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Aluminium-Elektrolytkondensator

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Aluminium-Elektrolytkondensator

Bedrahtete radiale und axiale Elkos sowie SMD-Elkos

Ein Aluminium-Elektrolytkondensator, auch „Elko“ genannt, ist ein Kondensator, dessen Anodenelektrode aus Aluminium besteht, auf dem durch anodische Oxidation, auch Formierung genannt, eine gleichmäßige, aber äußerst dünne elektrisch isolierende Aluminiumoxidschicht als Dielektrikum erzeugt wird. Ein flüssiger oder fester Elektrolyt, der sich der Oberflächenstruktur der Oxidschicht auf der aufgerauten Anode anpasst, bildet die Kathode des Kondensators. Eine zweite Aluminiumfolie kontaktiert den Elektrolyten und bildet die elektrische Verbindung zum negativen Anschluss.

Aluminium-Elektrolytkondensatoren besitzen wegen des dünnen Dielektrikums und der durch Ätzung sehr großen Anodenoberfläche die größten Kapazitätswerte unter den Kondensatoren mit konventionellen Dielektrika. Sie gliedern sich durch die Verwendung unterschiedlicher Elektrolytsysteme in zwei Unterfamilien auf, in Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit flüssigem und mit festem Elektrolyten.

Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit flüssigem Elektrolyten, auch „nasse“ Elkos genannt, sind die preiswertesten Elkos und auch diejenigen, mit den meisten Baugrößen, Kapazitäts- und Nennspannungswerten. Sie altern durch temperaturabhängige Austrocknungsvorgänge. Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit einem festen Elektrolyten erfüllen höherwertige Anforderungen und haben keine diesbezügliche Alterung. Daneben gibt es auch Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit Hybrid-Elektrolyten, die einen festen und einen flüssigen Elektrolyten miteinander kombinieren.

Aluminium-Elektrolytkondensatoren, die dank ihrer hohen Kapazitätswerte auch bei kleineren Frequenzen schon niedrige Impedanzwerte aufweisen, werden typischerweise in Stromversorgungen oder Netzteilen zum Glätten und Sieben gleichgerichteter Spannungen mit Netzfrequenz oder bei Schaltnetzteilen bei Schaltfrequenzen bis etwa 1 MHz sowie zum Puffern von Versorgungsspannungen bei plötzlichen Lastspitzen in digitalen Schaltungen eingesetzt.

Aluminium-Elektrolytkondensatoren sind gepolte Kondensatoren, die nur mit Gleichspannung betrieben werden dürfen. Falschpolung oder Wechselspannung aber auch Spannungen größer als die Nennspannung sowie Rippelstrom-Überlastung kann zu einem elektrischen Kurzschluss und zur Zerstörung der Kondensatoren führen. Sie können sogar explodieren.

Als Sonderform werden auch bipolare Aluminium-Elektrolytkondensatoren hergestellt. Sie bestehen aus zwei internen Elektrolytkondensatoren, die in Gegenpolung (Anode mit Anode) zusammengeschaltet sind und können mit Wechselspannung betrieben werden.

Geschichte

Flüssigkeitskondensator, Bell System Technik 1929

Grundprinzip der anodischen Oxidation, bei der durch Anlegen einer Stromquelle eine Oxidschicht auf einer metallischen Anode gebildet wird.

Das Phänomen, dass man auf Aluminium in einem elektro-chemischen Verfahren eine Schicht erzeugen kann, die einen elektrischen Strom in nur einer Richtung hindurch lässt, in der anderen Richtung jedoch Strom sperrend wirkt, wurde 1875 von dem französischen Erfinder und Firmengründer Eugène Ducretet entdeckt. Er gab diesen Metallen, die sozusagen ein „elektrisches Ventil“ ergaben, den Beinamen „Ventilmetall“. Zu diesen Metallen gehören neben Aluminium unter anderen auch Tantal und Niob.

Da die einseitig sperrende Oxidschicht eine sehr hohe Spannungsfestigkeit schon bei sehr dünnen Schichtstärken aufweist, hatte Charles Pollack 1896 die Idee, diese Schicht als Dielektrikum eines gepolten Kondensators in einem Gleichstromkreis auszunutzen. Dieses Patent eines Elektrischen Flüssigkeitskondensators mit Aluminiumelektroden wurde zur Grundlage aller späteren Elektrolytkondensatoren. Pollack entdeckte, dass aufgrund der geringen Dicke der elektrisch sperrenden Aluminiumoxidschicht auf der Anode eine sehr hohe Kapazität zwischen dem Aluminium-Anode und der Elektrolytlösung als Kathode realisiert werden konnte. Ein großes Problem war damals, dass die verwendeten säurehaltigen Elektrolyten die gebildete Oxidschicht wieder auflöst, wenn die Stromzufuhr unterbrochen wurde, aber er fand heraus, dass ein alkalischer oder neutraler Elektrolyt eine stabile Oxidschicht bildet, die auch nach dem Abschalten des Stromes chemisch stabil blieb.

Die Bauweise der ersten Elektrolytkondensatoren war ein metallischer Becher, der sowohl als Kathode als auch als Behälter des flüssigen Elektrolyten diente. In diesen Becher wurde die Anode als gefaltetes Aluminiumblech hineingehängt wurde. Der Vorteil dieser Bauweise war, dass beim Anlegen einer Spannung die Oxydschicht auf der Anode ohne weitere Hilfsmittel gebildet wurde. Die damit erreichbare Kapazität war deutlich kleiner und preiswerter als bei anderen vergleichbaren technischen Kondensatoren der damaligen Zeit. Diese Konstruktion mit einem metallischen Behälter als Kathode und als Container für den Elektrolyten, der damals üblicherweise ein wasserhaltiger Natrium-Borat (Borax) Elektrolyt war, wurde bis spät in die 1930er Jahre verwendet und wurde als "nasser" Elektrolytkondensator bezeichnet, wobei „nass“ im Sinne von „wasserhaltig“ verwendet wurde.

Historische Anodenformen aus den 1920er Jahren, bevor die Wickeltechnik erfunden wurde, zur Erhöhung der kapazitiv wirksamen Anodenfläche. Für alle Versionen war der Becher der Anschluss zur Kathode

Die ersten kommerziell genutzten Aluminium-Elektrolytkondensatoren wurden schon im Jahre 1892 als Motor-Start-Kondensatoren zum Starten von Einphasen-Wechselstrom-Motoren genutzt. Anfang des 20ten Jahrhunderts wurden Elektrolytkondensatoren dann in größeren Stückzahlen in großen Telefonanlagen eingesetzt, um die Störgeräusche der Relais und die Brummgeräusche des Stromgenerators auf der 48-Volt-Gleichstromleitung zu reduzieren. Mit der Entwicklung des Rundfunks in den späten 1920er Jahren entstand ein Bedarf für größere Kapazitätswerte mit 500 Volt Spannungsfestigkeit für die Röhrentechnik. Hier konnten sich die deutlich kleineren und preiswerteren Aluminium-Elektrolytkondensatoren gegenüber den Papierkondensatoren durchsetzen.

Erst mit der Erfindung des "trockenen" Aluminium Elektrolytkondensators durch Samuel Ruben im Jahre 1925 änderte sich die Bauweise der damaligen Elektrolytkondensatoren mit dem umhüllenden Becher als Kathode. Ruben übernahm von den Glimmerkondensatoren die Technik der geschichteten Bauweise, beschichtete die formierte Anode mit einem wasserfreinen (trockenem) Elektrolyten und führte eine zweite Aluminiumfolie, die er mit einem eigenen Anschluss ausstattete, zur Kontaktierung des Elektrolyten ein. Der umhüllende Becher hatte damit keine elektrische Funktion mehr. Obwohl die zweite Folie nur zur Kontaktierung des Elektrolyten, der Kathode des Elkos, diente, bürgerte sich rasch der Begriff Kathodenfolie ein.

Die kompakte Bauweise, die durch die Einführung der Kathodenfolie erreicht wurde, reduzierte das Bauvolumen des Kondensators erheblich. Damit und der kurz danach erfolgten Erfindung der gewickelten Folien mit Papier-Zwischenlage konnten die Aluminium-Elektrolytkondensatoren kleiner und preiswerter hergestellt werden, was dazu beitrug, dass die neuen Rundfunkgeräte erschwinglich wurden. Mit dieser neuen Konstruktion des „trockenem“ Elektrolyten begann die eigentliche Entwicklung der „Elkos“.

Miniaturisierung bei Aluminium-Elektrolytkondensatoren durch höhere Aufrauung der Anodenfolie

Es war kein geringerer als Julius Lilienfeld der 1926 und 1931 den pulvrigen Rubens-Elektrolyten durch eine Papier-Zwischenlage als Trennung der beiden Aluminiumfolien durchtränkt mit dem Elektrolyten vorschlug. Leider war dieser Kondensator, versehen mit einem wasserhaltigen Elektrolyten, nur ungenügend abgedichtet, so dass aus dieser Erfindung kein Erfolg wurde. Aber die Papier-Zwischenlage als mechanische Trennung der beiden Aluminiumfolien und als Reservoir für den Elektrolyten wird bis heute angewendet.

Die erste industrielle Serienfertigung von Aluminium Elektrolytkondensatoren begann 1931 bei CDE Cornell-Dubilier in South Plainfield, NJ, USA, in der kurze Zeit später auch schon Anodenfolien mit aufgerauter Oberflächenstruktur verarbeitet wurden. Diese Aufrauhung, die zur Vergrößerung der Anodenoberfläche diente, damit bei gleicher Folienlänge ein höherer Kapazitätswert erreicht wurde, erfolgte zunächst mechanisch mit Bürsten oder Sandstrahlen. Heutzutage werden die Anodenfolien durch elektro-chemische Ätzverfahren aufgeraut und erreichen Oberflächenvergrößerungen von über 100fach gegenüber einer glatten Oberfläche, wodurch die Baugröße eines Kondensators bei gegebener Kapazität und Spannung entsprechend kleiner wird.

Die Entwicklung von Tantal-Elektrolytkondensatoren mit einem festen Mangandioxid -Elektrolyten in den Jahren 1952 bis 1956 wurde schnell von den Herstellern von Aluminium-Elektrolytkondensatoren aufgegriffen. Bereits 1964 kamen, entwickelt von Philips, die ersten Al-Elkos mit festem Elektrolyten auf den Markt.

Haupt-Zielsetzung bei den Entwicklungen aller Elektrolytkondensatoren in den letzten Jahrzehnten ist neben der Verkleinerung der Baugrößen insbesondere die Verringerung der internen ohmschen Verluste (ESR) zur Verringerung der internen Wärmeverluste durch Rippelstrombelastung. Mit der Entwicklung neuer, fester Elektrolytsysteme auf Basis organische Verbindungen wie TCNQ (Tetracyanochinodimethan) ab Mitte der 1970er und leitfähiger Polymere (Polypyrrol) in den 1980er Jahren schafften es die Entwickler von Elektrolytkondensatoren, dieser Forderung auch mit der Elko-Technologie zu folgen.

Bauarten

Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit flüssigem Elektrolyt, meist "Elkos" genannt, sind die bekanntesten unter den vier Bauarten der Elektrolytkondensatoren. Auf fast allen Platinen elektronischer Geräte sind diese "nassen" Elkos, wie sie auch genannt werden, zu finden. Sie zeichnen sich durch besonders preisgünstige und leicht zu verarbeitendes Grundmaterialen aus und werden in sehr vielen unterschiedlichen genormten Baugrößen hergestellt. Sie besitzt eine hohe spezifische Kapazität pro Bauvolumen und werden mit vielen unterschiedliche Nennspannungen angeboten.

Die zwei Bauarten der Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit festem Elektrolyten haben beide Elektrolytsysteme mit besseren Leitfähigkeiten als Elkos mit flüssigem Elektrolyten. Elkos mit Braunstein-Elektrolyt sind schon recht lange auf dem Markt, sind aber als Nischenprodukt zu betrachten. Dahingegen gewinnen Elkos mit einem Elektrolyten aus einem leitfähigen Polymer (Polymer-Elkos) eine immer größere Bedeutung, insbesondere in Geräten mit flachem Design wie Tablet-PCs oder Flachbildschirme.

Elkos mit Hybrid-Elektrolyten kombinieren mit ihrem Elektrolytsystem mit sowohl festem als auch flüssigem Elektrolyten die bessere Leitfähigkeit des Polymer mit der Eigenschaft des flüssigen Elektrolyten, Selbstheilung zu ermöglichen und hat damit sowohl niedrige ESR-Werte als auch geringere Restströme als Polymer-Elkos.

Die folgende Tabelle zeigt eine Übersicht über die wichtigsten Kennwerte drei unterschiedlichen Bauarten von Aluminium-Elektrolytkondensatoren

Kennwerte und Eigenschaften der unterschiedlichen Aluminium-Elko-Bauarten

Bauart / Elektrolyt	Kapazitätsbereich in µF	Nenn- Spannungs- bereich in V	Temperatur-bereich in °C	Rippel- strom- dichte in mA/mm3 1)	Vorteile	Nachteile
Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit flüssigem Elektrolyten flüssig, beispielsweise Glycol, DMF, DMA, GBL	0,1…2.700.000	4...630	-25…+85 -40…+115 -40…+125 -40…+150	0,05…2,0	Hohe spezifische Kapazität, unempfindlich gegen Transienten viele Baugrößen, viele applikationsgerechte Baureihen, preiswert	Durch Austrocknung begrenzte Lebensdauer
Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit festem Braunstein-Elektrolyten fest, Braunstein	0,1…1500	6.3...40	-40...+175	0,5…2,5	Hohe Zuverlässigkeit, stabile Kennwerte	Höherer Reststrom, höherer Preis
Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit festem Polymer-Elektrolyten fest, leitfähiges Polymer beispielsweise Polypyrrol, PEDT	2,2…2700	2...50	-40...+105	10…30	sehr niedrige ESR-Werte, sehr hohe Strombelastbarkeit stabile Kennwerte	Höherer Reststrom, empfindlich gegen Transienten höherer Preis
Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit Hybrid-Elektrolyten flüssig und fest, leitfähiges Polymer	6,8...1000	6,3...125	-55…+105 -55...+125 -55…+135	10…30	sehr niedrige ESR-Werte, sehr hohe Strombelastbarkeit geringer Reststrom unempfindlich gegen Transienten	Durch Austrocknung begrenzte Lebensdauer höherer Preis

1) Rippelstrom bei 100 kHz und 85 °C

Aluminium-Elektrolytkondensator mit flüssigem Elektrolyten

Prinzipieller Aufbau

Querschnitt durch die prinzipielle Schichtfolge der Unterteile im Aufbau eines Aluminium-Elektrolytkondensators mit flüssigem Elektrolyten

Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit flüssigem Elektrolyten bestehen grundsätzlich aus zwei gewickelten Aluminiumfolien, die mit Papierstreifen mechanisch voneinander getrennt werden. Eine der beiden Aluminiumfolie ist die Anode, sie ist geätzt (aufgeraut) zur Vergrößerung der Oberfläche und oxidiert (formiert), die zweite Aluminiumfolie dient als Stromzuführung zum Elektrolyten. Die elektrisch isolierende Oxidschicht auf der Anodenoberfläche ist das Dielektrikum des Elkos. Der Wickel wird mit dem Elektrolyten getränkt, in einen Becher eingebaut und der Becher mit einer Dichtung verschlossen.

Dieser Aufbau eines Aluminium-Elektrolytkondensators hat eine Besonderheit zur Folge. Da zur Kontaktierung des flüssigen Elektrolyten eine zweite Aluminiumfolie benötigt wird, die Kathodenfolie, diese aber mit einer natürlich entstandenen isolierenden Luftoxidschicht bedeckt ist, besteht die Konstruktion des Elkos aus zwei in Serie geschalteten Einzelkondensatoren mit der der Anodenkapazität C_A und der Kathodenkapazität C_K. Die Gesamtkapazität des Kondensators C_Elko ergibt sich damit aus der Formel der Reihenschaltung zweier Kondensatoren:

$C_{Elko}={\frac {C_{A}\cdot C_{K}}{C_{A}+C_{K}}}$

Daraus ergibt sich, dass die Gesamtkapazität des Kondensators C_Elko im Wesentlichen durch die Anodenkapazität C_A bestimmt wird, wenn die Kathodenkapazität C_K sehr groß gegenüber der Anodenkapazität C_A ist.

Unterteile und Herstellung

Konstruktion eines typischen radialen (stehenden) Aluminium-Elektrolytkondensators mit flüssigem Elektrolyten

Anodenfolie, Formierung, Struktur des Dielektrikums

Die Schichtdicke des bei der Formierung gebildeten Aluminiumoxids ist proportional zur Formierspannung

Grundmaterial der Anode für Aluminium-Elektrolytkondensatoren ist eine Folie mit der Dicke von 20 ~ 100 μm aus hochreinem Aluminium mit einem Reinheitsgrad von mindestens 99,9 %. Diese wird in einem elektro-chemischen Prozess geätzt (aufgeraut), um die wirksame Elektrodenoberfläche zu vergrößern. Durch die Ätzung kann die Oberfläche der Anode, abhängig von der späteren Spannungsfestigkeit, um bis etwa Faktor 140 gegenüber einer glatten Oberfläche vergrößert werden.

Nach dem Aufrauen wird die Aluminium-Anode "anodisch oxidiert" bzw. "formiert". Dabei wird durch Anlegen einer Stromquelle in richtiger Polarität in einem Elektrolytbad auf der Aluminium-Oberfläche eine elektrisch isolierende Oxidschicht Al₂O₃ gebildet, das Dielektrikum des Kondensators.

Der Vorgang der Formierung erfolgt in zwei Reaktionsschritten. Zunächst wird in einer stark exothermen Reaktion Aluminium (Al) in sein Hydroxid Al(OH)₃ umgewandelt:

2 Al + 6 H₂O → 2 Al(OH)₃ + 3 H₂ ↑

Diese Reaktion wird beschleunigt durch ein hohes elektrisches Feld und durch hohe Temperaturen, wobei Wasserstoffgas freigesetzt wird.

Das gelartige Aluminiumorthohydroxid Al(OH)₃, auch Aluminiumhydroxid, Aluminiumhydrat oder Aluminiumtrihydrat (ATH) genannt, wandelt sich im zweiten Reaktionsschritt nach einiger Zeit in die kristalline Form des Aluminiumoxids Al₂O₃ um:

2 Al(OH)₃ → 2 AlO(OH) + 2 H₂O → Al₂O₃ + 3 H₂O

Allerdings ist in der Realität die so erzeugte Schicht aus Aluminiumoxid nicht homogen. Die anodisch erzeugte Schicht stellt ein kompliziertes Mehrschichtgebilde dar, von dem nur ein sehr dichter und kompakter Teil dielektrisch wirksam ist. Die gängige Theorie geht davon aus, dass die "anodische Oxidschicht" in Wirklichkeit aus einer Schichtfolge von 6 Schichten besteht. Gesehen von der Grenzfläche zum Elektrolyten beginnt es mit

• 1) einem Rest nich umgeformten verbleibenden Aluminiumhydroxids, dann folgt
• 2) eine Schicht porösem Aluminiumoxid, gefolgt von
• 3) einer Schicht mit rissigem überwiegend kristallinem Aluminiumoxid, auf die
• 4) eine Schicht aus kristallinem Aluminiumoxid folgt, die
• 5) auf einer Schicht aus amorphen Aluminiumoxid aufgewachsen ist , die dann
• 6) auf dem Basismetall Aluminium liegt (siehe Bild 6 in der folgenden Quelle).

Nur die Schichten 5) und 6) bilden das eigentliche Dielektrikum.

Die Formierung, d.h. das Erzeugen einer gleichmäßig dicken und vollständigen Überdeckung der Anode mit Aluminiumoxid in den Schichten 4 und 5, erfolgt mit einer Formierspannung, die oberhalb der Nennspannung liegt. Üblicherweise liegt bei Aluminium-Elkos mit flüssigem Elektrolyten das Verhältnis aus Formierspannung zu Nennspannung im Bereich 1,25 (<= 100 V) bis 1,60 (>100 V). Bei Elkos mit festem Elektrolyten liegt das Verhältnis deutlich höher. Die Schichtdicke des durch Formierung gebildeten Oxids ist proportional zur Formierspannung, damit ist die Spannungsfestigkeit des Kondensators gegenüber der Nennspannung mit einem Sicherheitsbereich gewährleistet.

Die Spannungsfestigkeit dieser Oxidschicht ist mit etwa 700 V/µm sehr hoch. Da durch die Formierung gezielt bis 630 V jede gewünschte Spannungsfestigkeit erreicht werden kann, variiert die Dicke der Oxidschicht mit der Formierspannung bzw. Nennspannung des späteren Kondensators. Ein 10-V-Elko besitzt ein Dielektrikum mit der Schichtdicke von nur etwa 0,014 µm, ein 100-V-Elko von nur etwa 0,14 µm. Dadurch beeinflusst die Spannungsfestigkeit auch die Baugröße des Kondensators.

Die Spannungsfestigkeit der Oxidschicht erreicht jedoch nur dann den hohen Wert von 700 V/µm mit einem entsprechen geringen Reststrom, wenn sie als Anode geschaltet ist. Bei umgekehrter, falscher Polarität fließt ein sehr viel größerer Strom. Offenbar setzt die Oxidschicht auf der Elektrode, wenn sie als Anode geschaltet ist, dem Strom einen deutlich größeren Widerstand entgegen, als bei umgekehrter Stromrichtung. Diese Ventilwirkung ist durch ein reines physikalisches Verhalten nicht erklärbar, denn eigentlich müsste Aluminiumoxid als guter elektrischer Isolator unabhängig von der Stromrichtung sein. Die Erklärung für dieses Ventilverhalten kann nur durch die spezielle Mikrostruktur und durch die Wachstumsbedingungen der Aluminium-Oxidschicht gegeben werden. Über die vielschichtige Struktur der Schicht und Mikrorissen in kristallisierten Bereichen der Oxidschicht erfolgen bei Falschpolung recht schnell Lösungserscheinungen mit der damit verbundenen Schwächung des Oxids.

Im unteren Bild ist links das Schliffbild einer hoch aufgerauten 10-V-Anodenfolie von 100 µm Dicke zu sehen. Im rechten Teil sieht man den Ultradünnschnitt einer Aluminiumpore in einer Anodenfolie in etwa 100.000-facher Vergrößerung. Die Pore ist hell zu erkennen.

Schliffbild einer Anodenfolie und einer Pore in der aufgerauten Struktur der Anode

Anodenfolien werden als sogenannte „Mutterrollen“ von etwa 50 cm oder etwa 1 m Breite gefertigt. Sie sind für die gewünschte Spannungsfestigkeit vorformiert. Erst bei der Elko-Fertigung werden aus der Mutterrolle die Breiten und Längen, wie sie für einen Kondensator erforderlich sind, herausgeschnitten.

Kathodenfolie

Anoden- und Kathodenfolien werden als sog. Mutterrollen gefertigt und vorformiert geliefert, erst zur Fertigung der Kondensatoren werden sie auf die gewünschte Breite zugeschnitten

Die zweite Aluminiumfolie im Elektrolytkondensator, die üblicherweise Kathodenfolie genannt wird obwohl sie funktionell nur die elektrische Verbindung zum Elektrolyten, der eigentlichen Kathode bildet, besitzt einen etwas geringeren Reinheitsgrad, der etwa 99,8% beträgt. Diese Folie ist von Haus aus mit einer äußerst dünnen Oxidschicht versehen, die aus der Berührung von Aluminium mit der Luft auf natürliche Weise immer entsteht. Um den Übergangswiderstand zum Elektrolyten zu verringern und um Oxidbildung bei Entladevorgängen zu erschweren, ist die Kathodenfolie mit Metallen wie Kupfer, Silizium oder Titan legiert.

Die Kathodenfolie ist zur Vergrößerung der Oberfläche ebenfalls wie die Anodenfolie geätzt. Ihre spezifische Kapazität ist allerdings wegen der äußerst dünnen Oxidschicht, die etwa einer Spannungsfestigkeit von 1,5 V entspricht, deutlich größer als die von Anodenfolien. Zur Begründung der Notwendigkeit für eine große Oberflächenkapazität der Kathodenfolie siehe Abschnitt #Schaltfestigkeit.

Auch die Kathodenfolien werden als sogenannte "Mutterrollen" in derselben Breite wie die Anodenfolien gefertigt und werden erst bei der Elko-Fertigung auf die vom Kondensator erforderliche Breite geschnitten.

Elektrolyt

Seinen Namen hat der Elektrolytkondensator vom Elektrolyten, der leitfähigen Flüssigkeit im Kondensator. Als Flüssigkeit kann sie sich der porigen Struktur der Anode mit dem aufgewachsenen Oxid formgleich anpassen und eine „passgenaue“ Kathode bilden.

Ein Elektrolyt besteht immer aus einem Gemisch von Lösungsmitteln und Zusatzstoffen zur Erfüllung der gegebenen Anforderungen. Die wichtigste elektrische Eigenschaft des Elektrolyten ist seine elektrische Leitfähigkeit, die bei Flüssigkeiten physikalisch eine Ionen-Leitfähigkeit ist.

An die Betriebselektrolyte werden neben der guten Leitfähigkeit vielfältige Anforderungen gestellt, unter anderem, chemische Stabilität, hoher Flammpunkt, chemische Verträglichkeit mit Aluminium, geringe Viskosität, Umweltverträglichkeit sowie geringe Kosten. Er soll auch noch Sauerstoff-Lieferant für Formierprozesse und Selbstheilung liefern und das alles in einem möglichst großen Temperaturbereich.

Diese Vielfalt der Anforderungen an den flüssigen Elektrolyten hat eine Vielzahl von herstellerspezifischen Lösungen zur Folge. Daraus lassen sich grob zusammenfassend drei Gruppen bilden:

• Stark wasserhaltige Elektrolyte mit bis zu 70 % Wasser für sog. Low-Impedance- oder Low-ESR-Elkos mit Nennspannungswerten bis 100 V für preiswerte Massenanwendungen. Die Aggressivität des Wassers gegen Aluminium muss mit geeigneten Zusätzen unterbunden werden.
• Elektrolyte auf Basis von Ethylenglycol und Borsäure. Bei diesen sogenannten Glycol- oder Borax-Elektrolyten tritt eine ungewollte chemische Kristallwasser-Reaktion nach dem Schema: Aus "Säure + Alkohol" wird "Ester + Wasser" auf. Diese seit langem benutzten Standard-Elektrolyte enthalten einen Wassergehalt zwischen 5 und etwa 20 % und werden für 85 °C- bis maximal 105 °C-Elkos im gesamten Nennspannungsbereich eingesetzt. Auch bei diesen Elkos muss die Aggressivität des Wassers durch geeignete Maßnahmen unterbunden werden.
• Nahezu wasserfreie Elektrolyte auf Basis organischer Lösungsmittel, beispielsweise N,N-Dimethylformamid (DMF), N,N-Dimethylacetamid (DMA) oder γ-Butyrolacton (GBL). Diese Elkos mit organischen Lösungsmittelelektrolyten sind geeignet für Temperaturbereiche von 105 °C oder 125 °C im gesamten Nennspannungsbereich und weisen ein sehr gutes Langzeitverhalten der Kondensatoren auf.

Aus der Sicht des Schaltungstechnikers ist die Leitfähigkeit des Elektrolyten am Wichtigsten. Sie bestimmt im Wesentlichen den ESR des Kondensators. Die folgende Tabelle zeigt die Leitfähigkeit häufig verwendeter flüssiger und fester Elektrolytsysteme.

Elko-Familie (Bauart)	Elektrolyt	Elektrolyt- Leitfähigkeit S/cm	Nennspannungs- bereich V
Al-Elko	Organischer Elektrolyt oder gering wasserhaltiger Elektrolyt, flüssig,	etwa 0,01 etwa 0,005	6,3…100 125…630
Al-Elko	Stark wasserhaltiger Elektrolyt, flüssig	etwa 0,03	6,3…100
Tantal-Elko	Schwefelsäure, flüssig	etwa 0,1	6,3…125
Tantal-Elko, SAL-Elko	Braunstein, fest	etwa 0,1	6,3…40
Al-Polymer-Elko	TCNQ-Salz, fest	etwa 1	6,3…30
Al- oder Ta-Polymer-Elko	Polypyrrole, fest	etwa 100	2…25
Al- oder Ta-Polymer-Elko	PEDT, fest	etwa 500	2…25

Da die Elektrolytmenge bei der Verwendung flüssiger Elektrolyte durch den Vorgang der Selbstheilung und durch Diffusionsvorgänge durch die Abdichtung während der Betriebszeit der Kondensatoren ständig abnimmt und damit die elektrischen Parameter der Kondensatoren negativ beeinflusst werden, ist die Brauchbarkeitsdauer (siehe Abschnitt #Lebensdauer) von „nassen Elkos“ begrenzt.

Kondensatorpapier (Abstandshalter)

Anodenfolie und Kathodenfolie müssen vor direktem Kontakt gegeneinander geschützt werden, weil eine solche Berührung schon bei relativ kleinen Spannungen zu einem Kurzschluss führt. Das erfolgt über eine Zwischenlage bzw. einem Abstandshalter aus einem speziellen, sehr saugfähigen Papier. Dieses Papier dient außerdem noch als Reservoir für den Elektrolyten, damit auch nach längerer Betriebszeit noch genügend vorhanden ist um den Sauerstoff liefern zu können, der für die Selbstheilung der Oxidschicht benötigt wird.

Die Dicke des Kondensatorpapiers liegt bei Elkos bis 100 V zwischen 30 bis 75 µm.. Für höhere Spannungen werden mehrere Lagen Papier (Duplexpapier) verwendet um die Durchschlagsfestigkeit zu erhöhen.

Gehäuse

Blick auf drei unterschiedliche eingeprägte Sollbruchstellen (Ventile) im Becherboden von radialen Elektrolytkondensatoren

Das Gehäuse von Aluminium-Elektrolytkondensatoren besteht ebenfalls aus Aluminium, um galvanische Reaktionen zu vermeiden. Es ist bei radialen (stehenden) Elkos über den Elektrolyten mit einem nicht definierten Widerstand mit der Kathode (Masse) verbunden. Bei axialen (liegenden) Elkos ist jedoch konstruktionsbedingt das Gehäuse direkt mit der Kathode verbunden.

Bei einem Fehlverhalten oder bei Überlastung eines Elektrolytkondensators kann im Inneren des Bechers erheblicher Gasdruck entstehen. Der Becher kann dadurch bersten, explodieren oder wegfliegen. Um die vom Bersten des Gehäuses ausgehende Gefahr zu begrenzen, müssen Al-Elkos mit flüssigem Elektrolyten ab einer bestimmten Größe ein Ventil aufweisen. Das können Kerben im Deckel oder in der Seitenwand des Gehäuses sein oder auch wieder verschließbare Ventile, wie zum Beispiel bei Schraubanschluss-Elkos. Die Kerben im Gehäuse sind eine Sollbruchstelle, die sich bei Überdruck im Kondensator öffnen und für ein gezieltes Abblasen des Überdruckes sorgen.

Abdichtung

Die Abdichtmaterialien von Aluminium-Elektrolytkondensatoren unterscheiden bei den unterschiedlichen Bauformen. Bei größeren Schraubanschlusselkos und den sog. „Snap-in-Elkos“ besteht die Abdichtscheibe aus einem Plastikmaterial. Axiale Elkos besitzen meist eine Abdichtscheibe aus Phenolharz, die mit einer Gummischicht lamelliert ist. Radiale Elkos verwenden einen Gummistopfen mit sehr dichter Struktur. Alle Abdichtmaterialien müssen gegen die chemischen Bestandteile des Elektrolyten inert sein und dürfen keine löslichen Verbindungen enthalten, die zu einer Verunreinigung des Elektrolyten führen könnten.

Herstellung

Geöffneter Wickel eines Aluminium-Elektrolytkondensators mit Mehrfach-Kontaktierung

Die aufgeraute und vorformierte Anodenfolie, die Kathodenfolie und das Kondensatorpapier werden zunächst aus den jeweiligen Mutterrollen auf die erforderliche Breite geschnitten. Die Folien werden einem Wickelautomaten zugeführt, der in einem Arbeitsgang daraus einen Wickel aus Anodenfolie/Papier/Kathodenfolie/Papier und den angeschweißten Kontakten herstellt.

Der Wickel des Kondensators mit den herausgeführten Anschlüssen wird im nachfolgenden Produktionsschritt unter Vakuum mit dem Elektrolyten getränkt (imprägniert). Der imprägnierte Wickel wird in einen Aluminium-Becher eingebaut, mit einer Abdichtsichtscheibe versehen und mechanisch durch Bördeln fest verschlossen. Anschließend wird der Kondensator zur Isolierung mit einer Schrumpfschlauchfolie versehen und durch Nachformierung von Fehlstellen im Dielektrikum befreit (ausgeheilt).

Nach der Nachformierung erfolgt eine 100-%-Endmessung der Kondensatoren auf Kapazität, Reststrom und Impedanz. Danach können die "Elkos" zur Auslieferung kommen.

Fertigungsprozess von Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit flüssigem Elektrolyten

Bauformen

Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit flüssigem Elektrolyten weisen mehrere unterschiedliche Bauformen auf, resultierend aus den Anforderungen der Anwender nach einer bestimmten Montagemöglichkeit und aus den elektrischen Randbedingungen, die aus den Schaltungsanforderungen herrühren.

• SMD-Bauform für die Oberflächenmontage auf Leiterplatten oder Substraten
• Bauform mit axialen Drahtanschlüssen für eine liegende Einbauweise auf Leiterplatten
• Bauform mit radialen (einseitig herausgeführten) Draht- oder Stiftanschlüssen (Snap-in) für eine stehende Einbauweise auf Leiterplatten
• Bauform mit Schraubanschlüssen für hohe Strombelastbarkeit

Bauformen von Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit flüssigem Elektrolyten

Elektrische Kennwerte

Serien-Ersatzschaltbild eines Elektrolytkondensators

Die allgemeinen elektrischen Kennwerte von Kondensatoren werden in der technischen Anwendung im internationalen Bereich harmonisiert durch die Rahmenspezifikation IEC 60384-1, die in Deutschland als DIN EN 60384-1 im Februar 2002 erschienen ist. Sie werden durch ein idealisiertes Serien-Ersatzschaltbild beschrieben. Hierin sind:

• C die ideale Kapazität des Kondensators,
• R_leakage der Widerstand, der den Reststrom repräsentiert,
• R_ESR für die ohmschen Verluste und die
• L_ESL, die Induktivität des Bauelementes.

Die ohmschen Verluste werden allgemein nur "ESR" (englisch equivalent series resistance, deutsch: äquivalenter Serienwiderstand) und die Induktivität "ESL" (englisch equivalent series inductivity L, deutsch: äquivalente Serieninduktivität L) genannt.

Kapazität und Kapazitätstoleranz

Die Kapazität eines Elektrolytkondensators ist frequenzabhängig. Der Wert wird gemessen bei der Frequenz von 100/120 Hz. Hierin unterscheiden sich Elektrolytkondensatoren von anderen Kondensatorarten, deren Kapazität bei 1 kHz gemessen wird. Der Messwert muss innerhalb des spezifizierten Toleranzbereiches um den Nennwert der Kapazität liegen.

Die lieferbaren Nennkapazitätswerte, die nach den genormten E-Reihen gestaffelt sind, und die bevorzugten Toleranzen sind miteinander gekoppelt. Für Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit flüssigem Elektrolyten sind üblich:

• Nennkapazitätswerte nach E3, zugehörige Toleranz ±20 %, Kennbuchstabe „M“
• Nennkapazitätswerte nach E6, zugehörige Toleranz ±20 %, Kennbuchstabe „M“
• Nennkapazitätswerte nach E12, zugehörige Toleranz ±10 %, Kennbuchstabe „K“

Die Kapazitätstoleranz von Elektrolytkondensatoren, früher −10/+50 % oder −10/+30 %, heute meist ±20 %, ist, verglichen mit anderen Kondensatorfamilien, recht groß. Da Elektrolytkondensatoren aber nicht in frequenzbestimmenden Schaltungen eingesetzt werden, wo enge Kapazitätstoleranzen gefordert werden, ist diese Toleranzbreite für die üblichen Elko-Anwendungen, z. B. in Stromversorgungen, völlig ausreichend.

Spannungsfestigkeit

Nennspannung

Die Spannungsfestigkeit von Aluminium-Elektrolytkondensatoren wird über die Formierung, mit der die Aluminiumoxidschicht erzeugt wird, gezielt für die gewünschte Nennspannung des Kondensators hergestellt. Die "Nennspannung U_R", in den neuen Ausgaben der Normung jetzt "Bemessungsspannung U_R", ist die Gleichspannung, die dauernd im gesamten Temperaturbereich am Kondensator anliegen darf. Ein dauerhaftes Überschreiten der spezifizierten Nennspannung führt zur Zerstörung des Kondensators.

Die Summe aus einer dauerhaft am Kondensator anliegenden Gleichspannung und dem Scheitelwert einer überlagerten Wechselspannung darf die für den Kondensator spezifizierte Nennspannung nicht überschreiten.

Spitzenspannung

Aluminium-Elektrolytkondensatoren werden aus Sicherheitsgründen mit einer höheren Spannung formiert als die Nennspannung. Da außerdem die chemische Reaktionen in der Oxidschicht etwas verzögert erfolgen, können Elkos kurzzeitig mit einer sog. Spitzenspannung belastet werden. Die Spitzenspannung ist der maximale Spannungswert, der innerhalb der Elko-Lebensdauer mit einer Häufigkeit von 1000 Zyklen bei einer Verweildauer von 30 Sekunden und einer Pause von 5 Minuten und 30 Sekunden angelegt werden darf, ohne dass es zu sichtbaren Schäden am Elko oder einer Kapazitätsänderung von mehr als 15% kommt. Sie beträgt das 1,15fache der Nennspannung für U_R ≤ 315 V oder das 1,10fache der Nennspannung für U_R > 315 V.

Umpolspannung

Die Kathodenfolie von Aluminium-Elektrolytkondensatoren ist mit einer sehr dünnen, natürlichen Luftoxidschicht versehen. Diese Oxidschicht besitzt eine geringe Spannungsfestigkeit. Deshalb dürfen Al-Elkos mit flüssigem Elektrolyten mit einer Umpol- oder Falschpolspannung von etwa –1,5 V belastet werden, sofern der jeweilige Hersteller es spezifiziert hat. Ein dauerhaftes Unterschreiten dieses Wertes führt zur Zerstörung des Kondensators

Schaltfestigkeit

Beim Entladen eines Kondensators ergibt sich aus den Übergangs- und Leitungswiderständen des Aufbaus eine Spannungsverteilung, die bei Entladevorgängen oder hoher Strombelastung zur Aufformierung der Kathode führen kann

Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit flüssigem Elektrolyten können normalerweise ohne Strombegrenzung niederohmig geladen und entladen werden. Diese Eigenschaft ist keine Selbstverständlichkeit. Sie muss konstruktiv im Kondensator eingebaut sein. Aluminium-Elkos mit flüssigem Elektrolyten enthalten immer eine zweite Aluminiumfolie im Elko-Wickel, die sog. Kathodenfolie, die die Stromzuführung zum Elektrolyten bildet und die mit einer sehr dünnen Luftoxidschicht bedeckt ist. Dadurch bildet die Elko-Konstruktion eine Serienschaltung zweier Kondensatoren. Wie unter dem Abschnitt #Prinzipieller Aufbau beschrieben, bestimmt die Anodenkapazität maßgeblich die Gesamtkapazität des Kondensators, wenn die Kathodenkapazität sehr groß gegenüber der Anodenkapazität ist. Das kann ohne viel Aufwand erreicht werden, weil die natürliche Oxidschicht auf der Kathodenfolie sehr dünn ist (Spannungsfestigkeit etwa 1,5 V) und dadurch die Kapazität dieser Folie schon bei leichter Aufrauung sehr groß werden kann. Wenn diese konstruktive Bedingung gegeben ist, dann ist der Kondensator auch „schaltfest“ im Sinne, dass er ohne Strombegrenzung niederohmig geladen und entladen werden kann. Üblicherweise ist dies gegeben, wenn die Kathodenkapazität um den Faktor 10 größer ist als die Anodenkapazität.

Wird diese Bedingung nicht eingehalten, dann würden Entladevorgänge oder hoher Rippelstrom zum langsamen Aufformieren der Kathodenfolie führen. Denn wird ein geladener Kondensator entladen, dann kehrt sich die Polarität im Kondensator um: Aus der Kathode wird eine Anode, der Strom fließt aus dem Kondensator hinaus. Über die Spannungsverteilung an den Übergangs- und Leitungswiderständen baut sich dann eine Spannung umgekehrter Polarität an der Kathodenfolie auf, die zu einer Aufformierung der Folie führen würde wodurch die resultierende Gesamtkapazität des Kondensators absinken würde.

Impedanz und ESR

Typische Impedanzkurven von "nassen" Aluminim-Elkos und Polymer-Elkos mit unterschiedlichen Kapazitätswerten

Die Impedanz sowie der Serienersatzwiderstand ESR sind wichtige elektrische Kennwerte zur Beurteilung der Eigenschaften von Elektrolytkondensatoren.

Besonderheit der Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit flüssigem Elektrolyten sind die relativ hohen Kapazitätswerte gegenueber anderen Kondensatorfamilien, die mit dieser Technologie erreicht werden können. Verbunden mit den grossen Kapazitaetswerten sind relativ niedrige Impedanzwerte schon bei relativ kleinen Frequenzen. Das bedeutet, dass Aluminium-Elektrolytkondensatoren aufgrund ihrer großen Kapazität relativ gute Siebeigenschaften im Bereich niedriger Frequenzen bis etwa 1 MHz haben. Sie weisen aber aufgrund ihres gewickelten Aufbaus eine relativ hohe Induktivität auf, so dass sie für den Einsatz bei höheren Frequenzen ungeeignet sind.

Das nebenstehende Bild zeigt einige typischer Impedanzkurven in Abhängigkeit von der Frequenz für "nasse" Alu-Elkos und Polymer-Ekos mit unterschiedliche Kapazitätswerten. Der flṻssige Elektrolyt der "Elkes" besitzt eine deutlich geringere Leitfähigkeit als der feste Polymer-Elektrolyt, deshalb weisen Polymer-Elkos sehr viel niedrigere ESR-Werte auf.

Die Kurven zeigen, dass im Sonderfall der Resonanz, bei dem der kapazitive und der induktive Blindwiderstand gleich groß sind (X_C=X_L), die Impedanz Z gleich dem ESR des Kondensators wird, dem Wert, in dem alle ohmschen Verluste des Kondensators zusammengefasst werden. Sie zeigen auch die Abhängigkeit der Resonanzfrequenz vom Kapazitätswert. Je groesser die Kapazität, desto niedriger die Resonanzfrequenz. Damit sind Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit ihren hohen Kapazitaetswerten fuer die Anwendung als kapazitiver Wechselstromwiderstand zum Filtern, Sieben, und Entkoppeln von unerwünschten Frequenzen oder zum Koppeln erwünschter Frequenzen im niedrigen Frequenzbereich von 50/60 Hz bis etwa 1 MHz bestens geeignet.

Da diese Schaltungsfunktionen aber immer mit einem ueberlagerten Rippelstrom behaftet sind, dieser Strom ueber den ESR und dem Quadrat des ueber den Kondensator fliessenden Stromes eine Verlustleistun P_V zur Folge hat (P_V = ESR • I² ) deren Waemeentwicklung die Lebensdauer des Kondensators beeinflusst, wird in den Datenblaettern fuer Elektroytkndensatoren neben der Impedanz auch imer noch der ESR bei einer bestimmten Frequenz und Temeratur mit spezifiziert.

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

Die Verluste bei Aluminium-Elektrolytkondensatoren treten aber im gesamten Temperaturbereich auf. Zu diesen Verlusten gehoeren die Zuleitungs- und Ableitungsverluste ueber die Kontaktierung der Anschlüsse, die dielektrischen Verluste im Dielektrikum und die Leitungsverluste im Elektrolyten. Speziell die dielektrischen Verluste im Dielektrikum sind frequenzabhängig, sie steigen mit ansteigender Frequenz. Andererseits sinkt mit steigender Frequenz die Eindringtiefe der Ionen aus dem Elektrolyten in die Poren der aufgerauten Anode, so dass die Verluste im Elektrolyten mit steigender Frequenz sinken. Das führt dazu, dass die Impedanzkurve und die ESR-Kurve über die Frequenz nicht synchron verlaufen. Generell sinkt der ESR mit ansteigender Frequenz und auch mit steigender Temperatur. Das bedeutet, dass die Belastung eines Kondensators mit einem gegebenen Rippelstrom mit steigender Frequenz des Stromes und steigender Temperatur geringer wird weil weniger Verlustwärme entsteht.

In den Datenblättern von Elektrolytkondensatoren wird anstelle der Impedanz nur der Scheinwiderstand, also der Betrag der Impedanz sowie der ESR angegeben. In einigen, vor allem älteren Datenblättern von Aluminium-Elektrolytkondensatoren wird anstelle des ESR der Verlustfaktor tan δ 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 δ nur für die Frequenz gilt, bei der der Verlustfaktor gemessen wurde.

Strombelastbarkeit

Der Lade- und Entladestrom (Rippelstrom) im Glättungskondensator C1 verursacht über den ESR des Kondensators Verluste, die zu einer eine interne Wärmeentwicklung führen

Ein der Gleichspannung überlagerter Wechselstrom (Rippelstrom) bewirkt Lade- und Entladevorgänge im Elektrolytkondensator. Dieser überlagerte Wechselstrom fließt über den ESR und führt zu frequenzabhängigen Verlusten (P_V = ESR • I² ), die den Kondensator von Innen heraus erwärmen. Typischerweise führt der Datenblattwert des Rippelstromes zu einer Erwärmung des Kondensators von 10 °C bei 85 °C-Elkos bzw. 5 °C bei 105 °C-Elkos. Diese Wärme addiert sich mit der Umgebungstemperatur und eventuell andere Wärmequellen zur Betriebstemperatur des Kondensators. Dabei stellt sich ein Gleichgewicht zwischen zugeführter Wärme und durch Strahlung und Konvektion abgeführter Wärme ein. Durch geeignete Maßnahmen wie z. B. besondere Positionierung auf der Platine oder Zwangskühlung kann die Wärmeabfuhr forciert werden, denn die Betriebs-Kondensatortemperatur bestimmt letztendlich die Verdunstungsrate des Elektrolyten und somit die Lebensdauer des Kondensators.

Der Rippelstrom ist immer ein Effektivwert. Bei nicht-sinusförmigen Rippelströmen muss der Strom, da der ESR frequenzabhängig ist, in seine sinusförmigen Anteile zerlegt werden. Diese können dann quadratisch addiert werden. Dies gilt ebenso bei periodisch auftretenden Impulsbelastungen, bei der der einzelne Impulsstrom deutlich höher sein kann als der spezifizierte Rippelstrom.

Der in den Datenblättern spezifizierte Rippelstrom darf ohne Zwangskühlung innerhalb des Nenntemperaturbereiches nicht überschritten werden. Ein höherer Rippelstron als spezifiziert kann unter Umständen zum Überschreiten des Siedepunktes des Elektrolyten führen, wodurch der Kondensator zerstört wird.

Reststrom, Leckstrom

Reststrom-Einschaltverhalten nach einer 24 h Heißlagerprüfung. Elkos mit wasserhaltigem Elektrolyten haben dann ein höheres Reststromniveau als Elkos mit Lösungsmittelelektrolyten auf organischer Basis

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 wird verursacht durch Fehlstellen im Dielektrikum, die durch chemische Lösungsprozesse während spannungsloser Lagerung stattfinden und durch Verunreinigungen des Dielektrikums mit Fremdmetallen. Der Reststrom ist kapazitäts-, spannungs-, zeit- und temperaturabhängig sowie von der Vorgeschichte, beispielsweise von vorangegangener Temperaturbelastung durch Löten oder durch Lagerzeiten. Der Reststrom eines Kondenstors bildet sich zurück, wenn der Elko an Spannung gelegt wird.

Spezifiziert wird der Reststrom meist durch Multiplikation des Nenn-Kapazitätswertes und der Nennspannung, zu dem noch ein kleiner Festwert addiert wird. Zum Beispiel: I_leak = 0,01 · C_N · U_N + 0,4 µA. Dieser Wert ist nach der vorgeschriebenen Messzeit von beispielsweise 2 oder 5 Minuten einzuhalten. Bedingt durch Selbstheilungseffekte in Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit flüssigen Elektrolyten wird der Reststrom normalerweise immer geringer, je länger der Kondensator an Spannung liegt.

Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit flüssigen Elektrolyten hatten bis in die 1960er Jahre Probleme mit hohen Restströmen. Dafür waren hauptsächlich Korrosionsprobleme, hervorgerufen durch Verunreinigungen mit Chlor oder durch Aggressivität wasserhaltiger Elektrolytsysteme verantwortlich. Heutzutage (2013) können Al-Elkos fehlerfrei hergestellt und geliefert werden. Reststromprobleme, zum Beispiel nach spannungslose Lagerung > 1 Jahr kommen heute in der Regel nicht mehr vor. Elektrolytkondensatoren mit Elektrolytsystemen auf Basis organische Lösungsmittel einiger Hersteller können sogar bis zu 10 Jahren spannungslos ohne Nachformierung gelagert werden. Generell kann gesagt werden, dass früher vorgeschlagenen Nachformiervorschriften für Elektrolytkondensatoren heute keine Gültigkeit mehr haben.

Ausfallrate und Lebensdauer

Die Begriffe Ausfallrate und Lebensdauer hängen bei Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit flüssigem Elektrolyten eng miteinander zusammen. Beide Kennwerte werden in Prüfungen oder im Betrieb über die aufgetretenen Ausfälle ermittelt. Als Ausfall wird hierbei ein Fehler bezeichnet, der entweder zur Funktionsuntüchtigkeit des Kondensators führt (Vollausfall: Kurzschluss oder Unterbrechung) oder sich durch eine Überschreitung von elektrischen Grenzwerten äußert (Änderungsausfall). Ausfallrate und Lebensdauer ergänzen sich in den Aussagen. Die Ausfallrate dient der Berechnung einer Überlebenswahrscheinlichkeit für eine gewünschte Geräte-Lebensdauer in Kombination mit den anderen beteiligten Bauelementen. Die Lebensdauer definiert die Zeit bis zum Ende der konstanten Ausfallrate der Elkos, dem Beginn der Änderungsausfälle, damit kann die gewünschte Geräte-Lebensdauer niemals länger als die Elko-Lebensdauer sein. Beide Parameter werden zwar mit mathematischen Methoden errechnet, sind aber, da sie Prognosen für ein zukünftiges Verhalten der Bauelemente abgeben sollen, immer nur als Schätzwerte zu betrachten.

Ausfallrate

Bei Aluminium-Elektrolytkondensatoren endet der Bereich der konstanten Ausfallrate λ mit dem Beginn der Änderungsausfälle, womit ebenfalls das Ende der Elko-Lebensdauer erreicht ist.

Die Ausfallrate λ ist der Kennwert für die Zuverlässigkeit einer Charge eingesetzter Bauelemente. Sie gibt an, wie viele Elemente in einer Zeiteinheit durchschnittlich ausfallen werden und wird angegeben in 1/Zeit, also Ausfall pro Zeiteinheit. Die Einheit für die Ausfallrate ist FIT (Failure In Time). Sie gibt die Anzahl der Ausfälle an, die in 10⁹ Stunden auftreten: 10 FIT sind 10 Ausfälle pro 10⁹ Stunden beziehungsweise 10 Ausfälle pro 114.000 Jahre oder 1 Ausfall pro 11.400 Jahre.

Die Ausfallrate wird üblicherweise als sogenannte „Badewannenkurve“ dargestellt. Bei Elektrolytkondensatoren werden Frühausfälle allerdings schon beim Hersteller während der Formierung im Herstellprozess aus der Charge entfernt so dass diese bei Aluminium-Elektrolytkondensatoren eine sehr seltene Ausnahme sind. Für den Betrieb der Elkos ist deshalb der Bereich der konstanten Ausfallrate bestimmend.

Die Ausfallrate, wie auch die Lebensdauer, wird üblicherweise mit Hilfe einer Dauerspannungsprüfung (Endurance test) nach DIN EN (IEC)60384-4-1 mit anliegender Nennspannung bei der oberen Kategorietemperatur ermittelt. Sie ist Temperatur- und Spannungsabhängig und kann nach DIN EN 61709 auf Betriebsbedingungen umgerechnet werden.

Die Ausfallraten für Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit flüssigem Elektrolyten, die von großen Herstellern angegeben werden, werden üblicherweise bei halber Nennspannung und bei Raumtemperatur angegeben. Die Werte bewegen sich im Rahmen üblicher Größenordnungen für Elektronische Bauelemente. Für Elkos mit dem Becherdurchmesser ≤ 22 mm sind etwa 10 FIT und für Elkos mit dem Becherdurchmesser ≥ 25  mm etwa 20 bis 50 FIT übliche Angaben für eine Referenz-Ausfallrate. Die Feld-Ausfallraten für Elektrolytkondensatoren sind zum Teil deutlich kleiner und liegen im Bereich zwischen 0,5 bis 20 FIT.

Eine Ausfallrate von zum Beispiel 10 FIT bedeutet, dass in einer Milliarde Stunden 10 Ausfälle bzw. in 100 Millionen Stunden (11.400 Jahre) 1 Ausfall auftreten kann. Das bedeutet, dass auch bei langjährigen Anwendungen von Elkos, beispielsweise in älteren Radios, keine Ausfälle auftreten. Diese industrielle Betrachtung widerspricht ganz offensichtlich dem Image, das Elkos in der Öffentlichkeit haben. Bestes Beispiel hierfür ist der Vorfall mit dem falsch nachgebauten Elektrolyten, der unter dem Begriff Capacitor Plague bekannt wurde. Die damals massenhaft aufgetretenen Elko-Ausfälle beruhten auf Fehler von Herstellern, hatten deshalb grundsätzlich nichts mit der „normalen“ Elko-Qualität zu tun, die Ausfälle selbst jedoch führten zu dem allgemein gefühlten Imageverlust.

Lebensdauer, Brauchbarkeitsdauer

Beispiel der Änderungen der Kennwerte einer getesteten Charge von Elektrolytkondensatoren durch Verdunstung des Elektrolyten während einer 2000 h Dauerspannungsprüfung bei 105 °C.

Durch ihren flüssigen Elektrolyten nehmen Aluminium-Elektrolytkondensatoren in der Elektronik eine Sonderstellung ein. Der flüssige Elektrolyt kann über die Betriebszeit verdunsten und bestimmt damit die Funktionsdauer bzw. die Lebensdauer der Elkos. Mit dem Begriff Lebensdauer oder Brauchbarkeitsdauer (useful life, load life, service life) wird die Zeit beschrieben, in der die elektrischen Parameter der Elektrolytkondensatoren sich zwar langsam durch Austrocknung ändern, aber noch innerhalb definierter Grenzen liegen. Diese Grenzen sind nach der Norm IEC EN DIN 60384-4-1eine Verringerung der Kapazität um mehr als 30 % und ein Anstieg des ESR bzw. des Verlustfaktors um mehr als den Faktor 3 gegenüber dem Anfangswert. Werden diese Grenzen überschritten, so werden diese Überschreitungen als Änderungsausfälle gewertet. Das Ende der Elko-Lebensdauer ist dann erreicht.

Die Lebensdauer von Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit flüssigem Elektrolyten wird in den Datenblättern der Hersteller in Form einer Zeit/Temperatur-Angabe spezifiziert, beispielsweise: 2000  h/85  °C, 2000  h/105  °C, 5000 h/105 °C, 1000 h/125 °C. Diese Spezifikation wird bei den Herstellern mit Hilfe von Dauerspannungsprüfungen (Endurance test) bei anliegender Nennspannung und bei der oberen Kategorietemperatur ermittelt. Sie beschreibt den Bereich in der Badewannenkurve der sehr geringen, konstanten Ausfallrate.

Die Lebensdauer der Elkos ist, bedingt durch die Verdunstung des Elektrolyten, temperatur- und, abhängig vom Elektrolyten, auch spannungsabhängig. Die Herstellerspezifikationen spezifizieren in der Form z. B. 2000 h/105 °C immer die minimale Zeit bei der maximalen Temperatur. Aus dieser Angabe lässt sich die zu erwartende Lebensdauer bei andern, niedrigeren Temperaturen abschätzen. Viele Hersteller geben in ihren Datenblättern dazu Formeln, Diagramme oder Kurven an. Sind keine diesbezüglichen Angaben vorhanden, so wird allgemein die Verlängerung der Lebensdauer bei niedrigeren Temperaturen durch die sogenannte 10-Grad-Regel (Arrhenius-Regel, RGT-Regel) beschrieben, die eine Verdoppelung der Lebensdauer pro 10 °C Temperaturminderung ergibt, ohne allerdings eine Spannungsabhängigkeit mit zu berücksichtigen:

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

• L_x = zu berechnende Lebensdauer
• L_Spec = Spezifizierte Lebensdauer (useful life, load life, service life)
• T₀ = obere Grenztemperatur (°C)
• T_A = Umgebungstemperatur (°C), besser Temperatur des Elko-Bechers

Nach dieser Formel errechnet sich die zu erwartende Lebensdauer eines 2000 h/105 °C-Elkos, der bei nur 45 °C betrieben wird mit 128.000 h oder etwa 15 Jahre.

Die 10-Grad-Regel gilt nur, wenn sie vom jeweiligen Elko-Hersteller bestätigt wird, denn einige Hersteller spezifizieren durchaus andere Lebensdauer-Berechnungsformeln, mitunter sogar unterschiedliche Formeln für verschiedene Baureihen, oder unterschiedliche Lebensdauerdiagramme, aus denen für jede Baureihe aus einem Diagramm die Elko-Lebensdauer für unterschiedliche Belastungen ablesbar ist.

Im Allgemeinen kann für Aluminium-Elektrolytkondensatoren festgestellt werden, dass ihre Zuverlässigkeit durchaus im Rahmen anderer elektronischer Bauelemente bewegt und die zu erwartende Lebensdauer durch Wahl entsprechend spezifizierter Baureihen auch höheren Anforderungen entspricht. Ausfälle bei Elkos, sofern sie im Betrieb auftreten, sind oft auf thermische oder elektrische Überlastung zurückzuführen. Bei den heutigen hohen Reinheitsgraden in der Fertigung von Elektrolytkondensatoren ist auch bei einem vollständig ausgetrockneten Elko nicht mit einem Kurzschluss zu rechnen, sofern die Elektrolytkondensatoren mit einem Elektrolyten basierend auf organischen Lösungsmitteln versehen sind.

Lagerfähigkeit, Nachformierung

Aus der Anfangszeit der Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit flüssigem Elektrolyten stammt der auch heute noch weit verbreitete Hinweis, dass nach einer Lagerzeit von mehr als 2 Jahren die Elektrolytkondensatoren nachformiert werden müssten. Dies ist heutzutage nicht mehr notwendig. Viele Hersteller spezifizieren längere Lagerzeiten für ihre Elektrolytkondensatoren. Heutige Angaben für eine Lagerfähigkeit von Elektrolytkondensatoren von maximal 2 Jahren beziehen sich nicht mehr auf die elektrischen Werte, insbesondere den Reststrom, sondern nur auf die Lötfähigkeit der Anschlüsse, die durch Luftoxidation bei industriellen Lötverfahren nach 2 Jahren Lagerzeit problematisch werden kann.

Moderne Elektrolytsysteme sind chemisch stabil und haben keinerlei korrosive Effekte. Überprüft wird dieses mit Hilfe einer spannungslosen Lagerzeitprüfung, dem sog. „Shelf Life Test“. Dieser Test ist ein beschleunigter Lebensdauertest, der die spannungslose Lagerung von Elkos bei ihrer oberen Kategorietemperatur für eine bestimmte Dauer, meist 1000 oder 2000 Stunden, vorsieht. Ohne am Elko anliegende Betriebsspannung entfällt seine Möglichkeit zur Selbstheilung wodurch evtl. mögliche chemische Prozesse sichtbar werden. Diese würden bei Testende durch zu hohen Reststrom, hohen Kapazitätsverlust und/oder durch zu hohen ESR erkennbar sein. Der Shelf Life Test ist ein guter Indikator für chemische Stabilität des Elektrolytsystems, die durch hohe Reinheit sowohl bei den verwendeten Materialen als auch bei der Fertigung sichergestellt wird. Aus diesem Grunde ist es möglich, dass bestimmte Baureihen von einzelnen Herstellern bezogen auf Stabilität der elektrischen Werte zulässige Lagerzeiten von bis zu 10 Jahren zulassen.

Sollte dennoch einmal ein Elektrolytkondensator einen zu hohen Reststrom aufweisen, dann ist die Ursache dafür oft eine mechanische Beschädigung im Wickel des Kondensators. Diese könnte z. B. durch mechanischen Stress beim Biegen der Anschlüsse ohne Zugentlastung entstanden sein.

Nachladeeffekt (dielektrische Absorption)

Siehe auch Hauptartikel Dielektrische Absorption

Die dielektrischen Absorption (lateinisch absorbere „absaugen, aufsaugen“) beschreibt die dielektrischen Eigenschaften eines Nichtleiters als Funktion der Frequenz.. Bei Aluminium-Elektroytkondensatoren ist der Effekt einerseits für die dielektrischen Verluste bei Wechselspannungsbetrieb und andererseits für das Auftreten einer Spannung am Kondensator nach dem Abschalten und Entladen verantwortlich. Dieser Effekt wird auch Nachladeeffekt genannt.

Der Effekt wird bestimmt durch eine materialabhängige Relaxationszeitkonstante, die gegenüber dem Raumladungsprozess des Kondensators zu einer zeitlich verzögerten Ausrichtung der polarisierten permanenten molekularen Dipole im Dielektrikum führt. Diese Zeitkonstante bewirkt auch, dass nach einem vollständigen Entladen eines Kondensators eine materialabhängige Anzahl molekularer Dipole in Feldrichtung polarisiert sind, ohne dass zunächst noch eine Spannung an den Anschlüssen messbar ist. Die verbleibende Polarisation im Dielektrikum relaxiert allerdings im Laufe der Zeit spontan, wodurch dann an den Elektroden des Kondensators wieder eine Spannung in der Polarität der vorher angelegt gewesenen Spannung entsteht, sozusagen „nachgeladen“ wird. Dadurch bildet sich an nicht kurzgeschlossenen Anschlüssen des Kondensators dann im Verlauf des Raumladungsausgleiches eine steigende Spannung aus. Bis zum Entladen aller Dipole kann es materialabhängig Tage bis Wochen dauern. Die „nachgeladene“ Spannung kann sich bei dem hohen Isolationswiderstand des Aluminiumoxids bei den Elkos monatelang halten. Das Entladen mit anschließender Nachladung lässt sich mehrfach wiederholen.

Bei Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit flüssigem Elektrolyten können solche Nachladungen 10 % bis 15 % der vorher angelegten Spannung erreichen. Das kann unter Umständen zu relativ hohen Spannungen führen, die eine Gefährdung der Umwelt darstellen können. Es können durch diese Spannung, die bei 400 V-Elkos durchaus 50 V betragen kann, beim Einbau in die Schaltung Schäden an Halbleitern oder Funkenbildung während des Einbaus verursacht werden. Auch in Messschaltungen ist dieser Effekt unerwünscht, da er zu falschen Ergebnissen führt. Größere Aluminium-Elektrolytkondensatoren werden daher üblicherweise mit einem Kurzschlussbügel über den Anschlüssen transportiert bzw. geliefert.

Weitere Hinweise

Ausfallursachen

Ausgefallene Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit geöffnete Sollbruchstelle im Becher

Wie bei jedem Industrieprodukt sind auch bei Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit flüssigem Elektrolyten bestimmte Ausfallursachen bekannt. Es werden dabei Ausfallursachen unterschieden, die bei der Herstellung, bei der Gerätefertigung oder bei der Anwendung entstehen.

Herstellbedingte Ausfallursachen entstehen u. a. bei unsauberer Fertigung, ungenügender Qualitätsabsicherung oder der Verwendung falscher Unterteile. Zum letzteren gehört der Vorfall, der unter Capacitor Plague bekannt wurde, weil in den Jahren 2000 bis 2003 von einigen taiwanesischen Herstellern ein falscher Elektrolyt verwendet wurde. Dieses bewirkte eine Wasser-getriebene Aluminiumkorrosion mit ungebremster Bildung von Aluminiumhydroxid und Wasserstoffgas und führte zu massenhaften Ausfällen von Elkos dieser Hersteller bis etwa zum Jahre 2007. Im Bild rechts sind solche Aluminium-Elektrolytkondensatoren, die vorzeitig durch Korrosion verbunden mit internem Überdruck und anschliessender geöffneter Sollbruchstelle im Becher, sog. „bad caps“ zu sehen. Die bräunliche Verkrustung auf dem Elko-Becher ist ausgetretener und eingetrockneter Elektrolyt.

Eine systematische Ausfallursache, die bei Geräteherstellern während der Fertigung von Geräten nach dem Einbau von Elkos auf Platinen verursacht wurde, waren Korrosionen mit nachfolgenden Totalausfaellen, hervorgerufen durch Chlor aus halogenhaltigen Waschmittelbädern beim Reinigen frisch gefertiger Platinen. Die Chlor-Korrosion war in den 1970er und 1980er Jahren die Ursache für viele Ausfälle im Feld. Seitdem chlorierte Kohlenwasserstoffe in der Industrie verboten wurden, treten diese Ausfälle nicht mehr auf.

Auch Anwender waren und sind mitunter für vorzeitige Elko-Ausfälle verantwortlich. Als Beispiel kann das Übertakten von Prozessoren mit dem Ziel, eine höhere Rechenleistung zu erreichen, dienen. Dabei kann die Lebenserwartung der übertakteten Bauteile und der peripheren Bauelemente durch erhoehte Wärmeentwicklung mitunter signifikant sinken. Hierbei sind Aluminium-Elektrolytkondensatoren besonders betroffen.

Durch Vorfälle dieser Art verbunden mit einer oft leichten visuellen Erkennbarkeit von Ausfällen gelten "Elkos" als problematische Bauelemente. Namhafte Hersteller mit einer vorzeigbaren Qualitätskontrolle aller Entwicklungs- und Fertigungsschritte beugen dem vor, indem sie mögliche Ausfallursachen benennen. Damit zeigen sie, dass sie in der Lage sind, alle möglicherweise beim Hersteller auftretenden Ausfallursachen verhindern zu können.

Falschpolung

Einzelteile eines explodierten Elektrolytkondensators, (Teile beschriftet)

Aluminium-Elektrolytkondensatoren sind, mit der Ausnahme der recht selten eingesetzten bipolaren Elektrolytkondensatoren, gepolte Kondensatoren, die nur mit Gleichspannung betrieben werden dürfen. Die Anode ist der Pluspol. Falschpolung, zu hohe anliegende Spannung oder Rippelstrom-Überlastung führt zur Zerstörung der Kondensatoren. Sie können sogar explodieren. Das Bild rechts zeigt die Überreste eines durch Falschpolung explodierten Aluminium-Elektrolytkondensators.

Kennzeichnung

Die Kennzeichnung von Elektrolytkondensatoren kennt keine Farbcodierung. 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 DIN 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 (Date Code) wird oft entsprechend internationaler Normen in abgekürzter Form aufgedruckt.

• Version 1: 4stellige Codierung mit Jahr/Woche,

Beispiel: "0708" ist 2007, 8. Kalenderwoche

• Version 2: 2stellige Codierung mit Jahrescode/Monatscode

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

Monatscode: "1" bis "9" = Januar bis September, "O" = Oktober, "N" = November, "D" = Dezember

Beispiel: "U5" ist 2006, Mai

Einige Hersteller fügen dem 2stelligen Herstelldatumscode noch einen weiteren Buchstaben zur Kennzeichnung eines bestimmten Werkes hinzu.

Polarität

Kennzeichnung der Polarität an verschiedenen Bauformen von Aluminium-Elektrolytkondensatoren

Bei Aluminium-Elektrolytkondensatoren wird der negative Anschluss, die Kathode, mit einem Minusbalken gekennzeichnet. Damit unterscheidet sich die Kennzeichnung der Polarität des größten Teils der "Alu-Elkos" von der Kennzeichnung der Tantal-Elektrolytkondensatoren, bei denen die Anode, der Plus-Anschluss, gekennzeichnet wird. Zusätzlich wird allerdings die liegende Bauform (axiale Bauform) von einigen Herstellern teilweise auch noch mit umlaufenden Plus-Zeichen versehen. Auch bei den größeren Bauformen von Aluminium-Elektrolytkondensatoren wie bei den Snap-In-Elkos und den Schraubanschluss-Elkos wird häufig noch eine zusätzliche Polaritätskennzeichnung in Form einer Prägung an den Anschlüssen angebracht.

Die schwarze Markierung auf dem Gehäuse der Polymer-Chips kennzeichnet den Anodenanschluss.

Achtung, Ausnahme: Bei den quaderförmigen Aluminium-Polymer-Chip-Elektrolytkondensatoren (Polymer-Chips) wird, wie bei den Tantal-Chips, der positive Anschluss mittels eines Balkens (Farbstrich) am Gehäuse gekennzeichnet. Dieser Balken kann leicht mit einem Minuszeichen verwechselt werden, was nicht geschehen darf.

Schaltzeichen

Schaltzeichen von Elektrolytkondensatoren

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 mit zwei hohlen Rechtecken gebildet.

Normung

Die Bedingungen für die Prüfungen und Messungen der elektrischen Parameter der Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit flüssigem Elektrolyten sind festgelegt in der Fachgrundspezifikation:

• IEC/EN 60384-1 (VDE 0565-1), Festkondensatoren zur Verwendung in Geräten der Elektronik

sowie in den Rahmenspezifikationen:

• IEC/EN 60384-4, Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit festem oder flüssigem Elektrolyten
• IEC/EN 60384-18, Oberflächenmontierbare Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit festem oder flüssigem Elektrolyten