In den meisten Elektronikdesigns sind Aluminium-Elektrolytkondensatoren zu einem unverzichtbaren Bauteil geworden. Die richtige Auswahl dieser Kondensatoren kann daher für den Erfolg eines Designs entscheidend sein. Deshalb ist es wichtig zu verstehen, wie Aluminium-Elektrolytkondensatoren funktionieren und wie man den am besten geeigneten Kondensator für ein Design auswählt.

Übersicht

Aluminium-Elektrolytkondensatoren haben eine hohe Kapazität pro Volumeneinheit und eignen sich für den Einsatz in nahezu jedem elektronischen System. Aufgrund ihrer hohen Kapazität und niedrigen Impedanzwerte werden sie häufig als Filter für unerwünschte Wechselstromfrequenzen eingesetzt und finden Anwendung in der Energiespeicherung, in DC-DC-Wandlern, Wechselrichtern und Stromversorgungen. Moderne Herstellungsverfahren und Materialien haben die Lebensdauer, Zuverlässigkeit und Robustheit der Kondensatoren erheblich verbessert. Mittlerweile haben Aluminium-Elektrolytkondensatoren eine Lebensdauer von bis zu 20 Jahren.

Alle Kondensatoren bestehen aus zwei elektrisch leitenden Materialschichten, den so genannten Elektroden, die durch ein Dielektrikum voneinander getrennt sind (Abbildung 1). Wenn ein Strom an den Kondensator angelegt wird, bildet sich über diese Schichten ein elektrisches Feld, das Energie speichert.

Wie der Name schon sagt, werden die Elektroden von Aluminium-Elektrolytkondensatoren aus einer Aluminiumfolie hergestellt (Abbildung 2). Zwischen den Elektroden befindet sich eine leitfähige Flüssigkeit (der Elektrolyt). Es findet eine elektrochemische Reaktion statt, bei der sich eine Oxidschicht (Al2O3) auf der Anode bildet, die als Dielektrikum bezeichnet wird.

Eigenschaften

Durch ihren Aufbau und die verwendeten Materialien besitzen Aluminium-Elektrolytkondensatoren eine Reihe einzigartiger elektrischer Eigenschaften:

• Große Kapazität pro Volumeneinheit.
• In der Regel höhere Spannungswerte als andere Kondensatoren.
• Die in einem Kondensator gespeicherte Energie steigt linear mit der Kapazität und exponentiell mit der Spannung. Dadurch haben diese Komponenten eine hohe Energiespeicherfähigkeit.

Um einen geeigneten Aluminium-Elektrolytkondensator für Leistungsanwendungen auszuwählen, ist es entscheidend, diese Eigenschaften zu verstehen. Im Folgenden sind vier Punkte dargestellt, die Entwickler bei der Auswahl von Aluminium-Elektrolytkondensatoren für ihr Design berücksichtigen sollten.

Lebensdauer

Anhand der Zuverlässigkeit der Komponenten in einem Design ist die Lebensdauer der gesamten Anwendung prognostizierbar, und damit auch die erforderliche Betriebslebensdauer des Kondensators. Viele Kondensatorhersteller stellen webbasierte Tools zur Verfügung, mit denen Entwickler die Betriebslebensdauer von Aluminium-Elektrolytkondensatoren unter Berücksichtigung der spezifischen Designvorgaben der Anwendung berechnen können (Abbildung 3).

Nennspannung

Entwickler müssen sicherstellen, dass die Kondensatoren innerhalb des spezifizierten sicheren Spannungsbetriebsbereichs und der Nennwerte arbeiten. Das verlängert die Lebensdauer des Kondensators und verhindert unnötige Schäden. Aluminium-Elektrolytkondensatoren werden häufig in Verbindung mit Netzteilen verwendet und sorgen für eine hohe Kapazität (Abbildung 4).

Andererseits sollten die Spannungswerte nicht wesentlich höher sein als die Anforderungen der Anwendung, da dies den elektrostatischen Widerstand erheblich vergrößert. Die Entwickler sollten zudem die Lastanforderungen der Anwendung kennen, beispielsweise die Stromwelligkeit, die Umgebungstemperaturen und mögliche Spannungsspitzen. Viele Aluminium-Elektrolytkondensatoren können zwar kurzzeitige Spannungsspitzen und Gegenspannungen verkraften, aber die Entwickler sollten anhaltende, regelmäßige Spannungsspitzen oder Gegenspannungen oberhalb der angegebenen Nennwerte vermeiden.

Thermische Eigenschaften

Wechselstrom (AC) erzeugt Wärme in einem Kondensator. Wenn der an den Kondensator angelegte Strom einen Wechselstromanteil enthält, der oft als Ripple-Strom oder Stromwelligkeit bezeichnet wird, werden die daraus resultierenden Leistungsverluste als Wärme abgeleitet. Kühlmaßnahmen und die Oberfläche des Aluminium-Elektrolytkondensators beeinflussen den thermischen Widerstand oder die Wärmeableitung der Anwendung (Abbildung 5).

Äquivalenter Serienwiderstand

Eines der wichtigsten Probleme bei Stromversorgungsanwendungen ist der äquivalente Serienwiderstand (Equivalent Series Resistance, ESR). Dabei handelt es sich um die Widerstandskomponente einer äquivalenten Serienschaltung. Die Stromwelligkeit des Wechselstromanteils führt dazu, dass Energie durch den ESR im Kondensator verloren geht. Eine höhere Stromwelligkeit kann zu einem entsprechenden Anstieg des ESR führen. Je höher der ESR ist, desto mehr Leistung geht im Kondensator in Form von Wärme verloren, was wiederum die Temperatur erhöht.

Fazit

Entwickler müssen die Kapazität, die Spannungswerte und die Energiespeicherfähigkeit von Aluminium-Elektrolytkondensatoren genau kennen, wenn sie diese Bauelemente für eine bestimmte Anwendung auswählen wollen. Gleichermaßen wichtig ist es, dass sie bei der Auswahl von Aluminium-Elektrolytkondensatoren für Leistungsanwendungen die Lebensdauer, die Nennspannung, die thermischen Eigenschaften sowie den ESR-Wert berücksichtigen.