Ratgeber
Clevere Technik kompakt verpackt: Elektrolytkondensatoren werden nicht nur in der Industrie und im Elektronikgewerbe in hoher Stückzahl benötigt. Auch für taltentierte Fachkräfte und handwerklich geschickte Personen sind die unterschiedlichsten Kondensatortypen unverzichtbare Elemente ihrer elektronischen Grundausstattung.
Ein Kondensator besteht aus zwei elektrisch leitfähigen Platten, die sich mit geringem Abstand gegenüber stehen. Eine Platte wird als Anode und die andere Platte als Kathode bezeichnet. Damit die beiden Platten keinen leitenden Kontakt zueinander bekommen, werden sie durch das Dielektrikum elektrisch voneinander isoliert.
Wenn hohe Kondensator-Kapazitäten gefragt sind, greifen Fachkräfte häufig und gerne zu Elektrolytkondensatoren, kurz: Elkos.
Ein Elko ist ein Kondensator, dessen Anode aus einem Metall besteht, auf dem eine dünne, elektrisch isolierende Oxidschicht aufgebracht wurde. Diese Schicht bildet das Dielektrikum des Kondensators. Die Kathode des Elkos besteht aus einem mit Elektrolyten getränkten Wickel, der die Anode umgibt.
Die Kapazität von Elektrolytkondensatoren wird normalerweise in µF (Mikrofarad) angegeben. Analog zum Plattenkondensator wird die Kapazität durch die Geometrie der Anodenoberfläche und durch die Dicke der Oxidschicht und somit durch den Plattenabstand bestimmt.
Das Schaltzeichen eines Elkos
Die Kapazität eines Elkos ist frequenzabhängig. Da sie sich bei Gleichspannung nicht effizient messen lässt, wird sie standardmäßig mit einer Wechselspannung von 0,5 V und einer Frequenz von 100/120 Hz bei Raumtemperatur gemessen. Der so gemessene Kapazitätswert liegt etwa 10 Prozent unter dem Wert, der der gespeicherten Ladung entspricht.
Der Aufbau eines Elektrolytkondensators lässt sich am einfachsten anhand eines Aluminium-Elektrolytkondensators aufzeigen.
Die zur Oberflächenvergrößerung aufgeraute Anodenfolie mit der Dielektrikum-Schicht (3) wird zwischen einem saugfähigen Material (z.B. Papier) aufgerollt. Das Papier (2) nimmt später die flüssigen Elektrolyte auf und sorgt für eine großflächige Kontaktierung zur Anodenfolie. Die Kontaktierung zum Elektrolyt wiederum übernimmt ebenfalls eine Aluminiumfolie (1), die dann als Kathodenanschluss dient. Die Kontaktstreifen beider Folien werden über die Anschlussdrähte (4) nach außen geführt.
Der fertige Wickel wird mit dem Elektrolyten getränkt und in einem Becher eingebaut. Ein Gummistopfen, durch den die Anschlussdrähte geführt werden, verschließt den Becher.
Um seine Wirkung optimal ausspielen zu können, muss der Elektrolyt die Anodenoberfläche möglichst vollständig bedecken. Aus diesem Grund werden auch feste Elektrolyte zunächst in flüssiger Form eingebracht und anschließend verfestigt.
Das besondere an Elektrolytkondensatoren ist ihre äußerst dünne, aber extrem spannungsfeste Oxidschicht (etwa 10−9 m/V). Gemeinsam mit der aufgerauten Anodenstruktur (das heißt einer großen Anodenfläche) führt dies dazu, dass Elkos im Vergleich zu den anderen Kondensatorformen eine vergleichsweise hohe Kapazität aufweisen. Ihre Kapazität ist jedoch deutlich kleiner als die elektrochemischer Superkondensatoren.
Nahezu alle Elektrolytkondensatoren sind polar, das heißt sie müssen richtig gepolt werden und dürfen nur mit Gleichspannung betrieben werden. Dabei ist die Anode stets der Pluspol. Eine falsche Polung oder zu hohe Spannungen können das Dielektrikum des Elkos zerstören. Aluminium-Elektrolytkondensatoren können dann explodieren und Tantal-Kondensatoren können Feuer fangen. Aus diesem Grund ist immer auf die richtige Polung von Kondensatoren zu achten.
Um die Gefahr der Falschpolung zu minimieren, ist auf allen Elkos eine Polaritätskennzeichnung aufgedruckt. Bei vielen Kondensatoren ist der positiv zu polende Anodendraht etwas länger als der Kathodendraht.
Tantal-Kondensatoren
Bei tropfenförmigen Tantal-Kondensatoren ist ein kleines Plus-Zeichen beim Plus-Anschluss aufgedruckt.
Minus-Kondensatoren
Bei Axial-/Radial- und Snap in-Kondensatoren kennzeichnet ein Balken oder ein Ring den Minus-Anschluss.
Aluminium-Elektrolytkondensator
Bei SMD Aluminium-Elektrolytkondensatoren kennzeichnet der Balken den Minus-Anschluss.
SMD-Tantal-Kondensator
Bei SMD-Tantal-Kondensatoren markiert der Balken den Plus-Anschluss.
Biopolare Elektrolytkondensatoren
In Lautsprecherboxen mit Frequenzweiche kommen bipolare Elektrolytkondensatoren zum Einsatz. Diese Kondensatoren sind so ausgelegt, dass die anliegende Spannung umgepolt werden kann, ohne dass die Kondensatoren Schaden nehmen.
Bei genauerer Betrachtung der Frequenzweiche fällt also auf, dass die verwendeten Elektrolytkondensatoren keine Polaritätskennzeichnung aufweisen. Eine Falschpolung ist somit ausgeschlossen.
Wichtig:
Im Schadensfall dürfen anstelle von bipolaren Elektrolytkondensatoren keine gepolten Kondensatoren eingesetzt werden!
Entsprechend des verwendeten Anodenmaterials (beziehungsweise dessen Oxid als Dielektrikum) gibt es drei Hauptgruppen von Elkos.
| Anodenmaterial | Aluminium | Tantal | Niob |
|---|---|---|---|
| Kapazitätsbereich | 0,1 - 2.700.000 µF | 0,1 - 15.000 µF | 1 - 1500 µF |
| Nennspannung | 2,0 - 630 V | 2,5 - 150 V | 2,5 - 10 V |
| Eigenschaften | Große Bauformvielfalt; besonders preiswert | Höchste Kapazität pro Grundfläche; überwiegend in SMD-Bauform | Ähnlich wie Tantal-Elkos, aber sehr teuer; vorwiegend für militärische Anwendungen |
Die Eigenschaften der Oxidschicht an der Anode bestimmen die Spannungsfestigkeit eines Elkos. Dabei ist die Nennspannung diejenige Spannung, die der Elko auf Dauer aushält, ohne dass es zu einem Durchschlag kommt. Die Spannungsfestigkeit der Oxidschicht (das heißt die Spannung, an der es zu einem Durchschlag kommt) sinkt mit steigender Temperatur. Mit Elkos lassen sich wesentlich kleinere Nennspannungen realisieren als mit Folien- oder Keramikkondensatoren. Das macht sie zu guten Kandidaten für moderne Schaltungen mit hoher Bauteildichte.
Unser Praxistipp:
Wenn Sie Ihren Elektrolytkondensatoren dauerhaft unterhalb der spezifizierten Nennspannung betreiben, wirkt sich das positiv auf seine Lebensdauer beziehungsweise zu erwartende Ausfallrate aus.
Das Datenblatt eines Elektrolytkondensators
Bei kleineren Bauformen werden die Kapazität und die Toleranz nach IEC/DIN EN 60062 mit Kurzkennzeichen angegeben:
- µ85 = 0,85 µF oder 8µ5 = 8,5 µF oder 85µ = 85 µF
- In einer alternativen Kurzschreibweise geben die ersten beiden Ziffern den Wert in Pikofarad an, die dritte Zahl gibt den Zehnerexponenten an. Die Zahl 384 bedeutet also 38∙104 pF = 0,38 µF.
- Die Toleranz wird mit einem Buchstaben gekennzeichnet: K = ± 10 % (bei Tantalkondensatoren), M = ± 20 %
Elkos gibt es mit verschiedenen Anschlussmöglichkeiten:
SMD/SMT-Elkos werden direkt auf die Platine gesetzt.
Ein Elko mit axialer Bedrahtung.
Ein Elko mit radialer Bedrahtung.
Elko mit Snap-In-Vorrichtung zum Einbau.
Ein Elko mit Schraubanschluss.
Eine Besonderheit von Elkos besteht darin, dass sie von einem sogenannten Leckstrom (Leaked) durchflossen werden, wenn Sie eine Gleichspannung mit der richtigen Polarität anlegen. Die Ursache für den Leckstrom liegt in Verunreinigungen und mechanischen Beschädigungen des Dielektrikums. Der Leckstrom ist kapazitäts-, spannungs-, temperatur- und zeitabhängig und wird zudem auch von den verwendeten Materialien beeinflusst. Er wird meist über das Produkt CR ∙ UR der Nennkapazität und der Nennspannung angegeben.
Obwohl der Leckstrom moderner Elkos recht klein ist, sind sie deutlich höher als bei anderen Kondensatorformen. Deshalb eignen sich Elkos nicht für Schaltungen, mit deren Hilfe präzise Zeitmessungen durchgeführt werden oder zur Stabilisierung von hochohmigen Spannungsquellen.
Bei einem Aluminium-Elektrolytkondensator werden die „Platten“ als eine mit dem Elektrolyt getränkte Wicklung in einem Alubecher untergebracht und danach mit einem Gummistopfen verschlossen. Aufgrund dieser Bauweise ergibt sich folgendes Ersatzschaltbild:
Parallel zu einem idealen Kondensator (C) müssen Sie sich einen sehr hochohmigen Widerstand (RLeak) vorstellen, über den der Leckstrom fließt. Der Widerstand RESR (Equivalent Series Resistance = entsprechender Serienwiderstand) stellt den inneren Verlustwiderstand des Kondensators dar. Dieser wird durch die Konstruktion, durch die Kontaktierung, durch das verwendete Material und letztendlich durch die Leitfähigkeit des Elektrolyts (Kathode) beeinflusst. Für einige Anwendungen, z.B. in Stromversorgungsschaltungen, ist es erforderlich, dass die verwendeten Elektrolytkondensatoren einen geringen Verlustwiderstand aufweisen. In diesem Fall werden spezielle Low ESR-Kondensatoren eingesetzt.
Aufgrund des gewickelten Aufbaus eines Aluminium Elektrolytkondensators ergibt sich aber auch eine gewisse Induktivität LESL(Equivalent Series Inductivity = entsprechende Serieninduktivität), die in Serie zum Kondensator geschaltet ist. Durch eine mehrfache Kontaktierung der Aluminiumfolien wird versucht, diese ungewünschte Induktivität so gering wie möglich zu halten. Aus diesem Grund sind Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren auch nicht für Hochfrequenz-Anwendungen geeignet.
Dank ihrer großen Kapazität eignen sich Elektrolytkondensatoren besonders
- zum Entkoppeln unerwünschter Frequenzen (bis hin zu einigen Megahertz)
- zum Ein- und Auskoppeln von Wechselspannungssignalen (Level Shifting)
- zum Glätten gleichgerichteter Spannungen in Netzteilen
- zum Puffern von Versorgungsspannungen bei plötzlichen Lastspitzen (Stützkondensator)
- als Strom- beziehungsweise Energiespeicher (zum Beispiel in unterbrechungsfreien Stromversorgungen)
Die große Kapazität hat auch einen geringen Blindwiderstand für Wechselspannungen zur Folge. Deshalb eignen sich Elkos auch als Koppelelement für Niederfrequenz-Signale.
Was ist der Unterschied zwischen SMD- und SMT-Elkos?
Es gibt keinen Unterschied zwischen diesen beiden Elko-Typen. SMD steht für „surface mount device” (deutsch: oberflächenmontiertes Bauteil). Die Technik, mit der das Bauteil montiert wird, heißt „surface mounting technology“ oder kurz SMT (deutsch: Oberflächenmontage). SMD bezieht sich also auf eine Eigenschaft des Kondensators, während sich SMT auf die zugrundeliegende Technologie bezieht.
Was ist ein Polymer-Elektrolytkondensator?
In Polymer-Elektrolytkondensatoren dienen leitfähige Polymere, deren Leitfähigkeit nahe an diejenige von Metallen heranreicht, als Elektrolyt. Mit Hilfe dieser hochmodernen Elkos lassen sich noch kleinere Baugrößen und noch geringere interne ohmsche Verluste beziehungsweise interne Induktivitäten realisieren.
Wenn Sie ausreichend Platz für Ihre Schaltung haben und/oder Spannungen benötigen, die größer als 50 V sind, machen Sie mit einem Aluminium-Elko mit flüssigem Elektrolyten nichts verkehrt. Diese Bauteile werden in unzähligen elektronischen Bauteilen eingesetzt. Tantal- und Niob-Elkos kommen ins Spiel, wenn Sie nur wenig Platz zur Verfügung haben, zum Beispiel in sehr flachen Elektrogeräten. Außerdem arbeiten diese Elkos über einen sehr großen Temperaturbereich hinweg extrem stabil. Wenn Sie also über militärische und Weltraum-Anwendungen nachdenken, sind Sie bei Tantal- beziehungsweise Niob-Elkos an der richtigen Adresse.