Aluminium-Elektrolytkondensatoren

Elektrolytkondensatoren in axialer BauformWie jeder andere Kondensator auch, besteht der Aluminium-Elektrolytkondensator aus zwei Belägen (Kondensatorplatten) und einem dazwischenliegenden Dielektrikum. Der wesentliche Unterschied ist, dass nur ein Belag aus Metall, einer Aluminiumfolie, besteht. Der andere Belag ist der Elektrolyt, eine elektrisch leitende Flüssigkeit (Säure), die in der Regel mit einem saugfähigen Material (z. B. Papier) getränkt ist. Das Dielektrikum zwischen den Belägen ist eine dünne Oxidschicht, die sich auf der Oberfläche der Aluminiumfolie (Al2O3) befindet. Sie wird durch Formierung hergestellt. Der Vorteil der Oxidschicht ist ihre hohe Spannungsfestigkeit. Auch bei einer sehr dünnen Schicht.
Zur Kontaktierung der elektrolytischen Schicht dient eine weitere Aluminiumfolie, die fälschlicherweise häufig als zweiter Belag verstanden wird.

Aluminium-Elektrolytkondensatoren sind Wickelkondensatoren, die es in Becherform mit radialen und axialen Anschlüssen gibt. Außerdem gibt es noch SMD-Elektrolytkondensatoren in Chip-Bauform.
Anwendung findet der Aluminium-Elektrolytkondensator als Ladekondensator im Gleichstromkreis z. B. in Gleichrichterschaltungen und zur Entkopplung elektronischer Baugruppen.
Die Funktion eines Elkos kann man am besten mit einem Widerstandsmessgerät überprüfen. Bei einem funktionsfähigen Elko steigt der Widerstandswert am Messgerät langsam bis unendlich an.

Aufbau eines Aluminium-Elektrolytkondensators

Aufbau des Aluminium-Elektrolytkondensator
Die Aluminiumfolie (Anode), die als Belag verwendet wird, wird durch elektrochemisches Ätzen aufgeraut. Die Oberfläche der Folie wird dadurch vergrößert. Der Elektrolyt passt sich dieser Oberfläche an. Dadurch werden beide Belagsflächen und die Kapazität größer. Allerdings entsteht dadurch eine große Toleranz der Kapazität, für die der Aluminium-Elektrolytkondensator bekannt ist.
Die hohe Durchschlagsfestigkeit (800 V/µm) und die hohe Dielektrizitätskonstante (Er ~ 10) ermöglichen eine äußerst kompakte Bauform mit einer hohen Kapazität und Spannungsfestigkeit.

Nennspannung

Die Nennspannung eines Aluminium-Elektrolytkondensator ist seine maximale Betriebsspannung. Die Nennspannung wird bei der Herstellung der Oxidschicht vorgegeben. Bei der sogenannten Formierung (anodische Oxidation) wird auf der Aluminiumfolie eine Oxidschicht erzeugt. Dazu wird eine Formierspannung angelegt (ca. 1,2 nm/V), mit der die spätere Nennspannung und die Oxidschicht-Dicke festgelegt wird. Wird diese Spannung im späteren Betrieb überschritten, dann kommt das einer Formierung gleich. Auf Dauer wird der Kondensator dabei zerstört.

Überschreiten der Nennspannung (Überspannung)

Beim der Überschreiten der Nennspannung kommt es zur Formierung, bei der die Oxidschicht weiter wächst. Es entsteht Wärme und ein Gas bildet sich. Wegen dem verschlossenen Kondensatorbecher kann das Gas nicht entweichen. Es entsteht ein großer Druck im Kondensator. Irgendwann platzt der Kondensatorbecher auf und der Kondensator wird dabei zerstört.

Polung

Die Oxidschicht auf dem Aluminium hat eine Ventilwirkung. Sie isoliert die Spannung in eine Richtung. Das bedeutet, man muss darauf achten, wie herum der Aluminium-Elektrolytkondensator in einer Schaltung eingebaut wird. Die Aluminiumfolie ist der positive Pol, der Elektrolyt der negative Pol. In der Regel ist der Kondensatorbecher an einer Seite mit einem Plus gekennzeichnet, woran man die Polung erkennen kann.

Hinweis: Ein falsch gepolter Aluminium-Elektrolytkondensator wird mit hoher Wahrscheinlichkeit zerstört.

Ablauf bei Falschpolung

Wird der Aluminium-Elektrolytkondensator oberhalb von 2 V falsch herum gepolt, baut sich die Oxidschicht auf der Aluminiumfolie ab, die durch das Dielektrikum gebildet wurde. Fehlt die Oxidschicht, dann kommt es zu Kurzschlüssen zwischen den Belägen. Dabei erhitzt sich das Elektrolyt. Es entstehen Dämpfe, die Druck innerhalb des Kondensatorbechers erzeugen. Ist der Druck groß genug, reißt der Becher auf.

Zerstörung eines Aluminium-Elektrolytkondensators

Die Zerstörung von Aluminium-Elektrolytkondensatoren kann folgende Ursachen haben:

  • Überstrom: eine zu hohe Stromlast
  • Überspannung: überschreiten der Nennspannung
  • Falschpolung

Bei Überstrom und Überspannung geht es um die Ladungsmenge. Die Ladungsmenge oder auch nur Ladung (As) ist das Produkt aus Kapazität (F) und Spannung (U).
Bei einer zu großen Ladungsmenge kommt es zu Hitzeentwicklung (zunehmende Temperatur) und damit Gasbildung aus dem Elektrolyten. Dabei steigt der Druck, bis der Kondensatorbecher explosionsartig platzt. Was in der Regel nur noch bei Falschpolung vorkommt. Also beim Experimentieren und nicht im laufenden Betrieb.

Entgasungsventil und Sollbruchstellen

Aluminium-Elektrolytkondensatoren für hohe Ladungsmengen haben ein Entlastungsventil und Sollbruchstellen. Diese öffnen sich bei einem zu hohen Druck. Das sich gebildete Gas kann dabei austreten. Der Innenteil des Kondensators verursacht keine Schäden im Innenraum des Gerätes.

Lager und Betrieb

Bei längerer Lagerung reagiert die Oxidschicht mit dem säurehaltigen Elektrolyten. Die Oxidschicht baut sich langsam ab. Das beeinflusst die Spannungsfestigkeit und die Kapazität. Sollen Aluminium-Elektrolytkondensatoren möglichst lange halten, dann betreibt man sie nicht knapp unter ihrer Nennspannung, sondern arbeitet mit einer möglichst kleinen Nennspannung oder setzt einen Kondensator mit einer möglichst hohen Nennspannung ein. Dann machen sich auch die negativen Eigenschaften nicht so schnell bemerkbar.

Geräte mit Aluminium-Elektrolytkondensatoren neigen nach einigen Jahren Betrieb zu seltsamen Defekten und Fehlfunktionen. Geschickte Elektroniker können durch den Tausch ermüdeter Elkos diese Geräte wieder reparieren.

Schaltzeichen

Schaltzeichen des Elektrolytkondensators

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