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Erstellt am 10 Aug 2024 | zuletzt bearbeitet vor 1 Monat von Steffen
Leckströme bei Elektrolytkondensatoren sind in der Schaltungstechnik durchaus ein Problem, da sie dem theoretischen Ansatz – ein ideales Dielektrikum ist nicht leitfähig – widersprechen. Im Zusammenhang mit der Revidierung eines Gerätes bin ich auf dieses Thema gestoßen.
Die Elkos (so die Kurzbezeichnung für Elektrolytkondensatoren) sind heute aus der Elektrotechnik/Elektronik nicht mehr wegzudenken. Es gibt sie in einer Spanne von 0,1 µF1) bis über 2 F bei Spannungsfestigkeiten zwischen einigen Volt bis knapp 700 V.
Aufbau des Elkos
Auf einer angerauten Aluminiumfolie (Anode) befindet sich das Dielektrikum (Al2O3), gefolgt vom im Elektrolyt getränkten Papierstreifen. Die Kathodenfolie ist ebenfalls aus Aluminium, auf der sich eine natürliche Oxidschicht befindet. Das Elektrolyt gehört zur Kathode, die Kathodenfolie stellt die elektrisch leitende Verbindung zum Elektrolyt her.
Die Dielektrikumsschicht entsteht durch Formierung (anodische Oxidation). Den dazu benötigten Sauerstoff liefert das Elektrolyt.
Da sich auf der Kathode ebenfalls eine dünne Oxidschicht bildet, ist der Elko genau genommen eine Parallelschaltung aus zwei Kondensatoren. Darauf möchte ich aber nicht weiter eingehen.
Leckstrom
Weist das Dielektrikum auf der Anode Fehlstellen auf, kommt es zu Leckströmen. Diese Fehlstellen sind Kristallbaufehler, Fremdatome in der Al-Schicht, Spannungsrisse, Beschädigungen, die bei der Herstellung entstanden sind oder Ablösung der Oxidschicht durch den Elektrolyten. Es gibt weitere Effekte, wie z. B. die dielektrische Absorption oder Tunneleffekte, auf die ich ebenfalls nicht näher eingehen möchte.
Aus den oben genannten Faktoren resultiert ein Leckstrom, der nach Anlegen der Spannung exponentiell abfällt und einen Betriebsleckstrom erreicht.
Beispiel für Leckströme bei Elektrolytkondensatoren
Der zulässige Leckstrom kann dem Datenblatt des Kondensators entnommen werden. Als erstes Beispiel dient ein Nichicon-Elko mit 450 V Spannungsfestigkeit und einer Kapazität von 47 µF, danach berechne ich den Leckstrom für einen 10-µF-Elko mit 6,3 V Spannungsfestigkeit.
- Zuerst bestimmen wir CV, also das Produkt aus Kapazität und Spannungsfestigkeit.
- Danach berechnen wir anhand der ausgewählten Formel (in Abhängigkeit von CV) den Leckstrom.
Bsp 1:
CV = 47 * 450 = 21 150 (CV > 1000)
I = 0,04 * CV + 100 (µA)
I = 0,04 * 21 150 + 100
I = 946 µA
Bsp 2:
CV = 10 * 6,3 = 63 (CV <= 1000)
I = 0,1 * CV + 40 (µA)
I = 0,1 * 63 + 40
I = 46,3 µA
Dr. Arne Albertsen, Senior Sales Manager von Jianghai Europe Electronic Components, hat 2018 einen Fachartikel zur Zuverlässigkeit von Elkos geschrieben, der auf viele wichtige Grundlagen eingeht. Da werden auch die Leckströme bei Elektrolytkondensatoren behandelt.
Eine weitere Leseempfehlung zu den Grundlagen:
1) F bedeutet Farad und ist die Einheit der elektrischen Kapazität. Sie wurde zu Ehren des Experimentalphysikers Michael Faraday so benannt.
1 F = 1 C / V (Coulomb pro Volt – Ladungsmenge bezogen auf die Spannung)