graphit- und einer Silberschicht kontaktiert wird. Die Umhüllung besteht meist aus einer Kunststoff-Umpressung.

• Prinzipieller Aufbau eines SMD-Tantal-Elektrolytkondensators mit festem Mangandioxid-Elektrolyten
• 
  Die Tantal-Anode eines Tantal-Elektrolytkondensators besteht aus gesintertem Tantalpulver
• 
  Querschnitt durch die Struktur der gesinterten Tantal-Anode mit dem aufliegenden Oxid, dem Mangandioxid-Elektrolyten und der Kontaktierung des Elektrolyten über eine Graphit- und eine Silberschicht
• 
  Aufbau eines typischen SMD-Tantal-Chip-Elektrolytkondensators mit festem Elektrolyten

Bauformen

Aluminium-Elektrolytkondensatoren bilden wegen der großen Bauformvielfalt und ihrer preiswerten Herstellung die große Masse der in der Elektronik verwendeten Elektrolytkondensatoren. Tantal-Elektrolytkondensatoren, meist in der SMD-Version verwendet, haben eine höhere spezifische Kapazität als die Al-Elkos und finden in Geräten mit geringen Platzverhältnissen oder flachem Design wie Laptops Verwendung. Sie werden außerdem in der Militärtechnik eingesetzt. Niob-Elektrolytkondensatoren, im Massengeschäft eine Neuentwicklung, sind in der SMD-Bauform als Ersatz für Tantal-Elektrolytkondensatoren vorgesehen.

Typische Bauformen von Aluminium- und Tantal-Elektrolytkondensatoren

Typen und Eigenschaften von Elektrolytkondensatoren

Stammbaum der Elektrolytkondensatoren

Bedingt durch die unterschiedlichen Anodenmaterialien und der Kombination dieser Materialien mit den verschiedenen Elektrolytsystemen sind im Laufe der Zeit viele unterschiedliche Elko-Typen entwickelt worden, die zusammen einen „Stammbaum der Elektrolytkondensatoren“ bilden.

Übersicht über die unterschiedlichen Arten von Elektrolytkondensatoren durch die Kombination von Anodenmaterialien und unterschiedlichen Elektrolytsystemen

Kennwerte der Elko-Familien

Aus der Kombination der Anodenmaterialien für Elektrolytkondensatoren und möglicher Elektrolyte haben sich eine ganze Reihe von Elkotypen gebildet, die jeder für sich seine besonderen Vor- und Nachteile aufweist. Eine grobe Übersicht über die wichtigsten Kennwerte der unterschiedlichen Bauarten gibt die nachfolgende Tabelle.

Kennwerte der unterschiedlichen Elko-Familien

Anoden- material	Elektrolyt	Kapazitäts- bereich [µF]	Nennspannungs- bereich [V]	Max. Kategorie- temperatur [°C]
Aluminium- Folie	flüssig: z. B. DMF, DMA, GBL	0,1…1.000.000	6,3...550	105/125/150
	flüssig: Borax, Glycol	0,1…2.700.000	6,3…630	85/105
	flüssig: Wasser-basiert	1…18000	6,3…100	85/105
	fest: Mangan(IV)-oxid	0,1…1500	6,3...40	175
	fest: leitfähiges Polymer	2,2…3900	2,0...200	125
	Hybrid: Polymer und flüssig	6,8…1000	6,3…125	105/125
Tantal- Folie	flüssig: Schwefelsäure	0,1…1000	6,3...630	125
Tantal- Sinterkörper	flüssig: Schwefelsäure	0,1…15.000	6,3...150	125/150/200
	fest: Mangan(IV)-oxid	0,1…1500	2,5...63	125/150
	fest: leitfähiges Polymer	0,47…3300	2,5...125	105/125
Niob- Sinterkörper	fest: Mangan(IV)-oxid	1…1500	2,5...10	105

Die sogenannten „nassen“ Al-Elkos waren und sind die preiswertesten Bauelemente im Bereich der hohen Kapazitätswerte und im Bereich höherer Spannungen. Sie bieten nicht nur die preiswerten Lösungen für Siebung und Pufferung, sondern sind auch relativ unempfindlich gegenüber Transienten und Überspannungen. Sofern in einem Schaltungsaufbau genug Platz vorhanden ist oder Spannungen größer 50 V benötigt werden, sind Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit flüssigem Elektrolyten, mit Ausnahme der militärischen Anwendungen, in der gesamten Elektronik zu finden.

Tantal-Elektrolytkondensatoren besitzen in Form der oberflächenmontierbaren „Ta-Chips“ in allen Bereichen der industriellen Elektronik einen festen Platz als zuverlässige Bauelemente für Geräte, in denen wenig Platz vorhanden ist oder die in einem möglichst großen Temperaturbereich ohne große Parameterabweichungen arbeiten sollen. Im Bereich militärischer und Weltraum-Applikationen haben nur Tantal-Elektrolytkondensatoren überhaupt die erforderlichen Zulassungen.

Niob-Elektrolytkondensatoren stehen in direkten Wettbewerb zu industriellen Tantal-Elkos, ihre Eigenschaften sind vergleichbar. Wegen ihres etwas geringeren Gewichtes bieten sie bei Applikationen mit hohen Anforderungen an Vibrations- und Stoßfestigkeit einen Vorteil gegenüber den Tantal-Elkos. Darüber hinaus ist Niob besser verfügbar.

Geschichte

Ursprung

Ältestes bekanntes Foto eines Elektrolytkondensators mit der Kapazität von etwa 2 µF aus dem Jahre 1914

Das Phänomen, dass man auf Aluminium in einem elektro-chemischen Verfahren eine Schicht erzeugen kann, die einen elektrischen Strom in nur einer Richtung hindurchlässt, in der anderen Richtung jedoch Strom sperrend wirkt, wurde 1875 von dem französischen Forscher [[Ducretet |Eugène Ducretet entdeckt Wegen dieser Wirkung als „elektrisches Ventil“ gab er Metallen mit dieser Eigenschaft den Beinamen Ventilmetall. Dazu gehören neben Aluminium, Tantal, Niob, auch noch Mangan, Titan, Bismut, Zink, Wolfram, Zinn, Eisen, Silber und Silizium und weitere. Als Hersteller von Akkumulatoren hatte Pollak auch große chemische Kenntnisse. Er kombinierte die Idee der einseitig sperrenden Oxidschicht mit seinem Wissen, dass die Oxidschicht in einem alkalischen oder neutralen Elektrolyten stabil erhalten bleibt, auch wenn der Strom abgeschaltet wurde. Diese beiden Erkenntnisse fügte er zusammen und konzipierte daraus einen

"Flüssigkeits-Kondensator mit Aluminium-Elektroden, dadurch gekennzeichnet, dasz als Elektrolyt eine alkalische oder neutrale Lösung benutzt und die Aluminiumplatten vor dem Gebrauche durch besondere Behandlung (Beizen und Formiren mit schwachem Strom) mit einer gleichmäszigen Isolirschicht versehen werden".

Für diese Idee wurde dem Wissenschaftler Charles Pollack in Frankfurt 1896 das Patent (DRP 92564) erteilt, das zur Grundlage aller späteren Elektrolytkondensatoren wurde.

”Nasse” Aluminium-Elektrolytkondensatoren

Flüssigkeitskondensator, Bell-System-Technik 1929

Die ersten nach dem Pollak-Patent gefertigte Elektrolytkondensatoren wurden bei Beginn des neuen Jahrhunderts in Deutschland zum Entstören der 48 V-Gleichspannung von Telefonanlagen benutzt. Der Vorteil dieser Kondensatoren war, dass sie, bezogen auf den realisierten Kapazitätswert, erheblich kleiner und preiswerter als die Papierkondensatoren der damaligen Zeit waren.

Anodenformen von runden Flüssigkeitskondensatoren aus den 1930er Jahren

Der Aufbau dieser „Elkos“ hatte wenig Ähnlichkeit mit heutigen Bauformen und erinnert eher an den Aufbau von Batterien. Sie bestanden aus einem Metallkasten, der mit einem Borax-Elektrolyten gefüllt war und in dem ein gefaltetes Aluminiumblech als Anode freischwebend eingebaut war. Der Metallbecher diente über den Elektrolyten dann gleichzeitig als Kathodenanschluss. Wurde eine Gleichspannung an die Anode gelegt, dann bildete sich auf dem Aluminiumblech die Oxidschicht. Diese Konstruktion wurde bis in die 1930er Jahre eingesetzt und wurde zum Namensgeber der sogenannten „nassen“ Elektrolytkondensatoren. „Nass“ auch in dem Sinne, dass der Elektrolyt viel Wasser enthielt.

Durch die Entwicklung der Rundfunktechnik Anfang der 1920er Jahre von den Detektorempfängern auf die Radios mit Röhren-Verstärkerschaltungen stieg ab Anfang der 1930er Jahre der Bedarf an preiswerten Kondensatoren zur Glättung der durch die Gleichrichtung entstandene „Brummspannung“. Von der Grundidee der oben erwähnten kastenförmigen Flüssigkeitskondensatoren in denen der äußere Becher den Kathodenanschluss bildete, wurde zunächst nicht abgewichen. Da jedoch kleinere CV-Werte benötigt wurden, konnten kleinere runde Becher, die mit dem flüssigen Elektrolyten gefüllt waren und deren äußere Becherwand gleichzeitig der Kathodenanschluss war, verwendet werden. Schon damals galt, dass durch Vergrößerung der Elektrodenfläche die Kapazität erhöht werden konnte. Das Bemühen, in diesen Bechern die Kapazität durch Vergrößerung der Anoden zu erhöhen, führte dabei dann zu abenteuerlich geformten Anodenformen.

"Trockene” Aluminium-Elektrolytkondensatoren

Die ersten gewickelten Elektrolytkondensatoren wurden mit „Dry Electrolytic“ gekennzeichnet, obwohl sie mit einem flüssigen Elektrolyte arbeiteten, hier ein “trockener” Elko mit 100 µF and 150 V

Als Vater aller modernen Aluminium-Elektrolytkondensatoren gilt Samuel Ruben. Im Jahre 1925, als Partner von Philip Mallory, dem Begründer des Batterieherstellers, der jetzt unter dem Namen Duracell International bekannt ist, reichte er seine Bahnbrechende Idee eines „Electric Condenser“, zum Patent ein. Der Rubens Elektrolytkondensator und führte eine zweite Aluminiumfolie als Stromzuführung zu einem speziellen, wasserfreien Elektrolyten ein, die durch einen dünnen Elektrolyt-getränkten Separator (Papier) vor dem direkten Kontakt mit der Anodenfolie geschützt war. Beide Folien erhielten eigene nach Außen geführte Anschlüsse und wurden mit dem Papier zunächst geschichtet, später gewickelt aufgebaut und in einem Gehäuse eingebaut. Das vorher als Kathodenanschluss wirksame Gehäuse hatte damit keine elektrische Funktion mehr. Mit der neuen Kathodenfolie verringerte sich der Weg, den die Ionen im Elektrolyten zurücklegen mussten, beträchtlich. Dadurch sanken die elektrischen Verluste (ESR) um den Faktor 10 von etwa 30 Ohm auf etwa 3 Ohm. Zusammen mit dem Gel-artigen wasserfreien Elektrolyten, der „trocken“ im Sinne von wasserfrei genannt wurde, wurden diese Kondensatoren als „Trocken-Elektrolytkondensatoren“ bekannt.

Mit der Erfindung der gewickelten Elko-Zelle begann die Erfolgsgeschichte der Elektrolytkondensatoren

Mit diesem „trockenen“ (im Sinne von „wasserfrei“) und gewickelten Aluminium Elektrolytkondensator begann 1931 bei Cornell-Dubilier in South Plainfield, NJ, USA die erste industrielle Serienfertigung von Elektrolytkondensatoren. In Deutschland begann zur selben Zeit die industrielle Serienfertigung im „Hydrawerk AEG“ in Berlin. Mit der Erfindung des S. Ruben zusammen mit der Erfindung der gewickelten Folien durch A. Heckel im Hydrawerk AEG in Berlin konnten die Aluminium-Elektrolytkondensatoren klein und preiswert genug hergestellt werden, so dass damit die damals neuen Rundfunkgeräte erschwinglich wurden.

Die Miniaturisierung von Aluminium-Elkos wurde durch verbesserte Ätzverfahren erreicht, wodurch die Oberfläche der Anodenfolie immer größer wurde. Dadurch konnte die Kapazität bei 25 V-Elkos in den Jahren 1960 bis 2005 im gleichen Bechermaß verzehnfacht werden.

Schon bei Beginn der industriellen Fertigung von Elektrolytkondensatoren wurde die Anodenfolie aufgeraut, um zu einer höheren Kapazität zu kommen. Zunächst wurden die Folien auf mechanische Art und Weise aufgeraut, z. B. mit Sandstrahlen. Ab Mitte der 1930er Jahre wurden die mechanischen Verfahren durch elektro-chemische Ätzverfahren abgelöst, die zu einer deutlich höheren effektiven Oberfläche der Aluminiumanode führten. Heutzutage kann dadurch die kapazitiv wirksame Anodenoberfläche bei Niedervolt-Elkos bis zu 200 mal größer sein als die glatte Folie und bei Hochvolt-Elkos mit den dickeren Oxidschichten werden Oberflächenvergrößerungen etwa bis zum Faktor 30 erreicht.

Nach dem Zweiten Weltkrieg war, neben der Miniaturisierung, die weitere Entwicklung der Al-Elkos geprägt von der Anpassung an die Fertigungsbedingungen der Geräteindustrie. Mit der Einführung der Leiterplattenmontage mit vorgegebenen Rasterabständen Anfang der 1960er Jahre wurden die axialen, liegend eingebauten Bauformen abgelöst durch radiale, stehend eingebaute Bauformen (single-ended). Die Oberflächen-Montagetechnik führte danach in den 1980er Jahren zu den SMD-Bauformen. Parallel dazu wurden in diesen Jahren immer mehr Baureihen für industrielle Anwendungen mit längerer Lebensdauer, niedrigeren ESR-Werten oder höherer Temperaturfestigkeit entwickelt und auf den Markt gebracht.

Tantal-Elektrolytkondensatoren

Die ersten Tantal-Elektrolytkondensatoren mit gewickelten Tantal-Folien und flüssigem Elektrolyten wurden 1930 von der Tansitor Electronic Inc. USA für militärische Zwecke hergestellt. Die maßgebliche Entwicklung von Tantal-Elektrolytkondensatoren in der heute bekanntesten Form erfolgte nach dem 2ten Weltkrieg, einige Jahre nachdem Shockley, Barden und Brattain 1947 den Transistor erfunden hatten. Sie wurde ab 1950 vorangetrieben durch die Bell Laboratories auf der Suche nach kleineren und zuverlässigeren Kondensatoren für niedrige Spannungen, um die neuen Schaltungen mit Transistoren zu unterstützen. Da Tantal, um die Anodenoberfläche zu vergrößern, schwierig zu ätzen war, kam den Forschern R. L. Taylor und H. E. Haring 1950 die Idee, Tantal zu einem Pulver zu zermahlen, dann das Pulver zu einem Pulverblock zu pressen und diesen Block dann bei hohen Temperaturen zu sintern. Das Ergebnis ergab einen kompakten, mechanisch festen Tantalblock mit einer schwammartigen Struktur mit vielen Poren, wobei die einzelnen Tantalpartikel in einem Raumgitter metallisch fest und elektrisch leitend miteinander verbunden sind.

Die Suche nach einem festen Elektrolyten erfolgte Anfang 1950 parallel zur Forschergruppe von Taylor und Haring, ebenfalls in den Bell Laboratories, durch D. A. McLean und F. S. Power. 1952 wurde diese Suche mit einem Erfolg gekrönt. Die Forscher tränkten den Tantal-Sinterkörper mit dem flüssigen Mangan-Nitrat (Mn(NO₃)₂) und wandelten diese Flüssigkeit dann in einem pyrolytischen Prozess in das feste halbleitende Mangandioxid (MnO₂) um. Mangandioxid, auch Braunstein genannt, ist eine harte, schwarze kristalline Substanz, besitzt als fester Elektrolyt eine recht gute elektrische Leitfähigkeit und weist ein gutes Temperaturverhalten sowie eine exzellente Langzeitstabilität auf.

1954 gelang es Preston Robinson bei der Sprague Electric Company (heute: Vishay) den ersten funktionsfähigen Tantalkondensator mit MnO₂-Elektrolyten herzustellen. Die neue Technologie wurde schnell weiterentwickelt und derart perfektioniert, dass sehr bald zahlreiche Hersteller, auch in Japan und Europa, die Großserienproduktion starteten. Die Entwicklung wurde besonders durch die Bauform des Tantal-Tropfenkondensators (Ta-Perlen) begünstigt, die speziell bei Rundfunk- und Fernsehgeräten schnell in großen Serien eingesetzt wurden. Der höhere Preis der Tantalkondensatoren Gegenüber Al-Elkos war zwar oft ärgerlich, aber wegen der kleineren Bauform der Tantal-Perle, dem kleineren ESR, dem besseren Tieftemperaturverhalten und dem sehr viel besseren Reststromverhalten fielen häufig die Entscheidungen dennoch zugunsten der Tantalkondensatoren.

Dies änderte sich, als 1980 wegen einer Spekulation an der Börse der Preis für Tantal explodierte. Der Boom von Tantal-Elkos im Unterhaltungsbereich und auch in der industriellen Elektronik ließ daraufhin fast schlagartig nach. Erst mit dem Trend zu immer stärkerer Miniaturisierung elektronischer Geräte wurden ab Mitte der 1980er Jahre Tantal-SMD-Kondensatoren wieder in größeren Stückzahlen in der Industrie eingesetzt. Im Jahre 2000 trieb eine weitere Spekulation die Tantalpreise erneut in die Höhe. Den Herstellern der Tantal-Pulver gelang es danach jedoch, durch langfristige Lieferverträge die Situation zu beruhigen.

Die Baugröße von Tantal-Kondensatoren hängt entscheidend von der Größe der Tantal-Pulverkörner ab, die sich in den jahren zwischen 1960 bis 1990 nicht wesentlich geändert hatte. Erst Mitte der 1990er Jahre wurde neuer chemischer Prozess entwickelt, der es ermöglichte, Tantalpulver mit extrem kleinen Korngrößen zu erzeugen. Als Folge dieser neuen Produktionsprozesses konnte von der Mitte der 80er Jahre bis 2015 eine zehnfache Erhöhung der spezifischen Pulver-Kapazität erreicht werden, wodurch bei einem gegebenen Bauvolumen die Kapazität eines Tantal-Kondensators ebenfalls um etwa den Faktor 10 anstieg. Heutzutage sind diese verkleinerten Tantal-Chip-Kondensatoren in fast allen Geräten in Flachbauweise zu finden. Sie machen mehr als 80 % der Tantal-Kondensatorproduktion aus, was etwa 40% des weltweiten Tantalbedarfs [159] ausmacht..

Niob-Elektrolytkondensatoren

Die ersten Niob-Elektrolytkondensatoren wurden Parallel zur Entwicklung von Tantal-Elektrolytkondensatoren in den 1960er Jahren sowohl in den USA als auch in der damaligen Sowjetunion entwickelt. Dort nahmen Sie aufgrund der besseren Verfügbarkeit des Grundmetalls den Platz ein, den im Westen die militärischen Tantal-Elkos mit Sinter-Anode und Braunstein-Elektrolyten hatten. Als Hauptschwierigkeit bei der Entwicklung von Nb-Elkos erwies sich die hohe Diffusionsrate von Sauerstoff aus der dielektrischen Nb₂O₅-Schicht in die metallische Anode, wodurch die Niob-Kondensatoren besonders bei erhöhter Temperatur zu einem hohen und instabilen Reststromverhalten neigten. Deshalb wurde die Entwicklung in den USA seinerzeit nicht weitergeführt.

Um die Jahrtausendwende kam es zu einer Verknappung von Tantal, was dazu führte, das die Entwicklung von Niob-Elkos wieder aufgenommen wurde, da Niob als Rohmaterial deutlich häufiger als Tantal in der Erdkruste vorhanden ist und auch preiswerter ist.

Durch speziell vorbereitete Nb-Pulver und Prozessanpassungen unter Verwendung von Stickstoff bei der Herstellung von Niob-Kondensatoren gelang es um das Jahr 2000 den beiden Herstellern Epcos und Kemet mit dem reinen Metall als Anode Niob-Elektrolytkondensatoren mit stabilen elektrischen Parametern herzustellen.

Eine zweite Lösung um die Sauerstoffdiffusion zu reduzieren und den Reststrom zu stabilisieren war, anstelle des reinen Metalls sein Suboxid Nioboxid NbO als Anode zu verwenden. Diese Lösung wurde durch den Hersteller AVX entwickelt, der NbO als Anode für seine Niob-Kondensatoren mit dem Handelsnamen "OxiCap" verwendet.

Der gegenüber Tantal-Chipkondensatoren eingeschränkte Nennspannungs- und Temperaturbereich der Niob-Chipkondensatoren hat in den vergangenen Jahren große Umsatzerwartungen begrenzt, sodass zur Zeit (2016) nur noch wenige Hersteller verblieben sind.

Polymer-Elektrolytkondensatoren

Leitfähigkeitswerte einiger Elektrolytsysteme

Durch die zunehmende Digitalisierung elektronischer Schaltungen seit den 1970er Jahren wurde die Haupt-Zielsetzung bei den Entwicklungen aller Elektrolytkondensatoren neben der Verkleinerung der Baugrößen die Verringerung der internen ohmschen Verluste, des ESR und der Verringerung der internen Induktivität (ESL: Equivalent Series Inductivity L), denn die Schaltfrequenzen wurden immer höher, die Betriebsspannungen sanken und die Rippelstrombelastung stieg an. Durch die verbesserten Ätzverfahren bei den Anodenfolien von Al-Elkos und die kleineren Tantal-Pulver bei Tantal-Elkos in den Jahren zwischen 1970 und 2000 konnte zwar eine Verzehnfachung der spezifischen Kapazität pro Bechergröße erreicht werden, allerdings hatten die feineren internen Strukturen durch Verkleinerung der Leiterbahnquerschnitte höhere ESR-Werte zur Folge. Die Verringerung von ESR und ESL wurde zur großen Herausforderung an die Industrie, die nach neuen Elektrolytsystemen suchte, um den Anforderungen, die aus der Digitaltechnik kamen, gerecht zu werden.

Diese deutliche Erhöhung der Elektrolyt-Leitfähigkeit schaffte ein organischer Leiter, das Ladungs-Transfer-Salz TCNQ, (Tetracyanochinodimethan) , das 1973 von A. Heeger und F. Wudl erstmals hergestellt wurde. Mit diesem TCNQ-Elektrolyten konnte eine Verbesserung der Leitfähigkeit um den Faktor 10 gegenüber dem Braunstein-Elektrolyten erreicht werden. 1983 brachte Sanyo diese "OS-CON" genannten Aluminium-Kondensatoren auf den Markt vor. Sie waren wie herkömmliche „nasse“ Aluminium-Elkos als Wickel einer Anodenfolie und einer Stromzuführungsfolie mit einem Papierabstandshalter in einem Aluminiumbecher und einer entsprechenden Abdichtung aufgebaut. Mit der Entwicklung leitfähiger Polymere seit 1977 durch Alan J. Heeger, Alan MacDiarmid und Hideki Shirakawa wurden weitere Verbesserungen möglich. Die Leitfähigkeit leitfähige Polymere wie Polypyrrol oder PEDOT als Elektrolyt in Elektrolytkondensatoren ist um den Faktor 100 bis 500 besser als von TCNQ und reicht nahe an die Leitfähigkeit von Metallen heran.

Die ersten Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit einem festen leitfähigen Polypyrrol-Polymer-Elektrolyten wurden 1988 vom japanischen Hersteller Nitsuko mit der Bezeichnung „APYCAP“ als bedrahtete radiale Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit dem leitfähigen Polymer Polypyrrol herausgebracht. Trotz der deutlich kleineren ESR-Werte hatte der überwiegend nur Lokal in Japan bekannte Hersteller keinen großen Erfolg. Erst als 1991 der Hersteller Panasonic mit seinen „SP-Cap“ genannten Polymer-Elkos auf den Markt kam, gelang dieser neuen Technologie der Durchbruch.

Tantal-Elektrolytkondensatoren mit Polymer-Elektrolyten folgten kurze Zeit später. 1993 brachte NEC mit seinen „NeoCap“ genannten Tantal-Elkos SMD-Chips mit Polypyrrol-Elektrolyt auf den Markt. 1997 folgte dann Sanyo mit den "POSCAP"-Tantal-Chips.

Die Entwicklung leitfähiger Polymere für Elektrolytkondensatoren wurde um 1990 vorangetrieben durch H.C. Starck, eine Tochterfirma der Bayer AG. Das neu entwickelte Polymer PEDOT (Poly (3,4-ethylendioxythiophen), Handelsname Baytron®) besitzt mit einer Leitfähigkeit bis zu 600 S/cm eine deutlich höhere Leitfähigkeit als Polypyrrol. 1999 stellte Kemet Tantal-Chips mit PEDOT-Elektrolyten dem Markt vor. Zwei Jahre später wurden von Kemet auch Polymer-Aluminium-Elkos mit PEDOT angeboten.

Ende des Jahres 2010 wurde der Hersteller der OS-CON-Elkos, Sanyo, durch Panasonic übernommen. Diese OS-CON-TCNQ-Elkos wurden danach durch den neuen Eigentümer abgekündigt und unter derselben Bezeichnung als „Neue OS-CON-Polymer-Elkos“ angeboten.

Ein Nachteil der Polymer-Al-Elkos ist ein relativ hoher Reststrom. Weil der leitfähige Polymer-Elektrolyt keinen Sauerstoff für eine Nachformierung zur Verfügung stellt, ist der Isolationswiderstand des Dielektrikums nach dem Löten nicht optimal. Aus diesem Grunde wurden nach der Jahrtausendwende die Hybrid-Polymerkondensatoren entwickelt, die zusätzlich zum Polymer-Elektrolyten noch einen flüssigen Elektrolyten besitzen. Durch diese Konstruktion kann das teure Polymer-Material reduziert werden, wodurch die Polymer-Elkos preiswerter werden. Der flüssige Elektrolyt ermöglicht außerdem eine Selbstheilung des Kondensators, wodurch der Reststrom verringert wird.

Elektrische Kennwerte

Im Folgenden werden Besonderheiten bei den elektrischen Kennwerten von Elektrolytkondensatoren, mit denen sie beschrieben werden oder die sie von anderen Kondensatoren unterscheiden, aufgelistet.

Ersatzschaltbild

Die elektrischen Verluste und parasitäre induktive Eigenschaften von realen Kondensatoren werden nach der Fachgrundspezifikation IEC 60384-1, die in Deutschland als DIN EN 60384-1; VDE 0565-1 erschienen ist, mit Hilfe eines idealisierten Serien-Ersatzschaltbildes beschrieben.

Serien-Ersatzschaltbild eines Elektrolytkondensators

Hierin sind:

• $C$, die Kapazität des Kondensators,
• $R_{Leak}$, der Parallelwiderstand zum idealen Kondensator, der den Reststrom (Leckstrom) des Elkos repräsentiert,
• $R_{ESR}$, der äquivalente Serienwiderstand, er fasst die ohmschen Verluste des Bauelementes zusammen. Dieser Wirkwiderstand wird allgemein nur „ESR“ (Equivalent Series Resistance) genannt
• $L_{ESL}$, die äquivalente Serieninduktivität, sie fasst die Induktivität des Bauelementes zusammen, sie wird allgemein nur „ESL“ (Equivalent Series Inductivity L) genannt.

Kapazität und Kapazitätstoleranz

Die übliche Einheit der Kapazität für Niob-Elektrolytkondensatoren ist "µF".

Die Kapazität eines Elektrolytkondensators ist frequenzabhängig. Bei der Frequenz „0“, bei Gleichspannung, hat ein Elko eine Ladefähigkeit, die der gespeicherten Ladung entspricht. Diese Kapazität wird Gleichspannungskapazität genannt. Sie wird mit einer Zeitmessung über die Lade- bzw. Entladekurve eines RC-Gliedes gemessen. Dieses Messverfahren ist zeitaufwendig und industriell nicht durchführbar. Deshalb wird die Kapazität von Elektrolytkondensatoren mit einer Wechselspannung von 0,5 V und der Frequenz von 100/120 Hz bei Raumtemperatur 20 °C gemessen. Der so gemessene Kapazitätswert ist etwa10 bis 15 % niedriger als der Wert, der der gespeicherten Ladung entspricht. In der Messfrequenz unterscheiden sich Elektrolytkondensatoren von anderen Kondensatorarten, deren Kapazität bei 1 kHz gemessen wird.

Elektrolytkondensatoren mit festem Elektrolyten weisen vereinzelt an der Grenzschicht zwischen Oxid und Elektrolyt Bereiche auf, die sich wie n-Halbleiter verhalten, ähnlich einer Schottky-Barriere. Dieses halbleitende Verhalten der anodisch erzeugten Sperrschicht hat zur Folge, dass man zur Messung korrekter Kapazitätswerte von Elektrolytkondensatoren mit festem Elektrolyten eine positive Gleichspannung anlegen muss, damit eine Umpolung vermieden wird, da ansonsten eine aussagekräftige Messung nicht möglich ist und viel zu hohe Werte vorgetäuscht werden könnten.

Der in den Datenblättern der Hersteller angegebene Kapazitätswert für Elektrolytkondensatoren ist der Nenn-Kapazitätswert, „C_R“ (Rated capacitance C_R). Er wird gemäß DIN EN/IEC 60063 in Werten entsprechend der E-Reihe angegeben. Dieser Nennwert ist gemäß DIN EN/IEC 60062 mit einer zulässigen Abweichung, der Kapazitätstoleranz, so spezifiziert, dass keine Überlappungen entstehen.

E3-Reihe	E6-Reihe	E12-Reihe
10-22-47	10-15-22-33-47-68	10-12-15-18-22-27 33-39-47-65-68-82
Kapazitätstoleranz ±20 %	Kapazitätstoleranz ±20 %	Kapazitätstoleranz ±10 %
Kennbuchstabe „M“	Kennbuchstabe „M“	Kennbuchstabe „K“

Der tatsächliche gemessene Kapazitätswert muss sich bei Raumtemperatur sich innerhalb der Toleranzgrenzen befinden.

Die Kapazitätstoleranz von Elektrolytkondensatoren, ist, verglichen mit anderen Kondensatorfamilien, recht groß. Er ergibt sich aus der Streuung der Ätzung der Al-Anode bzw. aus der Streuung der Korngrößen der verwendeten Pulver und der darauf folgenden Sinterung. Für die überwiegenden Anwendungen von Elkos in Stromversorgungen ist sie jedoch völlig ausreichend.

Spannungsfestigkeit

Die Dicke des Dielektrikums des Elektrolytkondensators bestimmt seine Spannungsfestigkeit. Da diese gezielt für die Nennspannung des Kondensators hergestellt wird, führt ein Überschreiten der spezifizierten Spannungsgrenzen zur Zerstörung des Kondensators, das heißt, weder die Nennspannung, die Spitzenspannung noch die Umpol- oder Falschpolspannung dürfen über- bzw. unterschritten werden.

Umpolspannung

Die charakteristische Eigenschaft von Ventilmetallen ist, dass sie beim Anlegen einer Spannung in richtiger Polarität eine in dieser Richtung elektrisch sperrende Oxidschicht auf der Anodenoberfläche bildet. In Gegenpolrichtung hat diese Oxidschicht halbleitende Eigenschaften. Wird die Polarität, die am Ventilmetall anliegt, umgekehrt, so kann, wenn die Spannung über einen Schwellenwert hinausgeht, ein Strom fließen. Außerdem bildet sich die Oxidschicht zurück. Ergebnis ist, dass es zu Durchschlägen durch das Oxid kommen kann. Eine längere Zeit am Elektrolytkondensator anliegende Umpol- oder Falschpolspannung führt damit unweigerlich zum Kurzschluss und somit zur Zerstörung des Kondensators. Die Höhe der maximal zulässigen Falschpolspannung hängt ab von dem Aufbau des jeweiligen Elektrolytkondensators. Tantal-Elektrolytkondensatoren mit festem Elektrolyten verhalten sich anders als Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit flüssigem Elektrolyten.

Strombelastbarkeit

Ein der Gleichspannung überlagerter Wechselstrom (Rippelstrom) bewirkt Lade- und Entladevorgänge im Elektrolytkondensator. Dieser Wechselstrom fließt über den ESR und führt zu frequenzabhängigen Verlusten, die den Kondensator erwärmen. Diese Wärme wird an die Umwelt abgegeben. Wie schnell das geschieht, hängt von den Abmessungen des Kondensators und weiteren Bedingungen, wie z. B. Zwangskühlung ab. Der spezifizierte Rippelstrom darf innerhalb des Nenntemperaturbereiches nicht überschritten werden. Ein Überschreiten dieser Grenze führt zur Zerstörung des Kondensators.

Scheinwiderstand Z und Wirkwiderstand ESR

Ersatzschaltbild eines Kondensators bei höherer Frequenz (oben); Darstellung der zugehörigen Impedanz und des Verlustwinkels δ als Zeigerdiagramm in der komplexen Ebene (unten)

Typischer Frequenzverlauf der Impedanz und des ESR bei einem Al-Elko

Analog zum ohmschen Gesetz, wo der Quotient aus Gleichspannung U_DC und Gleichstrom I_DC gleich einem Widerstand R ist, wird der Quotient aus Wechselspannung U_AC und Wechselstrom I_AC:

$Z={\frac {U_{AC}}{I_{AC}}}$

Wechselstromwiderstand oder Scheinwiderstand $Z$ genannt. Er ist der Betrag der komplexen Impedanz $Z\ =|{\underline {Z}}|$ des Kondensators bei der gewählten Messfrequenz. (In den Datenblättern von Kondensatoren wird nur der Scheinwiderstand, also der Betrag der Impedanz angegeben).

Sind die Serienersatzwerte eines Kondensators bekannt, dann kann der Scheinwiderstand auch über diese Werte berechnet werden. Er ist dann die Summe der geometrischen (komplexen) Addition der Wirk- und der Blindwiderstände, also des Ersatzserienwiderstandes ESR und des induktiven Blindwiderstandes X_L abzüglich des kapazitiven Blindwiderstandes X_C. Die beiden Blindwiderstände weisen mit der Kreisfrequenz ω folgende Beziehungen auf:

$X_{L}=\omega \mathrm {ESL} ,\qquad X_{C}=-{\frac {1}{\omega C}}$

womit sich für den Scheinwiderstand $Z$ folgende Gleichung ergibt:

$Z={\sqrt {{\mbox{ESR}}^{2}+(X_{L}+X_{C})^{2}}}$

(zur Herleitung der verwendeten Vorzeichenkonvention siehe unter Impedanz).

Im Sonderfall der Resonanz, bei dem der kapazitive und der induktive Blindwiderstand gleich groß sind (X_C=X_L), wird der Scheinwiderstand $Z$ gleich dem $ESR$ des Kondensators, dem Wert, in dem alle ohmschen Verluste des Kondensators zusammengefasst werden.

In einigen, vor allem älteren Datenblättern von Tantal- und Aluminium-Elektrolytkondensatoren wird anstelle des $ESR$ der Verlustfaktor $\tan \delta$ spezifiziert. Er kann mit folgender Formel in den $ESR$ umgerechnet werden:

$ESR={\frac {\tan \delta }{\omega C}}$

Dabei ist zu beachten, dass wegen der starken Frequenzabhängigkeit der Kapazität die Umrechnung des $ESR$ aus dem $\tan \delta$ nur für die Frequenz gilt, bei der der Verlustfaktor gemessen wurde.

Impedanzverhalten

Besonderheit der Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit flüssigen Elektrolyten sind die relativ hohen Kapazitätswerte, die mit dieser Technologie erreicht werden können. Da diese Kondensatoren überwiegend in der Stromversorgung elektronischer Schaltungen eingesetzt werden und hier oftmals die Netzfrequenz von 50/60 Hz in das elektrische Verhalten der Versorgungsspannung mit einfließt, müssen auch tiefe Frequenzen „gesiebt“ werden. Das Impedanzverhalten von Elkos mit ihrer hohen Kapazität kommt dieser Anwendung entgegen.

Typische Verläufe des Scheinwiderstandes von Al-Elkos und Polymer-Elkos bei unterschiedlichen Kapazitätswerten

Im Bild gezeigt werden typische Verläufe des Scheinwiderstandes in Abhängigkeit von der Frequenz für verschiedene Kondensatorarten und Kondensatoren mit unterschiedlicher Kapazität. Je größer die Kapazität ist, desto tiefer wird die Frequenz, die der Kondensator filtern (sieben) kann. Der Restwiderstand am Wendepunkt eines jeden Kurvenverlaufes ist mit dem ESR des betreffenden Kondensators gleichzusetzen. Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit Polymer-Elektrolyten (im Bild mit „Polymer“ beschriftet) besitzen deutlich geringere ESR-Werte als Al-Elkos mit flüssigem Elektrolyten (im Bild mit „Al-Elko“ beschriftet).

Reststrom

Prinzipielle Reststrom-Einschaltkurven

Eine Besonderheit bei Elektrolytkondensatoren ist der sogenannte Reststrom (engl. leakage current), früher auch Leckstrom genannt. Der Reststrom eines Elektrolytkondensators ist der Gleichstrom, der ihn durchfließt, wenn eine Gleichspannung richtiger Polarität angelegt wird. Der Reststrom beinhaltet alle durch chemische Prozesse und mechanische Beschädigungen des Dielektrikums sowie durch Tunneleffekte verursachten unerwünschten Gleichströme, die das Dielektrikum passieren können. Der Reststrom ist spannungs-, zeit- und temperaturabhängig und hängt von der Vorgeschichte des Kondensators, z. B. vom Löten und von der chemischen Verträglichkeit des Elektrolyten mit der Oxidschicht ab. Bei Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit flüssigem Elektrolyten ist er auch noch abhängig von der vorangegangenen Lagerzeit. Spezifiziert wird der Reststrom meist durch Multiplikation des Nennkapazitätswertes $C_{\mathrm {N} }$ und der Nennspannung $U_{\mathrm {N} }$, zu dem noch ein kleiner Festwert addiert wird, beispielsweise:

$I_{\mathrm {Leak} }=0{,}01\,\mathrm {{A} \over {V\cdot F}} \cdot U_{\mathrm {N} }\cdot C_{\mathrm {N} }+3\,\mathrm {\mu A}$

Dieser Wert, gemessen mit der Nennspannung, ist nach einer vorgeschriebenen Messzeit, zum Beispiel 2 Minuten oder 5 Minuten, einzuhalten. Aluminium- und Tantal-Elektrolytkondensatoren weisen unterschiedliches Reststromverhalten auf. Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit flüssigem Elektrolyten werden mit nur relativ wenig Sicherheit in der Dicke der Oxidschicht, des Dielektrikums, hergestellt. Außerdem ist Aluminium und sein Oxid relativ empfindlich gegenüber aggressiven oder wasserhaltigen Elektrolyten. Daher haben die sogenannten „nassen Elkos“ im Vergleich der Elko-Technologien beim Einschalten den höchsten Reststrom.

Tantal-Elektrolytkondensatoren mit festem Elektrolyten, aber auch Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit festem Elektrolyten (Braunstein, TCNQ, Polymer) werden mit sehr viel größerer Sicherheit hinsichtlich der Dicke der Oxidschicht aufgebaut. Dies bewirkt normalerweise eine größere Spannungsfestigkeit des Dielektrikums und hat beim Einschalten somit einen kleineren Reststrom zur Folge.

Noch bessere Eigenschaften hinsichtlich des Reststromes haben Tantal-Elektrolytkondensatoren mit flüssigem Elektrolyten. Da beim Einbringen von festen Elektrolyten kleinere Beschädigungen der Oxidschicht vorkommen können, was bei flüssigen Elektrolyten nicht der Fall ist, haben diese Kondensatoren im Vergleich beim Einschalten das beste Reststromverhalten.

Der Reststrom bei allen Elektrolytkondensatoren wird, bedingt durch Selbstheileffekte, immer geringer, je länger die Kondensatoren an Spannung liegen.

Lebensdauer

Allgemein

Die Lebensdauer von Bauelementen, auch von Elektrolytkondensatoren, ergibt sich aus der Zuverlässigkeit des Bauelementes und wird berechnet nach den im Betrieb auftretenden Ausfällen. Als Ausfall bezeichnet man hierbei einen im Betrieb oder in einer Prüfung auftretenden Fehler, der entweder zur Funktionsuntüchtigkeit des Kondensators führt (Vollausfall: Kurzschluss oder Unterbrechung) oder sich durch eine Überschreitung von elektrischen Grenzwerten äußert (Änderungsausfall).

Wird ein bestimmter Prozentsatz an Ausfällen in einer Charge überschritten (Vollausfälle und Änderungsausfälle gelten als gleichwertig), so spricht man vom „Lebensdauerende“ bzw. „Ende der Brauchbarkeitsdauer“ dieser Charge. Nach älteren, heute zurückgezogenen DIN-Normen war für industrielle Geräte das Überschreiten von 1 % Ausfällen in einer Charge gleichbedeutend mit ihrem Lebensdauerende.

Der unterschiedliche Aufbau der verschiedenen Elko-Familien mit entweder festem oder flüssigem Elektrolyten bestimmt eine völlig unterschiedliche Definition der Lebensdauerangabe.

Lebensdauer (Zuverlässigkeit) bei Elkos mit festem Elektrolyten

Bei Elektrolytkondensatorfamilien mit festem Elektrolyten, der nicht verdunsten kann, bestimmt die Anzahl der sogenannten „Zufallsausfälle“, die zufällig und selten auftretenden Vollausfälle während der Betriebszeit, die Angabe der Lebensdauer, die dann meist als Ausfallrate λ angegeben wird. Änderungsausfälle spielen hier nur eine untergeordnete Rolle. Die Ausfallrate wird angegeben für eine bestimmte Temperatur in FIT (Failure In Time) mit der Einheit Ausfälle pro $10^{9}$ Stunden. Dieser Wert wird von den Herstellern aus den Erfahrungswerten seiner Lebensdauerprüfungen ermittelt. Die Ausfallrate der Hersteller, die nur für eine bestimmte Temperatur gilt, kann mit Hilfe von Multiplikatoren, die üblicherweise dem Handbuch MIL-HDBK-217F Reliability Prediction of Electronic Equipment entnommen werden, für andere Betriebsbedingungen umgerechnet werden.

Die Lebensdauer dieser Kondensatoren ergibt sich dann aus dem vom Gerätehersteller definierten Ausfallprozentsatz aus der errechneten Ausfallrate.

Lebensdauer bei Elkos mit flüssigem Elektrolyten

Geplatzte Elektrolytkondensatoren, die an dem geöffneten Sollbruchventil erkennbar sind. Ein häufiger Grund für den Ausfall von Elektronik-Modulen.

Elektrolytkondensatoren mit flüssigem Elektrolyten nehmen bei der Spezifikation der Lebensdauer eine Sonderstellung ein. Der flüssige Elektrolyt verdunstet über die Betriebszeit und bestimmt über seine Verdunstungsrate die Funktionsdauer der Elkos. Es tritt ein Elektrolytverlust auf, und zwar umso schneller, je höher die Temperatur des Kondensators ist, die sich aus der Umgebungstemperatur und der Eigenerwärmung durch Strombelastung ergibt. Mit abnehmender Elektrolytmenge ändern sich aber auch die elektrischen Parameter des Kondensators, die Kapazität verringert sich und der äquivalente Serienwiderstand ESR sowie die Impedanz nehmen zu. Das führt dazu, dass die Lebensdauer von Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit flüssigem Elektrolyten im Wesentlichen durch Überschreiten von Kennwerten, also durch Änderungsausfälle bestimmt wird. Die Zufallsausfälle (Totalausfälle) während der Lebensdauer sind meist vernachlässigbar.

Die Lebensdauer von Elektrolytkondensatoren mit flüssigem Elektrolyten wird in einer Schreibweise spezifiziert, die sich aus der Kombination der maximalen Prüfzeit in Stunden in der Lebensdauerprüfung (Endurance Test) und der Prüftemperatur, das ist die maximal zulässige Umgebungstemperatur, ergibt, z. B. 2000 h/85 °C oder 2000 h/105 °C.

Die Verdunstung des Elektrolyten und die damit verbundene Diffusion von Gasen aus dem Elko heraus ist temperaturabhängig. Ein Betrieb der Kondensatoren bei einer geringeren Temperatur als der maximal zulässigen Temperatur führt aber zu einer geringeren Diffusionsrate des Elektrolyten, also zu einer längeren Lebensdauer. Die damit verbundene Verlängerung der Lebensdauer wird in den Datenblättern vieler Hersteller weltweit meist durch die sogenannte 10-K-Regel (Arrhenius-Regel, RGT-Regel) beschrieben, die eine Verdoppelung der Lebensdauer pro 10 K Temperaturminderung ergibt.

$L_{x}=L_{\text{Spec}}\cdot 2^{\frac {T_{0}-T_{A}}{10}}$

mit

• L_x = zu berechnende Lebensdauer
• L_Spec = Spezifizierte Lebensdauer (useful life, load life, service life)
• T₀ = obere Grenztemperatur (in °C oder K)
• T_A = Kondensatortemperatur (in °C oder K)

Mithilfe dieser Formel, die eine Verdoppelung der Lebensdauer pro 10 °C Temperaturminderung ergibt, lässt sich die Betriebsdauer des Kondensators bei einer gegebenen Betriebstemperatur grob abschätzen.

Beispiel: Aus einer Herstellerangabe von 2000 h/105 °C und einer vorgesehene Betriebstemperatur des Kondensators von 65 °C ergibt sich über folgende Rechnung:

$105\,^{\circ }{\text{C}}-65\,^{\circ }{\text{C}}=40\,^{\circ }{\text{C}}=4\cdot 10\,^{\circ }{\text{C}}=4\cdot 10\,{\text{K}}$

eine 4-malige Verdopplung ($2\times 2\times 2\times 2=2^{4}=16$) der angegebenen Lebensdauer von 2000 h. Die voraussichtliche Lebensdauer des Kondensators errechnet sich somit zu 2.000 h × 16 = 32.000 h, das sind etwa 3,7 Jahre. Ein Kondensator mit Angabe 2000 h/85 °C erreicht bei gleicher Betriebstemperatur nur eine errechnete Betriebsdauer von 8.000 h, also nur knapp ein Jahr.

Speichervermögen und Impuls-Strombelastbarkeit

Vergleich von Leistungs- und Energiedichte von Doppelschicht- und Aluminium-Elektrolytkondensatoren und verschiedenen Akkumulatoren

Elektrolytkondensatoren, insbesondere Aluminium-Elektrolytkondensatoren, besitzen, verglichen mit Kunststoff-Folien- und Keramikkondensatoren, eine sehr hohe Kapazität pro Bauvolumen. Anders ausgedrückt, die Energiedichte ist recht hoch. Verglichen aber mit den relativ neuen Doppelschichtkondensatoren (DLC) ist die Energiedichte der Aluminium-Elektrolytkondensatoren deutlich geringer. Da die Strombelastbarkeit, sowohl bei Ein- als auch bei Ausschaltvorgängen, bei den Elkos deutlich höher ist als bei DLC-Kondensatoren ergibt sich vom Einsatzbereich her eine deutliche Trennung der beiden Kondensatorfamilien. Aluminium-Elektrolytkondensatoren puffern schnelle Energiespitzen und glätten Gleichspannungen durch Sieben von Wechselströmen gegen Masse, DLC-Kondensatoren und, wie im Bild rechts gezeigt, Akkumulatoren puffern Gleichspannungen und liefern Energie über längere Zeiträume.

Dielektrische Absorption

Die dielektrische Absorption ist eine unerwünschte Ladungsspeicherung des Dielektrikums. Wird ein Kondensator kurz entladen, entsteht an den Elektroden nach einigen Sekunden bis Minuten wieder ein Teil der vorher angelegten Spannung. Das Dielektrikum hatte einen Teil der Ladung absorbiert und gibt ihn nun nach und nach wieder frei. Dieser Nachladeeffekt ist als dielektrische Absorption oder als dielektrische Relaxation bekannt. Die Größe der Absorption wird im Verhältnis zur ursprünglich angelegten Spannung angegeben und hängt von dem verwendeten Dielektrikum ab. Elektrolytkondensatoren haben mit einer dielektrischen Absorption von etwa 10 bis 15 % einen relativ hohen Wert verglichen mit anderen Kondensatortechnologien. Das kann unter Umständen zu relativ hohen Spannungen (sogar einige Volt) führen, die eine Gefährdung darstellen können: Es können dadurch Schäden an Halbleitern oder Funkenbildung beim Kurzschließen von Anschlüssen verursacht werden. Aber auch in Messschaltungen ist dieser Effekt eher unerwünscht, da er zu falschen Messergebnissen führt. Größere Aluminium-Elektrolytkondensatoren werden daher üblicherweise mit einem Kurzschlussbügel über den Anschlüssen transportiert bzw. geliefert.

Schaltzeichen

Schaltzeichen

Im Schaltzeichen des gepolten Elektrolytkondensators ist der Pluspol (Anode) durch ein hohles Rechteck gekennzeichnet, der Minuspol durch ein ausgefülltes. Bei einem bipolaren Elektrolytkondensator ist der Kondensator mit zwei Anodenfolien aufgebaut. Deshalb wird das Schaltsymbol von zwei hohlen Rechtecken gebildet.

Kennzeichnung

Die Kennzeichnung von Elektrolytkondensatoren kennt keine Farbcodierung. Die früher verwendete Farbcodierung von Tantal-Perlenkondensatoren gibt es heutzutage nicht mehr. Sofern der Platz dazu ausreicht, sollten die Kondensatoren durch entsprechende Aufdrucke gekennzeichnet sein mit:

Polarität, Nennkapazität, Toleranz, Nennspannung, Nenntemperaturbereich, Herstelldatum, Hersteller, Baureihenbezeichnung

Kapazität, Toleranz, und Herstelldatum können nach EN 60062 mit Kurzkennzeichen gekennzeichnet werden. Beispiele einer Kurz-Kennzeichnung der Nennkapazität (Mikrofarad):

µ47 = 0,47 µF

4µ7 = 4,7 µF

47µ = 47 µF

Das Herstelldatum wird oft entsprechend internationaler Normen in abgekürzter Form aufgedruckt.

Version 1: Codierung mit Jahr/Woche, "0708" ist dann 2007, 8. Kalenderwoche

Version 2: Codierung mit Jahrescode/Monatscode

Jahrescode: "R" = 2003, "S"= 2004, "T" = 2005, "U" = 2006, "V" = 2007, "W" = 2008, "X" = 2009, "A" = 2010, "B" = 2011, "C" = 2012 usw.

Monatscode: "1" bis "9" = Jan. bis Sept., "O“ = Oktober, "N" = November, "D" = Dezember

"X5" ist dann 2009, Mai

Markierung der Polarität

• Markierung der Polarität
• 
• 

Bei Elektrolytkondensatoren mit flüssigem Elektrolyten wird der Minuspol gekennzeichnet.

Zur Kennzeichnung der Polarität gibt es mehrere Varianten:

• Bei der axialen/liegenden Bauform ist der Minuspol mit dem Gehäuse verbunden, der Pluspol ist isoliert. Auf der positiven Seite befindet sich eine umlaufende Kerbe. Bei älteren Elkos ist die negative Seite mit zusätzlich einem Farbring gekennzeichnet.
• Bei der stehenden Bauform (radiale Bauform oder auch „single ended“ genannt) verläuft auf der negativen Seite eine senkrechte Minus-Markierung. Zudem ist bei loser, nicht gegurteter Ware der Plusanschluss länger als der Minusanschluss.
• Bei SMD-Elkos befindet sich auf dem sichtbaren Teil des Bechers eine negative Markierung, meist ein schwarzer Balken.

Bei Elektrolytkondensatoren mit festem Elektrolyten wird im Allgemeinen der Pluspol gekennzeichnet.

• Bei Tantal-Kondensatoren in Perlenform ist der positive Pol mit einem Plus gekennzeichnet.
• Bei der axialen/liegenden Bauform ist der Minuspol mit dem Gehäuse verbunden, der Pluspol ist isoliert. Auf der positiven Seite befindet sich eine umlaufende Kerbe.
• Besonderer Hinweis: Die Polaritätskennzeichnung bei Elektrolytkondensatoren mit festem Elektrolyten, z. B. bei Polymer-Elektrolytkondensatoren, ist spezifisch für die jeweilige Bauform. Bei zylindrischen bedrahteten oder zylindrischen SMD-Elkos wird der Minuspol gekennzeichnet. Bei quaderförmigen SMD-Elkos wird der Pluspol mit einem Balken gekennzeichnet.

• Kennzeichnung der Polarität an Polymer-Aluminium-Elektrolytkondensatoren
• 
  Bei der V-Chip-Bauform und bei der radialen Bauform ist der Minus-Anschluss durch eine Farb-Markierung gekennzeichnet.
• 
  Bei der quaderförmigen SMD-Bauform ist der Plus-Anschluss durch eine Farb-Markierung gekennzeichnet.

Anwendungen

Typische Applikationen für Elektrolytkondensatoren sind:

• Glättungs- und Pufferkondensator zur Glättung bzw. Siebung von gleichgerichteten Wechselspannungen.
• Sieben von Wechselspannungsanteilen innerhalb einer Schaltung (Ableitung von Wechselströmen) z. B. in DC/DC-Wandlern
• Puffern von Gleichspannungsversorgungen bei Laständerungen
• Zwischenspeicher für PFC-Schaltungen (Power Factor Control = Leistungsfaktor-Verbesserung) in Frequenzumformern und unterbrechungsfreien Stromversorgungen (USV)
• Ein- und Auskoppeln von Wechselspannungssignalen zum Beispiel in Niederfrequenzverstärkern, wenn ein Potentialunterschied vorliegt (level shifting). Dabei ist zu beachten, dass die Elektrolytkondensatoren eine entsprechende Vorspannung benötigen
• Energiespeicher, z. B. in Elektronenblitzgeräten
• Ladungssammler in Zeitgliedern, z. B. in Blinkern
• Bipolare (ungepolte) Elektrolytkondensatoren als Betriebs- oder Anlaufkondensator für Asynchronmotoren
• Tonfrequenzkondensatoren in Frequenzweichen, z. B. von Lautsprecherboxen
• Glätten einer PWM, z. B. bei LED-Treibern

Hersteller und Produktprogramm

Weltweit operierende Hersteller von Elektrolytkondensatoren und deren Produktprogramm

Hersteller	Aluminium- Elektrolytkondensatoren				Tantal- Elektrolytkondensatoren			Niob- Elektrolyt- kondensatoren
	SMD Radial	Power SI, ST	Polymer SMD Radial	Polymer Hybrid	SMD MnO2	SMD Polymer	Flüssiger Elektrolyt	SMD MnO2
AVX	-	-	-	-	X	X	X	X
CapXon	X	X	X	-	-	-	-	-
Daewoo, (Partsnic)	X	X	-	-	-	-	-	-
CDE Cornell Dubilier	X	X	X	X	X	X	-	-
Capacitor Industries	-	X	-	-	-	-	-	-
Elna	X	X	X	-	-	-	-	-
Exxelia group	-	X	-	-	X	-	-	-
Frolyt	X	X	-	-	-	-	-	-
Hitachi	–	X	–	-	-	–	–	–
Hitano	X	X	X	-	X	-	-	-
Itelcond	-	X	-	-	-	-	-	-
Jackcon	X	X	-	-	-	-	-	-
Kaimei Electronic Corp, (Jamicon)	X	X	-	-	-	-	-	-
Jianghai	X	X	X	-	-	-	-	-
Lelon	X	X	X	-	-	-	-	-
KEMET	X	X	X	-	X	X	X	-
MAN YUE, (Samxon)	X	X	-	-	-	-	-	-
NEC Tokin	-	-	-	-	X	-	X	-
Nippon Chemi-Con	X	X	X	X	-	-	-	-
NIC	X	X	X	X	X	-	X	-
Nichicon	X	X	X	-	-	-	-	-
Panasonic, Matsushita	X	X	X	X	-	-	X	-
Richey	X	X	-	-	-	-	-	-
ROHM	-	-	-	-	X	-	X	-
Rubycon	X	X	X	-	-	-	-	-
Samwha	X	X	X	-	-	-	-	-
SUN Electronic Industry	X	-	-	X	-	-	-	-
TDK EPCOS	X	X	-	-	-	-	-	-
Teapo (Luxon)	X	X	X	-	-	-	-	-
Vishay	X	X	X	-	X	X	X	X
Yageo	X	X	X	-	-	-	-	-

Datum der Tabelle: März 2015

Literatur

• D. Nührmann: Das komplette Werkbuch Elektronik. Franzis-Verlag, Poing 2002, ISBN 3-7723-6526-4.
• K. H. Thiesbürger: Der Elektrolyt-Kondensator. 4. Auflage, Roederstein, Landshut 1991, OCLC 313492506.
• O. Zinke; H. Seither: Widerstände, Kondensatoren, Spulen und ihre Werkstoffe. Springer, Berlin 1982, ISBN 3-540-11334-7.
• H-D. Langer: Festkörperelektrolytkondensatoren. Akademie-Verlag, Berlin 1982, OCLC 74564862.
• J. D. Moynihan: Theory, Design and Application of Electrolytic Capacitors. 1982, OCLC 17158815.
• L. Stiny: Handbuch passiver elektronischer Bauelemente. Aufbau, Funktion, Eigenschaften, Dimensionierung und Anwendung. Franzis-Verlag, 2007, ISBN 978-3-7723-5430-4.
• K. Beuth, O. Beuth: Bauelemente. Elektronik 2. Vogel Fachbuch, 2006 ISBN 3-8343-3039-6.

Weitere Literaturhinweise siehe Unterartikel Aluminium-Elektrolytkondensatoren, Tantal-Elektrolytkondensatoren oder Niob-Elektrolytkondensatoren.

Weblinks

Commons: Elektrolytkondensatoren – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• Elektrolytkondensatoren – Grundlagen aus „das ELKO“
• Polarisierter Elektrolytkondensator für Wechselspannung und inverse Gleichspannung
• FARADNET, „Fast alles über Kondensatoren“ (englisch)
• Capsite 2015 Introduction to Capacitors

Einzelnachweise

Kategorie:Kondensator (Elektrotechnik)