In letzter Zeit hat es ein elektronisches Bauelement bis in diverse TV-Verbrauchersendungen geschafft. Wiederholt wurde über Untersuchungen berichtet, wonach immer mehr elektronische Unterhaltungs- und Hausgeräte kurz nach dem Ende der Garantiefrist ausfallen. Die Ursache dafür waren zumeist Alu- minium-Elektrolytkondensatoren, sodass der Verdacht geäußert wurde, es könnte sich um geplante Ausfallmechanismen handeln.Tatsache ist, dass Aluminium-Elektrolytkondensatoren („Alu-Elkos“) zu den Elektronik-Bauteilen mit einer begrenzten Lebensdauer zählen. Diese hängt in diesem Fall entscheidend von der sorgfältigen Auswahl der richtigen Type ab, und kann dann auch problemlos die zu erwartende Gerätelebensdauer erreichen. Es sind Standard-Produkte mit einer Nennlebensdauer zwischen 1.000 und 25.000 Stunden erhältlich. Diese Werte beziehen sich auf den Betrieb bei den Nennparametern der Kondensatoren. Beim Einsatz unterhalb dieser Werte steigt die Lebenserwartung noch erheblich an. Für die folgenden Anwendungen sind Alu-Elkos optimal geeignet, da diese bei relativ kleinen Abmessungen und günstigem Preis mit hohen Kapazitätswerten und Spannungen erhältlich sind. Sie bilden mit einem wertmäßigen Anteil von etwa 25 Prozent am Kondensatoren-Markt nach den Keramikkondensatoren die zweitgrößte Produktfamilie.
Generell zur Glättung von Gleichspannungen (in Netzteilen aller Bauarten), in Schaltnetzteilen zur Kopplung und Speicherung, in Foto-Blitzleuchten, in Motoransteuerungen, in Frequenzwandlern.Die wichtigsten Kenngrößen zur Bestimmung eines Alu-Elkos sind:
Kapazität, Kapazitätstoleranz, Nennspannung, zulässiger Ripplestrom, Scheinwiderstand (ESR), Umgebungstemperaturbereich, Lebensdauer.Aufbau
Ein Aluminium-Elektrolytkondensator besteht aus einem Lagenwickel verschiedener Materialien. Eine Anodenfolie aus Aluminium erhält eine elektrisch isolierende Oxidschicht und stellt das Dielektrikum dar. Die Kathode wird durch eine mit einem flüssigen Elektrolyt getränkte Schicht gebildet. Die Anschlüsse werden entsprechend angebunden und das komplette Element anschließend mit einem Aluminiumbecher umschlossen. An der Unterseite befindet sich zur Abdichtung ein Gummistopfen, der ein Verflüchtigen des Elektrolytes verhindern soll, was jedoch nicht zu 100 Prozent möglich ist. Hierin liegt der Haupt-Nachteil dieser Konstruktion, da mit fortschreitender Austrocknung der Kathodenschicht die Kapazität des Kondensators absinkt. Da der Elektrolyt bei Erwärmung innerhalb des Bechers Gase bildet, ist zwischen dem Element und der Becherwandung ein Hohlraum zur Ausdehnung erforderlich. Im Fehlerfall entstehender abnormaler Innendruck kann durch ein Notventil an der Oberseite des Kondensatorbechers entweichen. Dieses Ventil besteht aus einigen in das Bechermaterial geprägten Sollbruchstellen und ist bei Elkos mit flüssigem Elektrolyten ab einer Kapazität von 330 µF vorgeschrieben. Elkos mit Flüssig-Elektrolyt sind bis 1F und 600 V von diversen Herstellern erhältlich. Durch die laufende Weiterentwicklung der Folienmaterialien wurde in den letzten Jahrzehnten eine Verkleinerung der Baugröße um etwa 90 Prozent erreicht.Aktuell sind Alu-Elkos als bedrahtete Versionen hauptsächlich mit radialen Anschlüssen erhältlich (axiale Bauformen verschwinden sukzessive vom Markt), für größere Kapazitäten gibt es auch Snap-In-Ausführungen oder Typen mit Schraubanschlüssen. Die SMD-Varianten basieren zumeist auf den normalen radialen Ausführungen, besitzen jedoch an der Unterseite einen SMD-kompatiblen Sockel. Im Laufe der Zeit entwickelten die Hersteller Ausführungen, bei denen der flüssige durch einen Fest-Elektrolyten ersetzt wurde, um die Lebensdauer zu erhöhen.SAL-Elkos besitzen einen festen Elektrolyt aus Braunstein. Sie sind nur im Bereich bis 1.000 µF und 40 V von einem Hersteller erhältlich. Die Vorteile liegen neben einer langen Lebensdauer in einem niedrigeren ESR und einer höheren Ripple-Belastbarkeit. Der Preis ist höher als bei nassen Alu-Elkos. OS-CON-Elkos haben einen festen Elektrolyt aus einem leitfähigen Salz. Es gibt sie bis 2.700 µF und 35 V von einigen Herstellern. Hier entfällt ebenfalls die Lebendauergrenze durch den Flüssig-Elektrolyt, bei nochmals reduziertem ESR ist eine höhere Ripple-Belastung zulässig. Auch hier bedingen diese Vorteile einen höheren Preis. Polymer-Elkos werden mit einem Fest-Elektrolyt aus leitfähigem Polymer hergestellt. Der Wertebereich geht hier bis 2.200 µF und 63 V. Es gibt mehrere Hersteller. Auch in diesem Fall sind die Werte für ESR und Ripple besser und der Preis erheblich höher. Trotz dieser konstruktiv verbesserten Elko-Typen ist der Aluminium-Kondensator mit flüssigem Elektrolyt wegen seines großen Wertespektrums und des niedrigen Preises bei Weitem meistverwendet.
Ausfall durch Erwärmung
Der Elektrolyt verdunstet allmählich - und zwar umso schneller, je höher die Elko-Temperatur wird. Hierzu ist die Arrhenius-Regel zu beachten. Sie besagt, dass eine Steigerung der Temperatur um 10 °C die Lebensdauer jeweils um die Häfte reduziert. Falschpolung oder Überspannung führen zur umgehenden Zerstörung, indem der Elko mittels Überdruckventil quasi „explodiert“. Ein hoher Ripplestrom verkürzt bei falscher Elko-Auswahl über eine ständige Temperaturerhöhung die Lebensdauer, ebenso vorübergehende leichte Überspannung oder ständiges Laden bzw. Entladen durch Schaltvorgänge. Da dies alles Situationen sind, wie sie in Schaltnetzteilen vorkommen, ist besonders dort eine gewissenhafte Bauteilauswahl unerlässlich.Für eine Kalkulation der zu erwartende Lebensdauer eines Elkos stellen einige Hersteller Berechnungsprogramme bereit, bei denen nach Eingabe der relevanten Betriebsparameter die voraussichtliche Lebensdauer automatisch angezeigt wird. Es müssen unter anderem folgende Parameter eingegeben werden:
Maximale Umgebungstemperatur, Temperaturerhöhung durch Ripplestrom, maximale Nenntemperatur des Elkos, maximale Nennspannung des Elkos, maximale Spitzenspannung der Schaltung (nicht der Effektivwert!).Hierbei ist natürlich die Ermittlung der Ripplestrom-abhängigen Temperaturerhöhung schwierig. Man muss über einen Laboraufbau versuchen, die Temperatur des Elkos mit und ohne Ripplestrom zu messen. Eine andere Möglichkeit ist eine Schätzung, da der größte Teil der Erwärmung normalerweise durch den Ripplestrom hervorgerufen wird. Eine weitere Fehlerquelle stellen in der Nähe eines Elkos montierte Wärmequellen dar. Dies wird gerade bei Netzteilen oft übersehen, kann jedoch starke Auswirkungen auf die Lebensdauer haben.
Ausfall durch mechanische Einwirkung
Hierunter sind ständige mechanische Einwirkungen auf das Kondensatorgehäuse zu verstehen, wie sie beispielsweise durch Verspannung der Anschlussdrähte oder Biegebeanspruchungen an einer Leiterplatte entstehen können. Ebenso kann es durch regelmäßige Schwingungen oder Schockeinwirkung auf den Elko zum Ausfall kommen. Dies ist ein besonders schwer zu lokalisierendes Problem, da rein äußerlich kein Defekt sichtbar ist. Es ist nämlich nicht ausreichend, das Elkogehäuse äußerlich zu fixieren, vielmehr kann auch das Kondensatorelement innen im Becher an den Anschlusspads brechen. Diesem Problem kann nur durch Verwendung einer Kondensatortype mit zusätzlicher mittiger Fixierung des Wickelelements oder einer Ausführung mit einer hexagonförmigen Einpressung am Becherumfang begegnet werden. Dadurch wird eine Bewegung des Elements verhindert, der Hohlraum für die Ausdehnung der Elektrolytdämpfe bleibt jedoch erhalten.
