Aluminium-Elektrolytkondensator

Steckbrief aus der Bauteile-Bibliothek. Übersicht aller Bauarten: Kondensator-Bauarten im Vergleich. Physik dahinter: Kondensator und Dielektrika.

Wenn ein Gerät nach zehn Jahren nicht mehr angeht, sind es in den allermeisten Fällen die Elkos. Kein anderes gängiges Bauteil hat eine derart klar begrenzte Lebensdauer -- und keines lässt sich so gut ausrechnen.

Dafür kann der Elko etwas, was sonst niemand kann: sehr viel Kapazität für sehr wenig Geld und Volumen. 10.000 µF sind ein Bauteil für ein paar Euro. In Keramik wäre das ein Regalmeter.

Wie er das schafft

Der Trick steckt in der Dicke des Dielektrikums. Aus der Plattenkondensator-Formel

folgt: Kapazität gewinnt man über große Fläche und kleinen Abstand. Der Elko holt sich beides.

• Das Dielektrikum ist eine Oxidschicht, elektrochemisch auf einer Aluminiumfolie erzeugt -- Al₂O₃ mit \(\varepsilon_r \approx 9\) und einer Dicke von wenigen Nanometern. Kein mechanisches Verfahren käme dort hin.
• Die Folie ist aufgeraut. Durch elektrochemisches Ätzen entsteht eine zerklüftete Oberfläche, die die wirksame Fläche um das Zehn- bis Hundertfache vergrößert.
• Die Gegenelektrode ist flüssig. Ein getränktes Papier führt den Elektrolyten bis in jede Pore -- eine feste Folie könnte der rauen Oberfläche nicht folgen.

Genau diese drei Kunstgriffe erklären auch sämtliche Schwächen: Die Oxidschicht ist auf eine Spannungsrichtung angewiesen, der Elektrolyt hat Widerstand, und Flüssigkeit verdunstet.

Polarität -- und was beim Verpolen passiert

Die Oxidschicht entsteht durch Anodisieren und bleibt nur erhalten, solange der Pluspol am Anodenblech liegt. Kehrt man die Spannung um, arbeitet die Elektrochemie rückwärts: Das Oxid wird abgebaut, es fließt zunehmend Strom, der Elektrolyt zersetzt sich, es entsteht Gas.

Weil ein geschlossener Aluminiumbecher unter Gasdruck zur Granate würde, hat jeder größere Elko eine Sollbruchstelle -- die eingeprägte Kerbe im Deckel, meist als Kreuz oder Y. Sie öffnet kontrolliert und lässt heißen, stechend riechenden Elektrolyt ab. Das ist der laute Knall, den fast jeder Elektroniker einmal erlebt hat.

Ein gewölbter Deckel ist ein Todesurteil, kein Warnzeichen. Ein Elko, der sich sichtbar bläht, hat bereits Gas entwickelt und gehört ersetzt -- auch wenn das Gerät noch läuft.

Kennzeichnung: Der Minuspol ist markiert, durch einen Balken mit Minuszeichen auf dem Becher und meist durch das kürzere Bein. Bei Tantal ist es genau umgekehrt markiert -- dort kennzeichnet der Strich den Pluspol. Diese Inkonsistenz hat schon viele Baugruppen gekostet.

Lebensdauer: die 10-Kelvin-Regel

Der Elektrolyt diffundiert langsam durch die Gummidichtung nach außen. Der Kondensator trocknet aus: ESR steigt, Kapazität fällt. Der Vorgang läuft chemisch ab und folgt der Arrhenius-Beziehung -- je 10 K weniger Temperatur verdoppelt sich die Lebensdauer:

\(L_0\) ist die im Datenblatt genannte Lebensdauer bei der Grenztemperatur \(T_0\), \(T\) die tatsächliche Temperatur am Bauteil.

Rechenbeispiel. Ein typischer Elko mit „2000 h / 105 °C" klingt nach zweieinhalb Monaten -- das ist er auch, wenn man ihn tatsächlich bei 105 °C betreibt. Bei 45 °C im Gerät dagegen:

Daraus folgt alles Praktische:

• Die Datenblattangabe allein sagt nichts. Erst zusammen mit der Betriebstemperatur wird eine Aussage daraus.
• 10 K kühler verdoppelt die Gerätelebensdauer. Ein Elko, der neben dem Kühlkörper oder über dem Trafo sitzt, ist die Schwachstelle -- Platzierung ist hier eine Zuverlässigkeitsentscheidung.
• 105-°C-Typen statt 85-°C-Typen kaufen kostet wenig und vervierfacht die Lebensdauer bei gleicher Betriebstemperatur.
• Die Eigenerwärmung zählt mit. Nicht die Umgebungstemperatur ist maßgeblich, sondern die des Bauteils -- und die hängt am Rippelstrom.

ESR und Rippelstrom

Der Elektrolyt ist ein Ionenleiter und damit deutlich schlechter als Kupfer. Zusammen mit Folien und Anschlüssen ergibt das den ESR, der bei Elkos im Bereich einiger zehn Milliohm bis mehrere Ohm liegt -- Größenordnungen über Keramik.

Jeder Wechselstrom durch den Kondensator erzeugt darin Verlustleistung:

Diese Wärme entsteht im Inneren des Bauteils und heizt genau den Elektrolyten auf, dessen Verdunstung die Lebensdauer bestimmt. Der Zusammenhang ist damit unangenehm rückgekoppelt: Rippelstrom erwärmt → ESR steigt mit dem Austrocknen → mehr Verluste → noch wärmer. Am Ende steht ein Ausfall, der sich über Jahre selbst beschleunigt hat.

Deshalb steht im Datenblatt ein zulässiger Rippelstrom, und deshalb ist er bei Schaltnetzteilen und Siebelkos oft das eigentliche Auslegungskriterium -- nicht die Kapazität.

Zwei weitere Eigenheiten des ESR:

• Er steigt zu tiefen Temperaturen stark an, weil der Elektrolyt zähflüssiger wird. Ein Gerät, das bei −20 °C nicht startet, hat oft genau dieses Problem.
• Er fällt zu hohen Frequenzen nicht beliebig ab. Oberhalb einiger zehn Kilohertz ist der Elko als Abblockung wirkungslos; dort übernimmt Keramik. Die verbreitete Kombination „Elko für die Energie, Kerko für die Geschwindigkeit" hat genau hier ihren Grund.

Verwandte mit anderem Elektrolyten

Polymertypen haben in Netzteilen und auf Mainboards die klassischen Elkos weitgehend verdrängt -- sie können nicht austrocknen, weil nichts Flüssiges vorhanden ist. Dafür sind sie teurer und selten für hohe Spannungen zu haben.

Praxisfallen

• Formieren nach langer Lagerung. Die Oxidschicht baut sich über Jahre ohne Spannung teilweise ab; der Leckstrom ist dann anfangs hoch. Alte Lagerware, besonders bei Hochvolttypen, langsam über einen Widerstand hochfahren, statt sie direkt ans Netzteil zu hängen.
• Reihenschaltung nur mit Symmetrierung. Wer zwei Elkos für höhere Spannungsfestigkeit in Reihe schaltet, muss Widerstände parallel schalten -- sonst verteilt sich die Spannung nach den Leckströmen, und der bessere Kondensator bekommt zu viel ab.
• Leckstrom beachten. Elkos sind für lange Zeitkonstanten und Sample-and-Hold ungeeignet; ihre Selbstentladung ist um Größenordnungen höher als bei Folie.
• Toleranz ±20 % ist normal, bei manchen Typen auch −10/+50 %. Für alles, wo der Wert zählt, ist der Elko das falsche Bauteil.
• SMD-Elkos vertragen Reflow nur begrenzt. Profil und Anzahl der Lötvorgänge stehen im Datenblatt, und sie sind dort ernst gemeint.

Die Kondensatorpest. Zwischen etwa 1999 und 2007 fielen weltweit Mainboards, Monitore und Netzteile reihenweise durch aufgeplatzte Elkos aus. Ursache war eine fehlerhafte Elektrolytrezeptur mehrerer Hersteller, die Wasserstoff entwickelte. Das Ergebnis ist bis heute das anschaulichste Argument dafür, bei Elkos nicht am Hersteller zu sparen -- ein Bauteil mit chemischer Lebensdauer ist immer so gut wie seine Rezeptur.

Weiterführendes

• Kondensator-Bauarten im Vergleich -- Übersicht mit Auswahltabelle
• Keramikkondensator (MLCC) -- der Partner fürs Schnelle
• WIMA MKS2 -- Folie, wenn der Wert stimmen muss
• Kondensator und Dielektrika -- die Physik dahinter
• Herleitung: Plattenkondensator -- woher \(C = \varepsilon_0\varepsilon_r A/d\) kommt
• Bauteile-Bibliothek -- alle Steckbriefe