Aluminium-Elektrolytkondensator

Der Aluminium-Elko ist der Kondensator, den fast jeder sofort erkennt: ein Zylinder mit Kunststoffhülle, einem hellen Streifen voller Minuszeichen und einem eingeprägten Kreuz im Deckel. In Netzteilen glättet er die gleichgerichtete Spannung, auf Mainboards puffert er die Versorgung, in Verstärkern speichert er Energie für Bassimpulse. Er ist zugleich das Bauteil, das in Elektronikgeräten am häufigsten durch Alterung ausfällt. Wenn du verstehst, warum, kannst du ihn so auslegen, dass er die Lebensdauer deines Geräts nicht begrenzt. Das gemeinsame Prinzip aller Elkos – Oxidschicht, Formierung, Polarität – steht unter Elektrolytkondensator.

Aufbau und Funktionsweise

Im Inneren steckt ein Wickel aus vier Lagen: der Anodenfolie aus hochreinem, geätztem Aluminium mit der formierten Oxidschicht, einem saugfähigen Papier, der Kathodenfolie und einem zweiten Papier. Das Papier ist mit einem flüssigen Elektrolyten getränkt, meist auf Basis von Ethylenglykol oder anderen Lösungsmitteln mit gelösten Salzen. Der eigentliche Gegenbelag zum Oxid ist dieser Elektrolyt; die Kathodenfolie stellt nur den Kontakt zu ihm her.

An beiden Folien sind Aluminiumfahnen angenietet, die zu den Anschlüssen führen. Der Wickel sitzt in einem Aluminiumbecher, der unten mit einem Gummistopfen verschlossen ist. Im Deckel ist eine Sollbruchstelle eingeprägt – das Kreuz oder K. Steigt der Innendruck durch Überlastung, reißt sie kontrolliert auf, statt dass der Becher explodiert.

Weil die Oxidschicht dünner wird, je kleiner die Formierspannung ist, steigt die Kapazität pro Volumen bei Niedervolt-Elkos stark an. Ein 10-mm-Becher fasst etwa 1000 µF bei 16 V, aber nur rund 22 µF bei 400 V. Die Formierspannung liegt dabei immer etwas über der Nennspannung; deshalb verträgt ein Elko kurze Spitzen bis zur sogenannten Spitzenspannung, die das Datenblatt etwa 10–15 % über der Nennspannung angibt.

Schaltzeichen

Gezeichnet wird der Aluminium-Elko als gepolter Kondensator mit Pluszeichen (Schaltzeichen siehe Elektrolytkondensator). Am Bauteil markiert der Streifen mit Minuszeichen den Minuspol, bei neuen bedrahteten Elkos ist das Minusbein außerdem kürzer. Weitere Aufdrucke wie Temperaturklasse und Serie erklärt Kennzeichnung von Elkos.

Kennwerte im Datenblatt

Am Beispiel eines verbreiteten Low-Impedance-Typs, Panasonic EEU-FR1E471 (Serie FR):

Ein Standard-Elko gleicher Größe hat einen mehrfach höheren ESR und nur einen Bruchteil des Rippelstroms. Für Netzteile und Schaltregler zählen genau diese Zeilen. Wie der ESR wirkt, beschreibt der Artikel Kondensator; die auf geringen ESR optimierten Serien stellt Low-ESR-Elko vor.

Lebensdauer: die 10-Kelvin-Regel

Die angegebenen Stunden gelten bei Höchsttemperatur. In dieser Zeit verliert der Elko so viel Elektrolyt, dass seine Kapazität um etwa 20–30 % gesunken und sein ESR auf das Doppelte bis Dreifache gestiegen ist – das ist das definierte Lebensende, kein plötzlicher Ausfall. Wie schnell der Elektrolyt verdunstet, hängt vor allem von der Temperatur ab. Als Faustregel verdoppelt sich die Lebensdauer je 10 K weniger:

Dabei ist L₀ die Lebensdauer bei der Höchsttemperatur T₀ und T die Temperatur im Kern des Elkos. Die Kerntemperatur ergibt sich aus Umgebung plus Eigenerwärmung durch den Rippelstrom: P = I² · ESR.

Hersteller rechnen meist nicht über etwa 15 Jahre hinaus, weil dann auch der Gummistopfen altert. Wie Wärme abfließt und wie du Bauteile kühl hältst, erklärt Wärme und Kühlung.

Bauformen

• Radial (beide Drähte auf einer Seite): die Standardform, von 4 mm bis etwa 18 mm Durchmesser.
• Axial (je ein Draht an jedem Ende): früher verbreitet, heute vor allem in Audio und Reparatur.
• SMD (Becher auf Kunststoffsockel, „V-Chip“): für automatische Bestückung, bis etwa 18 mm Durchmesser.
• Snap-in mit zwei oder mehr kräftigen Lötstiften: Netzteile, Umrichter, Verstärker, typisch 22–50 mm Durchmesser und bis 450 V.
• Schraubanschluss: große Becher für Industrie-Umrichter und Energiespeicher, bis zu einigen 100 000 µF.

Typische Anwendungen

Die klassische Aufgabe ist der Lade- oder Siebkondensator hinter einem Brückengleichrichter. Er lädt sich in den Spitzen der Halbwellen auf und versorgt die Last dazwischen. Die Restwelligkeit ΔU hängt vom Laststrom I, der Kapazität und der Brummfrequenz f ab (bei Vollweggleichrichtung an 50 Hz sind das 100 Hz). Näherungsweise gilt:

Den Siebkondensator rechnest du mit eigenen Werten hier nach:

Weitere Einsätze: Puffer an Versorgungsschienen, Ausgangskondensatoren von Linear- und Schaltreglern, Koppelkondensatoren in Endstufen und Zwischenkreise in Motorsteuerungen. Hinter dem Brückengleichrichter bildet er mit dem Trafo das einfachste Netzteil.

Auswahl und Praxistipps

Wähle die Nennspannung 20–30 % über der höchsten Betriebsspannung, eine 105-°C-Serie mit ausreichender Lebensdauer, einen Rippelstrom über dem berechneten Effektivwert und dann die Kapazität. In Schaltreglern zählt der ESR mehr als die Kapazität.

Häufige Fehler:

• Elko am Kühlkörper: Die beste Serie hilft nichts, wenn der Elko bei 90 °C sitzt. Plane Abstand zu warmen Bauteilen.
• Rippelstrom ignoriert: Der Elko wird von innen heiß, bläht sich auf und fällt Monate früher aus.
• Lange gelagerte Hochvolt-Elkos: Nach Jahren ohne Spannung ist das Oxid teilweise abgebaut. Lege sie über einen Vorwiderstand (z. B. 10–47 kΩ) an Nennspannung, bis der Leckstrom abgeklungen ist (Nachformieren).
• Falsch gemessen: Ein Kapazitätsmessgerät zeigt bei einem gealterten Elko oft noch einen guten Wert, obwohl der ESR das Zehnfache erreicht hat. Ein ESR-Meter verrät ihn sofort (siehe Kapazität messen).
• Billige Ersatztypen: Beim Reparieren immer mindestens gleiche Spannung, Temperaturklasse und Rippelstrom einsetzen, nicht nur gleiche Kapazität.

Selbsttest