Ratgeber
Auf bestückten Platinen lassen sie sich sehr leicht identifizieren: Elektrolytkondensatoren sind im Allgemeinen deutlich größer als normale Kondensatoren, Widerstände, Dioden oder Transistoren, vor allem bei der SMD-Bestückung. Grund dafür ist ihre besondere Technologie. In diesem Ratgeber erfahren Sie, wie Elektrolytkondensatoren oder kurz Elkos aufgebaut und welche Typen es gibt.
Ein Kondensator gehört zu den passiven Bauelementen in der Elektronik. Er besteht aus wenigstens zwei leitenden Platten, die durch ein isolierendes Dielektrikum voneinander getrennt sind.
Eine an die Platten angelegte Spannung baut ein elektrisches Feld über dem Dielektrikum auf und bewirkt, dass die Platten elektrische Ladung ansammeln.
Wird die Spannungsquelle entfernt, bleiben das Feld und die Ladung so lange bestehen, bis der Kondensator entladen ist. Wie viel Ladung bei einer bestimmten Spannung gespeichert werden kann, wird durch die Kapazität bestimmt.
Die SI-Einheit ist das Farad, benannt nach dem englischen Physiker Michael Faraday. Gänge Kapazität sind Mikrofarad – Abkürzung µF – und Millifarad mit der Abkürzung mF.
Ein Elektrolytkondensator ist ein Kondensatortyp, der einen Elektrolyten verwendet, um eine größere Kapazität als andere Kondensatortypen zu erreichen. Als Elektrolyt wird eine Flüssigkeit oder ein Gel mit einer hohen Ionendichte bezeichnet. Die Atome oder Moleküle dieser Substanz enthalten einen Mangel oder einen Überschuss an Elektronen und sind daher positiv oder negativ geladen.
Fast alle Elkos sind gepolt, das heißt: Die Spannung am positiven Anschluss muss immer größer sein als die Spannung am negativen Anschluss. Der Vorteil der großen Kapazität von Elektrolytkondensatoren bringt aber auch einige Nachteile mit sich. Zu diesen Nachteilen gehören Leckströme, Werttoleranzen, der äquivalenter Serienwiderstand ESR und eine begrenzte Lebensdauer.
Elkos enthalten entweder einen Nass-Elektrolyten oder einen aus festem leitfähigen Polymer. Sie werden in der Regel aus Tantal oder Aluminium hergestellt, obwohl sich auch andere Materialien wie beispielsweise Niob verwenden lassen. Superkondensatoren sind eine spezielle Unterart von Elektrolytkondensatoren, auch Doppelschicht-Elektrolytkondensatoren genannt, mit Kapazitäten von Hunderten und Tausenden von Farad.
Klassische Elkos sind in vielen Anwendungen zu finden, zum Beispiel in Netzteilen, Computer-Motherboards und vielen Messgeräten. Wenn sie gepolt sind, dürfen sie nur in Gleichstromkreisen verwendet werden. Die Gehäuse der Elkos enthalten in solchen Fällen ein aufgedrucktes Symbol, entweder ein Pluszeichen für den Plus-Anschluss oder einen Balken für den Minus-Anschluss. Eine Ausnahme bilden SMD-Tantal-Kondensatoren, hier markiert der Balken den Plus-Anschluss.
Die mit am häufigsten verwendeten Aluminium-Elektrolytkondensatoren oder kurz Alu-Elkos bestehen aus zwei Aluminiumfolien und einem mit Elektrolyt getränkten Papierzwischenstück. Eine der beiden Aluminiumfolien ist mit einer Oxidschicht überzogen und dient als Anode, während die unbeschichtete Folie als Kathode fungiert. Bei normalem Betrieb muss die Anode im Verhältnis zur Kathode eine positive Spannung aufweisen, weshalb die Kathode meist mit einem Minuszeichen oder einem Balken auf dem Kondensatorgehäuse gekennzeichnet ist.
In der Produktion des Kondensators werden die Anode, das mit Elektrolyt getränkte Papier und die Kathode gestapelt. Der Stapel wird aufgerollt, in ein zylindrisches Gehäuse eingefügt und mit Anschlussstiften versehen. Gängig sind dabei zwei Geometrien: axial und radial. Axiale Kondensatoren besitzen einen Stift an jedem Ende des Zylinders, während sich bei der radialen Geometrie beide Stifte am gleichen Ende des Zylinders befinden.
Elektrolytkondensatoren für die SMD-Bestückung gibt es sowohl in zylindrischer als auch in Blockform. Sie besitzen keine Anschlussstifte, sondern Kontaktflächen.
Je nach verwendetem Material und Elektrolyt werden Elektrolytkondensatoren in die folgenden Typen unterteilt.
Aluminium-Elektrolytkondensator
Bei Aluminium-Elektrolytkondensatoren handelt es sich um gepolte Kondensatoren, bei denen der Anodenanschluss aus einer Aluminiumfolie mit einer geätzten Oberfläche besteht. Durch den Anodisierungsprozess entsteht eine dünne isolierende Oxidschicht, die als Dielektrikum dient. Die Kathode wird durch eine zweite Aluminiumfolie gebildet, wenn ein nicht fester Elektrolyt die raue Oberfläche der Oxidschicht abdeckt.
Tantal-Elektrolytkondensator
Tantal-Elektrolytkondensatoren oder Tantal-Elkos bieten einen geringeren Leckstrom und einen geringeren ESR. Er enthält Tantalum, ein Metall, das als Anode dient, von einer Oxidschicht als Dielektrikum umgeben ist und einen Mantel aus einer leitfähigen Kathode besitzt. Diese Kondensatoren sind von Natur aus polarisierte Bauteile mit hoher Zuverlässigkeit. Sie verfügen über die höchste Kapazität bezogen auf ihre Grundfläche.
Niob-Oxid-Elektrolytkondensator
Niob-Oxid-Kondensatoren oder Niob-Elkos sind eine Art von Elektrolytkondensatoren, die Niob-Oxid als Dielektrikum verwenden. Sie ähneln in ihrer Konstruktion und ihren Leistungsmerkmalen den Tantal-Kondensatoren, werden aber seltener in elektronischen Schaltungen verwendet. Sie zeichnen sich vor allem durch hohe Kapazitätswerte aus, die bis zu mehreren hundert Mikrofarad reichen. Geschätzt wird an ihnen auch die geringe Leckage, das heißt, sie können ihre Ladung über einen längeren Zeitraum halten. Nachteilig sind ihre relativ hohen Kosten und die geringere Verfügbarkeit im Vergleich zu anderen Kondensatorentypen.
Bipolarer Elektrolytkondensator
Häufig sind bipolare Elektrolytkondensatoren in Frequenzweichen von Lautsprecherboxen zu finden, da sie relativ klein sind und weniger kosten als Folienkondensatoren mit gleicher Kapazität. Bipolare Kondensatoren besitzen aber meist einen höheren ESR-Wert als ein gleichwertiger Folienkondensator.
Es gibt zwei Arten von bipolaren Kondensatoren: glatte und aufgeraute. Dies bezieht sich auf die Art der für die Konstruktion verwendeten Folie. Der glatte Typ enthält geglättete Aluminiumfolie, die einen geringen Verlust aufweist und einen besseren Klang bietet.
Die aufgeraute Version verwendet Folien mit rauer Oberfläche. Sie wird durch ein spezielles Ätzverfahren erzeugt, das die Oberfläche vergrößert. Diese Kondensatoren sind im Vergleich zu ähnlich kapazitätsstarken Elkos kleiner und preisgünstiger.
Was sind die bevorzugten Einsatzbereiche von Elektrolytkondensatoren?
Elektrolytkondensatoren finden sich im Allgemeinen in Schaltungen zur Rauschfilterung, zur Entkopplung in Stromversorgungen, in Audioverstärkerschaltungen und in Tiefpassfiltern. In elektronischen Blitzgeräten dienen sie als Energiespeicher für das Blitzlicht.
Wie hoch ist die durchschnittliche Lebensdauer eines Elkos?
Die durchschnittliche Lebensdauer eines mit Elektrolyt gefüllten Kondensators wird auf etwa 15 Jahre geschätzt. Der größte Teil der Leistungseinbußen ist auf das Verdampfen oder Auslaufen von Elektrolyt zurückzuführen. Eine hohe Temperatur ist ein Katalysator für das Auslaufen oder Verdampfen von Elektrolyt und führt zu einer Abnahme der Kapazität und einem Anstieg der ursprünglich niedrigen Impedanz. Elkos mit einem Elektrolyten aus festem Polymer sind in dieser Beziehung im Allgemeinen langlebiger.
Welche Rolle spielt die Spannung bei Elektrolytkondensatoren?
Die auf dem Gehäuse angegebene Spannung eines Kondensators ist nicht der Nennwert, sondern die maximal vertretbare Spannung. Wenn die Spannungsquelle beispielsweise 9 Volt beträgt, sollte man einen Kondensator mit mindestens der doppelten Spannung wählen, also 18 Volt oder sogar 27 Volt.
Warum können Elektrolytkondensatoren explodieren?
Eine Explosion ist in der Regel auf die schnelle Entwicklung von Gasen im Kondensator und auf Überhitzung zurückzuführen. Ursache ist häufig ein hoher Wechselstrom, für den ein üblicher Kondensator mit Elektrolyt nicht ausgelegt ist.
Was sind Gold-Cap-Elkos?
Der Begriff Gold Cap ist ein Markenzeichen der Firma Panasonic. Es handelt sich dabei um kleine Doppelschicht-Elkos mit hoher Kapazität. Sie sind besonders nützlich für die Bypass-Versorgung von Geräten, die Daten im ausgeschalteten Zustand speichern. Da Gold-Cap-Elkos konstruktionsbedingt nicht überlastet werden können, benötigen sie keine Ladeelektronik.