Kondensatoren im Fokus: Aluminium-Elektrolytkondensatoren von Würth Elektronik im Detail

Inhaltsverzeichnis

1. Was sind Kondensatoren?
2. Was sind Aluminium-Elektrolytkondensatoren?
3. Aluminiumkondensatoren von Würth Elektronik
4. Wie sind Aluminiumkondensatoren aufgebaut?
5. Die Lebensdauer von Aluminium-Elektrolyt- und Aluminium-Polymer-Kondensatoren
6. Schlüsseltechnologie Aluminium-Hybrid-Polymer-Kondensatoren

Was sind Kondensatoren?

Kondensatoren speichern Energie in Form eines elektrischen Feldes. Im Wesentlichen bestehen die Bauteile aus zwei Leiterplatten (Elektroden), die durch ein nichtleitendes Material (Dielektrikum) voneinander getrennt sind. Wenn eine elektrische Spannung zwischen beiden Platten anliegt, wird elektrische Energie gespeichert.

Kondensatoren werden für sehr unterschiedliche Anwendungen eingesetzt, wie z.B. für die Spannungsstabilität, in Filterschaltungen, in der Energiespeicherung oder als Kopplungs- und Entkopplungskomponenten in Schaltungen. Bestimmt durch die verschiedenen Einsatzgebiete gibt es viele verschiedene Arten, darunter Keramikkondensatoren, Tantal-Elektrolytkondensatoren, Folienkondensatoren und Aluminium-Elektrolytkondensatoren.

Was sind Aluminium-Elektrolytkondensatoren?

Aluminium-Elektrolytkondensatoren sind eine spezielle Art von Kondensatoren, die eine hohe Kapazität pro Volumeneinheit bieten. Sie bestehen aus zwei Aluminiumfolien und einem Papier, das in Elektrolyt getränkt ist. Die anodische Aluminiumfolie weist eine Oxidschicht auf, die als Dielektrikum fungiert. Die flüssige oder feste Elektrolytsubstanz dient als Kathode.

Die Kondensatoren werden häufig in Netzteilen, Audioverstärkern und Gleichspannungs-Zwischenkreisen eingesetzt. Sie dienen unter anderem als Glättungskondensator, Energiespeicher oder der Entkopplung von Signalen.

Wie sind Aluminiumkondensatoren aufgebaut?

Aluminiumkondensatoren sind polar bzw. nicht symmetrisch aufgebaut. Dadurch werden die Elektroden in Anode und Kathode unterschieden.

Bei einem Elektrolytkondensator besteht die Anode aus einer bearbeiteten Metallfolie. Die Kathode wird vom leitfähigen Elektrolyt gebildet. Eine Oxidschicht auf der Metallfolie der Anode fungiert dabei als Dielektrikum. Zudem isoliert die Oxidschicht die Elektroden zueinander. Wesentliche Unterschiede bei Elektrolytkondensatoren werden durch das Elektrodenmaterial, z.B. Tantal oder Niod, und durch die Eigenschaft des Elektrolyten, fest oder flüssig, bedingt.

Aluminium-Elektrolytkondensatoren sind Wickelkondensatoren und bestehen aus Aluminiumfolien mit einer zwischenliegenden Papierschicht. Vor der Wicklung wird die Aluminiumfolie der Anode durch eine anodische Oxidation vorbehandelt. Dadurch wird die Oxidschicht als Dielektrikum verstärkt. Der gesamte Wickel wird anschließend vollständig mit Elektrolyt getränkt. Durch die Papierlage wird das Elektrolyt gleichmäßig verteilt. Zusätzlich nimmt die Papierlage die Rolle eines Separators ein und sorgt für einen gleichmäßigen Abstand zwischen der Anoden- und Kathodenfolie.

Bei Aluminium-Polymer-Kondensatoren besteht die Papierschicht dagegen aus einem leitfähigen Polymer. Bei Aluminium-Hybrid-Polymer-Kondensatoren besteht die Papierlage aus einem leitfähigen Polymer und einem flüssigen Elektrolyt. Dadurch vereint der neue Kondensatortyp von Würth Elektronik beide Eigenschaften in einem Produkt.

Die Lebensdauer von Aluminium-Elektrolyt- und Aluminium-Polymer-Kondensatoren

Die Lebensdauer von Elektrolyt-Kondensatoren hängt von verschiedenen Faktoren ab, unter anderem von der Temperatur, der Oxidschicht sowie von der Platzierung des Bauteils. Dadurch kann auch auf die gesamte Lebensdauer der Applikation Einfluss genommen werden.

Temperaturen am und im Bauteil

Die Temperatur am und im Bauteil definiert maßgeblich die Lebensdauer des Kondensators. Durch die thermische Belastung altern innere Strukturen über die Dauer und die elektrischen Eigenschaften verschlechtern sich. Dadurch kann ein erhöhter Leckstrom entstehen und der ESR wird größer. Das bedingt wiederum eine weitere Erhöhung der Temperatur.

Werden die Grenzwerte nicht ausgereizt, kann durch eine niedrigere Temperaturbelastung im Bauteilinneren eine hohe Lebenserwartung erzielt werden. Bei klassischen Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren wird die Lebensdauer bspw. verdoppelt, wenn die Temperatur im Bauteil um 10°C verringert wird. Bei Aluminium-Polymer-Kondensatoren kann die Lebensdauer sogar verzehnfacht werden, wenn die Temperatur am Bauteil um 20°C gesenkt wird.

Die Dicke der Oxidschicht

Ein weiterer Faktor für eine lange Lebensdauer ist die Dicke der Oxidschicht. Je dicker die Oxidschicht desto größer kann auch die potenzielle Lebensdauer sein. Diese Oxidschicht kann während des Produktionsprozesses von Elektrolytkondensatoren durch einen elektrochemischen Prozess, welcher Formierung genannt wird, auf eine definierte Dicke eingestellt werden. Dabei wird für eine zuvor bestimmte Zeit eine Spannung an die Aluminiumfolie angelegt. Je nach Spannung und Dauer wächst die Oxidschicht auf den gewünschten Wert an. Je stärker die Oxidschicht letztendlich im Bauteil ist, desto höher wird später die Spannung sein, die an dieser Schicht angelegt werden kann.

Während der spannungslosen Lagerung nimmt die Dicke dann wieder langsam aber kontinuierlich ab. Dadurch erhöht sich der Leckstrom des Kondensators. Außerdem verringert sich die Spannungsfestigkeit des Kondensators wieder.

Sobald erneut Spannung angelegt wird, baut sich die Oxidschicht wieder auf und der Leckstrom nimmt ab. Der erhöhte Leckstrom im Einschaltmoment muss allerdings von der Anwendung tolerierbar sein, damit das erste Einschalten des Gerätes störungsfrei möglich ist. Der Verlust von Kapazität und der Anstieg des ESR können auch durch eine durchdachte Dimensionierung des Bauteils abgefangen werden.

Die Berechnung der zu erwartenden Lebensdauer

Die zu erwartende Lebensdauer des Kondensators kann auf Basis der im Datenblatt spezifizierten Lebensdauer und der maximal zulässigen Temperatur sowie der Temperatur der Anwendung berechnet werden.

Die Formeln setzen sich wie folgt zusammen:

• L_x = Erwartete Lebensdauer des Bauteils
• L_Nom = Lebensdauer des Bauteils (siehe Datenblatt)
• T_Max = maximal zulässige Temperatur des Bauteils
• T_A = Umgebungstemperatur des Bauteils innerhalb der Anwendung

Da diese Formeln zunächst nicht ganz trivial erscheinen, können auch vereinfacht folgende Aussagen getroffen werden:

• Aluminium-Polymer-Kondensatoren SMD + THT: Für jede weiteren 20°C unter T_Max verzehnfacht sich die zu erwartende Lebensdauer.
• Aluminium-Elektrolytkondensatoren & Aluminium-Hybrid-Polymer-Kondensatoren & Aluminium-Polymer-Kondensatoren H-Chip: Für jede weiteren 10°C unter T_Max verdoppelt sich die zu erwartende Lebensdauer.

Schlüsseltechnologie Aluminium-Hybrid-Polymer-Kondensatoren

Aluminium-Elektrolytkondensatoren eignen sich für viele verschiedene Anwendungen – von der Energieversorgung bis hin zu Signalverarbeitungssystemen. Durch das breite Angebot von Würth Elektronik, das verschiedene Typen und innovative Technologien umfasst, finden Entwickler und Ingenieure maßgeschneiderte Lösungen für ihre spezifischen Anforderungen. Der neueste Zuwachs, die Aluminium-Hybrid-Polymer-Kondensatoren, vereint dabei die Eigenschaften von Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren und Polymer-Kondensatoren. Die Kombination aus technologischem Know-how und hochwertigen Materialien führt zu langlebigen und zuverlässigen Produkten.

Mit einem klaren Verständnis für die Faktoren, die die Lebensdauer und Leistung dieser Kondensatoren beeinflussen, können Sie sicherstellen, dass Ihre Designs auch unter anspruchsvollen Bedingungen optimale Ergebnisse liefern.