Polymer-Elektrolytkondensator

Auf Grafikkarten und Mainboards siehst du seit etwa 2008 kaum noch Elkos mit Plastikhülle und Minusstreifen. Stattdessen stehen dort blanke Aluminiumbecher mit flachem Deckel ohne eingeprägtes Kreuz, oft mit einem farbigen Punkt oder einer violetten Hülle. Das sind Polymer-Elkos. Ihr Elektrolyt ist kein getränktes Papier, sondern ein fester, elektrisch leitender Kunststoff. Dadurch erreichen sie einen ESR von wenigen Milliohm, trocknen nicht aus und halten bei hohen Temperaturen ein Vielfaches länger als ein Aluminium-Elko mit flüssigem Elektrolyt. Ihr Revier sind die Spannungswandler direkt neben Prozessoren, FPGAs und Grafikchips, wo große Ströme in Nanosekunden wechseln.

Aufbau und Funktionsweise

Wie bei jedem Elko ist die Anode ein Ventilmetall mit einer formierten Oxidschicht als Dielektrikum (siehe Elektrolytkondensator). Neu ist die Kathode: Statt einer Flüssigkeit füllt ein leitfähiges Polymer die Poren der Oxidschicht aus. Meist ist das PEDOT (Polyethylendioxythiophen), seltener Polypyrrol. Diese Kunststoffe leiten elektrischen Strom, weil sich in ihren Molekülketten Elektronen entlang konjugierter Doppelbindungen bewegen können (zur Leitfähigkeit allgemein siehe elektrische Leitfähigkeit). Ihre Leitfähigkeit liegt um Größenordnungen über der eines flüssigen Elektrolyten und auch über der von Mangandioxid.

Das Polymer wird entweder direkt in der Pore aus einer Monomerlösung erzeugt (chemische Polymerisation) oder als fertige Dispersion feiner Polymerteilchen eingebracht. Beide Verfahren werden mehrfach wiederholt, bis die raue Oberfläche lückenlos bedeckt ist.

Drei Bauarten haben sich durchgesetzt:

• Aluminium-Polymer, gewickelt: Aufbau wie ein klassischer Becher-Elko, aber mit Polymer im Separator statt Elektrolyt. Bekannt als OS-CON und unter vielen anderen Seriennamen; radial oder als SMD-Becher.
• Aluminium-Polymer, geschichtet: Mehrere flache, polymerbeschichtete Anodenstreifen sind gestapelt und in einen Kunststoffquader gegossen. Sie sind sehr flach und haben die kleinste ESL.
• Tantal-Polymer: Ein gesinterter Tantal-Elko, bei dem das Polymer das Mangandioxid ersetzt. Gleiches Gehäuse wie Tantal-Chips, aber deutlich kleinerer ESR und gutmütigeres Ausfallverhalten.

Dazwischen liegen Hybrid-Elkos: Sie enthalten Polymer für den kleinen ESR und zusätzlich etwas flüssigen Elektrolyt, der Fehlstellen im Oxid nachformieren kann. So erreichen sie höhere Spannungen und einen kleineren Leckstrom als reine Polymer-Typen.

Warum das Polymer kaum altert

Ein flüssiger Elektrolyt verdunstet durch den Gummistopfen; das begrenzt die Lebensdauer eines Aluminium-Elkos. Das Polymer kann nicht verdunsten. Es altert nur langsam durch Oxidation und thermische Zersetzung, wobei seine Leitfähigkeit allmählich sinkt. Hersteller rechnen deshalb mit einer anderen Faustregel: Die Lebensdauer verzehnfacht sich je 20 K weniger Temperatur, statt sich je 10 K zu verdoppeln.

In der Praxis begrenzen dann andere Dinge die Lebensdauer, etwa Dichtung und Lötstellen; viele Hersteller rechnen nicht über 15 bis 20 Jahre hinaus.

Schaltzeichen

Gezeichnet wird der Polymer-Elko wie jeder gepolte Kondensator mit Pluszeichen (siehe Elektrolytkondensator). Am Bauteil unterscheiden sich die Markierungen je nach Bauart: Aluminium-Polymer-Becher tragen auf dem Deckel oder der Hülle eine Markierung am Minuspol, oft einen farbigen Halbkreis. Geschichtete Chips und Tantal-Polymer markieren mit einem Balken den Pluspol. Schau im Zweifel ins Datenblatt und in Kennzeichnung von Elkos.

Kennwerte im Datenblatt

Am Beispiel eines Aluminium-Polymer-Elkos im SMD-Becher, Panasonic OS-CON 16SVP330M:

Ein Low-ESR-Elko mit flüssigem Elektrolyt bringt in einem ähnlichen Becher etwa doppelt so viel Kapazität unter, hat aber mehr als den doppelten ESR und verträgt nur ein Viertel bis ein Drittel des Rippelstroms (siehe Low-ESR-Elko). Für Schaltregler zählen ESR und Rippelstrom, nicht die Kapazität.

Dazu kommen Eigenheiten, die du beachten musst:

• Temperaturverhalten: Der ESR ändert sich zwischen −55 °C und +105 °C kaum. Ein flüssiger Elko verliert in der Kälte dagegen Kapazität und gewinnt ein Mehrfaches an ESR.
• Leckstrom: Viele Datenblätter erlauben bis zu 0,2 · C · U_R µA (C in µF, U in V), also das Zwanzigfache der Faustformel für flüssige Elkos. Beim 16SVP330M wären das 0,2 · 330 · 16 µA ≈ 1,1 mA als Grenzwert; typische Werte liegen weit darunter.
• Spannung: Aluminium-Polymer gibt es bis etwa 100 V, Tantal-Polymer bis etwa 35 V, die meisten Typen liegen zwischen 2,5 und 25 V.
• Kapazität über der Frequenz: Weil der ESR so klein ist, bleibt die Kapazität bis in den Bereich von einigen 100 kHz voll wirksam. Flüssige Elkos verlieren dort schon einen Teil.

Bauformen

• Radial bedrahtet: Becher von 5 bis 10 mm Durchmesser, oft mit violetter oder blanker Hülle. Auf älteren Mainboards rund um den Prozessorsockel.
• SMD-Becher: wie V-Chip-Elkos auf Kunststoffsockel, 5 bis 10 mm Durchmesser.
• Flach-Chip (geschichtet): Kunststoffquader ähnlich einem Tantal-Chip, typisch 7,3 × 4,3 mm und nur 1 bis 2 mm hoch – passt unter Kühlkörper und auf Grafikkarten.
• Tantal-Polymer-Chip: in den Tantal-Gehäusegrößen A bis E, oft nur 1 mm hoch.

Typische Anwendungen

• Spannungswandler für Prozessoren und Grafikchips: Bei 1 V Kernspannung und Lastsprüngen von mehreren 10 A in Mikrosekunden zählt jedes Milliohm.
• Ausgangskondensator von Buck-Wandlern für 3,3 V, 5 V und 12 V, wo flüssige Elkos zu viel Welligkeit oder zu kurze Lebensdauer hätten.
• Heiße Umgebungen: neben Kühlkörpern, in Netzteilen ohne Lüfter, in LED-Leuchten.
• Kälte: Außengeräte und Fahrzeugelektronik, die bei −40 °C starten müssen.
• Audio: Versorgungspuffer in Verstärkern und Wandlern.

Lastsprung am Prozessor

Wechselt der Strom schneller, als der Regler nachregeln kann, liefern die Ausgangskondensatoren die Differenz. Der erste Spannungseinbruch ist ΔU = ΔI · ESR – die Kapazität spielt in den ersten Mikrosekunden noch keine Rolle.

In solchen Schaltungen ergänzen sich Polymer-Elkos und MLCCs: Die Keramik deckt die schnellsten Flanken ab, die Polymer-Elkos den Bereich bis einige Mikrosekunden. Wie sich die Kapazitäten über die Frequenz aufteilen, zeigt der kapazitive Blindwiderstand zusammen mit der Eigenresonanz (siehe Kondensator). Für die Dimensionierung des Wandlers selbst hilft der Rechner Schaltregler (Buck/Boost).

Auswahl und Praxistipps

Wähle einen Polymer-Elko, wenn ESR, Rippelstrom, Temperatur oder Lebensdauer kritisch sind und die Spannung 25 V nicht übersteigt. Bei höheren Spannungen, sehr großen Kapazitäten oder knappem Budget bleibt der flüssige Aluminium-Elko die bessere Wahl, für kleinsten Leckstrom bei Batteriebetrieb ein MLCC oder ein Hybrid-Elko.

Häufige Fehler:

• Polymer-Elko als Direktersatz an einem alten Regler: Regler, die einen bestimmten ESR zur Stabilisierung brauchen, können mit 10 mΩ schwingen. Prüfe den ESR-Bereich im Regler-Datenblatt.
• Am Eingang ohne Dämpfung: Polymer- und Keramikkondensatoren am Ende eines langen Kabels bilden mit dessen Induktivität einen kaum gedämpften Schwingkreis. Beim Einstecken schwingt die Spannung auf fast das Doppelte über. Ein flüssiger Elko parallel bringt die nötige Dämpfung.
• Leckstrom unterschätzt: In einer Schaltung, die monatelang aus einer Knopfzelle läuft, verschlingt ein Polymer-Elko unter Umständen mehr Strom als der Mikrocontroller im Schlaf.
• Tantal-Polymer ohne Spannungsreserve: Hersteller empfehlen meist 10 % Abstand zur Nennspannung bei Typen bis 10 V und 20 % darüber, deutlich weniger als bei MnO₂-Tantal, aber nicht null.
• Feuchte SMD-Polymer-Bauteile gelötet: Viele Typen sind feuchteempfindlich und müssen nach dem Öffnen der Verpackung innerhalb der angegebenen Zeit gelötet oder vorher getrocknet werden.

Selbsttest