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Low-ESR-Elektrolytkondensatoren

Wiederholung: Was ist ein Elektrolytkondensator?

Ein Kondensator besteht aus zwei elektrisch leitfähigen Platten. Die Platten nennt man Anode und Kathode. Beide Platten werden von einem Dielektrikum elektrisch voneinander isoliert. Beim Elektrolytkondensator, kurz Elko genannt, ist die Kathode eine leitfähige Flüssigkeit. Man nennt sie Elektrolyt. Das Dielektrikum ist eine hauchdünne Oxidschicht, die auf der aufgerauten Aluminium-Oberfläche der Anode aufgedampft ist.
Hergestellt wird der Elektrolytkondensator als Wickel, der mit dem Elektrolyten getränkt ist. Das Gebilde ist in einem Aluminium-Becher eingebaut und mit einem Gummistopfen fest verschlossen.
Radial-Elkos haben auf der Oberseite des Bechers sichtbare Sollbruchstellen, die den Becher bei Überdruck zum Aufbrechen bringen. Weil der Elektrolytkondensator z. B. bei Falschpolung regelrecht explodiert, verhindert die Sollbruchstelle das Schlimmste.
Hauptanwendungsgebiet von Elkos sind in Spannungsversorgungsschaltungen, wo sie störende Wechselspannungsanteile sieben oder kurze Stromspitzen abdecken.

Was bedeutet ESR?

ESR ist die Abkürzung für die englische Bezeichnung Equivalent Series Resistance. RESR bezeichnet den inneren Verlustwiderstand eines Kondensators. Der Innenwiderstand ist aufgrund seiner Verluste unerwünscht.
Doch jeder Kondensator weist einen bestimmten ESR-Wert auf. Er ist im Ersatzschaltbild (eines Kondensators) dargestellt.
Ersatzschaltung eines Kondensators
Der Widerstand RESR (ESR-Wert) wird durch Material, Konstruktion und die Leitfähigkeit des flüssigen Elektrolyten (Kathode) beeinflusst. Die Verlustleistung und die Störunterdrückung hängen von diesem Wert ab.
Bei Elektrolytkondensatoren trägt die Kathodenkontaktierung den größten Anteil am ESR-Wert bei. Deshalb versucht man bei der Entwicklung von Low-ESR-Elkos das Material zu verbessern, um den Widerstand der Kathodenkontaktierung zu verringern. Auf der anderen Seite versucht man den nassen Elektrolyten zu verbessern oder ihn durch einen Trockenelektrolyten mit einem geringeren Widerstand zu ersetzen.
Der nasse Elektrolyt hat neben der Leitfähigkeit auch alle anderen Eigenschaften einer Flüssigkeit. So kann der Elektrolyt gefrieren, kochen und verdunsten. Vor allem letzteres im laufenden Betrieb oder auch einfach so bei der Lagerung. Elektrolytkondensatoren sind deshalb innerhalb einer elektronischen Schaltung als Verschleißteil anzusehen. Vor allem in warmen oder heißen Schaltungen ist die Verdunstung der Elektrolyten im Elko ein Problem. Nicht nur Halbleiterbauelemente brauchen Kühlung. Auch Elektrolytkondensatoren müssen gekühlt werden.
Die Wärme dringt aber nicht nur von außen in den Kondensator ein. Die Wärme entsteht auch innerhalb des Gehäuses, am Verlustleistungswiderstand RESR. Die Eigenwärme steigt durch die Verdunstung des Elektrolyten, was eine Vergrößerung des Widerstands zur Folge hat.
Für Elektrolytkondensatoren gilt die Regel, dass sich die Lebensdauer durch 10°C Temperaturerhöhung halbiert.

Vorteile von Low-ESR-Elektrolytkondensatoren

Haupteinsatzgebiet von Elektrolytkondensatoren ist in Schaltungen zur Stromversorgung von anderen Schaltungsteilen. Es gibt kaum einen Elektroniker, der einen Festspannungsregler der 78er Serie nicht mit einem Elko verbaut hat. Innerhalb dieses Anwendungsgebiets siebt der Elko Wechselspannungsanteile aus den Signalen heraus oder dient als Stützkondensator, wenn ein Verbraucher kurzzeitig viel Strom zieht, bis der Spannungsregler nachgeregelt hat. Man ist deshalb an Elkos mit einem möglichst geringen Verlustwiderstand RESR interessiert. Diese speziellen Typen sind Low-ESR-Elektrolytkondensatoren. Durch ihren geringen Innenwiderstand tragen Low-ESR-Elkos zu einem guten Wirkungsgrad von Spannungswandlern bei. Man findet sie z. B. in Spannungswandlerschaltungen, die den Strom von Mikroprozessoren liefern. Kein Motherboard kommt ohne Low-ESR-Elkos aus.
Wenn man einen Blick in Schaltnetzteile oder auf Motherboards wirft, kann man feststellen, dass anstatt ein Low-ESR-Elko mit viel Kapazität, oft sehr viele mit geringerer Kapazität parallelgeschaltet sind. Grund ist der, dass der Widerstand RESR und die Induktivität LESL durch die Parallelschaltung reduziert werden.

Probleme mit Low-ESR-Elektrolytkondensatoren

Elektrolyte müssen besonders bei Low-ESR-Elkos gut leitfähig sein. Zur Verbesserung der Leitfähigkeit bestehen sie aus Lösungsmittel und verschiedenen Zusatzstoffen. Einer der Zusatzstoffe ist Wasser. Durch das Wasser wird die Anzahl der freien Ionen und somit die Leitfähigkeit des Elektrolyten erhöht. Unreines Wasser greift Aluminium an. In einer exothermischen Reaktion wandelt sich Aluminium (Al) in sein Hydroxid (AL(HO)3) um. Dieser Vorgang nennt sich Korrosion. Das dabei entstehende Gas führt zu einem Druckanstieg im Kondensator-Gehäuse. Das Gehäuse beult sich aus. Dann sollte sich die Sollbruchstelle öffnen. Tut sie es nicht, kann der Kondensator mit einem lauten Knall auseinander fliegen. Dabei zerreißt es die Aluminiumfolie, die sich großzügig um den Kondensator verteilt. Elektrolyt, dass sich noch nicht aufgelöst hat, verunreinigt unter Umständen die Platine. Das kann zu Kurzschlüssen und weiteren Defekten führen. Brände sollen so auch schon entstanden sein.
Die Hersteller von Elektrolytkondensatoren haben die Aggressivität des Wassers gegenüber dem Aluminium in der Regel im Griff. Die Hydroxid-Bildung ist also beherrschbar. So ist es möglich Elektrolytkondensatoren in Großserien herzustellen. Wenn Elkos richtig gepolt werden und innerhalb ihrer Grenzwerte betrieben werden, laufen sie lange Zeit problemlos.
Gründe für Ausfälle von Elkos sind deshalb in der falschen Dimensionierung von Schaltungen zu suchen oder in der falschen Zusammensetzung des Elektrolyten durch den Hersteller. Letzteres trat in der Vergangenheit bei Elkos auf Motherboards auf.

Übersicht: Low-ESR-Elektrolytkondensatoren

Der ESR-Wert ist frequenzabhängig. Deshalb muss die Betrachtung und der Vergleich bei unterschiedlichen Kondensatoren immer bei der gleichen Frequenz gezogen werden. Der ESR-Wert wird in der Regel bei 100 kHz und 25 °C angegeben.

Bezeichnung Kapazität ESR (100 kHz, 25 °C) Ripple-Strom (100 kHz) Sonstiges
radiale Becher-Elektrolyt-Kondensatoren mit Nass-Elektrolyt bis zu 6800 µF ab 0,028 Ohm bis zu 2,5 ARMS sehr niedrige Kosten
radiale Becher- mit Hybrid-Elektrolyt bis zu 820 µF ab 0,023 Ohm bis zu 2,2 ARMS niedrige Kosten
radiale Becher- mit Trocken-Elektrolyt bis zu 680 µF ab 0,025 Ohm bis zu 2,5 ARMS Trockenelko
Solid Electrolyte, Resin Encapsulated Flat Chip Aluminium Electrolytic Capacitors bis zu 270 µF ab 0,01 Ohm bis zu 3,5 ARMS Trockenelko
Solid Electrolyte, Resin Encapsulated Flat Chip MnO2 Cathode Tantalum Electrolytic Capacitors bis zu 330 µF ab 0,1 Ohm bis zu 1,1 ARMS MnO2, Tantal-Kathode
Solid Electrolyte, Resin Encapsulated Flat Chip Polymer Cathode Tantalum Electrolytic Capacitors bis zu 470 µF ab 0,04 Ohm bis zu 1,83 ARMS Polymer, Tantal-Kathode

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