Low-ESR-Elko

Schau dir die Umgebung des Prozessorsockels auf einem älteren PC-Mainboard an: Dort stehen ein Dutzend gleich großer Elkos in Reih und Glied. Oder öffne ein Steckernetzteil: Hinter dem Trafo sitzen ein, zwei Elkos mit dem Aufdruck „Low ESR“ oder „Low Impedance“. Sie sehen aus wie gewöhnliche Aluminium-Elkos – und sind es im Prinzip auch. Der Unterschied steckt in Elektrolyt, Folien und Kontaktierung, und er macht sich erst bei hohen Frequenzen bemerkbar. Genau dort arbeiten Schaltregler: Sie takten mit 50 kHz bis einigen MHz, und ihre Kondensatoren müssen schnelle Stromwechsel schlucken, ohne heiß zu werden.

Aufbau und Funktionsweise

Ein Low-ESR-Elko ist ein gewickelter Aluminium-Elko mit flüssigem Elektrolyten. Das gemeinsame Prinzip – formierte Oxidschicht als Dielektrikum, Elektrolyt als Gegenelektrode – steht unter Elektrolytkondensator. Der ESR (Equivalent Series Resistance, Ersatz-Serienwiderstand) fasst alle Verluste zusammen, die in Reihe zur Kapazität liegen: den Widerstand der Folien und Anschlussfahnen, die dielektrischen Verluste im Oxid und vor allem den Widerstand des Elektrolyten im Papier zwischen Anoden- und Kathodenfolie.

Bei tiefen Frequenzen überwiegen die dielektrischen Verluste, bei 100 kHz bleibt im Wesentlichen der ohmsche Anteil von Elektrolyt und Kontakten übrig. Hier setzen die Hersteller an:

• Leitfähigerer Elektrolyt: Mehr freie Ionen senken den Widerstand des getränkten Papiers. Dafür enthält der Elektrolyt oft einen höheren Wasseranteil – und Wasser greift Aluminium an, wenn die Zusätze (Inhibitoren) nicht stimmen.
• Dünneres, saugfähigeres Papier: Der Weg durch den Elektrolyten wird kürzer.
• Bessere Kontaktierung: mehrere oder breitere Anschlussfahnen, verschweißt statt nur genietet, damit der Strom nicht nur am Wickelende ein- und austritt.
• Schlankere, längere Becher: Ein langer Wickel mit kurzem Stromweg quer zur Folie hat weniger ESR als ein gedrungener.

ESR, Verlustfaktor und Impedanz

Datenblätter nennen bei 120 Hz meist den Verlustfaktor tan δ, bei 100 kHz die Impedanz Z oder direkt den ESR. Aus tan δ kannst du den ESR bei dieser Frequenz ausrechnen, denn tan δ ist das Verhältnis von ESR zum kapazitiven Blindwiderstand:

Das Beispiel zeigt, warum der 120-Hz-Wert für Schaltregler nichts aussagt: Bei Netzfrequenz sehen Standard- und Low-ESR-Elko fast gleich aus; erst bei 100 kHz trennen sich die Werte um den Faktor 3 bis 10. Wie sich Wirk- und Blindanteil zur Impedanz zusammensetzen, erklärt der Grundlagen-Artikel.

Schaltzeichen

Für den Low-ESR-Elko gibt es kein eigenes Symbol. Er wird wie jeder gepolte Kondensator mit Pluszeichen gezeichnet (siehe Elektrolytkondensator und Schaltzeichen). Dass ein Low-ESR-Typ nötig ist, steht deshalb nur in der Stückliste oder als Hinweis neben dem Bauteil, etwa „470µ/25V low ESR“. Auch auf dem Becher fehlt oft ein eindeutiger Aufdruck; erkennbar ist die Serie am Seriennamen des Herstellers (siehe Kennzeichnung von Elkos).

Kennwerte im Datenblatt

Als Beispiel dient ein weit verbreiteter Typ aus einer Low-Impedance-Serie, Panasonic EEU-FR1C102 (Serie FR):

Worauf du bei solchen Tabellen achten musst:

• Messfrequenz und Temperatur: ESR und Impedanz gelten bei 100 kHz und 20 °C. Bei Frost steigt der ESR, weil der Elektrolyt zäher wird. Gute Serien geben dafür ein Impedanzverhältnis an, etwa Z(−25 °C) / Z(20 °C), das nur einige wenige betragen darf.
• Rippelstrom und Frequenz: Der Nennwert gilt bei 100 kHz. Bei 120 Hz ist der ESR höher, der erlaubte Rippelstrom deshalb kleiner – das Datenblatt nennt dafür Korrekturfaktoren, oft 0,4 bis 0,7.
• Rippelstrom und Temperatur: Bei niedrigerer Umgebungstemperatur darf mehr Rippelstrom fließen, weil die Eigenerwärmung mehr Spielraum hat.
• „Low Impedance“, „Low ESR“, „Ultra Low ESR“: Die Begriffe sind nicht genormt. Vergleiche immer die Zahlen bei 100 kHz.

Zum Vergleich: Universal-Serien gleicher Größe nennen oft nur tan δ und einen Rippelstrom bei 120 Hz von einigen hundert Milliampere. Ein Wert bei 100 kHz fehlt meist ganz – ein deutlicher Hinweis, dass sie für Schaltregler nicht gedacht sind.

Bauformen

Low-ESR-Elkos gibt es in denselben Bauformen wie andere Aluminium-Elkos: radial bedrahtet von 5 bis 18 mm Durchmesser, als SMD-Becher auf Kunststoffsockel und vereinzelt als Snap-in für Netzteil-Zwischenkreise. Typisch sind schlanke, hohe Becher wie 8 × 20 mm oder 10 × 25 mm, weil die Bauform den ESR senkt. Wo es noch weniger sein muss, gehst du zum Polymer-Elko über; zwischen beiden liegen Hybrid-Elkos mit Polymer und flüssigem Elektrolyt.

Typische Anwendungen

• Ausgangskondensator von Schaltreglern: Er glättet den dreieckförmigen Spulenstrom. Die Restwelligkeit hängt fast nur vom ESR ab.
• Eingangskondensator von Schaltreglern: Hier fließt der Strom stoßweise; der Rippelstrom ist oft größer als am Ausgang und bestimmt die Auswahl.
• Sekundärseite von Schaltnetzteilen und Mainboard-Spannungswandlern: Viele Elkos parallel teilen sich den Rippelstrom.
• Ausgang älterer Linearregler: Manche LDO-Regler brauchen am Ausgang einen ESR in einem bestimmten Fenster, um stabil zu bleiben.
• Audio-Endstufen und Motortreiber: Pufferkondensatoren direkt an der Endstufe, die kurze, hohe Stromspitzen liefern.

Restwelligkeit am Buck-Wandler berechnen

Am Ausgang eines Abwärtswandlers (siehe Schaltregler-ICs) fließt der Wechselanteil des Spulenstroms, ein Dreieck mit der Spitze-Spitze-Höhe ΔI_L, durch den Kondensator. Die Spannungswelligkeit hat zwei Anteile – einen kapazitiven und einen am ESR:

Der Rippelstrom im Ausgangskondensator ist bei dreieckförmigem Verlauf I_eff = ΔI_L / √12 ≈ 0,29 A (zum Effektivwert siehe Effektivwert). Der Elko setzt dabei nur P = (0,29 A)² · 0,028 Ω ≈ 2,3 mW um. Am Eingang sieht es anders aus: Dort ist der Effektivstrom etwa I_aus · √(D · (1 − D)) mit dem Tastverhältnis D = U_aus / U_ein. Bei 3 A Ausgangsstrom und D ≈ 0,42 sind das 3 A · √(0,42 · 0,58) ≈ 1,5 A – der Eingangskondensator muss also einen Rippelstrom von mindestens 1,5 A bei 100 kHz vertragen und gehört bei 12 V Eingangsspannung zur 25-V-Klasse.

Den Wandler selbst – Spule, Tastverhältnis, Ströme – rechnest du mit diesem Rechner durch:

Auswahl und Praxistipps

Geh bei Schaltreglern in dieser Reihenfolge vor: zuerst den zulässigen ESR aus der gewünschten Welligkeit, dann den Rippelstrom am Eingang und Ausgang, dann Nennspannung mit 20–30 % Reserve, zuletzt Kapazität und Lebensdauer. Reicht ein Elko nicht, schalte mehrere gleiche parallel: Zwei Elkos mit je 50 mΩ ergeben 25 mΩ, und jeder trägt nur noch die Hälfte des Rippelstroms. Die Wärme verteilt sich dabei auf zwei Becher, was die Lebensdauer zusätzlich verlängert (siehe Wärme und Kühlung).

Häufige Fehler:

• Nach 120-Hz-Daten ausgewählt: Universal-Elkos mit passender Kapazität werden am Schaltregler heiß und fallen nach Monaten aus.
• Zu kleiner ESR am falschen Regler: Ältere Regler wie der LM2596 oder manche LDOs nutzen den ESR des Ausgangselkos zur Stabilisierung. Ersetzt du ihn durch einen Polymer-Elko oder einen MLCC, kann der Regler schwingen. Halte dich an den ESR-Bereich im Regler-Datenblatt.
• Ersatz nach Kapazität: Beim Reparieren eines Netzteils muss der neue Elko mindestens den gleichen Rippelstrom bei 100 kHz und dieselbe Temperaturklasse haben. Ein „besserer“ Elko mit mehr Kapazität, aber Universal-Serie, ist schlechter.
• Elko zu weit vom Regler entfernt: Die Leiterbahn bringt Induktivität und Widerstand mit, die du dem ESR zurechnen musst. Halte die Stromschleife aus Schalter, Diode und Eingangskondensator klein.
• Gealterte Elkos mit dem Kapazitätsmessgerät geprüft: Der ESR steigt viel früher als die Kapazität sinkt. Ein ESR-Messgerät zeigt den Verschleiß sofort (siehe Kapazität messen).

Selbsttest