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Elektrolytkondensator, Aluminium-Elektrolytkondensator, Benutzer:Elcap/Al-Elko, Tantal-Elektrolytkondensator, Benutzer:Elcap/Ta-Elko, Niob-Elektrolytkondensator, Benutzer:Elcap/Spielwiese, Polymer-Elektrolytkondensator

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.

Je nach Art des verwendeten Anodenmetalls werden die Elektrolytkondensatoren unterschieden in

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, in Airbag-Schaltungen 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
Aluminium	Aluminiumoxid Al₂O₃	9.6	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:

Elektrolyte mit organischen Lösemitteln (GBL, DMA oder DMF),^[1] die weitgehend weitgehend wasserfrei sind, sie weisen ein sehr stabiles elektrisches Verhalten auf und werden für professionelle Anwendungen mit langer Lebensdauer oder hoher Temperaturbelastung verwendet.
Standard-Elektrolyte auf Basis von Borax oder Ethylenglykol mit etwa 5 bis 20 % Wasseranteil, wobei das Wasser sich als Kristallwasser aus der Reaktion: „Säure plus Alkohol“ ergibt „Ester plus Wasser“ entsteht.^[2]^[3]
Wasserhaltige Elektrolyte mit bis zu 70 % Wassergehalt für Elkos mit hoher Rippelstrombelastbarkeit (Low ESR, Low Impedance, High Ripple) für preiswerte Massengeräte im Konsumerbereich,^[4] siehe auch Capacitor Plague.

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.

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

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^[5] 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^[6]) erteilt, das zur Grundlage aller späteren Elektrolytkondensatoren wurde.^[7]

”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.^[8] Der Vorteil dieser Kondensatoren war, dass sie, bezogen auf den realisierten Kapazitätswert, erheblich kleiner und preiswerter als die Papierkondensatoren der damaligen Zeit waren.

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.^[8]

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“.^[9] 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

Als Vater aller modernen Aluminium-Elektrolytkondensatoren gilt Samuel Ruben.^[10] 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.^[11] 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^[12] 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. ^[13] 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^[12] 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.^[8] 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.^[14]

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). ^[15] 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^[16] entwickelt und auf den Markt gebracht.^[17]

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.^[18] 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.^[19] 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.^[20] 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.^[21] 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.^[22] 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.^[23] Die neue Technologie wurde schnell weiterentwickelt^[24]^[25] und derart perfektioniert, dass sehr bald zahlreiche Hersteller, auch in Japan und Europa, die Großserienproduktion starteten.^[26] 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.^[27]^[28] 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.^[27] Den Herstellern der Tantal-Pulver gelang es danach jedoch, durch langfristige Lieferverträge die Situation zu beruhigen.^[28]

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. ^[29]^[30] 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.^[31].

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,^[27]^[28] 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^[32] und Kemet^[33] 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.^[34]^[35]

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),^[36] 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.^[37] 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 ^[38] 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“^[39]^[40] 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.^[41] 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.^[42] Zwei Jahre später wurden von Kemet auch Polymer-Aluminium-Elkos mit PEDOT angeboten.^[43]

Ende des Jahres 2010 wurde der Hersteller der OS-CON-Elkos, Sanyo, durch Panasonic übernommen.^[44] Diese OS-CON-TCNQ-Elkos wurden danach durch den neuen Eigentümer abgekündigt und unter derselben Bezeichnung als „Neue OS-CON-Polymer-Elkos“ angeboten.^[45]

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.^[46]^[47] 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.

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 etwa 10 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,^[48] ähnlich einer Schottky-Barriere.^[49] 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. In den entsprechenden Normen sind die notwendigen Gleich-Vorspannungen festgelegt.

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.^[50]^[51]^[52]^[53]

Nennspannung und Kategoriespannung

Zusammenhang zwischen Nennspannung *U_R* und Kategoriespannung *U_C* mit dem Nenntemperaturbereich *T_R*" und dem Kategorietemperaturbereich *T_C*

Die Spannungsfestigkeit von Elektrolytkondensatoren kann über die anodische Oxidation (Formierung) des Dielektrikums gezielt für die gewünschte Nennspannung des Kondensators hergestellt werden. Deshalb können auch sehr kleine Nennspannungen wie z. B. 2,5 V, realisiert werden, was bei Folien- oder Keramik-Kondensatoren nicht möglich ist. Solch kleine Spannungen werden vermehrt bei modernen Integrierten Schaltungen benötigt.

Die Spannungsfestigkeit der jeweiligen Oxidschicht sinkt mit steigender Temperatur. Deshalb werden besonders bei Elektrolytkondensatoren mit festem Elektrolyten häufig zwei Spannungen spezifiziert, die "Nennspannung U_N" (Rated voltage U_R), das ist die maximale Gleichspannung, die konstant bei einer beliebigen Temperatur innerhalb des Nenntemperaturbereiches T_R" (Rated temperature T_R) anliegen darf und die "Kategoriespannung U_C" (Category voltage U_C), das ist die maximale Gleichspannung, die konstant bei einer beliebigen Temperatur innerhalb des Kategorietemperaturbereiches T_C" (Category temperature T_C) anliegen darf. Das Bild rechts zeigt diesen Zusammenhang.

Die Summe aus einer dauerhaft am Kondensator anliegenden Gleichspannung und dem Scheitelwert einer überlagerten Wechselspannung darf die für den Kondensator spezifizierte Spannung nicht überschreiten. Ein Überschreiten der spezifizierten Spannung kann zur Zerstörung des Kondensators führen.

Der Betrieb von Elektrolytkondensatoren mit einer Spannung niedriger als die spezifizierte Nennspannung hat positiven Einfluss auf die zu erwartende Ausfallrate.^[54]

Nenntemperatur und Kategorietemperatur

Der Zusammenhang zwischen dem Nenntemperaturbereich T_R und der Nennspannung U_R sowie dem erweiterten Kategorietemperaturbereich T_C und der reduzierten Kategoriespannung U_C ist im Bild oben erklärt.

The surge voltage is standardized in IEC/EN 60384-1. For aluminum electrolytic capacitors with a rated voltage of up to 315 V, the surge voltage is 1.15 times the rated voltage, and for capacitors with a rated voltage exceeding 315 V, the surge voltage is 1.10 times the rated voltage. For tantalum electrolytic capacitors the surge voltage can be 1.3 times the rated voltage, rounded off to the nearest volt. The surge voltage applied to tantalum capacitors may influence the capacitor's failure rate.[44][45]

Spitzenspannung

Elektrolytkondensatoren werden aus Sicherheitsgründen mit einer höheren Spannung formiert als nur mit der Nennspannung. Deshalb ist es zulässig, kurzzeitig für eine begrenzte Anzahl von Zyklen eine sogenannte Spitzenspannung (surge voltage) im Betrieb zuzulassen. Die Spitzenspannung ist der maximale Spannungswert, der während des gesamtem Betriebes der Kondensatoren über einen Schutzwiderstand von 1 kΩ oder RC= 0,1 s mit einer Häufigkeit von 1000 Zyklen bei einer Verweildauer von 30 Sekunden und einer Pause von fünf Minuten und 30 Sekunden angelegt werden darf, ohne dass es zu sichtbaren Schäden oder einer Kapazitätsänderung von mehr als 15 % kommt.

Die zulässige Spitzenspannung ist in der DIN/EN IEC 60384-1 festgelegt. Für Aluminium-Elkos bis 315&nbs;V beträgt sie das 1,15fache, Für Al-Elkos > 315 V das 1,1fache der Nennspannung. Für Ta- und Nb-Elkos mit festem Elektrolyten ist die Spitzenspannung mit dem 1,3fachen der Nennspannung spezifiziert. Jedoch kann für Elkos mit festem Elektrolyten die Spitzenspannung zu einer erhöhten Ausfallrate führen.^[55]^[56]^[57]

Transienten

Transienten sind schnelle, meist energiearme Überspannungsspitzen. Bei Elektrolytkondensatoren mit flüssigem Elektrolyten (Al-Elkos) bewirkt die begrenzte Beweglichkeit der Ionen-Ladungsträger, dass steile Spannungsflanken gedämpft werden. Diese Elkos haben gegenüber Transienten ein Verhalten, dass dem Verhalten von Zenerdioden ähnelt und Spannungsspitzen abmildert.^[58] Dieses Verhalten gilt aber nur für energiearme Transienten und hängt ab von der Baugröße des Kondensators. Eine generelle Spezifikation hierfür kann nicht gegeben werden.

Hybrid-Polymer-Aluminium-Elektrolytkondensatoren sind ähnlich wie Elkos mit flüssigem Elektrolyten gegenüber Transienten relativ unempfindlich.^[46]^[47]

Elektrolytkondensatoren mit festem Elektrolyten reagieren grundsätzlich empfindlich gegenüber Überspannungen und Transienten, da der feste Elektrolyt als Elektronenleiter elektrische Änderungen ohne Verzögerung weitergibt. Diese schnellen Überspannungsspitzen können in deshalb in Tantal- oder Niob-Elkos mit festem Elektrolyten Veränderungen im Oxid des Dielektrikums bewirken. Die Veränderungen im Oxid können unter Umständen direkt zu einem Kurzschluss führen.^[55]^[56]

Umpolspannung

Elektrolytkondensatoren, sowohl mit Aluminium- als auch mit Tantal- oder Niob-Anode, sind generell polarisierte Kondensatoren, deren Anode mit positiver Spannung gegenüber der Kathode betrieben werden muss. Es kann aber unterschieden werden zwischen Al-Elkos mit flüssigem Elektrolyten, die mit einer Kathodenfolie konstruiert sind und den TA- und Nb-Elkos, die mit einem festen Elektrolyten arbeiten.

Al-Elkos mit flüssigem Elektrolyten sind konstruktiv mit einer Kathodenfolie als Stromzuführung zum Elektrolyten versehen. Diese Kathodenfolie trägt ebenfalls eine dünne Oxidschicht, die bei Raumtemperatur eine Spannungsfestigkeit von etwa 1…1,5 V besitzt. Deshalb sind Al-Elkos relativ unempfindlich gegenüber kurzfristigen und sehr kleinen Umpolspannungen. Diese Eigenschaft darf jedoch nicht dauerhaft für eine dauerhafte Belastung mit einer kleinen Wechselspannung ausgenutzt werden. Umpolspannungen über diese 1,5 V hinaus können Al-Elkos zerstören.^[59]^[60]^[61]

Wird eine Umpolspannung an einem Elektrolytkondensator mit festem Elektrolyten angelegt, so beginnt, von einem typabhängigen Schwellenwert an, ein Strom zu fließen. Dieser Strom fließt zunächst in lokalen Bereichen, in denen Verunreinigungen, Oxidbrüche oder Fehlstellen vorliegen. Obwohl es sich um sehr kleine Ströme handelt, entsteht dadurch lokal eine thermische Belastung, die zur Zerstörung der Oxidschicht führen kann. Eine längere Zeit am Ta- oder Nb-Elektrolytkondensator anliegende Umpol- oder Falschpolspannung über den typabhängigen Schwellenwert hinaus führt unweigerlich zum Kurzschluss und somit zur Zerstörung des Kondensators.^[62]^[63]^[64]

Um die Gefahr der Falschpolung beim Bestücken zu minimieren, werden alle Elektrolytkondensatoren mit einer Markierung der Polarität versehen, siehe #Polaritätskennzeichnung

Als Ausnahme bei der Falschpolung sind bipolare Aluminium-Elektrolytkondensatoren zu betrachten, die mit zwei gegenpoligen Anodenfolien aufgebaut sind.

Scheinwiderstand Z und Wirkwiderstand ESR

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 (englisch impedance) 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 (Equivalent Series Resistance) und des induktiven Blindwiderstandes X_L mit der äquivalenten Serieninduktivität ESL (englisch Equivalent Series Inductivity 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.

Allgemeines Impedanz/ESR-Verhalten von Elkos

Besonderheit der Elektrolytkondensatoren sind die relativ hohen Kapazitätswerte bei kleinem Bauvolumen, die mit dieser Technologie erreicht werden können. Daher eignen sich Elkos besonders gut für Entkopplungs- und Siebschaltungen im Bereich kleinerer Frequenzen von 50/60 Hz bis hin zu einigen MHz. Sie sind deshalb überwiegend in den Stromversorgungen elektronischer Schaltungen zu finden.

Die Impedanz Z wird in den Datenblättern von Elektrolytkondensatoren als Scheinwiderstand ohne Phasenwinkel spezifiziert. Die Messfrequenz der Impedanz ist nach DIN/EN IEC 60384-1 100 kHz. Der bei 100 kHz gemessene Impedanzwert entspricht meist dem 100 kHz ESR-Wert.

Typische Verläufe der Impedanz und des ESR von Elektrolytkondensatoren bei unterschiedlichen Kapazitätswerten (links) und bei unterschiedlichen Technologien (rechts)
Typische Verläufe der Impedanz und des ESR von Al-Elkos und Al-Polymer-Elkos bei unterschiedlichen Kapazitätswerten
Typische Impedanzverläufe von 100 µF-Elektrolytkondensatoren mit unterschiedlichen Elektrolyten im Vergleich mit einem 100 µF keramischen Klasse 2-MLCC-Kondensator.

Typischer Verlauf des ESR in Abhängigkeit von der Temperatur für Elkos mit festem und mit flüssigem Elektrolyten

Die Impedanz, bzw. der ESR von Elektrolytkondensatoren ist abhängig von den Materialien und vom Aufbau des Kondensators. Gewickelte Kondensatoren weisen aufgrund ihres Aufbaus eine höhere Induktivität auf als Kondensatoren mit geschichteten Elektroden. Eine hohe spezifische Kapazität eines Elektrolytkondensators, die mit sehr hoher Aufrauhung geätzter Al-Folien oder sehr feinkörnigem Ta- und Nb-Pulvern erreichbar ist, hat durch die dünneren Strompfade in der Anode einen höheren ESR als Kondensatoren mit geringerer spezifischer Kapazität. Speziell der ESR wird aber durch den verwendeten Elektrolyten beeinflusst. Zwischen den Al-Elkos mit flüssigem Elektrolyten und Elkos mit festem MnO2 oder Polymer-Elektrolyten gibt es große Unterschiede. Besondere Bauformen wie Multi-Anodentechnik oder Face-down-Technik beeinflussen ebenfalls das Impedanz/ESR-Verhalten spezieller Elkos.

Die Impedanz und der ESR sind frequenz- und temperaturabhängig. Elkos mit flüssigem Elektrolyten haben bei tiefen Temperaturen (-40 °C) einen etwa um den Faktor 10 höheren Z/ESR-Wert als bei Raumtemperatur. Elkos mit festem Elektrolyten haben mit dem Faktor von etwa 2 eine deutlich geringere Temperaturabhängigkeit und einen nahezu linearen Verlauf des ESR über den gesamten spezifizierten Temperaturbereich.

Strombelastbarkeit

Rippelstrom

Eine pulsierende Gleichspannung an einem Kondensator bewirkt in ihm Lade- und Entladevorgänge. Aus dieser, der Gleichspannung überlagerten Wechselspannung, resultiert ein Wechselstrom, der Rippelstrom I_R genannt wird. Er fließt als Effektivwert über den ESR und hat frequenzabhängige elektrische Verluste P_{V el} zur Folge.

P_{Vel}=I_{R}^{2}\cdot \ ESR

die ihn von Innen heraus erwärmen.

Die intern erzeugte Verlustwärme addiert sich mit der Umgebungstemperatur und eventuell andere Wärmequellen zur Betriebstemperatur des Kondensators, dessen Temperatur sich um den Wert Δ T von der Umgebungstemperatur unterscheidet.

Die intern erzeugte Verlustwärme wird als thermische Verlustleistung P_{V th} durch Wärmeleitung, -strahlung und -konvektion an die Umgebung abgeführt. Es stellt sich ein Wärme-Gleichgewicht ein, das im Wesentlichen von der Temperaturdifferenz Δ T, der Oberfläche A des Kondensators und dem Wärme-Übergangswiderstand ß abhängt.

P_{Vth}=\Delta T\cdot A\cdot \beta

Der Rippelstrom für Elektrolytkondensatoren wird als sinusförmiger Effektivwert bei 100/120 Hz oder 100 kHz für eine Bauart-abhängige Temperaturerhöhung des Kondensators gegenüber der Umgebung bei der oberen Nenntemperatur angegeben. Der Datenblattwert ist als sinusförmiger Strom spezifiziert. Nicht-sinusförmigen Betriebsströme mit anderen Frequenzen müssen deshalb als Effektivwert gemessen oder berechnet werden. Baureihen-spezifische Umrechnungstabellen werden von vielen Herstellern zur Verfügung gestellt.

Da ein über den Kondensator fließender Rippelstrom zur Erwärmung des Bauelementes führt und die Temperatur des Kondensators sowohl die Lebensdauer als auch die Ausfallrate beeinflusst, hat der Rippelstrom Einfluss auf die Lebensdauer und die Zuverlässigkeit der Kondensatoren.

Bei Al-Elektrolytkondensatoren mit flüssigem Elektrolyten forciert die durch den Rippelstrom erzeugte Wärme das Austrocknen der Kondensatoren und beeinflusst somit die Lebensdauer der Kondensatoren.^[65]^[66]^[52]^[59]^[67]

Bei Tantal- und Niob-Elektrolytkondensatoren mit MnO2-Elektrolyten beeinflusst die Wärme, die durch den Rippelstrom erzeugt wird, die Zuverlässigkeit der Kondensatoren.^[68]^[69]^[70]^[71] Die Wärme, die der Rippelstrom verursacht, beeinflusst auch die Lebensdauer von Polymer-Elektrolytkondensatoren.^[72]^[73]

Eine Überschreitung des spezifizierten Rippelstromes kann zur Zerstörung (Explosion, Brand) des Kondensators führen.

Stoßstrom, Spitzenstrom oder Impulsstrom

Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit flüssigem Elektrolyten sind wegen der begrenzten Beweglichkeit der Ionen-Ladungsträger relativ unempfindlich gegenüber Stoß-, Spitzen- oder Impulsströmen. Durch eine Belastung mit diesen Strömen darf allerdings der spezifizierte maximale Rippelstrom nicht überschritten werden.

Elektrolytkondensatoren mit festem Elektrolyten reagieren grundsätzlich empfindlich gegenüber Stoß-, Spitzen- oder Impulsströmen, die zu schnellen Änderungen der Feldstärke im Dielektrikum führen, da der feste Elektrolyt als Elektronenleiter elektrische Änderungen ohne Verzögerung weitergibt. Steile Stromflanken di/dt an Kondensatoren mit festem Elektrolyten können Veränderungen im Oxid des Dielektrikums bewirken, die unter Umständen direkt zu einem Kurzschluss führen. ^[55]^[56] Tantal-, Niob und auch Polymer-Elektrolytkondensatoren, müssen deshalb mit einem Spannungsderating betrieben werden.^[74]^[75]

Reststrom

Eine Besonderheit bei Elektrolytkondensatoren ist der sogenannte Reststrom (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 Verunreinigungen, mechanische Beschädigungen und erfolgten Selbstheilungen des Dielektrikums verursachten unerwünschten Gleichströme, die das Dielektrikum passieren können. Der Reststrom ist spannungs-, temperatur- und zeitabhängig und hängt von der Vorgeschichte des Kondensators, z. B. vom Löten ab. Bei Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit flüssigem Elektrolyten ist er auch noch abhängig von der vorangegangenen Lagerzeit sowie von der chemischen Verträglichkeit des Elektrolyten mit der Oxidschicht ab.

Spezifiziert wird der Reststrom durch einen Wert, der durch Multiplikation des Nennkapazitätswertes C_R und der Nennspannung U_R errechnet wird, beispielsweise:

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

Dieser Wert, gemessen mit der Nennspannung bei Raumtemperatur, ist nach einer vorgeschriebenen Messzeit, zum Beispiel 2 Minuten, einzuhalten.

Die Reststromwerte der unterschiedlichen Bauarten von Elektrolytkondensatoren unterscheiden sich deutlich voneinander. Elkos mit festem Elektrolyten haben eine sehr schnelle Reststrom-Abklingkurve, verbleiben dann aber auf dem erreichten Niveau. Elkos mit flüssigem Elektrolyten können durch ständige Nachformiervorgänge (Selbstheilungen) diese Niveau ebenfalls erreichen oder sogar unterschreiten.

Der Reststrom von Elektrolytkondensatoren mit flüssigem Elektrolyten wird im Betrieb, bedingt durch Selbstheileffekte, immer geringer, je länger die Kondensatoren an Spannung liegen. Bei Ta- und Niob-Elektrolytkondensatoren mit festem Elektrolyten können punktuelle Selbstheilungen im Oxid im Laufe der Zeit zu geringfügigen Erhöhungen des Reststromes führen.

Dielektrische Absorption, Nachladeeffekt

Die dielektrische Absorption, auch dielektrische Relaxation oder Nachladeeffekt genannt, beschreibt die zeitabhängigen Verluste bzw. Abweichungen vom idealen Verhalten eines Dielektrikums im elektrischen Feld gegenüber dem realen Verhalten. In Kondensatoren zeigt sich der Effekt einerseits als dielektrischer Verlust bei Wechselspannungsbetrieb und andererseits in Form einer nach dem Entladen wiederkehrenden Spannung im Kondensator, der Nachladung. Beim Aufbau eines elektrischen Feldes im Dielektrikum kommt es zu einer geometrischen Ausrichtung der elektrischen Elementardipole in Richtung des herrschenden Feldes. Diese Ausrichtung läuft mit einer wesentlich langsameren Zeitkonstante ab, als der Ladungsprozess des Kondensators und verbraucht zugeführte Energie. Umgekehrt verliert sich diese Ausrichtung ebenso langsam mit der Entladung eines Kondensators und gibt die so freiwerdende Energie in Form einer Raumladung und somit einer Spannung am Kondensator zurück. Das heißt, waren Kondensatoren einmal geladen und werden dann vollständig entladen, können sie anschließend ohne äußeren Einfluss von innen heraus wieder eine Spannung aufbauen, die an den Anschlüssen gemessen werden kann. Die Größe der dielektrischen Absorption wird im Verhältnis zur ursprünglich angelegten Spannung angegeben und hängt von dem verwendeten Dielektrikum ab. Die folgende Tabelle gibt die typischen Werte der dielektrischen Absorption für Tantal- und Aluminium-Elektrolytkondensatoren an.

Kondensatortyp	Dielektrische Absorption
Tantal-Elektrolytkondensatoren mit festem Elektrolyten	2 bis 3 %^[76], 10 %^[77]
Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit flüssigem Elektrolyten	etwa 10 bis 15 %^[78]

Elektrolytkondensatoren haben mit einer dielektrischen Absorption von etwa 10 bis 15 % einen relativ hohen Wert. 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.

Hinweise zum Betrieb

Zuverlässigkeit und Lebensdauer

Zuverlässigkeit (Ausfallrate)

Die Zuverlässigkeit (Technik) eines Bauelementes ist eine Eigenschaft, die angibt, wie zuverlässig dieses Bauelement seine Funktion in einem Zeitintervall einhalten wird. Sie unterliegt einem stochastischen Prozess und kann qualitativ und quantitativ beschrieben werden, ist aber nicht direkt messbar. Die Zuverlässigkeit von Elektrolytkondensatoren wird durch die Ermittlung der Ausfälle in den Produktions-begleitenden Dauerspannungsprüfungen (englisch Endurance test) nach IEC 60384-1^[79] mit anliegender Nennspannung bei der oberen Kategorietemperatur in der Form der Ausfallrate berechnet.

Die Ausfallrate als Kenngröße für die Zuverlässigkeit eines Bauelementes gibt an, wie viele dieser Bauelemente in einer Zeiteinheit durchschnittlich ausfallen und wird angegeben in Ausfall pro Zeiteinheit (1/Zeit) in der Einheit FIT (Failure In Time). Als Ausfälle gewertet werden sowohl Totalausfälle (Kurzschluss, Unterbrechung) als auch Änderungsausfälle (Überschreiten von Kennwerten). Die Ausfallrate ist abhängig von der Temperatur, der anliegenden Spannung, verschiedenen Umwelteinflüssen wie Feuchte, Stöße oder Vibrationen und ggfs. von der Kapazität des Kondensators und dem Vorschaltwiderstand in der Schaltung. Ist die Ausfallrate konstant, dann ist der Kehrwert der Ausfallrate die mittlere Lebensdauer MTTF.

Mit der sog. Badewannenkurve wird das zeitliche Verhalten der Ausfallrate in drei Bereiche aufgeteilt: Bereich der: 1) Frühausfälle, 2) konstanten Ausfallrate durch Zufallsausfälle, 3) Verschleißausfälle. Der Bereich der konstanten Ausfallrate korrespondiert mit der „Lebensdauer“ der Al-Elkos mit flüssigem Elektrolyten.

Das zeitliche Verhalten der Ausfallrate wird als sogenannte „Badewannenkurve“ dargestellt, die drei Bereiche kennt: Bereich der Frühausfälle, der konstanten Ausfallrate und der Änderungsausfälle. Bei Elektrolytkondensatoren werden Frühausfälle weitgehend schon beim Hersteller während der Formierung entfernt. Für den Betrieb der Elkos ist deshalb der Bereich der konstanten Ausfallrate bestimmend. In diesen Bereich in der Badewannenkurve mit der sehr geringen, konstanten Ausfallrate durch Zufallsausfälle fällt für Elektrolytkondensatoren mit festem Elektrolyten die mittlere Lebensdauer MTTF. Bei Al-Elkos mit flüssigem Elektrolyten wird dieser mittlere Bereich begrenzt durch die Austrocknungsvorgänge mit den dann beginnenden Änderungsausfällen, die zur begrenzten „Lebensdauer“ der Al-Elkos führen.

Es gibt verschieden Modelle, mit denen die Ausfallraten von elektronischen Bauelementen berechnet werden können.^[80] Einige Hersteller veröffentlichen auch eigene Modelle zur Berechnung der Ausfallrate, speziell für Ta-Elkos.^[81]^[82]^[83] or for aluminum capacitors^[84]

Die Zahlenwerte der ermittelten Ausfallraten von Tantal- und Niob-Elektrolytkondensatoren mit festem Elektrolyten Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit flüssigem Elektrolyten werden aus historisch gewachsenen Gründen in in zwei unterschiedlichen Schreibweisen und mit unterschiedlichen Randbedingungen angegeben.

Für Elkos mit festem Elektrolyten wird die international bekannte und weit verbreitete Schreibweise der Zahlenwerte einer Referenz-Ausfallrate λ_{ref (MIL)} entsprechend des MIL-HDBK-217F verwendet.^[85] Diese Regelwerk definiert die Referenz-Ausfallrate mit

Ausfallrate λ_{ref (MIL)} in n % Ausfälle pro 1000 h bei 85 °C und U = U_R sowie mit einem Vorschaltwiderstand von 0,1 Ω/V

Diese Norm stammt aus dem militärischen Bereich, wird aber ebenfalls in anderen Industriebereichen genutzt.

Die zweite Schreibweise, die beispielsweise die IEC mit der IEC [DIN EN] 61709 vorschlägt,^[86] wird überwiegend im europäischen industriellen Bereich benutzt. In dieser Schreibweise werden die Zahlenwerte der Referenz-Ausfallrate λ_ref(FIT) mit der Einheit FIT (Failure In Time) definiert

Ausfallrate λ_ref(FIT) in n Ausfälle pro 10⁹ h bei 40 °C und U = 0,5 U_R.

Zum Vergleich der Zahlenwerte müssen die jeweiligen Referenz-Ausfallraten mit Hilfe von sogenannten Beschleunigungsfaktoren auf den gewünschten Wert umgerechnet werden. Hinweis: Die Ausfallrate von λ_{ref (MIL)} = 0,1 %/1000 h kann in grober Abschätzung mit λ_ref(FIT) = 1•10−9/h = 1 FIT gleichgesetzt werden.

Um die heute publizierten sehr niedrigen Ausfallraten in den Fertigungs-begleitenden Dauerspannungsprüfungen zu ermitteln, sind Milliarden Bauelemente-Teststunden erforderlich. Dies erfordert einen großen Personal- und erheblichen Finanzierungsaufwand.^[87] Die in den Prüfungen ermittelten Ausfallraten werden oft auch noch mit Ausfall-Rückmeldungen aus dem Kundenkreis ergänzt. Diese „Feld-Ausfallraten sind meist deutlich niedriger als die in den Prüfungen ermittelten Ausfallraten. Kommerziell verfügbare Tantal-Elkos haben als Standard-Produkte inzwischen das sehr hohe militärische „C“ Niveau erreicht, das sind 0.01 %/1000h at 85 °C and U_R.^[88] Das ist mit dem Modell nach MIL HDKB 217F umgerechnet 0,02 FIT bei 40 °C und 0.5 U_R für einen 100 µF/25 V-Chip-Kondensator mit dem Vorschaltwiderstand von 0.1 Ω.

Die publizierten Ausfallraten für Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit Nennspannungen von 6.3 bis 160 V zeigen Ausfallraten im Bereich zwischen 1 bis 20 FIT ^[89] sowie für Elkos mit Nennspannungen >160 bis 550 V Ausfallraten im Bereich zwischen 20 bis 200 FIT^[84]. Feld-Ausfallraten sind deutlich niedriger. Sie liegen im Bereich zwischen 0,5 bis 20 FIT.^[90]^[89]^[84]

Lebensdauer

Der Begriff „Lebensdauer” oder auch „Brauchbarkeitsdauer“ (englisch useful life, load life, service life) wird bei Elektrolytkondensatoren meist nur im Zusammenhang mit Al-Elkos mit flüssigem Elektrolyten verwendet. Diese Bauelemente nehmen in der Elektronik eine Sonderstellung ein, da sie eine Flüssigkeit enthalten, die im Laufe der Zeit verdunsten und sich chemisch verändern kann, wodurch dann durch Änderung der Kennwerte Änderungsausfälle auftreten. Wird ein bestimmter Prozentsatz an Ausfällen in einer Charge überschritten, so ist das nach Norm definierte "Ende der Lebensdauerende" dieser Charge erreicht. Ähnliches gilt allerdings auch für Polymer-Elektrolytkondensatoren, bei denen durch langsame Veränderungen des Polymers ebenfalls Änderungsausfälle auftreten können. Dadurch wird der Zeitraum der konstanten Zufalls-Ausfallrate beendet. Diese durch Änderung der Kennwerte begrenzte Lebensdauer kann u. U. kürzer sein als die durch die MTTF ermittelte mittlere Lebensdauer.

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

Wie bei der Ausfallrate wird auch die Lebensdauer von Elektrolytkondensatoren durch die Ermittlung der Ausfälle in den Produktions-begleitenden Dauerspannungsprüfungen mit anliegender Nennspannung bei der oberen Kategorietemperatur ermittelt. Diese Prüfung mit anliegender Nennspannung bei der oberen Kategorietemperatur ist eine zeitraffende Prüfung. Sie forciert alle Prozesse, die während der Prüfzeit im Elko ablaufen. Denn der flüssige Elektrolyt wird während der Prüfzeit langsam verdunsten und sich chemisch zersetzen. Es tritt ein Elektrolytverlust auf, wodurch sich die elektrischen Parameter des Kondensators ändern. Die Kapazität verringert sich und der äquivalente Serienwiderstand ESR sowie die Impedanz nehmen zu. Das führt dazu, dass die Kennwerte irgendwann anfangen, definierte Änderungsgrenzen zu überschreiten. Es treten Änderungsausfälle auf, der Zeitraum der konstanten Ausfallrate ist damit beendet. Die Lebensdauer von Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit flüssigem Elektrolyten wird also im Wesentlichen durch Überschreiten das Auftreten von Änderungsausfällen bestimmt. Wann diese Änderungsausfälle auftreten, d. h. wie lange getestet werden muss, bevor Änderungsausfälle auftreten, hängt von der Konstruktion (Abdichtung, Elektrolyt, Reinheit der Materialien) der betreffenden Kondensatoren ab. Die Zufallsausfälle (Totalausfälle) während der Lebensdauer sind meist vernachlässigbar.

Die Spezifikation der Lebensdauer von Elektrolytkondensatoren mit flüssigem Elektrolyten wird in einer Schreibweise spezifiziert, die sich aus der Kombination der maximalen Prüfzeit in Stunden in der Dauerspannungsprüfung und der Prüftemperatur ergibt, z. B. 2000 h/85 °C oder 2000 h/105 °C. Die Verdunstungsrate und die mögliche chemische Veränderung des Elektrolyten über die Zeit ist temperatur- und spannungsabhängig. Ein Betrieb der Kondensatoren bei einer geringeren Temperatur und Spannung als die der Prüfbedingungen führt zu einer längeren Lebensdauer der Kondensatoren. Die Abschätzung dieser Lebensdauerverlängerung wird in den Datenblättern vieler Hersteller weltweit meist durch die sogenannte 10-Grad-Regel (Arrhenius-Regel, RGT-Regel) beschrieben:

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

L_x = zu berechnende Betriebs-Lebensdauer
L_Spec = Spezifizierte Lebensdauer (useful life, load life, service life)
T₀ = obere Grenztemperatur (°C)
T_A = Umgebungstemperatur (°C),

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, wobei der Einfluss der Spannungsbelastung nicht berücksichtigt wird. Dem Einfluss einer Rippelstrombelastung mit der damit verbundenen höheren Elko-Temperatur kann näherungsweise in der Formel durch Ersetzen der Umgebungstemperatur durch die Elko-Kerntemperatur Rechnung getragen werden.

Nach dieser Formel lässt sich die zu erwartende Lebensdauer einer Charge von 2000 h/105 °C-Elkos, die bei nur 45 °C betrieben werden, mit 128.000 Stunden oder etwa 15 Jahre abschätzen. Würde die Betriebstemperatur auf 65 °C ansteigen und soll die gleiche Betriebslebensdauer erreicht werden, dann müssten Elkos einer anderen Baureihe mit der Spezifikation von entweder 8000 h/105 °C oder 2000 h/125 °C genommen werden.

Die 10-Grad-Regel gilt nur, wenn sie vom jeweiligen Elko-Hersteller bestätigt wird,^[91]^[92] denn einige Hersteller spezifizieren durchaus andere Lebensdauer-Berechnungsformeln, mitunter sogar unterschiedliche Formeln für verschiedene Baureihen,^[93]^[94] oder unterschiedliche Lebensdauerdiagramme,^[95]^[96]^[97]^[98] aus denen für jede Baureihe aus einem Diagramm die Elko-Lebensdauer für unterschiedliche Belastungen ablesbar ist. Bei allen diesen „Berechnungen“ einer Lebensdauer sollte aber beachtet werden, dass die Berechnung nur einen „Schätzwert“ ergibt, der eigentlich immer nur als Mindestwert der zu erwartenden Betriebslebensdauer einer Charge gleichartiger Kondensatoren gilt.

Nach Auftreten von Änderungsausfällen in einer Charge im Betrieb befindlicher Al-Elkos droht der Schaltung keine unmittelbare Gefahr. Bei den heutigen hohen Reinheitsgraden in der Fertigung von Elektrolytkondensatoren ist auch nach Erreichen des nach der Norm definierten „Lebensdauerendes“ bei fortschreitender Austrocknung nicht mit einem Kurzschluss zu rechnen. Es können sich allerdings durch Verschlechterung der Impedanz z. B. Probleme bei der Störunterdrückung oder ähnliches ergeben.

Selbstheilung und Anwendungsregeln

Selbstheilung

Bei allen Elektrolytkondensatoren gibt es inherente Ausfallursachen, die in der Struktur und Beschaffenheit des jeweiligen Anodenoxids, des Dielektrikums liegen. Dazu gehören allerdings nicht die vielfältigen irregulären mechanischen und chemischen Einflüsse, die sowohl bei der Herstellung als auch bei der Anwendung möglicherweise zu Ausfällen führen können.

Bei Tantal-Elektrolytkondensatoren mit festem Mangandioxid-Elektrolyten gibt es einen inhärenten Ausfallmechanismus, die „Feldkristallisation“.^[99]^[88] Bei diesem Vorgang ändert sich an verborgenen Fehlstellen punktuell die amorphe Struktur in der extrem dünnen, mit hoher Feldstärke belasteten dielektrische Oxidschicht Ta₂O₅ in eine kristalline Struktur, dabei erhöht sich die Leitfähigkeit des Oxids um den Faktor 1000 und das Volumen des Oxids vergrößert sich. Es kommt zu einem punktuellen Durchschlag, verbunden mit einem plötzlichen Anstieg des Reststromes von der Größenordnung Nanoampere in den Amperebereich innerhalb von wenigen Millisekunden.^[88]^[100] Bei Strombegrenzung oxidiert hier dann punktuell durch die entstehende Hitze der leitfähige Elektrolyten MnO₂ in das isolierende Mn₂O₃ und die Fehlstelle wird abgeschaltet, der Kondensator wird durch diese "Selbstheilung" wieder funktionsfähig.^[74]

Da Niob- und Nioboxid-Elektrolytkondensatoren mit dem festen Elektrolyten Mangandioxid konstruktiv ähnlich aufgebaut sind wie die Ta-Elkos, liegt es nahe, zu vermuten, dass auch bei diesen Kondensatoren ein ähnlicher Ausfallmechanismus auftritt. Dies ist aber nicht der Fall. Eine punktuelle Umwandlung der dielektrischen Niob-Oxidschicht Nb₂O₅ von einer amorphen in eine kristalline Form hat keine Auswirkungen. Kommt es zu einem punktuellen Durchschlag im Dielektrikum Nb₂O₅, wird das Pentoxid durch die entstehende Hitze thermisch in Niobdioxid NbO₂, einem hochohmigen, halbleitenden Material umgeformt.^[74] Der punktuelle Durchschlag wird damit durch Bildung des hochohmigen NbO₂ nahezu isoliert, sofern eine Strombegrenzung vorliegt, eine weitere Art der "Selbstheilung". Allerdings können solche schwächer isolierenden Stellen im Dielektrikum zu einem Anstieg des Reststromes führen.

Bei diesen Elektrolytkondensatoren mit MnO₂-Elektrolyten ist eine Strombegrenzung notwendig. Ist der Strom nicht begrenzt, wird durch die punktuelle Wärme am Durchschlagspunkt der Elektrolyt MnO₂ zersetzen und den Sauerstoff für eine Oxidation des Anodenmetalls liefern, was sich als "Lawineneffekt" schnell über größere Flächen ausweiten kann, wodurch es zu verschiedenen Graden der Zerstörung bis hin zum Brand und der vollständigen Zerstörung des Kondensators kommen kann.

Bei Tantal-, Niob- oder Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit festem Polymer-Elektrolyten wird sich im Falle eines punktuellen Durchschlages im jeweiligen Oxid ein örtlich begrenzter höherer Reststrom bilden, der zu einer lokalen Erhitzung des Polymers führt, wodurch das Polymer je nach Typ entweder oxidiert und hochohmig wird oder aber verdampft.^[101] Auch hier wird die Fehlstelle „abgeschaltet“, es tritt eine "Selbstheilung" auf.

Bei Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit flüssigem Elektrolyten haben Fehlstellen oder eine Umwandlung des Oxids von der amorphen Struktur in die kristalline Struktur keine Auswirkungen. Bei diesen Kondensatoren kann aber ein chemisch aggressiver Elektrolyt zur Schwächung des Oxid führen. Jedoch wird nach Anlegen einer Spannung in richtiger Polarität sofort der Prozess der Nachformierung beginnen, so dass sich die Oxidschicht schnell wieder zur erforderlichen Spannungsfestigkeit durch "Selbstheilung" repariert. Besondere Anwendungsregeln sind nur in Ausnahmefällen erforderlich.

Selbstheilungsmechanismen bei den unterschiedlichen Arten von Elektrolytkondensatoren
Bei Al-Elkos heilt die Oxidschicht nach Anlegen einer Spannung durch Nachformierung aus, indem der flüssige Elektrolyt den Sauerstoff zur Verfügung stellt.
Bei MnO₂-Ta-Elkos mit Strombegrenzung wird bei einem punktuellen Durchschlag der leitfähige Elektrolyt MnO2 thermisch in das isolierende Mn2O3 umgewandelt und die Fehlstelle wird abgeschaltet.
Bei MnO₂-Niob-Elkos mit Strombegrenzung wird bei einem punktuellen Durchschlag das isolierende Nb₂O₅ in das hochohmige NbO umgewandelt und die Fehlstelle wird hochohmig.
Bei Polymer-Elkos fließt über Fehlstellen im Oxid ein punktuell höherer Reststrom bilden, der das Polymer thermisch entweder hochohmig oxidiert oder aber verdampft, wodurch die Fehlstelle abgeschaltet wird. (Bei Ta-Polymer-Elkos ist eine Strombegrenzung erforderlich)

Der Begriff "Selbstheilung" bedeutet also je nach der betrachteten Elko-Familie jeweils einen völlig anderen Mechanismus.

Anwendungsregeln

Die unterschiedlichen Auswirkungen von Fehlstellen in den Oxidschichten auf die Zuverlässigkeit bzw. der Lebensdauer der unterschiedlichen Kondensatorarten führt zu unterschiedlichen Anwendungsregeln zu unterschiedlichen Anwendungsregeln für diese Kondensatoren. Die folgende Tabelle zeigt die Zusammenhänge zwischen den Ausfallmodi, dem Selbstheilvermögen und den Anwendungsregeln, um die Selbstheilung der jeweiligen Elektrolytkondensatoren zu gewährleisten.

Langzeitverhalten, inherentes Ausfallverhalten, Selbstheilung und Anwendungsregeln für die unterschiedlichen Arten von Elektrolytkondensatoren
Elektrolyt- kondensator- Famile	Langzeitverhalten	Ausfall- mechanismus ¹⁾	Selbstheil- mechanismus	Anwendungsregel
Aluminium- Elektrolytkondensator, flüssiger Elektrolyt	Langsames Austrocknen des Elektrolyten, Änderung der Kennwerte	Nicht bekannt	Nachformieren des Oxids durch Anlegen einer Spannung	Lebensdauerberechnung^[91]^[92]
Aluminium- Elektrolytkondensator, Polymer-Elektrolyt	Degradation der Leitfähigkeit des Polymers, Änderung der Kennwerte	Nicht bekannt	Isolierung der Fehlstellen im Oxid durch Oxidation oder Verdunstung des Polymers	Lebensdauerberechnung^[59]
Tantal-Elektrolytkondensator, MnO₂-Elektrolyt	Stabil	Feldkristallisation^[99]^[88]	Thermisch induzierte Isolierung von Fehlstellen im Oxid durch Oxidation des MnO₂ in das isolierende MnO₂O₃ bei Strombegrenzung	Spannungsminderung 50% Vorschaltwiderstand 3 Ω/V^[54]^[102]
Tantal-Elektrolytkondensator, Polymer-Elektrolyt	Degradation der Leitfähigkeit des Polymers, Änderung der Kennwerte	Feldkristallisation^[99]^[88]	Isolierung von Fehlstellen im Oxid durch Oxidation oder Verdunstung des Polymers	Spannungsminderung 20%^[54]^[102]
Niob-Elektrolytkondensator, MnO₂-Elektrolyt	Stabil	Änderung der Oxid-Struktur	Thermisch induzierte Isolierung von Fehlstellen im Oxid durch Oxidation des Nb₂O₅ in das hochohmige NbO₂	Niob-Anode: Spannungsminderung 50% Nioboxid-Anode: Spannungsminderung 20%^[102]
Hybrid Aluminium-Elektrolytkondensator, Polymer- plus flüssiger Elektrolyt	Langsames Austrocknen des Elektrolyten, Änderung der Kennwerte	Nicht bekannt	Nachformieren des Oxids durch Anlegen einer Spannung	Lebensdauerberechnung
¹⁾ innerhalb der Spezifikationen

Nachformierung und Lagerfähigkeit

Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit flüssigen Elektrolyten hatten bis in die 1960er Jahre Probleme mit hohen Restströmen, sowohl bei Anlieferung als auch während des Betriebs. Grund dafür waren zwei unterschiedliche Arten von Korrosion, der Korrosion durch Chlor und einer durch Wasser getriebene Korrosion.^[17] Aus diesem Verhalten heraus wurden sog. „Nachformiervorschriften“ empfohlen, die beinhalteten, dass die Kondensatoren vor dem Einschalten für einige Minuten über einen 10 kΩ Widerstand an Nennspannung anliegen sollten, bevor sie in Betrieb genommen werden. Diese Nachformierung ist spätestens seit den 1980er Jahren nicht mehr erforderlich. Sowohl die Verunreinigungen der Unterteile mit Chlor als auch die chemische Aggressivität des Wassers gegenüber der Anoden-Oxidschicht^[103] ist seitdem „Stand der Technik“. Reststromprobleme nach spannungslose Lagerung innerhalb eines Jahres oder während des Betriebs kommen bei Elektrolytsystemen heutige Produktion im Normalfall nicht mehr vor.^[104]

Etwas anders sieht es bei Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit flüssigen Elektrolyten nach längeren spannungslosen Lagerzeiten aus. Hier sorgt insbesondere die Höhe des Wasseranteils als Inhaltsstoff der Elektrolyte für eine unterschiedliche chemische Empfindlichkeit der Oxidschicht nach längerer Lagerung. Dabei lassen sich hinsichtlich des Lagerverhaltens die Elkos aufgrund der unterschiedlichen Elektrolyte grob zusammenfassend in drei Gruppen einteilen:

Elkos mit stark wasserhaltigen Elektrolyten (>40 %, die sog. Low-ESR-Elkos) sind etwa 1 bis 2 Jahre lagerfähig
Elkos mit Standard-Elektrolyten auf Basis von Borax oder Ethylenglycol mit etwa 5 bis 20 % Wasseranteil sind mindestens 2 Jahre lagerfähig
Elkos mit wasserfreien Lösungs-Elektrolyte auf Basis von beispielsweise γ-Butyrolacton sind bis zu 10 Jahren lagerfähig^[96]

Lagerfähig bedeutet in diesem Sinne, dass die Kondensatoren nach der spezifizierten spannungslosen Lagerzeit nach dem Einlöten in die Schaltung ohne weitere Vorsichtsmaßnahme eingeschaltet werden können und der Einschalt-Reststrom innerhalb der Spezifikation bleibt.

Überprüft wird die Lagerfähigkeit von Elektrolytkondensatoren mit Hilfe einer spannungslosen Lagerzeitprüfung, dem sog. englisch „Shelf Life Test“. Dieser Test ist eine beschleunigte Lagerzeitprüfung, die die spannungslose Lagerung von Elkos bei ihrer oberen Kategorietemperatur für eine bestimmte Dauer, meist 1000&nbs;Stunden, vorschreibt. Ohne die am Elko anliegende Spannung entfällt die Selbstheilung durch Nachformierung, wodurch evtl. mögliche aggressive chemische Prozesse die zu einem hohen Reststrom führen können, erkennbar sind.

Es sollte hier aber auch darauf hingewiesen werden, dass nach 2 Jahren Lagerzeit die Lötfähigkeit der Anschlüsse durch Oxidation der Verzinnung problematisch werden kann.

Bei Elektrolytkondensatoren mit festem Elektrolyten kommt das Reststrom-Problem nach Lagerzeiten nicht vor.

Parallel- und Serienschaltung

Parallelschaltung von Elektrolytkondensatoren

Bekommt in einer Parallelschaltung von Kondensatoren ein Exemplar einen Kurzschluss, so entlädt sich die gesamte Schaltung über diese Fehlstelle. Bei größeren Kondensatoren, insbesondere größere Al-Elektrolytkondensatoren für höhere Spannungen und mit hohem Energieinhalt kann das zu recht großen Entladungserscheinungen führen. Deshalb sollten in einem solchen Fall Maßnahmen getroffen werden, den Kurzschluss-Entladestrom zu begrenzen. Das kann z. B. durch individuelle Absicherung jedes einzelnen Kondensators über eine Überstromschutzeinrichtung erfolgen.

Serienschaltung von Elektrolytkondensatoren

Bei einer Serienschaltung von Elektrolytkondensatoren ergibt sich eine Verteilung der Gesamtspannung über die einzelnen in Serie geschalteten Kondensatoren, die sich aus den individuellen Isolationswiderständen ergibt. Diese Isolationswiderstände werden durch den Reststrom der Kondensatoren repräsentiert. Bei unterschiedlichen Restströmen ergibt sich nach dem Anlegen einer Spannung eine ungleiche Spannungsverteilung, die umgekehrt proportional zum individuellen Reststrom ist und unter Umständen recht groß sein kann. Dadurch kann u. U. die maximal zulässige Spannung für einzelne Exemplare in der Kondensatorbatterie überschritten werden. Deshalb müssen insbesondere größere Al-Elektrolytkondensatoren für höhere Spannungen und mit hohem Energieinhalt, wie sie beispielsweise Kondensatorbatterien für Frequenzumrichter benötigt werden, mit Symmetrierwiderständen oder mit einer aktiven Spannungs-Balancierung mit push-pull-Transistoren symmetriert werden.^[105]^[96]^[52]

Abgrenzung zu Superkondensatoren

Vergleich von Leistungs- und Energiedichte von Aluminium-Elektrolytkondensatoren, Superkondensatoren und verschiedenen Akkumulatoren

Elektrolytkondensatoren besitzen, verglichen mit Kunststoff-Folien- und Keramikkondensatoren eine deutlich höhere Kapazität pro Bauvolumen. Sie füllen die Lücke zwischen diesen konventionellen statischen Kondensatoren und den elektrochemischen Superkondensatoren, deren Energiedichte, das ist das Maß für die speicherbare elektrische Energie pro Raumvolumen, deutlich geringer ist. Dafür ist bei den Elkos die Leistungsdichte gegenüber den Superkondensatoren sehr viel größer. Die Leistungsdichte eines Energieträgers ist ein Maß für die Geschwindigkeit, mit der eine Leistung pro Volumen- oder Masseeinheit aufgenommen oder abgegeben werden kann. Durch diese Eigenschaft ergibt sich vom Einsatzbereich her eine deutliche Trennung zwischen Elektrolytkondensatoren und Superkondensatoren. Elektrolytkondensatoren puffern schnelle Energiespitzen und glätten Gleichspannungen durch Sieben von überlagerten Wechselströmen bis in den MHz-Bereich gegen Masse und die gespeicherte Energie überbrückt nur eine kurze Zeit. Superkondensatoren puffern Gleichspannungen und liefern Energie über längere Zeiträume.^[106] Sie sind für das Glätten von gleichgerichteten Wechselspannungen nicht geeignet.

Zusätzliche Informationen

Normung

Die Normung für alle elektrischen, elektronischen Bauelemente und verwandten Technologien folgt den Regeln der Internationalen Elektrotechnischen Kommission (IEC), ^[107] einer gemeinnützige, nichtstaatliche Organisation für internationale Normen. In Deutschland wurden diese Normen von der VDE zunächst als DIN-Normen,^[108] dann im europäischen Rahmen als EN Standards harmonisiert. Die Terminologie der elektrischen Kennwerte für Festkondensatoren zur Verwendung in Geräten der Elektronik sowie die Verfahren zum Messen und Prüfen dieser Parameter sind international genormt in der Fachgrundspezifikation

IEC 60384-1, Festkondensatoren zur Verwendung in Geräten der Elektronik - Teil 1:

die in Deutschland auch als DIN EN 60384-1; VDE 0565-1 erschienen ist. Ergänzend dazu werden in entsprechenden Rahmenspezifikationen für Elektrolytkondensatoren die Vorzugswerte für Maße und Eigenschaften sowie zusätzliche Prüfverfahren, anzuwendende Prüfschärfen und Annahmekriterien definiert.

IEC/DIN EN 60384-3, Oberflächenmontierbare Tantal-Kondensatoren mit festem Mangandioxid-Elektrolyt
IEC/DIN EN 60384-4, Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit festem (Mangandioxid) oder flüssigem Elektrolyten
IEC/DIN EN 60384-15 Tantal-Elektrolyt-Kondensatoren mit festem oder flüssigem Elektrolyten
IEC/DIN EN 60384-18, Oberflächenmontierbare Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit festem (Mangandioxid) oder flüssigem Elektrolyten
IEC/DIN EN 60384-24 - Oberflächenmontierbare Tantal-Elektrolyt-Kondensatoren mit leitfähigem Polymerfestkörper-Elektrolyten
IEC/DIN EN 60384-25 - Oberflächenmontierbare Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit leitfähigem Polymerfestkörper-Elektrolyten
IEC/DIN EN 60384-26 - Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit leitfähigem Polymerfestkörper-Elektrolyten

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 IEC/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 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, "D" = 2013, "E" = 2014, "F" = 2015, "G" = 2016 usw.

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

"A5" ist dann 2010, Mai

Polaritätskennzeichnung

Markierung der Polarität

Bei Elektrolytkondensatoren mit flüssigem Elektrolyten (englisch non solid electrolyte) 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 (englisch solid electrolyte) 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.^[109] 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 gepolte Elektrolytkondensatoren sind:

Ausgangs-Glättungskondensator (englisch smoothing capacitor) zur Glättung bzw. Siebung von gleichgerichteten Wechselspannungen z. B. in Stromversorgungen,^[65] in AC/DC-Wandlern oder bei einer Pulsweitenmodulation (PWM), z. B. bei LED-Treibern
Eingangs- und Ausgangs-Glättungskondensator in DC/DC-Wandlern (englisch bypass capacitor)
Stützkondensator (englisch bulk capacitor) zum Stützen oder Puffern von Gleichspannungen bei schnellem Lastwechsel
Entkopplungskondensator (englisch decoupling capacitor, back-up capacitor) Entkoppeln von höher-frequenten Wechselspannungsanteilen innerhalb einer Schaltung (Ableitung von Wechselströmen)
Energie-Zwischenspeicher für PFC-Schaltungen () zur Verbesserung des Leistungsfaktors in Frequenzumformern und unterbrechungsfreien Stromversorgungen (USV)
Energiespeicher, z. B. in Airbagschaltungen und Elektronenblitzgeräten^[110]
Ladungssammler zur einfachen Zeiterzeugung in Zeitgliedern, (RC-Glied)
Ein- und Auskoppeln von Wechselspannungssignalen zum Beispiel in Niederfrequenzverstärkern, wenn ein Potentialunterschied vorliegt (englisch level shifting). Dabei ist zu beachten, dass die Elektrolytkondensatoren eine entsprechende Gleich-Vorspannung benötigen

Typische Applikationen für bipolare (ungepolte) Elektrolytkondensatoren sind:

Bipolare Elektrolytkondensatoren als Anlaufkondensator für einphasige Asynchronmotoren
Tonfrequenzkondensatoren für Audiosignale in Frequenzweichen, z. B. für Lautsprecherboxen

Vor- und Nachteile

Da unter dem Begriff „Elektrolytkondensatoren“ mehrere Bauarten mit sehr unterschiedlichen Eigenschaften zusammengefasst sind, wäre eine Aufzählung von Vor- und Nachteilen in Schlagworten nur für die jeweilige Elko-Familie möglich. Deshalb werden die jeweiligen Vor- und Nachteile im Folgenden nicht durch Schlagworte sondern durch eine Zusammenstellung von Argumenten in Publikationen aus der Industrie aufgeführt. Dabei stehen besonders die Neuentwicklungen bei den Polymer-Elektrolytkondensatoren mit ihren äußerst kleinen ESR-Wert en im Vergleich zu Keramikvielschicht-Chipkondensatoren (MLCC)s und Kunststoff-Folienkondensatoren im Fokus der Öffentlichkeit. Denn die ESR- und ESL-Eigenschaften von Polymer-Elektrolyt-Kondensatoren auf der einen Seite nähern sich zunehmend denen von MLCC-Kondensatoren. Andererseits nähert sich die spezifische Kapazität der Klasse 2-MLCC-Kondensatoren mehr und mehr der von Tantal-Chipkondensatoren.^[111]^[112]

Mit dieser zunehmenden Vergleichbarkeit wird es notwendig, Argumente für oder gegen bestimmte Kondensator-Technologien zusammenzustellen. Hier ist eine kleine Auswahl an speziellen Vergleichen für oder gegen bestimmte Kondensator-Technologien:

Elkos verglichen miteinander: Kemet^[113]
Kondensator-Auswahl Analog Devices, Inc.:^[114]
Al-Polymer Elkos verglichen mit MLCC: Panasonic^[115]
MLCC Verglichen mit Ta-Ekos, Polymer-Elkos und "nasse" Al-Elkos:Murata^[116]^[117]^[118] Kemet^[119] AVX^[120], Kemet/Texas Instruments: ^[121]
Al-Polymer Elkos verglichen mit "nassen" Al-Elkos: NCC^[122], NIC^[47]
Ta-Polymer Elkos verglichen mit Ta-MnO₂ Elkos: Kemet^[123]

Hersteller und Produktprogramm

*Weltweit operierende Hersteller von Elektrolytkondensatoren und deren Produktprogramm*
Hersteller	Aluminium- Elektrolytkondensatoren				Tantal- Elektrolytkondensatoren			Niob- Elektrolyt- kondensatoren
Hersteller	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

↑ Elna, Principles, 3. Electrolyte, Table 2: An Example of the Composition of the Electrolyte [1]
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Kategorie:Kondensator (Elektrotechnik)

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