Aluminium-Elektrolytkondensatoren

Maßnahmen für hohe Langzeitstabilität von Alu-Elkos bei Betrieb und Lagerung

11.03.2008 | Autor / Redakteur: Christian Baur und Norbert Will* / Andreas Mühlbauer

Ein Aluminium-Elektrolytkondensator verhält sich nicht immer gleich. Insbesondere können Lagerung und Alterung zu Fehlfunktionen führen. Daher sind sowohl bei der Herstellung als auch beim Einsatz der Kondensatoren einige Regeln und Maßnahmen zu beachten, die die Lebensdauer der Bauteile gewährleisten.

In der Automobil-Elektronik mit ihren hohen Qualitätsstandards sind Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit einer eine hohen Langzeitstabilität gefordert. Denn diese Kondensatoren werden in einer Vielzahl von Automobilanwendungen eingesetzt. Dazu zählen Motormanagementsysteme für die Kraftstoffeinspritzung genauso wie Ansteuerungen von Kühler- und Scheibenwischermotoren, elektronische Lenksysteme, in Airbags oder Multimediageräte. Spezielle Fertigungsverfahren ermöglichen es, Alu-Elkos herzustellen, die sowohl bei Lagerung als auch im Betrieb eine hohe Langzeitstabilität aufweisen.

Lagerung beeinflusst das Reststromverhalten

Eine wichtige Kenngröße des Aluminium-Elektrolyt-Kondensators ist sein Reststromverhalten bei Wiederinbetriebnahme nach Lagerung. Als Reststrom wird der Leckstrom durch den Kondensator bezeichnet, der kurz nach Anlegen einer Gleichspannung noch relativ hoch ist und nach mehrtägigem Anlegen der Gleichspannung auf einen geringen Wert, den Betriebsreststrom, abklingt. Zur Bewertung des Reststromverhaltens wird üblicherweise der Reststromwert herangezogen, der nach fünfminütigem Anliegen der Gleichspannung noch als Leckstrom durch den Kondensator fließt.

Das Dielektrikum eines Alu-Elkos besteht aus dem Aluminiumoxid, das elektrochemisch auf eine aufgeraute Aluminiumfolie aufformiert wird. Die Qualität des Oxids, die sich im Laufe der Alu-Elko-Herstellung und des späteren Einsatzes immer wieder verändert, bestimmt die isolierenden Eigenschaften des Dielektrikums. Durch die Verarbeitung der mit Oxid bedeckten Anodenfolie bei der Kondensatorherstellung und später durch spannungsloses Lagern erhöht sich die Gleichstrom-Leitfähigkeit des Oxids.

Bild 1: Reststromniveau von Alu-Elkos während der Lebensdauer: Der Formierbedarf eines Alu-Elkos im Laufe seiner Herstellung von der Anodenfolie bis zum fertig eingesetzten Bauteil. Der Nachformierbedarf zeigt sich im Reststrom beim Formieren, hier gelb markiert. Wenn keine Spannung anliegt (grüner Bereich), steigt die mittlere Leitfähigkeit der Oxidschicht wieder an. Bei erneutem Anlegen einer Spannung zeigt sich die erhöhte Leitfähigkeit durch einen erhöhten Reststrom, der mit zunehmender Lagerdauer ansteigt.
Bild 1: Reststromniveau von Alu-Elkos während der Lebensdauer: Der Formierbedarf eines Alu-Elkos im Laufe seiner Herstellung von der Anodenfolie bis zum fertig eingesetzten Bauteil. Der Nachformierbedarf zeigt sich im Reststrom beim Formieren, hier gelb markiert. Wenn keine Spannung anliegt (grüner Bereich), steigt die mittlere Leitfähigkeit der Oxidschicht wieder an. Bei erneutem Anlegen einer Spannung zeigt sich die erhöhte Leitfähigkeit durch einen erhöhten Reststrom, der mit zunehmender Lagerdauer ansteigt.

Dies führt zu einer schlechteren Isoliereigenschaft des Dielektrikums. Um die störende Leitfähigkeit zu minimieren, wird schließlich eine neuerliche Formierung unter Spannung zur Ausheilung und Ergänzung der Oxidschicht nötig. Ist das Oxid stärker degeneriert, so fließt bei der erneuten Formierung ein hoher Formierstrom. Man spricht dann von einem erhöhten Formierbedarf.

Die Lagerung von Alu-Elkos

Bei der Lagerung eines Alu-Elkos können zwei unterschiedliche Effekte die Sperrfähigkeit des Kondensators nachteilig beeinflussen – die Oxid-Degeneration und Nachimprägniereffekte. Wenn später erneut Spannung angelegt wird, kann dies dann zunächst wieder einen erhöhten Regenerations-Reststrom bewirken.

  • Oxid-Degeneration

Je nach Elektrolytklasse und Temperatur können ionische Bestandteile des Elektrolyten in das Dielektrikum beziehungsweise Oxid diffundieren und die Oxid-Kristallstruktur verändern. Es entstehen elektrische Fehlstellen und ionische Ladungsträger im Oxid.

Elektrolyte auf Basis des Lösemittels Glykol, die mit zunächst höheren Restströmen negativ auffallen, haben jedoch den Vorteil, dass sie bei Stromfluss vorhandene Defekte im Oxid sehr gut reparieren können. Damit sind diese Elektrolyte hervorragend für Hochvolt-Alu-Elkos geeignet.

Im Niedervoltbereich, wo die Oxide homogener sind, reichen so genannte Lösemittel-Elektrolyte mit dem Lösemittel Gamma-Butyrolacton für die Erzeugung eines zuverlässigen und spannungsfesten Dielektrikums aus. Hier ist es von Vorteil, dass diese Elektrolyte fast nicht in das Oxid eindringen oder Bindungen lösen können und damit auch noch nach jahrzehntelanger spannungsloser Lagerung ein gut isolierendes Oxid gewährleisten. Werden dennoch auch mit diesen Elektrolyten nach einer spannungslosen Lagerung vereinzelt und vorübergehend hohe Restströme gemessen, so ist dies auf Nachimprägniereffekte zurückzuführen.

  • Nachimprägniereffekte

Das Oxid kann im Bauelement nur dort elektrochemisch ausformiert werden, wo es auch mit Elektrolyt bedeckt und über den Elektrolyt mit der Kathodenfolie elektrisch verbunden ist. Das heißt, an diesen Stellen kann der nötige Formierstrom fließen. Dies ist in einem neuen Kondensator bei mehr als 99,9% der zu formierenden Oxidfläche der Fall.

Bild 2: Partielle Formierung im Anschlussbereich – Beispiel einer vom Elektrolyten nicht bedeckten anodischen Oberfläche im Durchführungsbereich eines radialen Alu-Elkos.
Bild 2: Partielle Formierung im Anschlussbereich – Beispiel einer vom Elektrolyten nicht bedeckten anodischen Oberfläche im Durchführungsbereich eines radialen Alu-Elkos.

Beim radialen Kondensator ist die positive Durchführung, die auch als Paddle Tab bezeichnet wird, nur auf der im Wickel liegenden Oberfläche formiert worden. Im Bereich des Gummistopfens, wohin der Elektrolyt nicht vorgedrungen ist, konnte beim Formieren kein Oxid entstehen. Das ist zunächst auch kein Isolier-Nachteil, weil dort, wo kein Elektrolyt ist, auch kein Reststrom fließen kann.

Nachformier-Effekte sorgen für geringen Reststrom

Bild 3: Nachformieren im Anschlussbereich – Beispiel einer verzögert imprägnierten anodischen Oberfläche in einem radialen Alu-Elko
Bild 3: Nachformieren im Anschlussbereich – Beispiel einer verzögert imprägnierten anodischen Oberfläche in einem radialen Alu-Elko

Sollte später in diesen Bereich doch teilweise Elektrolyt vordringen, muss die Formierung zur Ausbildung eines isolierenden Oxids beim nächsten Anlegen einer Spannung nachgeholt werden. Dies bedeutet, dass dann zunächst solange ein erhöhter Reststrom fließt, bis auch das neu mit Elektrolyt benetzte Stück der anodischen Aluminium-Oberfläche ausformiert ist.

Bei Niedervolt-Alu-Elkos mit Lösemittel-Elektrolyt ist zu erwarten, dass nach den Lager- und Transportzeiten bis zum ersten Betrieb in der Anwendung alle Bereiche benetzt sind und sie damit langfristig auch einen sehr geringen Reststrom aufweisen.

Diese Nachformier-Effekte, hervorgerufen durch die nachträgliche Benetzung, gelten im Prinzip auch für Hochvolt-Elektrolyte, sind aber wegen des dominanten Einflusses der Oxid-Degeneration von untergeordneter Bedeutung. Doch auch für diese Elektrolytklasse ist der Testbetrieb mit Spannung vorteilhaft für das langfristige Reststromverhalten des Alu-Elkos, weil durch jede Formierung die isolierenden Eigenschaften des Oxids stabiler werden.

Um auch bei der Gerätelagerung den Formierzustand des Kondensators stabil zu halten, sollten größere Temperaturschwankungen und länger andauernde Erschütterungen vermieden werden. So lassen Alu-Elkos mit Lösemittelelektrolyten der Sikorel-Klasse über einen Zeitraum von mehr als 15 Jahren lagern, ohne dass der für das neue Bauelement spezifizierte Reststromgrenzwert überschritten wird.

Bei Kondensatoren mit polareren Elektrolyten dominiert jedoch die chemische Wechselwirkung zwischen Elektrolyt und Oxid das Sperrverhalten des Dielektrikums. Deshalb ist bei diesen Alu-Elkos eine möglichst geringe Lagertemperatur von unter 25 °C zu wählen. So können auch Lagerzeiten von mehr als den spezifizierten zwei Jahren erreicht werden. Aber auch nach Überschreiten der zulässigen Lagerzeit ist nicht mit einer Schädigung des Alu-Elkos zu rechnen, sondern nur ein für mehrere Minuten anhaltender erhöhter Reststrom zu beobachten.

Unabhängig vom Betriebselektrolyten ist der Betriebsreststrom im Gleichgewicht sehr gering. Der Reststrom passt sich dem Gleichgewichtszustand (Spannung, Temperaturverteilung, Einbaugeometrie, Erschütterungen) an. Ändert sich nach einem längeren konstanten Betrieb das Gleichgewicht durch eine höhere Spannung oder eine höhere Temperatur werden wieder Ladungsträger im Dielektrikum aktiviert, sodass erneut ein höherer Reststrom fließt.

Erhöhter Reststrom bei verändertem Gleichgewicht

Auch Änderungen des Gleichgewichts, die den Elektrolyten zum fließen bringen, können unter Umständen Anodenflächen benetzen, die im alten Gleichgewicht nicht wirksam benetzt waren. Zu diesen Anodenflächen können auch kleinste Bereiche mit einzelnen Schwachstellen zählen, die nicht wirksam formiert waren. Neben dem klassischen Ausformieren des Dielektrikums durch Bildung eines sperrenden Oxids kann es bei eingelagerten Fremdstoffen zu einer Fehlstelle kommen, die ständig einen lokalen Leckstrom verursacht.

Bild 4: Störstellen führen zur Gasung
Bild 4: Störstellen führen zur Gasung

Im Gleichgewicht können auch diese Fehlstellen scheinbar durch Bilden einer Gasblase ausheilen. Das durch den lokalen Leckstrom erzeugte Gas verdrängt den Elektrolyten an der Fehlstelle, so dass auch der lokale Stromfluss abbricht.

Jede Änderung des Gleichgewichts, das einen Einfluss auf die Gas- und Elektrolytmenge und deren Gaslöslichkeit hat, kann den Reststrom ansteigen lassen. Damit ist auch die paradoxe Beobachtung erklärbar, dass selbst beim Abkühlen eines Kondensators der Reststrom wider Erwarten zunächst ansteigen kann. Sicherlich bewirkt der Reststrom auch eine Alterung des Alu-Elkos, weil er einige Bestandteile des Elektrolyten für die Oxidbildung beziehungsweise Regeneration verbraucht.

In der Regel ist dieser Effekt aber nicht der Alterungsbestimmende Mechanismus. Hierbei ist zu beachten, dass die störenden hohen Restströme nur kurz nach dem Anlegen der Spannung auftreten, also in Summe über die gesamte Betriebszeit vernachlässigbar sind. In der Praxis bewirkt ein hoher Restsrom nur dann ein vorzeitiges Ende, wenn der Strom wegen überhöhter Spannung oder Falschpolung, verstärkt durch hohe Temperatur, nicht richtig absinken kann und dann durch die schnelle Gasbildung ein Platzen der Sollbruchstelle erfolgt.

Bei Applikationen, die über eine Batterie oder einen Akku versorgt werden, wie typischerweise in Fahrzeugen, besteht immer die Sorge, dass die Batterie durch den hohen Reststrom eines Bauelementes entladen werden könnte. Mit modernen Alu-Elkos von Epcos ist diese Sorge unbegründet. Dies gilt auch bei der Verwendung selbstverlöschender Hochvolt-Elektrolyte. Alu-Elkos können nur kurzzeitig hohe Restströme bewirken, nie jedoch im Langzeitmittel. Unter geeigneten Einsatzbedingungen lassen sich Aluminium-Elektrolytkondensatoren über Jahrzehnte betreiben.

*Christian Baur ist zuständig für Product Marketing Aluminum Electrolytic Capacitors und Norbert Will für Development Aluminum Electrolytic Capacitors bei Epcos.

 

Alu-Elkos richtig verarbeiten

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