Elektrolytkondensator

Brauchst du hunderte oder tausende Mikrofarad – zum Glätten hinter einem Gleichrichter, als Puffer am Ausgang eines Netzteils oder als Energiereserve für einen Motor –, führt kaum ein Weg am Elektrolytkondensator vorbei, kurz Elko. Er bringt auf kleinem Raum eine Kapazität unter, für die ein Folienkondensator so groß wie eine Faust sein müsste. Der Preis dafür: Ein Elko ist gepolt, hat einen spürbaren Innenwiderstand und Leckstrom und altert. Dieser Artikel erklärt das gemeinsame Prinzip aller Elkos und vergleicht die Familien. Details zu den einzelnen Typen findest du unter Aluminium-Elko, Tantal-Elko und Polymer-Elko.

Aufbau und Funktionsweise

Bei allen Elkos ist die Anode aus einem sogenannten Ventilmetall: Aluminium, Tantal oder Niob. Auf seiner Oberfläche wird durch Elektrolyse eine hauchdünne, sehr gleichmäßige Oxidschicht erzeugt – diesen Vorgang nennt man Formierung. Das Oxid ist ein ausgezeichneter Isolator und bildet das Dielektrikum. Seine Dicke wächst proportional zur Formierspannung, bei Aluminiumoxid um etwa 1,2 bis 1,4 nm pro Volt. Für einen 25-V-Elko ist die Schicht also nur einige Dutzend Nanometer dick.

Die zweite Elektrode, die Kathode, ist ein Elektrolyt, der sich in jede Pore der Oxidschicht schmiegt. Das kann eine Flüssigkeit sein (klassischer „nasser“ Aluminium-Elko), Mangandioxid (klassischer Tantal-Elko) oder ein leitfähiges Polymer (Polymer-Elko). Eine Kathodenfolie oder eine Graphit-Silber-Schicht leitet den Strom zum Minusanschluss.

Der Trick für die große Kapazität steckt in zwei Faktoren der Formel C = ε₀ · ε_r · A / d (siehe elektrisches Feld): Der Abstand d ist winzig, und die Oberfläche A wird enorm vergrößert. Aluminiumfolien werden elektrochemisch aufgeraut (geätzt), bis ihre wirksame Fläche ein Vielfaches der glatten Fläche beträgt. Tantal- und Niob-Anoden sind gesinterte Körper aus feinem Pulver mit einem schwammartigen Inneren.

Warum Elkos gepolt sind

Die Oxidschicht hält nur in einer Richtung: wenn die Anode positiv gegenüber dem Elektrolyten ist. Polst du den Elko falsch, wird das Oxid elektrochemisch abgebaut, der Leckstrom steigt stark an, der Elektrolyt erhitzt sich und zersetzt sich unter Gasbildung. Aluminium-Elkos blähen sich auf und öffnen ihr Sicherheitsventil, Tantal-Elkos können schlagartig kurzschließen und brennen. Kleine Sperrspannungen bis etwa 1 V oder 10–15 % der Nennspannung (je nach Hersteller und nur kurzzeitig) übersteht ein Elko meist; Dauerbetrieb in Sperrrichtung nie.

Für Wechselspannung gibt es bipolare Elkos, in denen zwei formierte Anoden gegeneinander geschaltet sind.

Schaltzeichen

Das Schaltzeichen ist der Kondensator mit einem Pluszeichen an der Anode. In DIN-Zeichnungen ist die Plus-Elektrode oft als offenes, die Minus-Elektrode als gefülltes Rechteck gezeichnet, in amerikanischen Plänen ist die Minus-Elektrode gebogen. Am Bauteil selbst zeigt ein Streifen mit Minuszeichen den Minuspol beim Aluminium-Elko, ein Balken den Pluspol beim Tantal-Elko – eine gefährliche Verwechslungsquelle (siehe Kennzeichnung von Kondensatoren und Kennzeichnung von Elkos).

Die Elko-Familien im Vergleich

Flüssige Aluminium-Elkos sind die preiswerteste Lösung für große Kapazitäten und hohe Spannungen. Polymer-Typen haben einen um eine Größenordnung kleineren ESR und altern kaum, sind aber auf niedrige Spannungen beschränkt und teurer. Für Schaltregler gibt es außerdem Low-ESR-Elkos mit optimiertem flüssigem Elektrolyt. Mit noch größerer Kapazität bei sehr kleiner Spannung schließt sich der Superkondensator an, der allerdings nach einem anderen Prinzip arbeitet.

Kennwerte

Elko-Datenblätter nennen neben Kapazität und Nennspannung:

• Toleranz: meist ±20 % (M), bei Tantal auch ±10 %. Elkos sind keine Präzisionsbauteile.
• Leckstrom: Durch das dünne Oxid fließt ein kleiner Gleichstrom. Für Aluminium-Elkos gilt oft die Faustformel I_L ≤ 0,01 · C · U_R (mit C in µF, U in V, Ergebnis in µA) oder 3 µA, je nachdem, was größer ist – gemessen nach einigen Minuten an Nennspannung.
• Verlustfaktor tan δ und ESR: bei 120 Hz und bei 100 kHz angegeben. Für Schaltregler zählt der Wert bei 100 kHz.
• Rippelstrom: der höchste Wechselstrom, der den Elko nicht über seine Grenztemperatur erwärmt.
• Lebensdauer: bei flüssigen Elkos 1000 bis 10 000 Stunden bei Höchsttemperatur, im kühleren Betrieb ein Vielfaches (siehe Aluminium-Elko).

Typische Anwendungen

• Glättung hinter dem Gleichrichter eines Netzteils, wo große Kapazitäten bei 50 oder 100 Hz gebraucht werden. Die nötige Größe rechnest du mit dem Siebkondensator-Rechner aus.
• Puffer und Bulk-Kondensator an Versorgungsschienen, als Ergänzung zu den kleinen Abblock-Keramiken.
• Ein- und Ausgang von Schaltreglern, hier bevorzugt Low-ESR- und Polymer-Typen.
• Koppelkondensator in Audio-Endstufen, wenn große Kapazitäten bei kleiner Gleichspannung nötig sind.
• Energiespeicher in Blitzgeräten, Schweißgeräten und Wechselrichter-Zwischenkreisen.

Auswahl und Praxistipps

Wähle zuerst die Familie nach Spannung und ESR-Bedarf, dann Kapazität, Nennspannung mit Reserve (für Aluminium etwa 20–30 %, für Tantal mit MnO₂ das Doppelte der Betriebsspannung), Temperaturklasse und Lebensdauer. Prüfe bei Schaltreglern den Rippelstrom.

Häufige Fehler:

• Verpolt eingelötet: Bei bedrahteten Alu-Elkos zeigt der Streifen das Minus, bei Tantal der Balken das Plus. Ein Blick ins Datenblatt und auf den Bestückungsdruck verhindert Ärger.
• Tantal ohne Spannungsreserve: An einer niederohmigen Quelle mit Einschaltspitzen kann ein Tantal-Elko mit 16 V an einer 12-V-Schiene zünden.
• Nur auf die Kapazität geachtet: Ein Standard-Elko am Ausgang eines Schaltreglers wird vom Rippelstrom erhitzt und fällt nach Monaten aus.
• Elko in der Wärme: Neben einem Kühlkörper altert ein flüssiger Elko um ein Vielfaches schneller.
• Lange gelagerte Elkos sofort an Nennspannung: Nach Jahren ohne Spannung ist das Oxid teilweise abgebaut. Alte Hochvolt-Elkos formierst du über einen Vorwiderstand langsam nach.

Selbsttest