Elektrolytkondensator

Ein Elektrolytkondensator (auch Elko) ist ein Kondensator, bei dem die isolierende Oxidschicht (das Dielektrikum) während der Herstellung durch einen elektrochemischen Prozess direkt auf der Kondensator-Elektrode entsteht.

Zwischen den metallischen Elektroden des Kondensators befindet sich hierzu ein geeigneter Elektrolyt (z.B. in Zitronensäure getränktes Papier), durch welchen bei Anlegen einer positiven Spannung an der Anode eine sehr dünne Isolierschicht wächst. Die Parameter dieses Formierung genannten Prozesses bestimmen die Dicke dieser Oxidschicht und somit die Spannungsfestigkeit und die Kapazität.
Durch Aufrauen (vorheriges Ätzen) der metallischen Anode oder Verwenden eines Sinterkörpers lässt sich die spezifische Oberfläche und somit die Kapazität noch wesentlich steigern (es gibt Elektrolyt - Kondensatoren bis 100 oder mehr Farad).
Als Anschluss der negativen Elektrode dient meist ein Metallbecher, in dem der Elektrolyt und die Anode untergebracht sind.

Vor- und Nachteile

Vorteile:

Elektrolytkondensatoren sind sehr preiswerte Kondensatoren mit sehr hohen Kapazitäten pro Volumen. Das Energiespeichervermögen pro Volumeneinheit wird nur von sog. Doppelschicht-Kondensator (sog. Supercaps) und Akkumulatoren übertroffen, die jedoch eine andere Technologie darstellen.

Nachteile:

Elektrolytkondensatoren (insbesondere solche auf Basis Aluminium) haben höhere Leckströme und höhere äquivalente Serienwiderstände (ESR) als andere Kondensatoren.

Der Elektrolyt ist meist eine Flüssigkeit und hat den Nachteil, dass selbst bei unbenutztem Kondensator weiterhin chemische Vorgänge ablaufen, die ihn altern lassen. So kann sich beispielsweise die Schichtdicke allmählich verringern, wodurch der Leckstrom bei Nennspannung ansteigt. Umgekehrt kann sich bei grenzwertiger Spannungsbelastung die Schichtdicke vergrößern (sog. Nachformierung), wodurch die Kapazität sinkt.

Die meisten Elektrolytkondensatoren benötigen eine polarisierte Spannung (Gleichspannung mit nur geringem Wechselspannungsanteil). Wenn man einen Elektrolytkondensator längere Zeit nicht benutzt oder mit Wechselspannung betreibt, kann die Isolationsschicht zerstört werden. Das ist bei der Schaltungsentwicklung entsprechend zu berücksichtigen. Ein Elektrolytkondensator darf nicht mit entgegengesetzter oder zu hoher Spannung betrieben werden, dies kann zu einer heftigen Explosion des Bauteils führen.
Spezielle, sog. bipolare Elektrolytkondensatoren vertragen jedoch auch reine Wechselspannung. Als Tonfrequenzkondensatoren bezeichnet, finden sie z.B. in Frequenzweichen von Lautsprecherboxen Anwendung. Zum Kurzbetrieb beim Motorstart (Erzeugung einer Hilfsphase bei einphasigen Asynchronmotoren) verwendet, werden sie als Anlasskondensator bezeichnet.

Der Elektrolyt kann auch im fest verschlossenen Kondensatorgehäuse im Laufe der Jahre eintrocknen oder auslaufen. Die Kondensatoren werden daher mit einem Temperaturwert, z. B. 85 °C oder 105 °C, und einer bei dieser Temperatur zu erwartenden Lebensdauer spezifiziert. Je höher die maximal zulässige Einsatztemperatur, desto höher ist die Lebensdauer auch bei niedrigerer Temperatur: Erhöht sich beispielsweise die Temperatur um 10 °C, verringert sich die zu erwartende Lebensdauer des Elektrolytkondensators in etwa um die Hälfte (RGT-Regel).

Die maximale Einsatztemperatur wird oft für eine mittlere Lebensdauer von 1000 h angegeben. Dabei muss beachtet werden, dass in bestimmten Einsatzfällen die Eigenerwärmung eine wesentliche Rolle spielt, sodass insbesondere im Inneren größerer Kondensatoren weit höhere Temperaturen auftreten können als außen.

Kennzeichnung

Bei der liegenden Bauform (axiale Bauform) wird der positive Pol mit einer umlaufenden Kerbe gekennzeichnet, bei der stehenden Bauform verläuft auf der Seite mit dem negativen Pol ein aufgedrucktes Band mit sich wiederholenden „Minuszeichen“. Bei der Tropfenbauform von Tantal-Kondensatoren ist der positive Pol mit einem Plus gekennzeichnet. Depad

Explosionsschutz

Stehende Elektrolytkondensatoren (radiale Bauform) besitzen an der nicht mit Kunststoff überzogenen Oberseite Sollbruchstellen (Einkerbungen in Kreuz- oder K-Form). Diese begrenzen den Innendruck und verringern damit die Explosionsenergie im Fehlerfall: Wird der Kondensator entgegen der angegebenen Polung oder mit zu hohen Spannungen betrieben, entwickelt er gegebenenfalls innerhalb kürzester Zeit eine große Hitze, die zum Verdampfen des Elektrolyts und letztlich zur Überdruckexplosion des Bauteils führt, wobei ätzende Flüssigkeiten und Gase austreten.

Falsch eingesetzte oder falsch dimensionierte Elektrolytkondensatoren bilden eine wesentliche Ursache für den Ausfall von Geräten.

Anwendung

Elektrolytkondensatoren werden für eine Reihe von Anwendungsfällen verwendet

Beispiele:

Als Glättungskondensator zur Glättung bzw. Siebung von gleichgerichteten Wechselspannungen. Hierbei ist die hohe Kapazität von Vorteil, um eine möglichst geringe Restwelligkeit zu erreichen.
Zum Ein- und Auskoppeln von Wechselspannungssignalen zum Beispiel in Niederfrequenzverstärkern, wenn ein Potentialunterschied vorliegt (level shifting). Hierbei ist zu beachten, dass die Elektrolytkondensatoren eine entsprechende Vorspannung benötigen und einen höheren Leckstrom als Folienkondensatoren haben.
zum Abblocken von Wechselspannungsanteilen innerhalb einer Schaltung (Ableitung von Wechselströmen)
Als Energiespeicher, z.B. in Elektronenblitzgeräten
Bipolare (ungepolte) Elektrolytkondensatoren als Anlasskondensator für Asynchronmotoren und in Frequenzweichen von mehrwegigen Lautsprecherboxen
verpolt: als elektrisch zündbarer "Knalleffekt"

Schaltbild

Datei:Elkosymbol.png Im Schaltsymbol ist der Pluspol durch ein hohles Rechteck gekennzeichnet, der Minuspol durch ein ausgefülltes.

Ersatzschaltbild

Reale Elektrolytkondensatoren bestehen nicht nur aus dem idealen Kondensator C, sondern weisen parallel zu der Kapazität einen Widerstand R_leakage auf, welcher für die Selbstentladung des Kondensators verantwortlich ist. Zusätzlich kommt noch ein Serienwiderstand R_ESR in Kombination mit der Serieninduktivität L_{ESL_{hinzu, die beide im Regelfall unerwünscht sind und daher möglichst klein sein sollten. Sie beschränken den maximalen Ripplestrom bzw. begrenzen die kapazitive Eigenschaft des Kondensators bei hohen Frequenzen.}}

Bauarten

Elektrolytkondensatoren gibt es in vielen Bauformen. Am häufigsten finden sich Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit einem flüssigen Elektrolyt, da sie sehr kostengünstig produziert werden können.

Aluminium-Elektrolytkondensatoren
- mit flüssigem Elektrolyt (preiswert, häufigste Bauart)
- mit einem leitfähigen festen Polymer
Tantal-Elektrolytkondensatoren
- Tantalfolien-Elektrolytkondensatoren (Bauart F)
- Tantal-Elektrolytkondensator mit Sinteranode und flüssigem Elektrolyt (Bauart S)
- Tantal-Elektrolytkondensator mit Sinteranode und „Festelektrolyt“ Manganoxid (Bauart SF)
- Tantal-Elektrolytkondensator mit Sinteranode und leitfähigem festem Polymer
organische Elektrolytkondensatoren OS-CON (Aluminium-Feststoff-Kondensatoren mit organischem Halbleiter-Elektrolyt)
Bipolare Elektrolytkondensatoren (sog. Tonfrequenzkondensatoren für Lautsprecherweichen und Anlasskondensatoren für Asynchronmotoren) bestehen aus zwei entgegengesetzt gepolten, in Reihe geschalteten Kondensatorstrukturen.

Weblinks