9-2022

Bauelemente

Bauelemente Elko-Lebensdauerabschätzung Wer schreibt Jianghai entwickelte und produzierte vor allem spezielle chemische Produkte (wie z. B. Elektrolyt systeme). Ab 1970 kamen Aluminium-Elektrolytkondensatoren und geätzte und formierte Anodenfolien hinzu, danach Folien-, Polymer-, Doppelschicht und Lithium-Ionen Kondensatoren. Dr. Albertsen ist im Bereich des Design-ins und der Anwendungsunterstützung für Kondensatoren in professionellen Industrieapplikationen tätig. Er ist seit 2011 ehrenamtlich als Experte für Elektro lytkondensatoren und stellvertretender Obmann im Normungsgremium „K611“ der DKE Deutschen Kommission Elektrotechnik im DIN und VDE tätig. Autor: Dr. Arne Albertsen Jianghai Europe Electronic Components GmbH www.jianghai-europe.com Aluminium-Elektrolytkondensatoren („Alu-Elkos“, „Elkos“) stellen einen unverzichtbaren Bestandteil vieler elektronischer Geräte dar. Gestiegene Anforderungen an die Energieeffizienz, die expandierende Nutzung erneuerbarer Energie und der stetig wachsende Elektronikanteil im Automobilbau haben die weite Verbreitung dieser Bauelemente vorangetrieben. In vielen Applikationen hängt die Lebensdauer des Gerätes unmittelbar von der Lebensdauer der Elkos ab [9]. Um einen zuverlässigen Betrieb von elektronischen Geräten für eine definierte Lebensdauer zu erzielen, ist ein Verständnis der Eigenschaften von Elkos unerlässlich. Der vorliegende Beitrag erläutert zunächst den Aufbau von Elkos und die Begriffe ESR, Ripplestrom, Eigenerwärmung, chemische Stabilität und Lebensdauer. Zwei Hilfsmittel zur Abschätzung der Elko- Lebensdauer in einer Applikation werden vorgestellt und anhand eines Beispiels illustriert. Aufbau von Elkos Aluminium-Elektrolytkondensatoren vereinen Spannungsfestigkeiten im Bereich von wenigen Volt bis zu ca. 700 V und einen weiten Kapazitätsbereich von 1 µF bis über 1 F bei gleichzeitig kompaktem Aufbau. Eine hoch aufgeraute Anodenfolie mit einer dünnen Dielektrikumsschicht wird dabei vollflächig von einer passgenauen Kathode, der Elektrolytflüssigkeit, kontaktiert (Bild 1). Bild 1: Innerer Aufbau eines Alu-Elkos Der flüssige Elektrolyt stellt die Besonderheit in der Konstruktion des Aluminium-Elektrolytkondensators dar und seine Präsenz führt zu technischen Konsequenzen. • Da der Stromfluss durch den Elektrolyten auf Ionenleitung beruht, sorgt eine steigende Temperatur des Elektrolyten für ein Absinken der Viskosität und damit des Widerstandes (ESR). • Der Siedepunkt des Elektrolyten bestimmt die obere Kategorietemperatur und limitiert die maximal zu lässige Eigenerwärmung durch den überlagerten Wechselstrom („Ripplestrom“) in Verbindung mit der herrschenden Umgebungstemperatur. 144 PC & Industrie 9/2022

Bauelemente • Elektrolytverluste durch elektrochemische Reaktionen an der Dielektrikumsschicht (Selbstheilung) und Diffusion durch die Dichtung (Austrocknung) bewirken eine Drift der elektrischen Parameter des Elkos und führen zu einer Begrenzung seiner Lebensdauer. Äquivalenter Serienwiderstand ESR Der ESR-Wert (Equivalent Series Resistance) gestattet die einfache Berechnung der beim Betrieb eines Elkos mit einer überlagerten Brummspannung entstehenden Verlustleistung [1]. Die äquivalente Serieninduktivität ESL sowie der Widerstand R Leck (parallel zur idealisierten Kapazität C) werden hier nicht weiter betrachtet Um die Anwendung des ESR-Wertes zu vereinfachen, der neben Frequenz- und Temperaturabhängigkeit eine kontinuierliche Veränderung über die Zeit zeigt, gibt Jianghai zusätzlich zu den typischen Werten jeweils die maximalen ESR-Werte in den Datenblättern an. Diese maximalen ESR-Werte sollten bei der Auslegung von Schaltungen berücksichtigt werden, damit ein robustes Design entsteht. Ripplestrom Durch die in den meisten Anwendungen vorliegende Brumm- bzw. Wechselspannungsüberlagerung der am Elko anliegenden Gleichspannung kommt es zu Rippleströmen und einer Erwärmung des Elkos. In die folgenden Betrachtungen geht der Effektivwert (quadratische Mittelwert) der gewichteten Rippleströme ein, denn Ströme aller Frequenzen tragen ihren Anteil zum Entstehen der Wärmeleistung bei [8]: Bild 2: Ersatzschaltbild des Elektrolytkondensators Der ESR (Bild 2) besteht aus der Summe eines relativ konstanten, eines frequenzabhängigen und eines temperaturabhängigen Anteils [2]: ESR= R o + R d + R e 1. Relativ konstanter ohmscher Widerstand von Folie, Anschlussfähnchen und Lötanschlüssen R o const. typ. Werte von R o liegen im Bereich einiger 10 mΩ. 2. Frequenzabhängiger Widerstand der Dielektrikumschicht (Bild 3 (a)) R d (f)=D ox /(2∙π∙f∙C) mit D ox = Verlustfaktor der Dielektrikumsschicht f = Frequenz C = Kapazität des Elkos Die Frequenzabhängigkeit beruht auf den dielektrischen Verlusten, die beim Anlegen einer Spannung durch die Ausrichtung von Dipol momenten innerhalb der Oxidschicht entstehen [3]. Dieser Anteil am ESR fällt infolge der dickeren Oxidschicht (ca. 1,4 nm/V) bei Elkos mit höherer Nennspannung stärker ins Gewicht. Typische Werte des Verlustfaktors betragen: D ox = 0,06…0,1. 3. Der temperaturabhängige Widerstand des Elektrolyten in Verbindung mit dem Wickelpapier (Bild 3 (b)) lässt sich bei einem bekannten Bezugswert für Zimmertemperatur R e (25 °C) approximieren durch [3]: Die Korrekturfaktoren für Ströme unterschiedlicher Frequenzen haben ihren Ursprung in der Frequenzabhängigkeit des ESR. Um die praktische Anwendung zu vereinfachen, werden im Datenblatt direkt Stromkorrekturfaktoren angegeben und nicht etwa nur das Verhältnis der ESR-Werte bei der vorliegenden Frequenz zur Frequenz des Nenn-Ripplestromes. Da die Frequenzabhängigkeit des ESR für Elkos unterschiedlicher Nennspannung variiert, sind die im Datenblatt tabellierten Korrekturfaktoren oft nach Spannungsbereichen unterteilt. Eigenerwärmung von Elkos im Betrieb Im Betrieb erwärmen sich Elkos über die Umgebungstemperatur hinaus. Dabei übersteigt ihre Kerntemperatur die Temperatur an der Elko-Oberfläche und es stellt sich ein Gleichgewichtszustand zwischen zugeführter elektrischer Leistung P el und der an die Umgebung abgegebenen Wärme P th ein. P el = P th Die wesentlichen Mechanismen zur Kühlung von Elkos sind Wärmestrahlung und (freie oder erzwungene) Konvektion (Bild 4). Der Anteil der Wärmestrahlung übertrifft bei größeren Bauformen in der Regel den der Konvektion (es sei denn, dass durch Ventilation eine Zwangskonvektion eingestellt wird). Das System aus Elektrolyt und Wickelpapier hat einen bis zu Faktor 10 höheren Widerstand als der Elektrolyt an sich. Das (nicht leitende) Papier verdrängt zum Teil den (leitenden) Elektrolyten, so dass der für den Stromfluss verbleibende freie Querschnitt sich verringert. Typische Werte für Elkos mit Ethylenglykol-basierten Elektrolyten sind A = 40 und B = 0,6 [3]. Bild 4: Kühlungsmechanismen von Elkos Bild 3: (a) Frequenz- und (b) Temperaturabhängigkeit des ESR Die Fähigkeit, Wärme im infraroten Spektralbereich abzustrahlen, hängt von der Materialbeschaffenheit der Elko-Mantelfläche A ab: bezogen auf PC & Industrie 9/2022 145