Long life Aluminium Elektrolytkondensator

Die Lebensdauer eines Aluminium-Elektrolytkondensators kann für die jeweilige Anwendung von entscheidender Bedeutung sein – und doch erfordert es hohe Sorgfalt, die Daten aus den Datenblättern herauszulesen. Dieser Artikel beschreibt, worauf zu achten ist, und zeigt einige Beispiele auf.

 

Die Suche nach dem idealen Elektrolytkondensator für eine bestimmte Anwendung und zu einem vernünftigen Preis kann, gelinde gesagt, durchaus verzwickt sein. Kommt zusätzlich noch der Bedarf nach einer hohen Lebensdauer hinzu, wird das Problem nur noch schlimmer – und das nicht nur aufgrund fehlender Standardisierung im Hinblick auf die Produktdatenblätter der verschiedenen Hersteller. Jedes Unternehmen will sein eigenes Produkt ins beste Licht rücken, was den Vergleich der verschiedenen Produkte nicht immer besonders einfach gestaltet.

Wie bei jedem anderen Kondensator auch, müssen zunächst Spannung und Kapazität festgelegt werden. Und je höher diese beiden Werte sind, desto kostspieliger wird das Gerät. Zudem kommt in aller Regel noch der Wunsch nach möglichst geringen Abmessungen und einem niedrigen gleichwertigen Serienwiderstand (ESR) – ein weiterer Kostenpunkt. Schlimmer noch: Oftmals sind all diese Faktoren in irgendeiner Form miteinander verknüpft.

 

All diese Daten finden sich für gewöhnlich im Produktdatenblatt. Kommt jedoch der Faktor Long-Life ins Spiel, der nochmals Kosten aufschlägt, gestaltet sich das Ganze erneut ein Stück weit schwieriger: Die Lebensdauer eines Kondensators hängt stark von der Betriebstemperatur ab, und so gibt manch ein Hersteller die Betriebsstunden bei, sagen wir, +85 ˚C an, während ein anderer Hersteller die Stundenzahl bei +105 ˚C angibt.

 

Ausgangspunkt der Suche ist es natürlich, die Anzahl der Betriebsstunden festzulegen und die Umgebungsbedingungen auszuarbeiten, unter denen das jeweilige Gerät arbeiten soll. Die Lebensdauer ist bei niedrigen Temperaturen normalerweise länger. Erreicht die Umgebung des Geräts zu keiner Zeit hohe Temperaturen, wird ein Gerät für niedrige Temperaturen mit einer hohen Lebensdauer die beste Wahl sein. Gleichwohl auch die Berücksichtigung des Kostenpunkts entscheidend ist, sollte der Anschaffungspreis gegen die Kosten eines Ausfalls abgewogen werden.

 

Der häufigste Grund dafür, dass der Betrieb eines Kondensators dauerhaft zuverlässig vonstattengehen soll, besteht darin, dass die Anlage, in die der Kondensator integriert ist, nur sehr schwer zu erreichen ist – so zum Beispiel bei einer Bohrinsel. In einem solchen Fall ist der Preis des Kondensators nahezu verschwindend gering, verglichen mit den horrenden Kosten für die Reparatur der Anlage bei einem Ausfall des Kondensators.

 

Entwickler müssen zudem berücksichtigen, was das Ende der Lebensdauer tatsächlich bedeutet. Viele Komponenten büßen mit zunehmendem Betriebsalter an Leistung ein, können aber dennoch mit akzeptablen Parametern weiter betrieben werden. Was jedoch für eine Anwendung akzeptabel scheinen mag, muss für eine andere Anwendung nicht unbedingt der Fall sein. Bei Anwendungen im Bereich Stromversorgung, sprich: wenn der Kondensator als Eingangspuffer eingesetzt wird, führt das Ende der Lebensdauer dazu, dass die Kapazität unter den Wert abfällt, der für die Stromversorgung des DC-DC-Wandlers bei niedriger Ausgangsspannung erforderlich ist. Bei einem Ausgangspuffer nähert sich das Ende der Lebensdauer, wenn der Widerstand über den Punkt hinausgeht, ab dem die Brummspannung der Ausgangsspannung Probleme in den Schaltkreisen der Stromversorgung verursacht.

 

Die häufigste Fehlerquelle ist der Elektrolyt selbst, da dieser im Laufe der Zeit verdampfen und seine elektrischen Eigenschaften verändern kann. Dabei befindet sich der Elektrolyt in dem Papier zwischen den beiden Aluminiumfolien.

 

Der Kondensator besteht aus zwei Schichten elektrisch leitfähigen Materials, die mittels einer dielektrischen Schicht auseinandergehalten werden. Die Anode besteht aus einer Aluminiumfolie mit großer Oberfläche. Dabei fungiert die darauf befindliche Oxidschicht als Dielektrikum. Der arbeitende Elektrolyt ist eine elektrisch leitfähige Flüssigkeit - die wiederum verdampfen kann. Eine zweite Aluminiumfolie, die sogenannte Kathoden-Folie, dient als großflächiger Kontaktbereich zur Übertragung von Strom an den Elektrolyt. Produktionsverfahren zur Verlängerung der Lebensdauer eines Kondensators umfassen Über-Anodisierung und die Gewährleistung hochgradiger Reinheit der verwendeten Materialien.

 

In der Regel nimmt die Lebensdauer bei einer Temperatursenkung von 10 °C jeweils um den Faktor Zwei zu. Die Spannung anzuheben, um somit das Risiko einer Störung des Dielektrikums zu senken, kann genau den gegenteiligen Effekt erzielen: Der ESR nimmt zu, die Temperatur des Kondensators steigt und das Risiko einer Störung ist erhöht. ESR nimmt ebenso bei sinkender Temperatur zu, was wiederum Ausgangsbrummspannung und Schleifenverstärkung fördert. Bei einem Netzteil kann dies Schwingungen und demzufolge Instabilität hervorrufen.

 

Drei Unternehmen, die Long-Life-Aluminium-Elektrolytkondensatoren in Europa vertreiben, sind Panasonic, Vishay und Epcos. Im Folgenden werden Beispiele von Produkten dieser Unternehmen aufgeführt; dabei wird insbesondere auf die unterschiedlichen Angaben zu tatsächlicher Lebensdauer und Robustheit eingegangen.

 

Produkte und Anwendungen

Ein gutes Beispiel für einen Long-Life-Aluminium-Elektrolytkondensator ist die EEU-FR Reihe von Panasonic. Diese radial bedrahteten Aluminium-Geräte verfügen laut Hersteller über eine Lebensdauer von 10.000 Stunden bei +105 ˚C – das ist mehr als das Doppelte der Lebensdauer der vorherigen Generation, bei einer nahezu verdreifachten Kapazität. Sie eignen sich unter anderem für Schaltadapter, LCD-Hintergrundbeleuchtung und LED-Systeme sowie für die Beseitigung von Störgeräuschen. Eingesetzt werden sie oftmals in industriellen Steuerungen und LED-Leuchten sowie in Haushaltsgeräten und Equipment für alternative Energien.

 

Die Kapazität der Geräte reicht von 22 bis 8200 µF, während die Betriebstemperatur den gesamten Bereich zwischen -40 und +105 ˚C abdeckt. Die Lebensdauer von 10.000 Betriebsstunden gilt für Gehäuse mit einem Durchmesser von 10 mm und mehr, das gesamte Portfolio erstreckt sich jedoch über Durchmesser von 5 bis 16 mm. Unterhalb von 10 mm kann die Lebensdauer wesentlich kürzer sein. Dies ist dem Produktdatenblatt zu entnehmen. So ist beispielsweise der EEU-FR1E470 mit 47 µF, einem Gehäuse mit einem Durchmesser von 5mm und einer Lebensdauer von lediglich 2.000 Stunden angegeben.

 

Neue Maßstäbe in Sachen Lebensdauer setzen auch die radialen Aluminium-Elektrolytkondensatorender EEU-TP Reihe von Panasonic. Die Lebensdauer ist hier mit 5.000 Stunden bei +125 ˚C angegeben, wobei selbst bei +135 ˚C – der angegebenen Obergrenze der Betriebstemperatur – noch immer 2.000 Stunden zur Verfügung stehen. Der Kapazitätsbereich umfasst 100 bis 5100 µF. Analog zu Netzteilen können auch diese Kondensatoren in elektrischen Servolenkungssystemen im Bereich Automotive eingesetzt werden.

 

Das Long-Life-Portfolio von Vishay beinhaltet unter anderem den radial bedrahteten Aluminiumkondensator 128 SAL-RPM: Auch diese Kondensatoren sind mit einer Lebensdauer von 10.000 Stunden angegeben, bei +125 ˚C sollen sogar bis zu 20.000 Betriebsstunden erreicht werden können. Steigt die Temperatur jedoch auf +175 ˚C an, fällt die erwartete Lebensdauer rapide ab und wird mit lediglich 2.000 Stunden angegeben. Dadurch, dass derart hohe Temperaturen in den meisten Anwendungsbereichen jedoch nur sehr selten auftreten, gibt Vishay die Lebensdauer in dem Datenblatt bei einer Temperatur von lediglich +40 ˚C an – und kann somit über 300.000 Stunden anführen.

 

Die Kapazität dieser Geräte reicht von 0,22 bis 68 µF, das Minimum der Betriebstemperatur liegt bei -55 ˚C, während das Maximum je nach Spannung entweder +85 oder +125 ˚C beträgt.

 

Der Anwendungsbereich reicht von audio-visuellem Equipment über Automotive und industrielle Anwendungen mit hohen Temperaturen bis hin zu Telekommunikation, wo sie zum Glätten, Filtern und Puffern in kleinen Netzteilen und DC-DC-Wandlern eingesetzt werden.

 

Als nächstes folgen die mit Schraubklemmen versehenen Aluminium-Elektrolytkondensatoren der Reihe B41554 von Epcos. Sie sind mit einer Kapazität von 1.500 bis 220.000 µF angegeben und halten einem Spannungstest bei +125 ˚C ganze 2.000 Stunden lang stand. Die tatsächliche Lebensdauer bei dieser Temperatur ist laut Hersteller etwas höher und liegt bei einem Durchmesser von weniger 51,56 mm bei mehr als 2.500 Stunden, bei einem Durchmesser von mehr als 64,3 mm sogar bei mehr als 5.000 Stunden. Bei niedrigen Temperaturen steigt die erwartete Lebensdauer jedoch beträchtlich an, sodass bei +85 ˚C Werte von 15.000 bzw. 25.000 Stunden erreicht werden. Bei +40 ˚C erzielen alle Kondensatoren, unabhängig von ihrer Größe, ganze 200.000 Betriebsstunden.

 

Ein gutes Beispiel für Anwendungen, bei denen derart hohe Temperaturen nicht auftreten, ist der Einsatz in Windkraftanlagen mit vollständiger Umwandlung und ohne mechanisches Getriebe, welches lediglich eine mögliche Fehlerquelle durch mechanischen Verschleiß darstellen würde. Für einen rentablen Betrieb über die gesamte Lebensdauer der jeweiligen Anlage – diese beträgt oftmals mehr als 20 Jahre unter normalen Betriebsbedingungen – ist es sehr wichtig, dass die Komponenten innerhalb der Turbinen wartungsfrei bleiben.

 

Die mit Schraubklemmen versehenen Aluminium-Elektrolytkondensatoren B43564 und B43584 von Epcos erfüllen diese strengen Anforderungen hinsichtlich Kapazität, Zuverlässigkeit, Lebensdauer und Temperaturbeständigkeit. Sie bieten die für Windkraftanlagen erforderliche hohe Energiedichte und können sowohl parallel als auch in Reihe geschaltet werden, um somit den Anforderungen der jeweiligen Anlage ideal gerecht zu werden. Ihre maximale Betriebstemperatur beträgt lediglich +85 ˚C, wobei sie je nach Spannung eine tatsächliche Lebensdauer von mehr als 12.000 bzw. 15.000 Stunden erzielen. Bei einer Temperatur von +40 ˚C werden ganze 250.000 Stunden erzielt. Die Kapazität reicht von 820 bis 33.000 µF.

 

Fazit

Aluminium-Kondensatoren werden normalerweise in Nieder- und Hochfrequenzfiltern sowie in Energiespeichern eingesetzt. Dies erfordert hohe Werte für Kapazität und Nennleistung. Verglichen mit anderen Technologien sind diese Geräte relativ klein und unempfindlich gegenüber Spannungsspitzen. Zudem sind sie in derart vielen verschiedenen Größen erhältlich, dass sie sich für nahezu jede Anwendung eignen. Nichtsdestotrotz wird die Wahl des jeweiligen Kondensators oftmals von dem Preis bestimmt, da Kondensatoren zu den kostspieligsten passiven Komponenten eines Netzteils zählen – gleichwohl die zuvor beschriebenen Aluminium-Elektrolytkondensatoren die preiswerteste Option darstellen.

 

Dennoch kann sich die Auswahl eines Kondensators als zeitintensives Unterfangen herausstellen: Oftmals sind zahlreiche verschiedene Produktdatenblätter zu durchforsten, die noch dazu verschiedenartig aufgebaut und gestaltet sein können. Programme zur Simulation von Schaltkreisen können hilfreich sein, knicken jedoch bei frequenzabhängigen Leistungsdaten das eine oder andere Mal ein. Entwickler müssen zudem verstehen, inwiefern frequenzabhängige Charakteristika im Laufe der Zeit variieren, was bei den hier beschriebenen Langzeit-Anwendungen ein durchaus kritischer Punkt sein kann.