Störschutzbauelemente

Warum X- und Y-Folienkondensatoren ausfallen und wie es sich verhindern lässt

| Autor / Redakteur: Dieter Burger * / Thomas Kuther

Ein Open-Frame-Netzteil: der rot gekennzeichnete X2-Kondensator blockt und bedämpft hochfrequente Störsignale und vermindert so die elektromagnetischen Störungen, die durch den Betrieb der Stromversorgung hervorgerufen werden. Darüber hinaus schützt er die Stromversorgung vor netzseitigen Überspannungen (Transienten) und unterdrückt leitungsgebundene Rückwirkungen der Stromversorgung auf das Versorgungsnetz. Somit ist der X2-Kondensator extrem wichtig für einen konstant störungsfreien Betrieb des elektronischen Geräts. Zudem verhindert er unzulässige Verunreinigungen des Versorgungsnetzes durch den Betrieb dieses Geräts.
Ein Open-Frame-Netzteil: der rot gekennzeichnete X2-Kondensator blockt und bedämpft hochfrequente Störsignale und vermindert so die elektromagnetischen Störungen, die durch den Betrieb der Stromversorgung hervorgerufen werden. Darüber hinaus schützt er die Stromversorgung vor netzseitigen Überspannungen (Transienten) und unterdrückt leitungsgebundene Rückwirkungen der Stromversorgung auf das Versorgungsnetz. Somit ist der X2-Kondensator extrem wichtig für einen konstant störungsfreien Betrieb des elektronischen Geräts. Zudem verhindert er unzulässige Verunreinigungen des Versorgungsnetzes durch den Betrieb dieses Geräts. (Bild: HJC)

Als Störschutzbauelemente in Netzeingangsfiltern von direkt am Stromnetz betriebenen Geräten werden häufig metallisierte Folienkondensatoren eingesetzt. Jedoch fallen solche X- und Y-Kondensatoren immer wieder vorzeitig aus. Hier erfahren Sie, warum das so ist und wie sich solche Ausfälle mit geeigneten Qualitätssicherungsmaßnahmen verhindern lassen.

Metallisierte Folienkondensatoren zeichnen sich durch zahlreiche technische Vorzüge aus. Dazu zählen z.B. ein niedriger Verlustfaktor sowie eine geringe Abhängigkeit der Kapazität und des Verlustfaktors von der Temperatur und der Frequenz. Sie sind für Wechselspannung und Gleichspannung geeignet und sie verfügen über eine hohe Stromtragfähigkeit. Darüber hinaus besitzen sie eine hohe Spannungsfestigkeit und Impulsbelastbarkeit und sind in hohen Kapazitätswerten verfügbar.

Aufgrund Ihrer Selbstheilungseigenschaft sind X- und Y-Folienkondensatoren hervorragend geeignet, direkt im Versorgungsnetz an der mit Transienten überlagerten Netzspannung betrieben zu werden. Jedoch kommt es immer wieder zu Reklamationen von X-Folienkondensatoren, die zum Teil nach nur wenigen Jahren vorzeitig im Betrieb ausfallen. Dieser Artikel beschreibt die Hauptursache und stellt eine geeignete Maßnahme zur Qualitätssicherung vor.

Aufbau von metallisierten Folienkondensatoren

Bild 1: Prinzipdarstellung des Aufbaus eines metallisierten Folienkondensators
Bild 1: Prinzipdarstellung des Aufbaus eines metallisierten Folienkondensators (Bild: Elcap/CC)

Gewickelte, metallisierte Folienkondensatoren bestehen üblicherweise aus zwei Kunststofffolien als Dielektrikum sowie aus der auf den Kunststofffolien aufgebrachten Metallisierung als Elektroden. In der Fertigung werden die beiden metallisierten Folien, die zu einem Kondensator gehören, leicht gegeneinander versetzt gewickelt. Durch die versetzte Anordnung der Elektroden ragt jeweils eine Kante der Metallisierung aus einer der beiden Seitenflächen (Stirnflächen) des Wickels heraus.

Die hervorstehenden Elektroden werden mit einem nach Max Schoop genannten Verfahren mit Zinn, Zink oder Aluminium metallisiert (schoopiert = Wickelstirnkontaktierung mit aufgesprühten Metallpartikeln), also elektrisch kontaktiert. Dabei wird das verflüssigte Kontaktmetall mit Hilfe von Pressluft als fein verteilter Nebel unmittelbar auf die jeweilige Stirnfläche des Kondensators aufgesprüht. An die Kontaktschicht der Wickel-Stirnflächen werden die Anschlüsse angelötet oder angeschweißt. Danach wird diese Kondensatorzelle in ein Gehäuse eingesetzt und dort zum verbesserten Schutz vor Umweltweinflüssen mit einer Vergussmasse umhüllt.

Miniaturisierung vs. Robustheit

Der Trend der Bauelemente-Industrie zur Miniaturisierung und zur Realisierung von Einsparpotentialen birgt bei X- und Y-Folienkondensatoren die Gefahr, dass deren Robustheit gegen die Umgebungsbedingungen leidet und als Folge ihre Lebensdauererwartung abnimmt. Die zunehmende Anzahl von Reklamationen in den letzten Jahren lässt den Rückschluss zu, dass die X- und Y-Folienkondensatoren der neueren Generation nicht mehr grundsätzlich der Qualität der früher hergestellten Kondensatoren entsprechen. Sowohl die älteren als auch die aktuellen Generationen von sicherheitszertifizierten X- und Y-Funkentstörkondensatoren müssen jedoch die Norm IEC 60384-14 erfüllen. Dies legt die Vermutung nahe, dass diese Norm in entscheidenden Punkten nicht auf dem neuesten Stand ist, um eine konstante Mindestqualität der aktuell produzierten Kondensatoren im Markt zu sichern.

Welche Faktoren die Lebensdauer von metallisierten Folienkondensatoren beeinflussen

Das Lebensdauerende (End-of-Life) eines metallisierten Folienkondensators beschreibt den Zeitpunkt, ab dem der Kondensator nicht mehr seine spezifizierten Werte erfüllt. Als Kriterien für ein End-of-Life dienen entweder eine zu große Abnahme der Kapazität oder des Isolationswiderstands, oder eine zu starke Zunahme des Verlustfaktors des Kondensators.

Bild 2: Wesentliche Einflussfaktoren auf die Lebensdauer eines metallisierten Folienkondensators.
Bild 2: Wesentliche Einflussfaktoren auf die Lebensdauer eines metallisierten Folienkondensators. (Bild: HJC)

Die Lebensdauer eines metallisierten Folienkondensators wird im Wesentlichen durch die Einflussfaktoren Temperatur (Umgebungstemperatur und Eigenerwärmung), Spannung und Feuchtigkeit bestimmt. Bei einer entsprechenden Überbeanspruchung kann jeder dieser Faktoren zu einer vorzeitigen Alterung oder zu einem Ausfall des Kondensators führen. Um festzustellen, welcher dieser Faktoren in der Praxis den größten Einfluss auf eine vorzeitige Alterung oder einen Ausfall besitzt, sind weniger Laborversuche mit simulierten Bedingungen hilfreich. Vielmehr ist eine Ursachenanalyse von vorzeitig im Feld ausgefallenen Kondensatoren zielführend, da diese Kondensatoren den tatsächlich in der Praxis herrschenden Bedingungen ausgesetzt waren.

Fehleranalyse bei vorzeitig ausgefallenen Kondensatoren

X- und Y-Folienkondensatoren werden zum Großteil in Netzfilter-Applikationen zur EMV-Entstörung von elektronischen Geräten eingesetzt. In diesen netzparallelen „across-the-line“ Schaltungen ist eine vorzeitige Alterung oder ein Ausfall eines Kondensators meistens nicht kritisch für die Funktion des Endprodukts. So funktioniert in den meisten Fällen eine Stromversorgung nach dem Ausfall eines X-Kondensators im Netzfilter der Stromversorgung weiter. Oder eine Lampe leuchtet nach einem Ausfall eines X-Kondensators im Netzfilter eines elektronischen Vorschaltgeräts oder eines LED-Treibers weiterhin.

Meist fällt ein Ausfall nicht auf

Durch eine Degradation oder einen sicheren Ausfall der X- und Y-Funkentstörkondensatoren in Netzfiltern besteht lediglich die Gefahr, dass die für dieses elektronische Gerät geltende EMV-Grenzwertkurve nicht mehr eingehalten wird. Dies könnte zu einer Reklamation des Kunden führen.

In der Praxis erweist es sich jedoch als äußerst unpraktisch und daher als höchst unwahrscheinlich, dass die Einhaltung der EMV-Grenzwertkurve eines elektronischen Geräts vor Ort beim Endkunden überprüft wird. Erst wenn das elektronische Gerät im Betrieb als Störverursacher identifiziert wird, wird in den meisten Fällen dem genauen Grund für die Verursachung der Störung nachgegangen. Daher ist davon auszugehen, dass in den allermeisten Fällen eine Alterung oder ein Ausfall eines Funkentstörkondensators in einem Netzfilter nicht wahrgenommen wird, und daher dann das Endprodukt ohne die ursprünglichen Eigenschaften des X- oder des Y-Kondensators weiter betrieben wird.

In Applikationen, in denen der Kondensator in Serie zur Netzspannung geschaltet ist und somit funktionskritisch ist, macht sich eine unzulässige Degradation von X- und Y-Kondensatoren dagegen sofort bemerkbar. Dies ist z.B. in kapazitiven Stromversorgungen und Spannungsteilern oder bei Koppelkondensatoren in PLC-(Powerline Communication-) Modulen der Fall. Kommt es in diesen Applikationen zu einem Ausfall des Kondensators, führt dies unmittelbar zu einem Funktionsausfall des Geräts. In jüngster Zeit häufen sich Meldungen über entsprechende Ausfälle von industriellen Produkten und von Haushaltselektroniken. In allen Fällen führte ein massiver Kapazitätsverlust der eingesetzten X2-Kondensatoren zu dem Ausfall.

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Ich kann natürlich nicht ins Detail gehen, aber die erhöhte Robustheit erreichen wir durch andere...  lesen
posted am 31.10.2013 um 10:09 von dbtec

Guter Artikel (mal mit Mehrwert für den geneigten Leser) auch wenn der Marketing-Aspekt nicht zu...  lesen
posted am 31.10.2013 um 08:10 von Hans W. Diesing


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