Bauelemente Elkos und Fokos im Vergleich

Aufgrund der hohen Volumenkapazität und Spannungsfestigkeit verbunden mit guter Rippelstrom-Tragfähigkeit werden Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren (Elkos) zum Beispiel als Puffer in Gleichspannungs-Zwischenkreisen von Frequenzumrichtern, elektronischen Antrieben oder Stromversorgungen bevorzugt eingesetzt. Wegen ihres flüchtigen Elektrolytanteils ist ihr Einsatz jedoch zeitlich limitiert. Alternativ bedienen sich Entwickler heutzutage immer häufiger neueren Entwicklungen im Bereich der Folien-Kondensatoren (Fokos), den sogenannten DC-Link-Kondensatoren.

Fokos bieten in mehrerlei Hinsicht Vorteile gegenüber Elkos: „trockener“ Aufbau und dadurch eine höhere Zuverlässigkeit, niedrige Eigeninduktivität, höhere Strombelastbarkeit, niedriger Verlustfaktor/ESR (Equivalent Series Resistance), hohe Spannungsfestigkeit, Selbstheilungseigenschaften. Allerdings erreichen heutige Fokos in adäquater Baugröße noch nicht die Kapazitäten von Elkos. Fokos sind daher noch auf Anwendungen fokussiert, welche mit geringeren Kapazitäten auskommen.

Für die Systemauslegung spielt die Lebensdauer beziehungsweise Zuverlässigkeit der Bauelemente eine entscheidende Rolle. Zur Entscheidung ob Elkos oder Fokos eingesetzt werden sollen/können, benötigen Ingenieure eine vergleichbare Bewertung der Lebensdauererwartung. Für beide Kondensator-Arten gibt es heute unterschiedlichste Bewertungsansätze, die jedoch nicht direkt vergleichbar sind. Diese gilt es zu verstehen und zu bewerten.

Elkos

Wesentlicher Bestandteil von Elkos ist der als Kathode fungierende flüssige Elektrolyt. Diese ionisierte, leitfähige Flüssigkeit bestimmt maßgeblich die Charakteristik und das Langzeitverhalten des Kondensators. Da sich diese Flüssigkeit mit der Zeit im Kondensator verbraucht oder durch chemische Reaktionen verändert, ist sie für die limitierte Lebensdauer des Elkos mit verantwortlich. Langfristig sinkt durch den Elektrolytverlust die Kapazität des Kondensators ab beziehungsweise durch Veränderung des Elektrolyten steigen der äquivalente Serienwiderstand ESR und Verlustfaktor sowie der Betriebsreststrom an. Das Lebensdauerende des Kondensators ist definitionsgemäß erreicht, wenn die Kapazität unter einen vorgegebenen Wert abgesunken oder der Verlustfaktor beziehungsweise Leckstrom über einen vorgegebenen Wert angestiegen ist. Das sind dann so genannte Änderungsausfälle.

Elektrolytveränderung und -verlust finden kontinuierlich sowohl im belasteten als auch im unbelasteten Zustand des Kondensators statt. Mathematisch lässt sich dieser eher deterministische Vorgang zwar noch nicht exakt erfassen, jedoch durch geeignete Simulationsmodelle nachbilden. Es ist bekannt, dass sich mit steigender Temperatur die Änderungseffekte verstärken und sich durch die bekannten Zusammenhänge nach Arrhenius in einem weiten Temperaturbereich recht gut beschreiben lassen. Ebenso führt die Strombelastung des mit ohmschen Verlusten behafteten Elkos zu einer Eigenerwärmung, die wiederum Elektrolytverlust und -veränderung fördert. Der Vollständigkeit halber sei auch die Beeinflussung durch die angelegte Betriebsspannung erwähnt.

Die zu erwartende Lebensdauer eines Elkos wird in aller Regel durch die Formel
L_x  = L₀ * K_T * K_r * K_V
beschrieben, wobei L₀ die bei Maximalbedingungen mindestens erreichbare Lebensdauer nach Datenblatt angibt, K_T den nach Arrhenius beschriebenen Korrekturfaktor in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur des Kondensators, K_r den Korrekturfaktor für die Strombelastung und K_V den Korrekturfaktor für die angelegte Betriebsspannung. Die Formeln für die Korrekturfaktoren können je nach Elektrolytsystem und Aufbau des Kondensators variieren und werden insbesondere für den Stromfaktor herstellerindividuell festgelegt. Typischerweise lässt sich die Veränderung der Lebensdauer für Elkos wie folgt abschätzen: Pro 10 Kelvin Temperaturänderung findet etwa eine Verdoppelung oder Halbierung der Lebensdauer statt. Eine geringere Strombelastung kann maximal etwa eine Verdoppelung der Lebensdauer bewirken.

Fokos

Fokos sind „trocken“ aufgebaut, in der Regel aus metallisierten Kunststoff-Folien oder als Kombination aus Kunststoff- und Metallfolien. Ihre Kathode wird im Gegensatz zum Elko aus festen Metallfolien oder -belägen gebildet und trocknet nicht aus wie beim Elko. Theoretisch würde dies zu einer unendlichen Lebensdauer führen. In der Praxis erfahren jedoch auch Folienkondensatoren Alterungserscheinungen wie Kapazitätsverlust oder Veränderung des Verlustfaktors. Dies geschieht jedoch nicht in kontinuierlichen Prozessen sondern durch sporadische Belastung wie Spannungsimpulse. Dabei wird lokal die Metallisierung der Folie reduziert oder in nichtleitendes Metalloxid umgewandelt. Beides führt zu Kapazitätsverlust.

Auch hohe thermische Belastungen können bei den temperaturempfindlichen Kunststoff-Folien zu Veränderungen führen. Langfristig werden daher auch bei Folienkondensatoren Änderungsausfälle oder Totalausfälle festzustellen sein. Ihre Ursache liegt allerdings nicht im kontinuierlichen Verbrauch von Elektrolyt sondern ist durch statistisch auftretende Belastungsereignisse bedingt. Eine zeitliche Beschreibung mit deterministischen Methoden ist nach heutigen Kenntnissen nicht möglich. Mit Hilfe von Langzeiterfahrungen und Methoden der Statistik wird daher eine Ausfallwahrscheinlichkeit berechnet. Ihr Kehrwert liefert eine statistische Aussage über die Zeitdauer bis zum Auftreten von Ausfällen. Mathematisch wird die Ausfallrate in der Regel mit der Formel
λ = λ₀ * π_T * π_V
beschrieben, wobei λ₀ den Erwartungswert unter Normbedingungen, π_T einen Korrekturfaktor für die Temperaturbelastung und π_V einen Korrekturfaktor für die Spannungsbelastung beschreibt.

Der Erwartungswert λ₀ wird seitens der Hersteller aus Felderfahrungen und Langzeitversuchen abgeleitet. Dabei werden die während der Testzeit auftretenden, sporadischen Ausfälle ermittelt. In der Regel wird ein beschleunigter Alterungstest unter Referenzbedingungen durchgeführt und anhand von Erfahrungswerten auf andere Betriebsbedingungen umgerechnet. Die in dieser Hochrechnung steckenden Unsicherheiten werden durch einen sogenannten Vertrauensfaktor (confidence level) bewertet. Stressbelastung durch Temperatur und Spannung findet in den statistischen Korrekturfaktoren π_T und π_V Berücksichtigung.

Es obliegt der Philosophie der einzelnen Hersteller mit welchem Vertrauensfaktor die Hochrechnungen bewertet und wie die Korrekturfaktoren angesetzt werden. Hier nun ein typisches Beispiel:
Tabelle 1 und 2 zeigen die allgemeinen Korrekturfaktoren des Herstellers für Spannung und Temperatur. Ein Foko mit einem ermittelten Erwartungswert von λ₀ = 1 fit liefert bei 85 °C Betriebstemperatur und Nennspannungsbelastung demnach eine Ausfallrate von λ = 1 * 12 * 6,09 fit = 73 fit. Die zu erwartende Betriebsdauer t_SL – mittlere Zeitdauer bis zu der mit ersten Ausfällen zu rechnen ist – berechnet sich aus dem mit dem Vertrauensfaktor p bewerteten Kehrwert der Ausfallwahrscheinlichkeit
t_SL = p/λ
Wird nun laut Hersteller der Vertrauensfaktor bei zum Beispiel p (98 Prozent) = 0,015 angesetzt – das heißt, der Testumfang war unter gegebenen Konditionen groß genug, um mit einem recht genauen und zuverlässigen Ergebnis rechnen zu können – ergibt sich die zu erwartende Betriebsdauer des Kondensators zu t_SL = 0,015 / (73 * 10^-9) h also ungefähr 200.000 Stunden. Zum Vergleich: Die Lebensdauererwartung eines Standard-Elko liegt bei 85 °C und Nennspannung üblicherweise im 1-stelligen bis niedrigen 2-stelligen tausend Stundenbereich. Nebenbei sei bemerkt, dass auch für Elkos eine entsprechende statistische Ausfallwahrscheinlichkeit ermittelt werden kann.

Zuverlässigkeit nicht direkt vergleichbar

Die Lebensdauerberechnungen von Elkos und Fokos sind aufgrund ihrer Natur und Veränderungscharakteristiken nicht direkt vergleichbar. Elkos lassen sich in zwei Kategorien einteilen:

• Brauchbarkeitsdauer deterministisch betrachtet: Aus herstellerspezifischen Berechnungsmodellen lässt sich ein Zeitraum ermitteln, für welchen die Kennwerte des Kondensators innerhalb vorgegebener Grenzen bleiben. Die Veränderungen im Kondensator finden kontinuierlich sowohl im belasteten als auch unbelasteten Fall statt.

• Ausfallwahrscheinlichkeit: Statistische Betrachtung nach welcher Zeit/Häufigkeit Totalausfälle auftreten können

Fokos unterliegen keinem vergleichbaren kontinuierlichen Prozess. Ihre Metallbeläge nutzen sich sporadisch unter Belastung ab. Daher kann nur eine Wahrscheinlichkeitsanalyse für etwaige Ausfälle durchgeführt und entsprechende statistische Erwartungswerte ermittelt werden. Die Ausfallwahrscheinlichkeit von Fokos liegt in der Regel weit niedriger als die entsprechende Brauchbarkeitsdauer von Elkos, weshalb Fokos diesbezüglich für den Langzeiteinsatz Vorteile bieten