Stromversorgungen designen

Aluminium-Elektrolytkondensatoren richtig einsetzen

14.08.2007 | Autor / Redakteur: Thomas Steidl* / Andreas Mühlbauer

Aluminium-Elkos sind ein wichtiger Bestandteil von Stromversorgungen. Sie richtig zu dimensionieren ist nicht einfach, da viele Randbedingungen in die Berechnungen einbezogen werden müssen. So muss der Entwickler unter anderem thermische Einflüsse durch die Umgebung, aber auch durch den Wechselstrom im Kondensator berücksichtigen.

Jede elektronische Baugruppe benötigt eine Stromversorgung. Diese Schlüsselkomponente stellt Zuverlässigkeit, lange Lebensdauer und ausreichende Leistung eines Designs sicher. Sie beruht auf passiven Bauelementen wie Widerstände, Induktivitäten und Kondensatoren, welche für ein korrektes Arbeiten notwendig sind.

Aluminium-Elektrolytkondensatoren sind die am häufigsten verwendeten Bauteile für Filter- und Pufferanwendungen in Stromversorgungen (Bild 1). Sie bieten hohe Kapazitätswerte und Energiedichten, sind vergleichsweise preisgünstig und gegenüber Spannungsspitzen verhältnismäßig unempfindlich.

Ihre Auswahl ist dennoch nicht so einfach wie es zunächst scheint. Es gibt eine Fülle verschiedener Typen, und die Datenblätter enthalten eine Menge an Informationen, die oft nicht einfach zu verstehen sind. Erschwerend kommt hinzu, dass es sich um frequenzabhängige Bauteile handelt, deren Verhalten sich über die Zeit ändert. Es ist klar, dass deshalb die Parameter insbesondere aller ohmschen Verluste des Kondensators (ESR – Equivalent Series Resistance) und deren zeitliche Veränderungen ausschlaggebende Grundlagen für die Lebensdauer in den Design-Entscheidungen jeder Stromversorgung sind.

Berechnung der Kondensator-Mindestkapazität

Zur Auswahl eines Aluminium-Elektrolytkondensators für einen Stromkreis werden gewöhnlich folgende Gleichungen verwendet:

(1) ? f-3dB = ? 1 _____ 2π•RC ? ?

(2) ? P•?t = ? 1 __ 2 ?C•(U2t-U2t+?t) ?

Die erste Gleichung dient der Berechnung von RC-Filtern. Wichtig ist es hierbei, zu beachten, dass diese Gleichung nicht den Einfluss des ESR bei niedrigen Temperaturen und höheren Frequenzen berücksichtigt. In vielen Fällen ist der Widerstandswert nicht bekannt, wie zum Beispiel in einer Gleichrichterbrücke, wo dann der on-Widerstand des maßgeblichen Diodennetzes verwendet wird.

Die zweite Gleichung veranschaulicht die Beziehung zwischen dem Wechsel an Speicherverhalten im Elko (E = ½CU2) und der entnommenen bzw. gespeicherten Energie im Elko über die Zeit ?t. Die Gleichung eignet sich zur Berechnung der Mindestkapazität eines Kondensators als Netzeingangspuffer. Diese Mindestkapazität muss auch am Ende der Lebensdauer noch vorhanden sein, wenn die Kapazität um 15 bis 30% gefallen ist. Die Ursache für den Kapazitätsverlust liegt in der Verwendung eines flüssigen Elektrolyten, dessen elektrische Eigenschaften sich mit der Zeit verändern. Trotz des abgedichteten Gehäuses kommt es zur Ausgasung an Elektrolyt, und mit der Zeit trocknet der Aluminium-Elektrolytkondensator aus. Je niedriger die Temperatur des Kondensators, desto langsamer der Austrocknungsprozess und damit eine längere Lebensdauer des Bauelementes.

Arbeitstemperatur, ohmsche Verluste, Wechselstrom und Wärmeableitung

Häufig wird die Lebensdauer mit der Faustformel von Arrhenius, basierend auf der Umgebungstemperatur, ermittelt. Solch eine Vereinfachung ist für einen Kondensator in einem Netzteil nicht zulässig, da der Temperaturanstieg durch ohmsche Verluste während des Ladens und Entladens nicht berücksichtigt wird. Folglich ist eine Methode erforderlich, um den Effekt des Temperaturanstieges zu erklären. Einer der Schlüssel ist die Beziehung zwischen der Erwärmung, dem Lade-/Entlade- (oder Ripple-) Strom und der Fähigkeit des Aluminium-Elkos, Wärme abzuleiten. Dieser thermische Widerstand wird in K/W angegeben.

Der durch den Ripplestrom verursachte Temperaturanstieg ist äquivalent zum Produkt des thermischen Widerstandes Rth, des ESR und dem Quadrat des Stromeffektivwerts (ΔT = Rth · I2 × ESR). Unter Referenzbedingungen (gewöhnlich ein Luftstrom von < 0,5 m/s) wird in den Datenblättern das Verhältnis von Nennwechselstrom zum resultierenden Wechselstrom für eine definierte Temperaturdifferenz spezifiziert. Hieraus ergibt sich ein Maß dafür, wie gut der Aluminium-Elektrolytkondensator den durch ihn fließenden Wechselstrom verkraften kann.

Mithilfe dieser Größen lässt sich nun der Temperaturanstieg errechnen, welchen der erwartete Wechselstrom der Anwendung verursacht. Dieser schwankt mit dem Quadrat des Verhältnisses zwischen dem tatsächlichen Wechselstrom IA und den im Datenblatt angegebenen Nennwechselstrom IR.

Die Berechnung des Temperaturanstiegs wird wesentlich komplizierter, wenn sich die Frequenz des Wechselstroms in der Applikation von der des Nennwechselstroms unterscheidet. Da die Wärme- bzw. Leistungsableitung vom ESR abhängt, muss der Entwickler die Änderungen des ESR durch die Frequenz mittels eines Wechselstromkorrekturfaktors korrigieren. Hierzu stellen die meisten Hersteller in Ihren Datenblättern eine entsprechende Tabelle mit den Korrekturfaktoren zur Verfügung, die zur Berechnung des Verhältnisses von IA/IR bei verschiedenen Frequenzen dienen. Mittels dieser Faktoren lässt sich ein äquivalenter, tatsächlicher Wechselstrom IA ableiten, dessen Wert in die Berechnung des Temperaturanstiegs eingesetzt wird.

Nomogramme für Ripplestrom- und Lebensdauer-Berechnungen

Eine deutliche Vereinfachung stellen grafische Werkzeuge dar, die durch umfangreiche Tests und Erfahrungen mit Aluminium-Elektrolytkondensatoren im Langzeitgebrauch entwickelt wurden. Bekannt als Lebensdauer-Nomogramm (Bild 2), veranschaulicht dieses Arbeitsmittel die Umgebungstemperatur Tamb des Aluminium-Elektrolytkondensators (horizontale Achse) gegenüber dem Parameter IA/IR.

Mithilfe des Nomogramms lassen sich nun der in einer bestimmten Applikation erforderliche Wechselstrom und die notwendige Brauchbarkeitsdauer berechnen. Für den Wechselstrom ist der Startpunkt die geforderte Lebensdauer. Diese wird durch die im Datenblatt bei maximaler Betriebstemperatur angegebene Lebensdauer geteilt. Das Verhältnis ergibt den „Lebensdauer- Multiplikator“ und sagt aus, welche Kurve des Nomogramms der Entwickler verwenden muss. Zunächst macht der Designer eine Abschätzung der zu erwartenden Umgebungs- bzw. Betriebstemperatur und ermittelt aus dem Nomogramm das entsprechende Verhältnis IA/IR. Hieraus leitet sich ab, welche Wechselstromwerte für die spezifizierte Anwendung in Frage kommen.

Um die notwendige Brauchbarkeitsdauer zu berechnen, muss man nun noch die voraussichtliche Betriebstemperatur und den anwendungsbedingten Wechselstrom kennen. Diese lassen sich durch Simulation und Berechnung oder durch Messung bestimmen. Mittels des Nomogramms kann der Entwickler nun den notwendige Lebensdauermultiplikator ablesen. Um die geforderte Kondensatorlebenszeit zu bestimmen, teilt man die erforderliche Lebensdauer der Applikation durch den ermittelten Multiplikator.

Temperaturaspekte und Wärmeableitung

Bei der Definition des Temperaturbereiches von Aluminium-Elektrolytkondensatoren wird die maximale Umgebungstemperatur zu Grunde gelegt, bei der die spezifizierte Lebensdauer unter Ripplestrom und Nennspannung erreicht wird. Das Schlüsselwort ist „Umgebung“, denn in Wirklichkeit, kann die gemessene Temperatur am Kondensator mehr als 10 °C höher sein, bedingt durch Erwärmung infolge des Ripplestroms. Die im Nomogramm verwendete Umgebungstemperatur definiert die IEC60068, Punkt 4.6.2, als Temperatur ohne Luftströmung, bei der der Wärmeableitungseffekt vernachlässigbar ist.

Oft gestaltet sich die Messung der Umgebungstemperatur in Netzteilen als schwierig. Hier ist es möglich, als ersten Näherungswert die Gehäusetemperatur des Kondensators zu verwenden. Wenn der Ripplestrom der Applikation IA größer ist als der Nennripplestrom IR des Aluminium-Elektrolyt-kondensators, also IA/IR > 1, kann die Applikation eine bedeutende Erwärmung des Bauteils verursachen. Um sicherzustellen, dass die errechnete Lebensdauer die korrekten Bedingungen der Applikation wiederspiegelt, muss ein anderer Messpunkt (Bezugspunkt) gewählt werden, um die Umgebungstemperatur zu abzuschätzen.

Wenn die durch den Ripplestrom verursachte Erwärmung des Aluminium-Elkos die geforderte Lebensdauer nicht erreichen lässt, ist es notwendig die Kühlung mittels Konvektion oder Ableitblechen (Bild 3) innerhalb des Designs zu verbessern. Hierbei ist zu beachten, dass die verbesserte Kühlung die Bedingungen der Applikation gegenüber den Referenzbedingungen ändert, was wiederum einen Korrekturfaktors nötig macht. Häufig ist es einfacher, die korrekten Werte für Rth und ESR zu bestimmen und die erwartete Betriebstemperatur des Aluminiumkondensators zu errechnen. Die Verwendung dieser Temperatur als Tamb im Nomogramm mit IA/IR = 0, ermöglicht es, den Lebensdauer-Multiplikator korrekt zu ermitteln.

Durch die Auswahl des richtigen Aluminium-Elektrolytkondensators lässt sich von vornherein eine Fehlfunktion im späteren Betrieb des Netzteils vermeiden. Hierzu gehört allerdings ein ausführliches Verständnis des frequenzabhängigen Verhaltens und der Art, in der die Eigenschaften spezifiziert sind. Mit Leistungswerten von bis zu 300 W und maximalen Temperaturen bis 175 °C kann der Entwickler die gewünschten Parameter wie ESR, Lebensdauer, Abmessungen oder Form in seiner Anwendung optimieren.

*Dipl. Ing Thomas Steidl ist Manager im Technical Support Center von Ecomal Europe

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Der überwiegende Teil an Aluminium-Elektrolytkondensatoren ist für den Temperaturbereich von -40°C...  lesen
posted am 26.10.2012 um 09:46 von Unregistriert

Danke für diesen Artikel - wir haben ein Problem: Wir betreiben ein kleines technisches Museum...  lesen
posted am 13.10.2012 um 18:55 von Unregistriert


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