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3. Elektrolyt-Kondensatoren

Bedeutung des Oberbegriffs

Unter dem Oberbegriff Elektrolyt-Kondensatoren werden alle Ausführungen verstanden, bei denen auf einem Metall durch anodische Oxidation eine dünne Dielektrikumsschicht aufgebaut wird, der zweite Belag kann aus einem Ionen-Leiter (flüssiger Elektrolyt) oder einem Elektronen-Leiter wie beim Halbleiter (MnO2) oder Metall bestehen.

Als Träger-Metalle eignen sich Aluminium und Tantal. Über Versuche mit Titan, Zirkon, Niob und Legierungen wird sporadisch berichtet, bisher war aber ein praktischer Erfolg nicht zu verzeichnen.

Die chemischen Eigenschaften des Grundmetalles, die Oxidschicht und die Dicke des Dielektrikums bestimmen im wesentlichen das Verhalten der daraus gefertigten Kondensatoren, siehe Tabelle 8.

Aluminium

Aluminium und anodisch erzeugtes Aluminiumoxid sind gegen Säuren und Alkalien nicht besonders beständig (Gegensatz z. B. zu Sinterkorund), die Oxidschicht ist dünn (etwa 1,5 x 10"-3um pro Volt) *9), die Dielektrizitätskonstante ist nicht sehr hoch (etwa 8).

*9) Der Aufbau der Oxidschicht erfolgt entsprechend der Höhe der angelegten Formierspannung, so daß die Feldstärke in der Schicht fast gleich bleibt.
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Tantal

Bei Tantal sind Metall und Oxid chemisch sehr beständig, die Oxidschicht ist ähnlich dünn wie bei Aluminium, die DK relativ hoch (etwa 25).
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Der Vergleich von Aluminium und Tantal

Die geringe chemische Beständigkeit erlaubt beim Aluminium eine erhebliche Vergrößerung der wirksamen Oberflächen durch Ätzen, bei Tantal verhindert die chemische Beständigkeit die Erzielung gleicher Ätzfaktoren.

Das spezifische Gewicht von Aluminium ist niedrig, von Tantal hoch, entsprechend verhält sich der Preis. Beide Metalle müssen in großer Reinheit vorliegen, da Fremdkörper die Ausbildung homogener Oxidschichten stören.

Bei Tantal kann wegen des sehr hohen Schmelzpunktes Pulver zu porösen Körpern gesintert werden, wobei gleichzeitig durch Anwendung hoher Temperatur und hohen Vakuums eine Reinigung des Metalls erzielt wird.

Bei Aluminium verhindert der niedrige Schmelzpunkt eine entsprechende Behandlung, wenn auch gelegentliche Versuche mit Al-Sinteranoden bekannt geworden sind und Kondensator-Bauformen angeboten wurden.

Sehr unterschiedliche Schwerpunkte

Als Folge der aufgezählten Eigenschaften unterscheiden sich die Schwerpunkte bezüglich Aufbau der Kondensatoren erheblich, trotz sehr ähnlicher Behandlung bei der anodischen Oxidation und gewisser Parallelen bei der Kontaktierung.

Bei Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren herrschen Wickel-Kondensatoren vor, aufgebaut aus geätzten Metallfolien und Papierzwischenlagen, getränkt mit flüssigen Elektrolyten.

Bei Tantal-Kondensatoren überwiegen aus Pulver gesinterte poröse Anodenkörper mit festem Halbleiter als Elektrolyt.

Spannungsbereich und CV-Produkt sind bei Tantal-Kondensatoren sowohl wegen der Technologie wie wegen der Kosten meist niedrig, Aluminium-Elektrolyt- Kondensatoren erweisen ihre Vorzüge vor allem bei höherem CV-Produkt, konkurrieren aber mit Tantal-Kondensatoren auch bei niedrigeren Nennspannungen.

3.1. Tantal-Elektrolyt-Kondensatoren

Die schwierigeren Herstellbedingungen des Rohmaterials, der hohe Preis und das hohe spezifische Gewicht ließen Tantal-Elkos erst relativ spät in Erscheinung treten. Die Entwicklung begann mit Folien-Kondensatoren und flüssigem Elektrolyten, gefolgt von Kondensatoren mit Sinteranode und flüssigem Elektrolyt und zuletzt Kondensatoren mit Sinteranode und festem Halbleiter als Elektrolyt.

3.1.1. Folien-Kondensatoren (Tantal !!)

Als natürliche Folge der von Aluminium-Elkos bekannten Bauformen wurde bei Tantal-Kondensatoren zunächst entsprechend verfahren.

Um einen Dorn als Träger, mit Fahnen oder Drähten als Zuführung, wurden übliche Wickel mit zwei anodisch formierten oder einer formierten und einer blanken Tantalfolie mit Papierzwischenlagen hergestellt, mit flüssigem Elektrolyt getränkt und in ein Gehäuse eingebaut.

Diesen Bauformen war aber wegen der Größe und des Preises immer nur ein begrenzter Markt auf professionellem oder militärischem Gebiet zugänglich, der laufend kleiner wird.

Die Hauptnachteile, außer der bereits erwähnten bescheidenen Ätzbarkeit zur Vergrößerung der Oberfläche und einer daher bescheidenen Volumenausbeute, sind die nicht besonders guten elektrischen Eigenschaften. Das gilt in erster Linie bei tiefen Temperaturen sowie bezüglich der Probleme beim Abdichten, vornehmlich bei Verwendung in sehr weitem Temperaturbereich (-55 °C ... +125°C) und vor allem hinsichtlich der schon genannten Preise.

Das typische Temperaturverhalten ist zum Teil eine Folge der Verwendung von Elektrolyten mit relativ geringer Leitfähigkeit und der bei Betrieb unter hohen Temperaturen unvermeidlichen Alterung, d. h. im wesentlichen Abnahme der Leitfähigkeit des Elektrolyten durch laufende elektrolytische Zersetzung und Verdampfungsverlust.

Die für rund-axiale Bauform begonnene Bearbeitung einer DIN-Norm wurde inzwischen mangels Bedarfes eingestellt.
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3.1.2. Mit Sinteranode und flüssigem Elektrolyt

Die nach ihrer Einführung zunächst dominierenden Tantal-Kondensatoren mit Sinteranode und flüssigem Elektrolyt verloren inzwischen ebenfalls stark an Bedeutung - auf Grund der verbesserten Technologie etwas zu unrecht.

Die Sinteranode, aus Ta-Pulver gepreßt und im Vakuum zwischen etwa 1600°C und 2200°C gesintert, hat eine sehr große wirksame Oberfläche und damit eine hohe Volumenausbeute.

Zu Beginn der Entwicklung standen nur relativ grobe Tantal-Pulver zur Verfügung, mit einem "Formfaktor" von etwa 2000. Inzwischen konnte der Bereich bis etwa 10.000 erweitert werden (Ta-Pulver z.B. von H. C. Starck PL 10.000).

Die anodische Oxidschicht wird bei Elektrolyt-Kondensatoren immer mit einer höheren Spannung (Formierspannung = Uf) erzeugt als der Nennspannung. Bei Sinteranoden mit flüssigem Elektrolyt kann das Verhältnis Uf/Un jedoch klein gehalten werden.

Die verzweigten und teilweise sehr dünnen Kanäle und Poren in der Sinteranode erfordern einen Elektrolyten mit hoher Leitfähigkeit, um einen niedrigen Serien-Widerstand zu erzielen. Der Elektrolyt muß seine hohe Leitfähigkeit auch bei niedriger Temperatur (-55 °C) beibehalten. Nur sehr starke Säuren, z. B. Schwefelsäure, erfüllen diese Forderung.

Der Tantal Kondensator war vermeintlich zu gut

Trotz hoher Volumenausbeute und guten elektrischen Eigenschaften wurde und wird die Ausführung daher mit Mißtrauen beobachtet.

Befürchtet wird, daß bei dem stark sauren Elektrolyten Undichtigkeiten auftreten und durch langsame Abnahme des im Elektrolyten vorhandenen Wassers bei längerem Betrieb bei höherer Temperatur die Serienverluste steigen.

Die zur Zeit wichtigsten Bauformen, alle an MIL-C-3965 bzw. MIL-C-39006 orientiert, sind jedoch weit besser als ihr Ruf.

3.1.3. Mit festem Elektrolyt

Der Austausch des flüssigen Elektrolyten in den Poren von Sinteranoden durch einen festen Halbleiter, Mangandioxid, erschloß dem Tantal-Kondensator erstmals das gesamte Gebiet der Elektronik.

Die wesentlichen Unterschiede zu den Bauformen mit flüssigem Elektrolyt sind die durch einen festen Stoff mit hoher Leitfähigkeit (Elektronen) erzielbaren Vorteile bezüglich Frequenz- (Impedanz) und Temperaturverhalten sowie hinsichtlich der Abdichtung.

Nachteilig ist, daß wegen des Fehlens ausreichenden Ionentransportes im festen Elektrolyten zum Heilen eventuell schwacher Stellen der Oxidschicht kaum Sauerstoff zur Verfügung steht.

Den Aufbau zeigt Abb. 21. Die große chemische und auch mechanische Beständigkeit der amorphen Tantaloxidschicht erlaubt es, Mangannitrat bei hohen Temperaturen im und am Sinterkörper zu zersetzen (200 ... 400°C). Allerdings muß möglichem Schaden bei der relativ heftig verlaufenden Abspaltung nitroser Gase durch ein wesentlich höheres Verhältnis von Formierspannung (Uf) zu Nennspannung (Un) als bei flüssigem Elektrolyt vorgebeugt und aufgetretener Schaden durch Nachformierung in flüssigen Elektrolyten repariert werden.

Der unkritische Einsatz bis etwa 50 Volt =

Die Volumenausbeute ist daher bei höherem CV-Produkt kleiner als bei Sinteranoden mit flüssigem Elektrolyten, der Bereich erstreckt sich bis etwa 10 000 \iC.

Obwohl Kondensatoren bis 100V Nennspannung angeboten werden, bewegt sich der bedeutende und unkritische Einsatz im Bereich bis 50V.

Die bei flüssigen Elektrolyten problemlose und kontinuierlich mögliche Heilung von Schwachstellen durch Angebot von Sauerstoff-Ionen aus dem Elektrolyten ist bei festem Halbleiterelektrolyten auf gelegentliche und nur mit Strombegrenzung erzielbare Maskierung von Fehlstellen begrenzt, entweder durch chemische Reaktion zwischen Halbleiter und Ta-Oxidschicht oder durch Restfeuchtigkeit oder beides.

Wie ein Tantal Kondensator unheilbar "stirbt"

Der Ablauf ist unterschiedlich: teils sehr kurz und mit starken Stromänderungen verbunden, was bei Fehlen von Strombegrenzung durch lokale Überhitzung zum Durchschlag führen kann, teilweise langsam und nur schwach ausgeprägt.

Im Betrieb wird daher meist die Verwendung von Vorwiderständen empfohlen bzw. von direktem Anschluß an starke Stromquellen abgeraten.

  • Anmerkung : In anderen Artikeln hier im Hifi-Museum hatte ich die Verwendung vorn dampfenden Lastwiderständen zur Spannungs-Reduktion bzw. zur Spannungs-Versorgung in Halbleiter-Schaltungen bemängelt, ohne diesen Aspekt eines defekten Tantals (mit Kurzschluß) zu berücksichtigen. Das war falsch.


In Normen (DIN 44350) sind Angaben über das Verhalten der Kondensatoren in Abhängigkeit vom Stromkreiswiderstand zu finden. Da es sich um ein Problem der Strombegrenzung handelt, ist bei niedriger Spannung auch eine andere Konzeption der Spannungs-Versorgung angeraten.

Demgegenüber steht der große Vorteil, daß auch ohne Abdichtung kein Elektrolytverlust und somit keine Alterung mit Erhöhung der Serienverluste erfolgt. Zumindest zeigen Dauerversuche bei 85°C bis 100.000 h keinerlei Änderung der Leitfähigkeit des Elektrolyten.
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Erfolg, weil er so schön klein ist

Die Freiheit von Abdichtungsproblemen und Alterung förderte trotz anderer Einschränkungen Entwicklung und Nachfrage. Dieser Trend ging zunächst von (nur) professionellen Bauarten aus und führte zum Standard-Klein-Kondensator mit hohem CV-Produkt in verschiedenen Ausführungsformen.

Abb. 21 zeigt den hermetisch dicht verlöteten, axialen Typ nach DIN 44 351, den professionellen Rechteck-Kondensator mit einseitigen Anschlüssen (DIN 44 352) im Kunststoffgehäuse und die Tropfenform (DIN 44 356) für allgemeine Anwendungen, mit Kunstharz umhüllt und einseitigen Anschlüssen.

Außerdem sind die nicht genormten Kleinstausführungen (Beispiel Typ ETX und ETZ, Ero-Tantal) anzuführen, die ganz allgemein zu den kleinsten bekannten Kondensator-Ausführungen zählen.

Als rund axiale Varianten sind, abgesehen von der durch MIL-C-39 003 beeinflußten Bauform CSR 13 (DIN 44 351), noch mit Kunstharz umpreßte Kondensatoren mit vollem Werte-Spektrum und glasrohrgekapselte Kondensatoren (Typ TAX, ITT), mit bezüglich Baugrößen stark eingeschränktem Spektrum, zu erwähnen. Gegenüber den in Metallbecher eingebauten, dicht verlöteten Bauformen ist bei umpreßten Kondensatoren das klimatische, bei den glasgekapselten Kondensatoren das mechanische Verhalten kritisch zu beobachten.

Umhüllmaterial, Wandstärke und Abdichtung

Voraussetzung für ein befriedigendes Verhalten der umpreßten Kondensatoren ist außer der Wahl eines geeigneten Umhüllmaterials eine gleichmäßige Wandstärke und eine gute Abdichtung am Drahtaustritt.

Bei Glas-Kondensatoren, deren Technologie von der Diodenherstellung übernommen wurde, werden die bekannten Probleme Drahtdurchführung-Glas und Glas-Glas-Verschmelzung mit steigenden Abmessungen kritischer. Dies dürfte erklären, daß bisher nur zwei und vier bei dicht verlöteten und umpreßten Kondensatoren üblichen Gehäusegrößen angeboten wurden. Bei Lösung aller genannten Probleme dürften die Marktchancen der drei Ausführungen bei normalen Anforderungen hauptsächlich vom Preis bestimmt werden.

Das Umpolverhalten von Tantals

Die Wechselspannungsbelastbarkeit aller Ausführungen mit festem Elektrolyt ist auch bei reiner Wechselspannung besser als bei Kondensatoren mit Sinteranode und flüssigem Elektrolyt.

Eine dauernde Verkehrtpolung bis zu etwa max. 1V oder 10% der Nennspannung ist zulässig. Bei höheren Spannungen müßten zwei Kondensatoren verkehrt zusammengeschaltet werden (back to back), um bipolare bzw. nicht polarisierte Ausführungen zu erhalten.

Durch die Verwendung sogenannter gedopter Tantalpulver (mit Molybdänzusatz) kann das Umpolverhalten der Kondensatoren mit festem Elektrolyt verbessert werden, so daß bis zu 20% der Nennspannung an dauernder Verkehrtpolung ertragen werden. Eine deutliche Verbesserung konnte jedoch bisher nur bei höheren Nennspannungen (ab etwa 25 V) nachgewiesen werden, wobei Ta-Pulver höherer Reinheit (Elektronenstrahl-geschmolzen) verwendet wird. Erweiterung auf den Niederspannungsbereich bei Verwendung Natrium-reduzierter Pulver wird angestrebt.

3.1.4, Tantal-Chip-Kondensatoren

Eine gewisse Bedeutung, wenn auch weit hinter den Erwartungen zurückbleibend, haben Ta-Chip-Kondensatoren für Hybridschaltungen gewonnen. Hiervon gibt es eine Vielzahl von Varianten, über die zur Zeit in IEC versucht wird, eine Einigung zur internationalen Normung zu erzielen.

Bisher leider vergeblich. Die verbreitetsten Formen sollen kurz erwähnt werden. Naheliegend war, den unumhüllten, mit Kontaktsilber versehenen Anodenkörper mit einem positiven Anschluß als Klötzchen, Drahtstück oder geformten Blech zu versehen und diese sehr ökonomische Ausführung in Hybridschaltungen einzulöten.

Eine entsprechende Bauform (Typ 411 und 421, Kernet), war einige Zeit sehr beliebt und vom Standpunkt der Kontaktierschichten - Mn02 - Graphit - Cu-Schicht aufgestäubt (Plasma) - Lot - wegen der hohen Temperaturbelastbarkeit bemerkenswert.

Transport und Handhabung warfen wegen des Fehlens einer Umhüllung jedoch Probleme auf, so daß die eingekapselten bzw. umhüllten Bauformen trotz des höheren Preises meist vorgezogen werden.

Am häufigsten werden umpreßte oder umgossene Chips eingesetzt, wobei die Kontakte entweder als Metallfläche, Metallstreifen oder Drahtschlitten ausgebildet sind, Abb. 22 (Typ Domino, Sprague; Typ TCA, NCC-Matsou; Ta-Chips, Ero-Tantal). Die Umhüllung gewährleistet ausreichende mechanische Festigkeit und schützt auch gegenüber hoher Temperatur-Beanspruchung beim Lötvorgang. Für beide Bauarten, nichtumhüllt und umhüllt, bestehen Normentwürfe (DIN 44 357, Blatt 1 und 2).

3.1.5. Kombination

Von allen Ausführungen, die in 3.1.1. bis .3 behandelt wurden, ist zur Erzielung höherer CV-Produkte Parallelschaltung von Einzelelementen bekannt, wobei meist in Rechteckbecher geschichtet wird, die Becher anschließend mit Kunstharz vergossen werden oder Verschluß mit Deckel und Glasdurchführungen erfolgt.

Das erzielbare CV-Produkt ist von der Bechergröße abhängig und kann bei Kondensatoren mit flüssigem Elektrolyt beliebig erweitert werden (Typ EBA, Ero-Tantal). Bei Kondensatoren mit festem Elektrolyt ist der durch Parallelschaltung zwangsläufig reduzierte Stromkreiswiderstand zu beachten.

3.1.6. Tantal-Dünnfilm-Kondensatoren

Ausgehend von der Anwendung von Tantal-Dünnfilmen für Widerstands-Netzwerke wurde versucht, auch Kondensatoren auf der Basis von Ta-Schichten (durch Elektronenstrahl-Zerstäubung aufgebracht) herzustellen.

Zunächst dienten die Untersuchungen mehr der Durchleuchtung von Grundlagen der Ventilwirkung von Tantal. Anschließend wurde praktische Anwendung in Hybridschaltungen der Nachrichtentechnik bearbeitet. Die zukünftige Bedeutung ist noch nicht abzusehen.

3.2. Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren

Der Aluminium-Elektrolyt-Kondensator zählt nicht zu den Neuerungen auf dem Bauelementsektor, denn sein Grundprinzip ist schon seit etwa 100 Jahren bekannt.

Seine Urform besteht aus einem mit flüssigem Elektrolyt gefüllten Metallbehälter, in den ein Aluminiumstab hineintaucht. Wird eine Spannung zwischen Metallgehäuse als Katode und Aluminiumstab als Anode angelegt, so bildet sich auf dem Aluminiumstab eine sperrende Oxidschicht, die als Dielektrikum wirkt.

Auch moderne Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren arbeiten immer noch nach dem gleichen Grundprinzip, wenn auch heute durch stetige und manchmal sogar sprunghafte Weiterentwicklung daraus ein hochqualitatives, passives Bauelement der modernen Elektronik geworden ist.

Im folgenden sollen der prinzipielle Aufbau, die Herstellungsschritte, die zur Herstellung verwendeten Materialien, die wesentlichen Eigenschaften des Elkos und seine Einsatzgebiete beschrieben werden. Abschließend soll noch kurz auf Aluminium-Festelektrolyt-Kondensatoren eingegangen werden, die in ihrem Aufbau und Eigenschaften mehr den Tantal-Festelektrolyt-Kondensatoren ähneln.

3.2.1. Prinzipieller Aufbau der "Elkos"

Das Grundprinzip eines heutigen halbtrockenen Aluminium-Elektrolyt-Kondensators ist in Abb. 23 als nicht maßstabsgerechter, vergrößerter Ausschnitt dargestellt.

Die beiden den Ausschnitt begrenzenden Aluminiumfolien und die Papierzwischenlagen lassen sich als raumsparende Wickel bis zu sehr hochkapazitiven Elkos verarbeiten. Die als Dielektrikum wirkende Oxidschicht, die durch eine anodische Oxidierung (Formierung) gebildet wird, realisiert hohe Kapazitätswerte, da sie

  • 1. sehr dünn ist (Abb. 24 zeigt die ungefähre Dicke der Oxidschicht in Abhängigkeit von der Formierspannung),
  • 2. eine Dielektrizitätskonstante DK von 7... 8 aufweist.

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Gewinn durch Ätzung und Aufrauhung der Alufolie

Wesentlich erhöht wird die Kapazitätsausbeute noch durch die durch Ätzung bewirkte Aufrauhung der Aluminiumfolie, die bei der Anode bis zur Oberflächenvergrößerung um den Faktor 90 getrieben werden kann. Dieser Aufrauhfaktor wirkt sich voll auf die Kapazitätsausbeute aus, da die Oxidschicht wesentlich dünner als die Feinstruktur der Ätzung ist und daher die Innenwandung der Ätzlöcher und -taschen voll auskleidet. Der flüssige Elektrolyt, mit dem der Wickel unter Vakuum getränkt wird, dringt ebenfalls in diese Ätzlöcher ein, so daß auch die wirksame Fläche des aus Anodenfolie, Oxid als Dielektrikum und flüssigem Elektrolyt als Katode gebildeten „Plattenkondensators" voll um den Aufrauhfaktor vergrößert wird.

3.2.2. Herstellungsschritte

Zur technischen Realisierung des zuvor beschriebenen Aluminium-Elektrolyt-Kondensators gehören die nachfolgenden Fertigungsschritte :

  • a) Ätzen der Aluminiumfolien (heute meistens bereits vom Folienlieferanten durchgeführt).
  • b) Bildung der Oxidschicht durch anodisches Formieren im Vorformierelektrolyt (entweder vom Folienlieferanten oder vom Elkohersteller durchgeführt).
  • c) Wickeln mit gleichzeitigem Kontaktieren durch Anschlußfahnen.
  • d) Tränken der Wickel mit Betriebselektrolyt (Imprägnieren).
  • e) Einbau in Gehäuse, Kontaktieren der Anschlüsse mit den Durchführungen und hermetisches Verschließen.
  • f) Nachformierung (Belastung mit Spitzenspannung bei erhöhten Temperaturen über längere Zeit, um die durch Verarbeitung des Wickels entstandenen Verletzungen der Oxidschicht auszuheilen).
  • g) Anbringung der Außenisolation, falls erforderlich, und Bestempelung der Kondensatoren.
  • h) Endprüfung

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3.2.3. Materialien

Die Qualität der verwendeten Materialen für die Herstellung von Elektrolyt- Kondensatoren ist für deren Güte wesentlich. Nachstehend werden die wichtigsten Materialien beschrieben :

3.2.3.1. Aluminiumfolien

Sie spielen bei der Elkoherstellung eine besonders wichtige Rolle, da sie die Eigenschaften des Elkos mitbestimmen und vor allem bei größeren Typen auch einen wesentlichen Anteil am Materialpreis bilden.

Für die Anodenfolie ist die Reinheit des Aluminiums entscheidend, da nur sehr reines Aluminium bei der Vorformierung eine weitgehend fehlerfreie Oxidschicht garantiert. Auf den meisten Märkten hat sich daher die Verwendung von Raffinal (AI 99,99%) durchgesetzt.

Für die Katodenfolien genügt allerdings eine Reinheit von 98%. In letzter Zeit werden für beide Folientypen auch Folien mit einem geringen Manganzusatz verwendet, die bei der Ätzung einen höheren Aufrauhfaktor zulassen. Wichtig ist für alle Folien eine weitgehende Chlorfreiheit, da Chlor der größte Feind des Aluminium-Kondensators ist (verminderte Lebensdauer, erhöhte Restströme, Korrosionsgefahr). Üblich sind heute Chlorwerte von <0,5 mg/m².

Die durch Ätzung erreichte Aufrauhung ist entscheidend für die spezifische Ladung eines Kondensators in |iC/cm3. Die Fortschritte, die bei der Ätzung in den letzten Jahren gemacht werden konnten, spiegeln sich in den Abmessungen der Elkos wieder. Bei Elkos für normale Anforderungen der Größen ab 35 mm Durchmesser und 50 mm Länge zeigt Abb. 25, wie in den letzten Jahren das für eine bestimmte Ladung benötigte Elkovolumen (in cm³/µC) abgenommen hat. Die beeindruckende Verkleinerung der Elkos wurde aber nicht etwa durch Qualitätsverschlechterung erkauft, sondern die elektrischen Eigenschaften und das Langzeitverhalten haben sich in der letzten Zeit zusätzlich noch wesentlich verbessert.
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3.2.3.2. Elkopapiere

Die Papiere haben die Aufgabe, im Wickel als Abstandhalter zwischen der Anoden- und Katodenfolie zu dienen, außerdem aber durch ihre besonders hochgezüchtete Saugfähigkeit den für "die Lebensdauer des Kondensators" erforderlichen Vorrat an Betriebselektrolyt zu speichern.

Von den Papierherstellern werden hierzu besondere Elkopapiere in verschiedenen Dicken und Dichten angeboten, die wie die Aluminiumfolien ebenfalls chemisch sehr rein sein müssen. Sie sollen bei gegebener Dichte eine möglichst gleichmäßige Faserverteilung aufweisen, damit sich nicht an einigen Stellen Häufungen der Faser und an anderen Stellen zu poröse Strukturen bilden.

Für die elektrischen Werte des Kondensators ist der sogenannte k-Faktor wichtig, der durch das Verhältnis der Leitfähigkeit des Elektrolyten ohne Papier zur Leitfähigkeit mit Papier zwischen zwei Elektroden mit konstantem Abstand bestimmt wird. Große k-Faktorwerte verschlechtern den Scheinwiderstand. Außer der Dichte wird der k-Faktor auch durch die Gestalt der verwendeten Papierfaser beeinflußt.

Das preisgünstigere, aus Fichtenholz gewonnene Edelzellstoffpapier hat durch seine „bandnudelähnliche" Faserstruktur höhere k-Werte als die teuere Manilafaser (gewonnen aus Manilahanf) mit einer „spaghettiähnlichen" Struktur.

3.2.3.3. Betriebselektrolyte

Die Betriebselektrolyte bestimmen weitgehend die elektrischen Werte und Temperatureigenschaften des Elkos. Sie sind während der ganzen Lebensdauer im Elko eingeschlossen und für die einwandfreie Funktion entscheidend.

Von der richtigen Zusammensetzung ist daher auch das Lebensdauerverhalten abhängig. Die früher üblichen klassischen Borsäure-Glykol-Elektrolyte genügen keinesfalls mehr den heutigen Anforderungen an tan delta und Scheinwiderstand bei tiefen Temperaturen und an das Langzeitverhalten bei hohen Temperaturen. Hier wurde daher in der Vergangenheit und wird noch heute erhebliche Entwicklungsarbeit geleistet.

Der gegenwärtige Entwicklungsstand spiegelt sich in den neuesten Datenangaben der Hersteller wider. Deshalb gehören die Elektrolyt-Rezepturen zu den bestgehüteten Firmengeheimnissen.

Während Betriebselektrolyte für Hochvolt-Elkos (Nennspannungen > 100 V) im allgemeinen wegen der geringeren Anforderungen an das Kälteverhalten noch häufig auf der Basis Borsäure-Glykol, allerdings verbessert mit weiteren Ionogenen und Stabilisatoren, hergestellt werden, verwendet man bei Niedervolt-Elkos (Nennspannung < 100 V) sowohl Elektrolyte auf der Basis Glykol mit Zusätzen zur Leitfähigkeitserhöhung (besonders um das Tieftemperaturverhalten zu verbessern) als auch auf der Basis organischer Lösungsmittel oder deren Gemische, die von Hause aus eine geringere Abhängigkeit der Viskosität und damit auch der Leitfähigkeit von der Temperatur zeigen. Auch hier werden außer den erforderlichen Ionogenen weitere Additive zugesetzt, die als Stabilisatoren dienen und sowohl Chloride als auch gasförmigen Wasserstoff binden sollen.

Fortschritte auf diesem Gebiet sind im wesentlichen empirisch gemacht worden, wobei theoretische Vorstellungen mehr oder weniger nur Hilfestellung leisten konnten. Eine endgültige Entscheidung über die Brauchbarkeit von neu entwickelten Betriebselektrolyten mit positiven Anfangswerten im Elko kann immer nur nach langfristigen Dauerversuchen gefällt werden.

Leider gibt es bis heute keine Allzweck-Elektrolyte, die für jeden beliebigen Verwendungszweck einsetzbar sind, sondern je nach Anwendungsbereich müssen spezielle Rezepturen entwickelt werden, wenn man optimale Ergebnisse erzielen will.

Gerade auf diesem Gebiet zeigt sich, wie notwendig eine enge Zusammenarbeit zwischen Chemiker und Physiker bzw. Physiko-Chemiker ist, um hochzuverlässige Elkos zu entwickeln.

3.2.3.4. Gehäuse

Für den größten Anteil der Elkos dienen Aluminiumbecher als Gehäuse. Für dieses Aluminium genügt eine Reinheit von 99,5%, da die Becher im allgemeinen nicht auf Anodenpotential liegen. Daß die Becher sauber, lochfrei und von geeigneter Härte sein müssen, versteht sich von selbst.

Die ebenfalls in großen Stückzahlen gefertigten Elkos in Kunststoffgehäusen (Typ EK, Roederstein + Türk) mit einseitigen Drahtanschlüssen verlangen gegenüber dem Betriebselektrolyten chemisch "inertes" Bechermaterial, das außerdem auch bei Temperaturen bis 105 °C sehr geringe Permeationswerte *10) aufweisen muß. In letzter Zeit wurden hierbei weitere Fortschritte gemacht, die die Gebrauchsdauer des Elkos verdoppeln.

*10) Permeation = „Durchwanderung" eines Kunststoffes oder Elastomers von Bestandteilen des Betriebselektrolytes durch Diffusionseffekte.
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3.2.3.5. Abdichtung und Ventile

Für axiale Typen und für Elkos mit einseitigen Drahtanschlüssen werden üblicherweise Gummistopfen oder gummikaschierte Kunststoffplatten eingesetzt, für Durchmesser <25mm oft Kunststofformteile mit aufgelegten oder aufvulkanisierten Gummidichtungen.

Es ist nicht einfach, Gummimischungen zu entwickeln, die sowohl die geeigneten mechanischen Werte aufweisen, als auch gegen Einfluß der Betriebselektrolyte bis zu der obersten Betriebstemperatur dauernd beständig sind. Naturgummisorten gehören daher längst der Vergangenheit an. Synthetische Sorten, wie Äthylenpropylen-Kautschuk oder Butyl-Kautschuk mit geeigneten Füllmaterialen und Zusätzen werden heute vorwiegend eingesetzt.

Besonders Butyl-Kautschuk hat eine geringere Permeation als Äthylenpropylen-Kautschuk trotz etwas schlechterer mechanischer Eigenschaften. Die vorgenannten Gummisorten lassen sich bis etwa 125°C einsetzen, darüber hinaus sind Spezialmischungen notwendig.

Als Kunststoffe für Platten und Formteile kommen Polypropylen, Polyamid, Polyäther und andere in Betracht, besonders auch in glasverstärkter Form zur Erhöhung der Biegefestigkeit bei höheren Betriebstemperaturen. Es sind auch Dichtungsplatten aus Metall (Aluminium) mit einer über den Rand gezogenen schlauchförmigen Gummiabdichtung bekannt (Rifa), die den Vorteil besonders geringer Permeation bieten.

Mit Gießharz verschlossene Kunststoffgehäuse

Bei Elkos in Kunststoffgehäusen wird der Abschluß durch Gießharzverschluß erreicht. Die Entwicklung eines optimalen Gießharz-Härter-Systems ist notwendig, um jeden Einfluß auf den Betriebselektrolyten auszuschließen.

Ventile sind bei Elkos mit Durchmesser >25mm nach den deutschen Sicherheitsvorschriften vorgeschrieben. Diese Ventile sollen garantieren, daß ein gefahrloses Entweichen von Überdruck bei Überlastung oder Falschpolung des Elkos gewährleistet ist.

Ventile können so konstruiert sein, daß sie nur einmal ansprechen und dann dauernd öffnen (Kondensator nicht mehr funktionsfähig) oder aber reversibel sind, d. h. wieder schließen, nachdem der Überdruck entwichen und die Ursache für den Überdruck abgestellt worden ist.

Die Forderung an zuverlässige und preisgünstige Ventile läßt sich auf verschiedene Weise erfüllen. Entsprechend groß ist die Zahl der in der Praxis und Patentliteratur bekanntgewordenen Konstruktionen.

Bei Durchmessern <12mm verzichtet man auf Ventile und verläßt sich auf das ungefährliche „Herausschieben" der Dichtungsteile. Bei Durchmessern 14 bis 25mm bohrt man in der gummikaschierten Kunststoffplatte von der Kunststoffseite her ein Loch bis zum Gummi, der dann bei Überdruck irreversibel aufplatzt, oder man verläßt sich auch nur auf die „Ventilwirkung" der etwas biegsamen Kunststoffplatte Kritisch sind Konstruktionen mit Metallabdeckscheiben, bei denen sich eine zuverlässig ansprechende Sollbruchstelle nur schwer realisieren läßt.

3.2.4. Spezielle Fertigungsverfahren

In diesem Abschnitt sollen kurz die Verfahren gestreift werden, die für die Herstellung von Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren spezifisch sind. Hierzu zählen die Formierung, die Nachformierung und die Kontaktierverfahren, während z. B. Wickeln und Montieren wie bei anderen Kondensatorarten duchgeführt werden.

3.2.4.1. Formierverfahren

Durch den Formierprozeß soll die als Dielektrikum dienende Oxidschicht aufgebracht werden. Hierzu dienen Formieranlagen, durch die die Folien kontinuierlich laufen. Durch Rollensysteme werden die als Anode geschalteten Folien mit vorgegebener Eintauchstrecke durch die mit Elektrolyt gefüllten Formierwannen zwischen den Katodenblechen hindurchgeführt, dann gewaschen, getrocknet und für weitere Verarbeitung auf Vorratsrollen gewickelt. Während des Formierprozesses sind auch Zwischenbehandlungen möglich, die die Qualität der Oxidschicht verbessern sollen.

Während des Formierprozesses werden durch die hohen Feldstärken Aluminiumionen aus dem Metallverband gerissen und wandern durch das bereits vorhandene Oxid an die Grenze zum Elektrolyten, werden dort durch anodisch gebildeten Sauerstoff entladen und bilden weiteres Oxid.

Mit wachsender Dicke nimmt bei gleichbleibender Formierspannung die Feldstärke ab und es kommt zum Stillstand des Oxidwachstums. Daher ist die Enddicke der Oxidschicht spannungsabhängig (siehe Abb. 24). Leider ist die Oxidschicht nicht homogen aufgebaut. Im allgemeinen findet man eine relativ dicht gepackte Grundschicht aus reinem Oxid mit eingelagerten Aluminium-Ionen, die wiederum abnehmende Konzentration mit der Entfernung vom Metall zeigen. Auf der Elektrolytseite bildet sich je nach Formierbedingungen eine mehr oder weniger dicke Böhmitschicht.

Beide Schichtarten gehen ineinander über, wobei die Böhmitschicht den weniger stabilen Schichtanteil bildet. Man versucht daher den Böhmitschichtanteil möglichst gering zu halten, was man z. B. durch geringe Badwiderstände, kleine Katodenwiderstände, hohe Einlaufstromstärken und ähnliches erreicht.

Beim Eintauchen der Folien in die Formierbäder können Luftblasen in den Ätztaschen eingeschlossen werden, die durch das elektrische Feld auf dem Boden der Ätztaschen komprimiert werden. Wenn sie während des Formierprozesses in den Ätztaschen verbleiben, sind die von ihnen bedeckt gewesenen Anteile nicht formiert. Sie machen bei der späteren Verarbeitung der Folien Schwierigkeiten, da sie zur Gasbildung im Kondensator bei der Nachformierung führen. Durch geeignete Zwischenbehandlungen (Depolarisation) gibt man den Luftblasen Gelegenheit, während des Formierprozesses zu entweichen.
Durch geeignete Nachbehandlungen kann die Auswirkung der unvermeidlichen Böhmitschichtanteile verringert und durch gezielten Einbau von Fremdionen aus den Formierbädern die Schichtqualität verbessert werden.

3.2.4.2. Kontaktierung

Hier sollen kurz die wichtigsten Techniken beschrieben werden, die für die Herstellung der inneren Kontakte im Elko angewendet werden. Diese Kontakte sind im allgemeinen besonders kritisch, weil sie durch den Einfluß des Elektrolyten beeinflußt werden können. Die früher allgemein üblichen „Druckkontakte" (Nietung, Nadelung der Anschlußfahnen an die geätzten Folien, Bechersickung zur Kontaktierung der Katodenfolie) genügten solange, wie hochohmige Röhrenschaltungen üblich waren, weil unvermeidliche Schwankungen der Übergangswiderstände klein gegen den Innenwiderstand der Schaltungen blieben.

Nach der Einführung der niederohmigen Transistorschaltungen entsprachen die Druckkontakte nicht mehr den Ansprüchen der Schaltungstechnik. Sie mußten durch Schweißtechniken ersetzt werden, die zu sehr kleinen und stabilen Übergangswiderständen führen. Es wurden daher die heute üblichen, vollgeschweißten Typen entwickelt. Da es sich im Innern des Elkos ausschließlich um Verbindungen Aluminium-Aluminium handelt, haben sich die nachstehenden Schweißtechniken in der Praxis eingeführt:

  1. Kaltpreßschweißen,
  2. Impulsschweißen und
  3. Ultraschallschweißen.


Die äußeren Schweißverbindungen, z. B. Anschweißen von verzinnten Kupferdrähten an Becher und Durchführungsnieten, werden im allgemeinen mit Impulsschweißung durchgeführt.

3.2.4.3. Nachformierung

Ein mechanisch komplettierter Elko ist noch nicht verwendungsfähig, da die Oxidschicht, die durch das Formieren aufgebracht worden war, durch verschiedene Verarbeitungsschritte (z. B. durch das Kontaktieren), Verletzungen aufweist, durch die ein hoher Reststrom fließen würde. Diese Verletzungen müssen wieder zuformiert werden. Hierzu steht der im Gehäuse eingeschlossene Betriebselektrolyt zur Verfügung. Zur Durchführung des Nachformierprozesses werden die Kondensatoren längere Zeit bei höherer Temperatur an Spitzenspannung gelegt, bis der Reststrom auf einen vorgegebenen Wert abgesunken ist. Nach einwandfreier Nachformierung unterschreiten die Elkos die nach Norm vorgeschriebenen Abnahmerestströme.

3.2.5. Eigenschaften der Aluminium-Elkos

Die grundlegenden Eigenschaften heutiger Elektrolyt-Kondensatoren werden in einschlägigen Firmenprospekten und DIN-Normen ausführlich beschrieben.

Nachstehend sollen im Rahmen dieser Zusammenstellung zum Verständnis der Einsatzgebiete nur die wesentlichsten Eigenschaften aufgezeigt werden.

Der Ersatzserienwiderstand Resr (ESR)

Aus Abb. 23 ergibt sich das vereinfachte Ersatzschaltbild (Abb. 26). Zur Kapazität der Oxidschicht C0 sind der Ersatzserienwiderstand Resr (Oft auch nur als „ESR" bezeichnet) und die Induktivität L in Reihe geschaltet. Dieser Ersatzserienwiderstand ist die Summe aller ohmschen Widerstände (Zuleitung, Längswiderstände der Folien, Elektrolytwiderstand) im Kondensator und ist frequenzabhängig. L besteht aus Induktivität der Zuleitung und des Wickels. Aus dem Ersatzschaltbild ergibt sich die Scheinwiderstands-Frequenzabhängigkeit nach Abb. 27 für normale Betriebstemperatur und bei Kälte. Dabei gelten die als Rechenbeispiel angegebenen RESR-Werte für die Frequenz an der Stelle der Minima.

Vernachlässigt wurde eine aus elektrolytgetränktem Abstandshalter als Dielektrikum und den Belagfolien gebildete Parallelkapazität zur Resr-
Die L-Komponente tritt erst bei hohen Frequenzen in Erscheinung. Der bekannte Zusammenhang tan 5 = ü) • C • Resr ergibt sich ebenfalls aus dem Ersatzschaltbild.

Es ist offensichtlich, daß man in der Praxis danach strebt, Elkos mit möglichst kleinen ESR-Werten, besonders auch bei Kälte, zu bauen und für Anwendungen bei höherer Frequenz auch den induktiven Anteil möglichst klein zu halten.

Kapazität und Nennspannung

Die Kapazität ist von der Nennspannung (Oxidschichtdicke), Folienfläche und Aufrauhgrad abhängig. Sie soll sich auch nach Dauerbelastung nur in geringem Maße ändern. Eine deutliche Abnahme ist lediglich bei größeren Kältegraden unvermeidlich, kann aber durch geeignete Wahl der Betriebselektrolyte gering gehalten werden.

Reststrom, Abnahmereststrom, Einschaltstrom

Der Reststrom kann nicht bis auf Null herabgedrückt werden, da für die dauernde Regeneration der Oxidschicht sein Fließen notwendig ist. Durch die Nachformierung wird er so weit herabgesetzt, daß er die nach den Normen für den Abnahmereststrom zulässigen Werte mit Sicherheit auch nach längerer spannungsloser Lagerung einhält. Da er zeitabhängig ist, sind die Normenangaben auf den 5min-Wert bezogen.

Heutige Kondensatoren können mindestens drei Jahre ohne Minderung der Zuverlässigkeit gelagert und danach direkt mit voller Nennspannung belastet werden. Dabei ist der Einschaltstrom innerhalb der ersten Minuten deutlich höher (nach der Norm bis zu 100mal), sinkt dann aber wieder rasch ab.

Bei Betrieb stellt sich nach einigen Stunden der Betriebsreststrom ein, der wiederum niedriger als der Abnahmereststrom liegt. Es gibt heute bereits viele Einsatzgebiete, wo bereits einige Sekunden nach Einschalten die Unterschreitung eines bestimmten, sehr niedrigen Reststromwertes gefordert wird (z. B. bei Zeitgliedern). Die Einhaltung solcher manchmal extremen Forderungen ist nicht immer ganz einfach zu realisieren.

Der Betriebstemperaturbereich

Der Betriebstemperaturbereich erstreckte sich in den Anfängen nur von -10°C bis 60°C, bis es gelang, Betriebselektrolyte zu entwickeln, die einerseits bei tiefen Temperaturen noch genügend leitfähig sind, um akzeptable Scheinwiderstandswerte zu gewährleisten, die andererseits aber auch bei hohen Temperaturen, auch in spannungslosem Zustand des Elkos, die Oxidschicht praktisch nicht angreifen.

Heute ist ein Betriebstemperaturbereich von -40 °C bis +85 °C Standard.

Sondertypen werden bereits für -55 °C bis +155 °C (allerdings mit Zeitderating) angeboten. Die Belastbarkeit mit überlagerten Wechselströmen ist von vielen Merkmalen der Elkos abhängig. Wegen der unvermeidlichen Verluste, wird ein Teil der durchfließenden Energie im Kondensator in Wärme umgewandelt und heizt diesen auf.

Die sich bei Wechselstrombelastung einstellende Temperaturdifferenz zwischen Becher-Oberfläche und Umgebung läßt sich errechnen.

Bei heutigen Kondensatoren läßt man bis zu Umgebungstemperaturen von 40°C eine gewisse Übertemperatur zu, die mit steigender Umgebungstemperatur durch Strombegrenzung stark reduziert werden muß (z. B. nach DIN 41 316, Teil 1, für 60°C nur noch 10 K, für 85°C nur noch 1 K), um zu verhindern, daß sich durch den Wärmewiderstand zwischen dem Wickelinneren und der Gehäuseoberfläche der Wickel unzulässig aufheizt.

Die Wechselstrombelastung

Durch geeignete Maßnahmen kann gegenüber den Standardtypen die Wechselstrombelastung für bestimmte Einsatzgebiete erhöht werden:

a) Absenkung der Verluste durch Einsatz höher leitfähiger Betriebselektrolyte und poröser Papiere (nur begrenzt möglich),

b) bei größeren Wickeldurchmessern Kontaktieren mehrerer Anschlußfahnen mit den Anoden- und Katodenfolien. Sowohl Plus- als auch die Minus-Anschlußfahnen werden jeweils gemeinsam mit den entsprechenden Durchführungen elektrisch verbunden. Bei geeigneter Wahl der Anschlußstellen wird dadurch der Einfluß der Folienwiderstände stark reduziert.

Die Betriebszuverlässigkeit

Die Bezugszuverlässigkeit kann naturgemäß, ähnlich wie die menschliche Lebenserwartung in den Sterblichkeitstafeln bei Lebensversicherungen, nur statistisch definiert werden und nichts über das Schicksal des einzelnen Exemplars aussagen.

Als Betriebszuverlässigkeit wird daher in den Normen für ein größeres Kollektiv der nach den Erfahrungen zu erwartende Ausfallsatz in % für eine bestimmte Beanspruchungsdauer, die die Betriebs-, Lager- und Pausenzeiten umfaßt, angegeben und auf eine Temperatur von 40 °C bezogen.

Dabei muß auch nach Nennspannung und Gehäuseabmessungen unterschieden werden, da hier unterschiedliches Verhalten zu erwarten ist.

Angaben über die zulässigen Ausfallsätze und Zeitdauern finden sich für Elkos für normale Anforderungen in DIN 41 332, für erhöhte Anforderungen in DIN 41 240 bzw. 41 257 (Entwurf März 76) und für Elkos mit besonders hoher Zuverlässigkeit in DIN 41 255. Die genormten Angaben sind allerdings durch den raschen technischen Fortschritt bereits überholt.

Totalausfälle und Änderungsausfälle

Dies zeigen in den neuesten Katalogangaben führender Elkohersteller die erheblich verlängerten Zeitdauern und reduzierten Ausfallsätze.

Als Ausfälle gelten sowohl Totalausfälle als auch Änderungsausfälle. Bei Totalausfällen (z. B. Kurzschluß oder Unterbrechung) wird der Elko völlig funktionsunfähig. Bei Änderungsausfällen ändern sich die elektrischen Kennwerte so stark, daß bei bestimmten Schaltungen ein Gerät ausfallen kann.

Die quantitative Definition der Änderungsausfälle kann ebenfalls den o. g. Normen entnommen werden. In DIN 41 255 ist noch das maximal zulässige Verhältnis von Voll- zu Änderungsausfällen angegeben.

Die Bezugszuverlässigkeitsangaben

Wie schon erwähnt, waren die Bezugszuverlässigkeitsangaben auf 40°C Umgebungstemperatur bezogen. Heute geht man dazu über, diese Angaben auf 85°C zu beziehen und zur Umrechnung auf andere Temperaturen die 10 Grad-Regel zu benutzen, nach der sich bei einer Temperaturabsenkung um je 10 K die Zeitdauer bei vorgegebenem Ausfallsatz verdoppelt bzw. bei entsprechender Temperatursteigerung halbiert.

Ein wesentlicher Grund für Änderungsausfälle ist die unvermeidliche Permeation von Elektrolytkomponenten, die mit höherer Temperatur zunimmt und sich als zeitlicher Gewichtsverlust des Elkos und elektrisch vor allem als Zunahme von tan 5 und Z bemerkbar macht. Hier erweisen sich Konstruktionen mit Abdichtungsscheiben aus Metall mit nur einem kleinen Flächenanteil von Elastomer zur Abdichtung und Isolierung vorteilhaft. Für solche Konstruktionen geben die Hersteller größere Zeitdauern an.

3.2.6. Bauformen

Bei der engen Zusammenarbeit zwischen Elkoherstellern und Anwendern in den Normenausschüssen und im Verhältnis Lieferant-Kunde haben sich Bauformen herausgebildet, die sich sowohl fertigungstechnisch als auch für den praktischen Einsatz beim Kunden als optimal erwiesen haben. In der nachstehenden tabellarischen Zusammenstellung (Abb. 28) sind schematisch die wichtigsten standardisierten Bauformen, ihr Abmessungsbereich und ihre Einsatzmöglichkeit in den Geräten bzw. gedruckten Schaltungen zusammengestellt. Für weitere Details muß auf die jeweiligen Herstellerangaben verwiesen werden.

3.2.7. Einsatzgebiete

Die klassischen Einsatzgebiete sind solche, bei denen es besonders auf hohe Kapazitätswerte bei Einhaltung kleiner Abmessungen ankam und dafür höhere Verluste, höhere Leckströme (Restströme) und eingeengte Temperaturbereiche in Kauf genommen werden konnten. In diesem Zusammenhang sind Sieb-, Koppel- und Glättungskondensatoren für Gleichspannung mit überlagerten Wechselströmen bis zu etwa 300 Hz zu nennen.

Fotoblitzelkos

Als ein ebenfalls schon lange bekanntes Einsatzgebiet müssen die Fotoblitzelkos betrachtet werden (zum Beispiel Siemens, Frako), bei denen es vor allem auf eine hohe spezifische Ladung (µC/cm³) ankommt. Hier sollen auch die Restströme möglichst niedrig sein, um eine unzulässige schnelle Selbstentladung zu vermeiden. Gerade auf diesem Sektor konnte in letzter Zeit durch Einsatz neuer, höchstaufgerauhter Anoden und durch Verwendung der Doppelanodentechnik *14) erreicht werden, daß heutige Blitzelkos nur noch 30% des Volumens gegenüber vergleichbaren Typen aus dem Anfang der 60er Jahre benötigen.

*14) Der Wickel enthält nicht nur, wie üblich, eine, sondern zwei aufeinanderliegende parallelgeschaltete formierte Anodenfolien. Diese sind jedoch so stark geätzt, daß die gegenüberliegenden Ätzporen jeder einzelnen Folie durchgehende Kanäle bilden. Hierdurch wird zwar das Wickelvolumen bei gleicher Wickellänge um das Volumen der zweiten Anodenfolie geringfügig vergrößert, gleichzeitig aber die Kapazität etwa verdoppelt. Hieraus ergibt sich eine wesentlich erhöhte spezifische Ladung.

Motoranlaß-Kondensatoren

Motoranlaß-Kondensatoren (zum Beispiel Mallory) sind ebenfalls schon länger bekannt. Sie sind ungepolte Typen, die mit zwei formierten Anodenfolien gewickelt werden. Wegen der relativ hohen Verluste gegenüber Papierkondensatoren dürfen sie nur kurze Zeit mit reiner Wechselspannung belastet werden, verleihen aber dann den Motoren, die mit einer Hilfsphase ausgestattet sein müssen, ein hohes Anlaufdrehmoment. Nach dem Anlaufvorgang, der nach höchstens 3s abgeschlossen ist, wird der Anlaßkondensator durch Relais oder Fliehkraftschalter abgeschaltet und kann erst nach einer Abkühlphase von etwa 3min wieder erneut für einen Anlaufvorgang genutzt werden. Haupteinsatzgebiet sind unter Last anlaufende kleinere Motoren für Einphasenanschluß, wie sie z. B. in Haushalts-Bodenreinigungs- und Bohnermaschinen eingesetzt werden. Als Motorbetriebskondensator lassen sich Elkos nur bei niedrigen Betriebsspannungen (<50 V~) verwenden.

Elkos in Tonfrequenzweichen

Ein relativ neues Einsatzgebiet sind Elkos für Tonfrequenzweichen (z. B. Roederstein Türk, Frako). Derartige Weichen werden bei HiFi-Boxen mit mehreren Lautsprechern benötigt, damit jedem Hoch-, Mittel- und Tieftonlautsprecher aus dem anfallenden Tonfrequenzgemisch nur der Frequenzbereich zugeleitet wird, für den er ausgelegt ist.

Eine Prinzip-Schaltung zeigt Abb. 29. Durch Elkos dieser Art müssen die Wechselströme im ganzen Ton-Frequenzbereich auch bei hohen Verstärkerausgangsleistungen ohne unzulässige Eigenerwärmung fließen können. Daher müssen sie niedrige Verluste aufweisen. An die Kapazitätstoleranz werden ebenfalls immer schärfere Anforderungen gestellt (z. Z. schon bis max ± 10%).

Für Tonfrequenzelkos wurden ursprünglich ungepolte (bipolare) Elkos mit glatten Folien (zur Erreichung niedriger Verluste) eingesetzt. Später stellte man fest, daß die gepolte (polare) Kombination einer schwach aufgerauhten Anodenfolie (Aufrauhfaktor etwa 2) mit einer hochaufgerauhten Katode im Wickel ebenfalls hohe Wechselströme auch ohne überlagerte Gleichspannung aushält. Daher werden die meisten Tonfrequenzelkos bis zu Nennwechselspannungen von 35 V (entspr. 100 V-) gepolt gefertigt.

In jüngster Zeit zeichnet sich jedoch wieder ein Trend zu ungepolten Typen mit stärker aufgerauhter Folie ab, der bei geeigneter Wahl der Folientypen, der Papiere und der Elektrolyte zu wesentlich kleineren, zuverlässigeren und preisgünstigeren Tonfrequenzelkos führt, deren Verluste im Rahmen der gepolten Typen liegen.

Impulselkos

Impulselkos (zum Beispiel Roederstein & Türk, Siemens, Sprague) lassen sich in kurzen zeitlichen Abständen mit hohen Spitzenstromstärken entladen. Dabei wird die Energie E = 1/2 CU² frei. Der bereits erwähnte Fotoblitzelko ist auch diesem Anwendungsgebiet zuzuordnen. Bei Impulselkos müssen die inneren Stromzuführungen so ausgelegt sein, daß sie die hohen Spitzenströme aushalten. Einsatzgebiete sind z. B. Impulsschweißgeräte, Funkenerosion, Laser, Impulsbatterien für die Kernforschung, Magnetisierungsgeräte.

Elkos als zeitbestimmende Glieder

In speziellen Lade- und Entladungsschaltungen werden Elkos als zeitbestimmende Glieder eingesetzt. Für diesen Anwendungszweck ist nicht die üblicherweise mit 50 oder 100 Hz gemessene Wechselspannungskapazität, sondern die Gleichspannungskapazität (G-Kap.) der Elkos entscheidend, die um den Faktor 1,1 bis 1,3 höher liegt. Enge Toleranzen einer vorgegebenen Schaltzeitfolge bedingen auch sehr enge G-Kap.-Toleranzen und geringe Temperaturabhängigkeiten der Kapazität. Auch bei diesen Anwendungsgebieten sollen die Restströme sehr klein sein, damit sie nicht die Funktion der Schaltung beeinflussen. In der Industrie-Elektronik und in der Fernmeldetechnik werden derartige Zeitglieder in vielen Abwandlungen eingesetzt. Hohe Stückzahlen werden vor allem in der Automobilindustrie für Blinkgeber und Scheibenwischer-Intervallschaltungen benötigt. Die Gleichspannungskapazität wurde früher mit einem Flußmesser, heute mit elektronischen Meßgeräten nach der x- oder Q-Methode entsprechend DIN 41 328, Blatt 4, gemessen.

Stromversorgungsgeräte und Gleichrichter

Bei Stromversorgungsgeräten werden hochkapazitive Elkos für hohe Wechselstrombelastbarkeit (zum Beispiel Philips, Roederstein & Türk, Siemens) verwendet. Derartige Elkos müssen zum Erreichen der hohen Kapazitäten mit langen Anoden- und Katodenfolien gewickelt werden, die durch ihren ohmschen Widerstand höhere Verluste verursachen, die wiederum die Belastbarkeit mit Wechselströmen begrenzen. Niedrige Verluste sind aber die Voraussetzung zur Vermeidung unzulässig hoher Übertemperaturen im Betrieb.

Mehrfachkontaktierung der Folie

Eine bewährte Methode, die Verluste erheblich herabzusetzen, ist die Mehrfachkontaktierung von Anoden- und Katodenfolien. Wird etwa alle zwei bis drei Meter eine Kontaktfahne angebracht und diese Fahnen anoden- sowie katodenseitig zusammengefaßt mit den Anschlußdurchführungen verbunden, kann man gegenüber der Einfachkontaktierung etwa zwei- bis dreimal höhere Wechselströme durch den Elko bei gleicher Übertemperatur fließen lassen. Es gibt auch Konstruktionen, bei denen man sich auf die Mehrfachkontaktierung der Anodenfolie beschränkt, die Katode überstehend mit einer Anschlußfahne wickelt und die überstehenden Windungen der Katode durch mechanischen Druckkontakt oder Verschweißen auf mechanischem oder elektrischem Wege kurzschließt.

Schaltnetzteile

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  • Anmerkung : Wir schreiben 1966 und Schaltnetzeile waren absolut neu und noch lange nicht ausgereift.

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In neuerer Zeit wurden Stromversorgungsgeräte entwickelt, die nicht bei Frequenzen kleiner 300 Hz arbeiten, sondern bei 10...100 kHz. Man spart dabei die schweren Trafos und erforderlichen großen Siebglieder für die niedrigen Frequenzen. Diese neuen transistorbestückten „Schaltnetzgeräte" werden nicht nur in der professionellen Elektronik, sondern auch in zunehmendem Maße in Fernsehempfängern für die Stromversorgung eingesetzt.

Die hohen Betriebsfrequenzen bedingen Glättungselkos, die hierbei noch einwandfrei arbeiten. Üblich aufgebaute Elkos haben wegen der inneren Anschlußfahnen und der Wickelgeometrie störende Querinduktivitäten (Abb. 30), die dazu führen, daß die Scheinwiderstands-Frequenzkurve ab etwa 10 kHz einen induktiv bedingten Anstieg zeigt (Siehe Abb. 27). Baut man den Kondensator jedoch nach Abb. 31a als sogenannten Vierpolelko (zum Beispiel Frako, Siemens, Sprague) mit vier Anschlüssen, die jeweils an den Folienenden angebracht sind und getrennt herausgeführt werden, auf, so werden die Induktivitäten als Zusatzdämpfung für die hohen Frequenzen ausgenutzt und der eigentliche Kondensator voll wirksam (Abb. 31b). Die entsprechende Scheinwiderstands-Frequenzabhängigkeit (Abb. 31c) zeigt bis zu etwa 100 kHz noch den erwünschten kapazitiven Abfall des Scheinwiderstandes. Da allerdings die geglätteten Gleichströme über die Anoden- und Katodenfolien fließen müssen und diese erwärmen, ist evtl. eine Begrenzung durch parallelgeschaltete Drosseln (s. Abb. 31b) notwendig.

Ob sich dieser Typ in der Praxis wegen des höheren Preises voll durchsetzen wird, oder ob ein konventioneller Aufbau mit einfachen Kontaktanschlüssen an geeigneten Stellen der Folien genügt, wobei die Scheinwiderstände durch entsprechende Wahl der Papiere und Elektrolyte möglichst niedrig gehalten werden müssen, läßt sich zur Zeit noch nicht absehen. Vermutlich wird sich der echte Vierpol-Elko nur in der Industrie-Elektronik durchsetzen, während für Zwecke der Unterhaltungselektronik speziell entwickelte, aber konventionell aufgebaute Elkos verwendet werden.

3.2.8. Aiuminium-Elkos mit festem Elektrolyt

Abschließend sollen noch Aluminium-Kondensatoren mit festem Elektrolyten erwähnt werden. Die zur Zeit auf dem Markt befindlichen Typen haben (zum Beispiel Matsushita, Philips), wie bei Tantal-Tondensatoren üblich, Mangandioxid als Festelektrolyt und damit ähnliche Eigenschaften wie Tantal-Elkos, d. h. unter anderem besonders geringe Temperaturabhängigkeit der elektrischen Werte. Der Marktanteil dieser Elkos scheint nicht besonders groß zu sein. Die Herstellung ist nicht so einfach wie bei Tantal, da das amphotere *15) Al203 empfindlich gegen die bei der Pyrolyse des Mangannitrats zu Mn02 entstehenden nitrosen Gase ist.

*15) Unbeständig sowohl in saurem als auch alkalischem Medium.

Eine neuere Entwicklungsrichtung ist die Verwendung von organischen Halbleitern als Festelektrolyte, die durch einfaches Tauchen und nachträgliches Verdampfen des Lösungsmittels auf die Al203-Schichten ohne deren Schädigung aufgebracht werden können. Als organischer Halbleiter wird in der Patentliteratur Tetracyanochinodi-methan (TCNQ) empfohlen. Nach neuesten Informationen zeigen hiermit hergestellte Labormuster von Aluminium-Festelektrolyt-Elkos mit Nennspannungen bis 100 V nicht nur die Vorteile, die Tantal-Kondensatoren auszeichnen, sondern darüber hinaus auch bipolares Verhalten. Inwieweit sich diese neue Entwicklungsrichtung durchsetzen wird, muß abgewartet werden.

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