Kaum eine elektronische Schaltung kommt ohne Kondensatoren aus. Sie speichern elektrische Energie und können kurzfristig erhebliche Energiemengen abgeben. Dennoch altern Kondensatoren im Laufe der Zeit, was die Lebensdauer von elektronischen Geräten wie Netzteilen beeinflusst. Welche Kondensatoren besonders vorteilhaft sind und warum, erfahren Sie in diesem Blogbeitrag.
Welche Art von Kondensatoren gibt es?
Es gibt eine Vielzahl unterschiedlicher Kondensatoren, und diese Liste erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit. In diesem Artikel stellen wir die wichtigsten Kondensatorgruppen vor, die in Schaltnetzteilen Verwendung finden. Diese Hauptgruppen können intern weiter unterteilt werden. Dabei hat jede Gruppe ihre eigenen Stärken und Schwächen.
Elektrolytkondensatoren
Elektrolytkondensatoren können große Energiemengen speichern, sind jedoch gleichzeitig die Kondensatoren mit der geringsten Lebensdauer. Langlebige Typen haben typischerweise eine Lebensdauer von 10.000 Stunden bei 105 °C. Vereinfacht gesagt besteht ein Elektrolytkondensator (Elko) aus aufgerauter, gewickelter Aluminiumfolie, die mit einem Elektrolyten getränkt ist. Die große Oberfläche in Kombination mit dem Elektrolyten ermöglicht hohe Kapazitäten. Fehlt es jedoch an Elektrolyt, steigt zunächst der Serienwiderstand signifikant an, gefolgt von einem drastischen Kapazitätsverlust, oft auf unter 1 % des Nominalwerts.
Die Lebensdauer von Elkos ist stark von der Umgebungstemperatur abhängig. Eine einfache Faustregel besagt, dass eine Erhöhung der Temperatur um 10 Grad die Alterungsrate verdoppelt. Für ein besseres Verständnis sei hier auf das Arrhenius-Gesetz verwiesen, das die Reaktionsgeschwindigkeit als Funktion der Aktivierungsenergie und Temperatur beschreibt. Um die Lebensdauer von Elektronikgeräten zu maximieren, sind daher niedrige Umgebungstemperaturen notwendig. Viele Hersteller entwickeln spezielle Kühlsysteme für ihre Geräte, um diesen Einfluss zu minimieren. Eine gute Kühlung hilft jedoch wenig, wenn die Umgebung bereits warm ist. Besonders problematisch wird es, wenn die Temperaturen in Industrieschaltschränken stark ansteigen. Aus diesem Grund setzen viele Schaltschrankbauer auf forcierte Belüftung mittels Lüftern, um die Lebensdauer der Netzteile in akzeptablen Rahmen zu halten.
Ein weiteres Problem stellt das Elektrolyt dar, typischerweise eine Kaliumhydroxidlösung. Wird das Gehäuse des Elektrolytkondensators durch Korrosion undicht, verteilt sich das Elektrolyt ähnlich wie Batteriesäure auf der Platine. Die darin enthaltenen Mineralien können zusammen mit Feuchtigkeit Kurzschlüsse verursachen, was letztlich das Ende des Netzteils bedeutet.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass akzeptable Lebensdauern nur durch ausreichende Kühlung erreicht werden können. Eine bessere Lösung wäre jedoch, ganz auf Elektrolytkondensatoren zu verzichten. Genauere Details, wie dies möglich ist, erfahren Sie in diesem Artikel.
Tantal-Kondensatoren
Tantalkondensatoren nutzen Tantaloxid, um hohe Kapazitäten zu erreichen. Dennoch sind sie aus mehreren Gründen problematische Bauteile. Obwohl wir in diesem Blog meist auf technische Aspekte fokussieren, darf der ethische Aspekt bei Tantalkondensatoren nicht unbeachtet bleiben: In Afrika toben Konflikte um Coltan, einen Rohstoff, der für die Herstellung dieser Kondensatoren benötigt wird. Zudem wird in einigen Fällen Kinderarbeit eingesetzt, um diesen Rohstoff kostengünstig zu fördern. Zu diesem Thema empfehlen wir die folgenden Dokumentationen: [1] und [2].
Darüber hinaus gibt es Berichte über Vorfälle, bei denen Tantalkondensatoren auf der Platine Feuer gefangen haben und dadurch das gesamte Elektronikgerät in Brand setzten.
Aus ethischer und sicherheitstechnischer Verantwortung sollte daher der Einsatz von Tantalkondensatoren vermieden werden. Die gute Nachricht ist, dass diese Kondensatoren aufgrund dieser Problematiken immer weniger Verwendung finden.
Keramik-Kondensatoren
Keramikkondensatoren verwenden, wie der Name vermuten lässt, Keramikoxid als Dielektrikum. Dabei wird zwischen zwei Klassen unterschieden.
Class 1-Kondensatoren zeichnen sich durch eine hohe Stabilität in Bezug auf Temperatur und Spannung aus, bieten jedoch nur geringe Kapazitäten.
Class 2-Kondensatoren hingegen sind temperaturempfindlicher und ändern ihre Kapazität abhängig von Temperatur und Spannung. Sie verlieren über die Zeit Kapazität, jedoch nicht so dramatisch wie Elektrolytkondensatoren. Hochkapazitive Class 2-Kondensatoren sind häufige Ausfallursachen in der Leistungselektronik. Aufgrund der piezoelektrischen Eigenschaften von Keramik dehnen sich diese Kondensatoren bei hohen Einschaltströmen aus, was zu Brüchen führen kann. Zwar gibt es spezielle Keramiken, die sich für hohe Spannungen eignen, dennoch sollte man im Zweifelsfall besonders am Netzeingang vorsichtig sein.
Keramikkondensatoren verlieren mit der Zeit ebenfalls an Kapazität. Murata hat hierzu eine empfehlenswerte Application Note veröffentlicht. Im Gegensatz zu Elektrolytkondensatoren erfolgt der Kapazitätsverlust jedoch allmählich und nicht abrupt. Ein signifikanter, plötzlicher Abfall wie bei Elkos tritt nicht auf.
Zudem besteht die Gefahr, dass Keramikkondensatoren bei hohen Temperaturen brechen. Kürzlich hatten wir einen Fall, bei dem ein hochkapazitiver Keramikkondensator (10 µF, 16 V, 0603, von einem namhaften japanischen Hersteller) bei 85°C nach zwei Wochen beständig brach. Die Lösung bestand darin, auf eine höhere Spannungsklasse (10 µF, 50 V, 1206) umzusteigen.
Ein weiteres Problem bei Keramikkondensatoren ist das DC-Bias-Verhalten. Mit zunehmender Spannung nimmt die Kapazität ab. Es kann zu einem Verlust von bis zu 80 % der Kapazität kommen, wenn die volle Spannungsfestigkeit ausgenutzt wird.
In unseren Netzteilen haben wir festgestellt, dass X5R-Kondensatoren zwar eine höhere Energiedichte aufweisen, jedoch bei hohen Spannungen eine deutlich kürzere Lebensdauer haben. Nahe, aber noch unterhalb der Nennspannung, versagten X5R-Kondensatoren wesentlich häufiger, während X7R-Kondensatoren unter denselben Bedingungen stabil blieben. Daher verwenden wir in den meisten DPS-Produkten ausschließlich X7R-Kondensatoren.
Das größte Problem von Keramikkondensatoren ist ihr Fehlerverhalten. Im Gegensatz zu Elektrolytkondensatoren, die hauptsächlich an Kapazität verlieren, fallen Keramikkondensatoren oft durch Kurzschlüsse aus, was zum Totalausfall eines Systems führen kann.
Die verwendeten Rohstoffe sind in der Regel unproblematisch. Einige Kondensatoren enthielten früher Blei, jedoch wurden diese im Rahmen der RoHS-Richtlinie weitgehend eliminiert. Zur Wahrnehmung der eigenen Umweltverantwortung sollte man dennoch die Inhaltsstoffe von Keramikkondensatoren prüfen. X7R-Kondensatoren bestehen aus Bariumtitanat (BaTiO₃), das in keramischer Form nicht als besonders giftig oder gefährlich gilt. In dieser stabilen, gebundenen Form besteht in der Regel kein Risiko für den Menschen.
Fazit: Keramikkondensatoren sind langlebig, aber empfindlich. Werden sie stark belastet (z.B. durch hohe Temperaturen oder Einschaltströme), können sie durch Kurzschlüsse ausfallen und das gesamte Gerät lahmlegen. X5R-Kondensatoren sind dabei anfälliger als X7R-Kondensatoren. Wenn sie jedoch sachgemäß verbaut werden, können Lebensdauern von über 100.000 Stunden problemlos erreicht werden.
Folienkondensatoren
Folienkondensatoren verwenden eine mikrometerdünne, meist einseitig metallisierte Folie, um ihre Kapazität zu erreichen. Dabei werden mehrere hundert bis tausend Meter Folie aufgerollt. Im Vergleich zu anderen Kondensatortechnologien bieten Folienkondensatoren eine vergleichsweise geringe Kapazität pro Volumeneinheit. Wird ein Folienkondensator hohen Temperaturen ausgesetzt, kann auch er altern. Der wesentliche Vorteil von Folienkondensatoren liegt jedoch in der Möglichkeit, ihre Lebensdauer durch Spannungsderating erheblich zu verlängern. Halbiert man die Spannung eines Folienkondensators (dies ist typabhängig und sollte daher mit dem Hersteller abgestimmt werden), kann die Lebensdauer um den Faktor 128 bis 256 erhöht werden. Dadurch sind Lebensdauern von über 1.000.000 Stunden möglich.
Ein erhebliches Problem bei der Verwendung von Folienkondensatoren als Speicherkondensatoren ist ihr geringer Energieinhalt. Typischerweise benötigen Folienkondensatoren etwa das zehnfache Volumen, was beispielsweise das Netzteil um bis zu 50 % vergrößern kann. Modernste Regelungsverfahren, wie sie von der Digital Power Systems GmbH verwendet werden, reduzieren die erforderliche Kapazität auf das Minimum. Bei Interesse an dieser Technologie stehe ich Ihnen gerne für weitere Informationen zur Verfügung.
Fazit
Um langlebige Produkte zu entwerfen, sollte man bei Kondensatoren besonders überlegt vorgehen. Besonders empfehlenswerte Kandidaten für langlebige Netzteile sind Keramik- und Folienkondensatoren. Folienkondensatoren eignen sich besser für hohe Spannungen, während Keramikkondensatoren im Kleinspannungsbereich attraktiv sind.
Gerne diskutiere ich mit Ihnen über Ihre Sicht der Dinge. Nehmen Sie einfach bei Interesse Kontakt mit mir auf. Besonders langlebige und robusten Elektroniklösungen erfordern einen regen Austausch.
