Lebensdauer Kondensatoren

Es gibt kaum eine elektronische Schaltung die ohne sie auskommt: Kondensatoren. Sie speichern die Energie und können kurzzeitig signifikante Energiemengen abgeben. Trotzdem altern diese und beschränken so die Lebensdauer von elektronischen Produkten, wie Netzteilen. Welche Kondensatoren besonders vorteilhaft sind, erfahren Sie in diesem Blogbeitrag.

Welche Art von Kondensatoren gibt es?

Es gibt eine Vielzahl von Kondensatoren und diese Liste erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit. Dieser Artikel beschreibt die wichtigsten bekannten Kondensatoren. Ferner gibt es diverse Unterkategorien der Kondensatoren, die auch individuelle Stärken und Schwächen haben.

Elektrolytkondensatoren

Elektrolytkondensatoren können eine große Energiemenge speichern, sind aber auch gleichzeitig die Kondensatoren mit der geringsten Lebensdauer. Typische Lebensdauerangaben langlebiger Typen sind 10 000h bei 105 °C. Sehr vereinfacht besteht ein Elko aus aufgerauter, gewickelter Alufolie die mit einem Elektrolyt versetzt wurde. Die große Oberfläche in Kombination mit dem Elektrolyt ermöglicht hohe Kapazitäten. Aber wehe, kein Elektrolyt ist vorhanden. Dann steigt der Serienwiderstand erst signifikant an und kurz darauf fällt die Kapazität beachtlich (auf unter <1% des Nominalwertes).

Die Lebensdauer der Elkos ist stark an die Umgebungstemperatur gekoppelt. Eine einfache Daumenregel (Wer es genauer wissen will sucht nach dem Gesetz von Arhenius) besagt, dass 10 Grad mehr die Alterungsrate verdoppelt. Um also möglichst lange Lebensdauern von Elektronikgeräten zu erreichen, sind niedrige Umgebungstemperaturen von Vorteil. Oft entwickeln Hersteller spezielle Kühlkonzepte für Ihre Geräte, um diesen Einfluss zu minimieren. Doch eine gute Kühlung hilft recht wenig, wenn die Umgebungstemperatur schon warm ist.

Wird der Becher der Elektrolytkondensatoren durch Korrosion durchlässig, verteilt sich, ähnlich zur Batteriesäure, das Elektrolyt auf der Platine. Die darin erhaltenen Mineralien führen zusammen mit Feuchtigkeit gerne zu Kurzschlüssen und stellen den finalen Todesstoß dar.

Tantal-Kondensatoren

Tantalkondensatoren nutzen Tantaloxyd und können so eine hohe Kapazität erreichen. Jedoch sind sie in mehrfacher Hinsicht problematische Bauteile. Obwohl wir auf diesem Blog meist nur technisch argumentieren, muss bei diesen Kondensatoren ein ethnischer Aspekt mitbetrachtet werden: In Afrika gibt es Kriege um das Coltan, ein Rohstoff der für diese Kondensatoren benötigt wird. Ferner wird Kinderarbeit dazu genutzt, den Rohstoff kostenoptimiert zu fördern. Hierzu seien folgende Dokus empfohlen: [1] und [2].

Ferner ist einigen Fällen bekannt, indem Tantal-Kondensatoren ein Feuer auf der Platine verursacht haben und so das Elektronikprodukt in Brand setzten.

Im Sinne der ethischen und persönlichen Verantwortung sollte daher auf Tantalkondensatoren komplett verzichtet werden. Die gute Nachricht ist aber, dass diese Kondensatoren, aufgrund ihres Backgrounds, weniger Einsatzbereiche finden.

Keramik-Kondensatoren

Keramikkondensatoren nutzen, wie der Name es schon impliziert Keramikkondensatoren als Dielektrikum. Dabei muss man zwischen zwei Klassen unterscheiden. Class 1 sind temperatur- und spannungsempfindliche aber kapazitätsarme Kondensatoren. Class 2 Kondensatoren sind temperatur- und spannungsempfindliche Kondensatoren. Sie ändern ihre Kapazität mit der Temperatur und Spannung. Class 2 Keramikkondensatoren verlieren auch Kapazität über Zeit, jedoch nicht so tragisch wie Elektrolytkondensatoren. Auch sind hoch-kapazitive Class 2 Keramikkondensatoren eine häufige Ausfallursache von Leistungselektroniken. Dadurch dass die Keramik piezoelektrisch ist, dehnt sich die Keramik aus. Daher können diese Keramiken bei hohen Inrush-Strömen ausdehnen und dadurch brechen. Zwar gibt es spezielle Keramiken, die sich für hohe Spannungen eignen, im Zweifel sollte man aber von diesen speziell am Netzeingang Abstand nehmen.

Ebenso verlieren Keramikkondensatoren mit der Zeit an Kapazität. Murata hat hierzu eine empfehlenswerte Application Note verfasst. Im Vergleich zu Elkos erfolgt der Kapazitätsabfall aber nicht schlagartig und erfolgt langsamer mit zunehmer Zeit.

Auch können Keramikkondensatoren bei hohen Temperaturen brechen. Aktuell hatten wir einen Fall, bei dem ein hoch-kapazitiver Keramikkondensator (10µF 16V 0603 von einem namhaften japanischen Hersteller) bei 85°C beständig nach 2 Wochen gebrochen ist. Ein Upgrade auf höhere Spannungsklassen (10uF 50V 1206) stellte die Lösung dar.

Ein weiterhin Problem von Keramikkondensatoren ist ihr DC-Bias verhalten. Mit zunehmender Kapazität reduziert sich ihre Kapazität. So können rund 80% der Kapazität verloren gegangen sein, wenn die volle Spannungsfestigkeit ausgeschöpft wurde.

Das Problematische an Keramikkondensatoren ist ihr Fehlerverhalten. Im Gegensatz zu Elektrolytkondensatoren, die nur drastisch an Kapazität verlieren, starben Keramikkondensatoren als Kurzschluss und führen zum Komplettausfall eines Systems.

Meist sind die verbauten Rohstoffe unproblematisch. Es gibt einige Kondensatoren, die noch Blei enthielten, sind aber im Zuge von RoHS meist verschwunden. Um seiner Umwelt-Verantwortung gerecht zu werden, sollte man sich über die Inhaltsstoffe von Keramikkondensatoren aber informieren.

Fazit: Keramikkondensatoren sind durchaus sehr langlebige, aber sensible Zeitgenossen. Werden sie stark strapaziert (Temperatur, Inrush-Current) sterben sie durch einen Kurzschluss und führen so zum Ausfall des Gerätes. Sind die Kondensatoren aber fachgerecht verbaut, können Lebensdauern jenseits der 100 000 Stunden problemlos erreicht werden.

Folienkondensatoren

Folienkondensatoren nutzen eine mikrometerdünne, meist einseitig metallisierte Folie, um ihre Kapazitäten zu erreichen. Dazu werden mehrere hundert bis tausend Meter Folie aufgewickelt um die Kapazität zu erreichen. Folienkondensatoren haben im Vergleich zu den anderen Kondensatortechnologien eine auf das Volumen betrachtet kleine Kapazität. Werden Folienkondensatoren zu hoher Hitze ausgesetzt altern diese auch. Ihr entscheidender Vorteil ist aber, dass ihre Lebensdauer durch Spannungsderating exponentiell gesteigert werden kann. Halbiert man die Spannung eines Folienkondensators (dies ist jedoch Typabhängig, also mit dem Hersteller abstimmen), kann die Lebensdauer um den Faktor 128 bis 256 gesteigert werden. So sind leicht Netzteil-Lebensdauern von über 1 000 000 Stunden möglich.

Ein grobes Problem, Folienkondensatoren als Speicherkondensatoren zu nutzen ist ihr geringer Energieinhalt. Typischerweise benötigt der Folienkondensator um den Faktor 10 mehr Platz, welches z.B. das Netzteil 50% größer werden lassen kann. Modernste Regelungsverfahren, z.B. das Karlsruher Institut für Technologie und deren Spinn-Offs, haben hier Technologien entwickelt durch Regelungstechnik die benötigte Kapazität auf das Minimum zu reduzieren. Sollten Sie Infos zu dieser Technologie wünschen, dürfen Sie mich gerne kontaktieren.

Fazit

Um langlebige Produkte zu designen, sollte man bei Kondensatoren überall überlegt vorgehen. Besonders empfehlenswerte Kandidaten 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.