Elektrolyt-Kondensatoren: Polarisation, Anwendungen & Symbole

Elektrolyt-Kondensator-Polarität erklärt

Warum sollte man einen solchen Kondensator verwenden und warum ist er polarisiert? Die Hauptfunktion dieses Kondensators besteht darin, als Reserve-Speicherbehälter für elektrische Energie für die Last zu dienen, auch wenn die Ausgangsspannung der Stromversorgung selbst—meist eine AC/DC-Stromversorgung—aufgrund der Natur der Leistungsregelungsschaltung Schwankungen bei 60/120 Hz (50/100 Hz in einigen Regionen der Welt) aufweist.

Ein 33uF Aluminiumkondensator von Lelon Electronics.

Der Kondensator ist analog zu einem Reservoir: Der Kern der Stromversorgung pumpt Energie (Wasser) in das Reservoir, jedoch nicht mit gleichbleibender Geschwindigkeit. Die Last (die Nutzer) entnimmt Wasser mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten, manchmal mit langsamen Änderungen und manchmal mit plötzlichen, vorübergehenden Nachfragesteigerungen. Dies muss trotz Schwankungen in der Hauptzufuhrleitung vom Wasseraufbereitungswerk erfolgen. Sie möchten keine Schwankungen im Wasserdruck (Spannung) wahrnehmen, obwohl sich die Durchflussrate (Strom) an der Quelle oder der Last verändert. 

Der Kondensator ist ein Puffer oder eine Reserve elektrischer Energie und erfüllt daher zwei Aufgaben – er glättet die Schwankungen im Ausgang des Grundreglers, wenn die Last konstant ist, und liefert Energie, wenn die Last selbst variiert. Aus diesen Gründen werden Elektrolytkondensatoren mit großem Wert, die am Ausgang von Stromversorgungen verwendet werden, oft als „Speicherkomponenten“ bezeichnet und dienen als grundlegende Filter gegen unerwünschte Schwankungen der Ausgangsversorgungsspannung, trotz Änderungen der Eingangsspannung des Reglers oder der Lastanforderung.

Wie werden Elektrolytkondensatoren hergestellt?

Grundsätzlich wird ein Kondensator durch zwei leitfähige Oberflächen gebildet, die durch ein Dielektrikum getrennt sind. Dieses Dielektrikum kann Luft, Papier, Keramik oder eine spezialisierte elektrolytische chemische Schicht sein. Die meisten Elektrolytkondensatoren bestehen aus zwei sehr dünnen Schichten Metallfolie (Aluminium, Tantal oder Niob) mit einer dielektrischen Oxidschicht, die auf eine Schicht aufgetragen wird. Anschließend wird die gesamte Baugruppe aufgerollt (Abbildung 2). 

Die endgültige Einheit ist mit einer speziellen Beschichtung versiegelt, die aus Kunststoff, Epoxid, Metall oder einem anderen Material bestehen kann, um Feuchtigkeit fernzuhalten und das elektrolytische Material bei chemischem „Austritt“ oder einem Versagen des Gehäuses einzuschließen (Abbildung 3). 

Warum verwenden wir Elektrolytkondensatoren in der Stromversorgung?

Bei einem nicht-chemischen Dielektrikum ist der resultierende Kondensator nicht polarisiert und kann mit Wechselstromsignalen verwendet werden; außerdem kann er in der Schaltung in beide Richtungen eingebaut werden. Aufgrund der chemischen Eigenschaften des Films und der Konstruktion, die für elektrolytische Kondensatoren verwendet werden, gibt es jedoch eine Polarität bei der Installation und Nutzung. Eine Umkehrung der Spannung bei einem solchen Gerät führt zu einer Verschlechterung und schließlich zu einer Beschädigung.

Angesichts dieser Einschränkung stellt sich die Frage, warum überhaupt polarisierte Elektrolytkondensatoren verwendet werden sollten? Die Antwort ist einfach: Um eine hohe Kapazitätsdichte und den damit verbundenen Wert zu erreichen. Die meisten AC/DC-Netzteile benötigen eine Kapazität im Bereich von mehreren Hundert bis Zehntausend Mikrofarad (μF), und dies kann nur mit einer Elektrolytkondensator-Konstruktion in einer vernünftigen Größe realisiert werden. Würde Keramik oder Luft als Dielektrikum verwendet, wäre das Volumen des Kondensators leicht 100× bis 1000× größer. 

Die Kosten sind ebenfalls ein Faktor – ein größerer Kondensator würde mehr Material benötigen, was sowohl höhere direkte Kosten als auch den höheren „Kostenfaktor“ der Nutzung von mehr Platz auf der Leiterplatte oder eines insgesamt größeren Netzteils bedeutet. Superkondensatoren könnten als eine bessere und kleinere Alternative erscheinen, da sie problemlos Bewertungen von mehreren Farad bieten können, aber sie können den Rippelstrom oder die Lade-/Entladecharakteristik eines Netzteilreglers und seiner Last nicht bewältigen.

Wahl eines Elektrolytkondensators: Designparameter

Der Hauptparameter für diese Speicherbauelemente ist natürlich ihre Kapazität. Elektrolytkondensatoren beginnen bei Werten von etwa 1 μF und reichen bis in die Tausende von μF. Wenn mehr Kapazität benötigt wird, als ein einzelnes Bauelement liefern kann, können die Kondensatoren selbstverständlich parallel verwendet werden.

Der nächste Parameter, den der Designer auswählen muss, ist die Arbeitsspannung, die üblicherweise als WVDC (Working Voltage DC, Arbeitsspannung DC) bezeichnet wird. Dies ist die maximale Gleichspannungsbewertung, bei der der Kondensator zuverlässig arbeitet, und hängt vom Design und der Gehäuseausführung ab. Eine höhere WVDC erfordert ein physisch größeres Bauteil, um internem Durchschlagen und Durchbrechen standzuhalten, und ist kostenintensiver. Daher muss der Designer darauf achten, diesen Faktor nicht überdimensioniert zu spezifizieren. Die meisten Designer verwenden eine Sicherheitsmarge von 2× bei WVDC, um eventuelle Welligkeiten oder Transienten im Kondensator durch die Stromversorgung zu berücksichtigen; so würde ein 25-V-WVDC-Kondensator mit einer nominalen 12-V-Gleichstromversorgung verwendet werden.

Obwohl ein Kondensator im Idealfall genau das wäre; in der Realität hat jeder Kondensator einen gewissen äquivalenten Serienwiderstand (ESR) und eine Eigeninduktivität. Der ESR eines hochwertigen Kondensators liegt im Bereich von 0,1 bis 1 Ω; je höher der ESR ist, desto weniger verhält sich der Kondensator wie ein ideales Bauteil und könnte tatsächlich dazu führen, dass die Regler-Schaltung nicht korrekt funktioniert. Bei Elektrolytkondensatoren minderer Qualität steigt der ESR im Laufe der Zeit und bei höheren Temperaturen an und kann sogar Dutzende von Ohm erreichen, was zu nachteiligen Konsequenzen führt. Kondensatoren weisen zudem eine geringe Menge an Leckstrom auf, bedingt durch das nicht perfekte Dielektrikum.

Darüber hinaus besitzt jede reale Komponente natürlich parasitäre Induktivität; bei Kondensatoren liegt diese Induktivität im Bereich von einigen Millihenry (mH). Während dieser geringe Wert bei Netzfrequenzen im Allgemeinen kein Problem darstellt, kann er bei steigender Betriebsfrequenz des Netzteils problematisch werden und möglicherweise Instabilität im Stromkreis sowie sogar einen Ausfall verursachen. 

Elektrolyt-Kondensator Toleranz

Elektrolytische Kondensatoren haben ebenfalls Toleranzwerte, wie alle Komponenten; eine Toleranz von ±20 Prozent ist üblich, obwohl einige mit engeren Toleranzen spezifiziert sind. Obwohl dies wie eine große Toleranzspanne erscheinen mag, ist sie in der Anwendung akzeptabel.

Um die Leistung und Stabilitätsanalyse eines Designers zu unterstützen, stellen die meisten Kondensatorhersteller Modelle zur Verfügung, die den ESR, Induktivität, Leckwiderstand und andere nicht ideale Eigenschaften enthalten (Abbildung 4). Diese können sowohl bei Netzfrequenz als auch bei höheren Frequenzen und zudem bei verschiedenen Temperaturen dargestellt werden. 

Toleranz von Elektrolytkondensatoren

Elektrolytkondensatoren sollen in der Regel viele Tausend Stunden lang gemäß den Spezifikationen funktionieren, obwohl sie oft über ihre maximale „spezifikationsgerechte“ Lebensdauer hinaus mit akzeptablen Ergebnissen verwendet werden. (Denken Sie an ein Netzteil in einem langlaufenden Desktop-PC, der die meiste Zeit eingeschaltet ist.) 

Zusätzlich zur offensichtlichen Verwendung außerhalb der festgelegten Bewertungen ist jede elektronische Komponente Faktoren ausgesetzt, die ihre Zuverlässigkeit und Lebensdauer beeinflussen, und Elektrolytkondensatoren sind da keine Ausnahme. 

Wärme ist der häufigste Faktor, der ihre Lebensdauer verkürzt: Ein Kondensator, der für 10.000 Stunden bei 25⁰C ausgelegt ist, benötigt eine Herabsetzung der Nennwerte, wenn die Temperatur steigt, und könnte nur für 1.000 Stunden bei 85⁰C und noch weniger bei 105⁰C ausgelegt sein. Da die meisten dieser Kondensatoren mit Stromversorgungen verwendet werden, die normalerweise warm laufen und einen lokalen Temperaturanstieg über die Temperatur des Gesamtgehäuses hinaus aufweisen, werden diese Speichergeräte eine kürzere Lebensdauer haben. Anbieter bieten jedoch Kondensatoren an, die für eine lange Lebensdauer bei höheren Temperaturen ausgelegt sind, um dieses Problem zu lösen. (Beachten Sie, dass auch erhöhte Lagerungstemperaturen außerhalb des Betriebs ein Problem sind, das ihre Lebensdauer beeinflusst. Dies ist jedoch ein anderes Szenario und hat eine andere Spezifikation.) 

Der zweite Faktor, der die Lebensdauer von Elektrolytkondensatoren verkürzt, ist der überstehende Rippelstrom, dem sie ausgesetzt sind. Dieser Strom ist die unvermeidbare Schwankung im Ausgang des Spannungsreglers, die der Kondensator glätten soll. Aus komplexen elektrochemischen Gründen führt der Rippelstrom zu einer Verschlechterung der Lebensdauer des Kondensators und seines Elektrolyts; je höher der Rippelstrom, desto größer und schneller erfolgt die Verschlechterung. Die Empfindlichkeit gegenüber Rippelstrom ist eine Funktion von Aufbau und den verwendeten Materialien; Hersteller geben die Betriebsdauer bei unterschiedlichen Rippelstromwerten an.  

Es gibt einen nicht-technischen Faktor, den Designer ebenfalls berücksichtigen müssen, nachdem sie den passenden Kondensator und das entsprechende Herstellermodell ausgewählt haben. Es ist relativ einfach, dass minderwertige, Ersatz- oder sogar gefälschte Bauteile in den Produktions- und Montageprozess gelangen. Das liegt daran, dass es relativ einfach ist, einen Kondensator herzustellen, der zumindest eine Zeit lang ausreichend gut funktioniert. Allerdings wird das Produkt selbst im Einsatz eine verkürzte Lebensdauer haben, doch bis dahin ist es zu spät und wird zu einem großen Problem. 

Behalten Sie im Hinterkopf, dass es für die Einkaufsabteilung der Produktionsanlage verlockend sein kann, einen „ähnlichen“ Kondensator anstelle des vom Entwickler auf der Stückliste (BOM) spezifizierten Kondensators zu verwenden, jedoch mit den gleichen Hauptspezifikationen: Kapazität, WVDC und Größe. Dennoch könnte dieser Kondensator unterschiedliche sekundäre, aber dennoch wichtige Spezifikationen wie ESR oder Toleranz gegenüber Reststrom/Ripple-Strom haben, und die Änderung der Stückliste könnte die Systemleistung oder Zuverlässigkeit beeinträchtigen. Es ist entscheidend, dass Ingenieure mit der Produktionslieferkette zusammenarbeiten, um die Integrität und Rückverfolgbarkeit des Kondensators bis zum spezifizierten Lieferanten sicherzustellen. 

Elektrolyt-Kondensatoren, die sich zwischen dem Spannungsregler der Stromversorgung und der Last befinden, mögen banal und sogar routinemäßig erscheinen. Nichtsdestotrotz sind sie essenziell, um eine stabile Gleichspannungsleitung für den Stromkreis sicherzustellen. Daher müssen Designer sie basierend auf ihren primären und sekundären Parametern sowie der Betriebssituation spezifizieren und auswählen und auch weniger offensichtliche Lieferkettenprobleme berücksichtigen.