Ein Elektrolytkondensator (Abk. Elko oder Elyt) ist ein gepolter Kondensator, dessen Anodenelektrode (+) aus einem Metall (Ventilmetall) besteht, auf dem durch anodische Oxidation, auch Formierung genannt, eine gleichmäßige, der Nennspannung angepasste äußerst dünne, elektrisch isolierende Oxidschicht erzeugt wird, die das Dielektrikum des Kondensators bildet. Ein flüssiger oder fester Elektrolyt, der sich geometrisch der Oberflächenstruktur der Anode anpasst, bildet die Kathode (−) des Elektrolytkondensators.
mini|hochkant=1.5|Geläufigste Bauformen von Tantal- und von Aluminium-Elektrolytkondensatoren
Je nach Art des verwendeten Anodenmetalls werden die Elektrolytkondensatoren unterschieden in Aluminium-Elektrolytkondensatoren Tantal-Elektrolytkondensatoren Niob-Elektrolytkondensatoren
Eine weitere Gruppe, die nach dem speziellen Elektrolyten benannt ist, sind die Polymer-Elektrolytkondensatoren, die sowohl Aluminium- als auch Tantal-Elektrolytkondensatoren umfassen.
Aluminium-Elkos sind die preiswertesten Bauelemente aus diesen drei Bauarten und werden im gesamten Bereich elektronischer Geräte eingesetzt. Tantal- und Niob-Elkos konkurrieren miteinander und sind überwiegend in der SMD-Bauform in tragbaren elektronischen Geräten in Flachbauweise zu finden.
Hauptvorteil von Elektrolytkondensatoren ist die – bezogen auf das Bauvolumen – relativ hohe Kapazität im Vergleich zu den beiden anderen wichtigen Kondensatorfamilien, den Keramik- und den Kunststoff-Folienkondensatoren. Dies wird erreicht durch die zur Oberflächenvergrößerung aufgeraute Struktur der Anode und durch ihr sehr dünnes Dielektrikum. Ihre Kapazität ist jedoch deutlich kleiner als die elektrochemischer Superkondensatoren.
Elektrolytkondensatoren sind gepolte Bauteile, die nur mit Gleichspannung betrieben werden dürfen. Die Anode ist der Pluspol. Eine evtl. überlagerte Wechselspannung darf keine Umpolung bewirken. Falschpolung, zu hohe Spannung oder Rippelstrom-Überlastung können das Dielektrikum und damit auch den Kondensator zerstören. Die Zerstörung kann katastrophale Folgen (Explosion, Brand) nach sich ziehen.
Durch die große spezifische Kapazität eignen sich Elektrolytkondensatoren besonders zum Entkoppeln unerwünschter Frequenzen vom zweistelligen Hertz-Bereich bis hin zu einigen Megahertz, zum Glätten gleichgerichteter Spannungen in Netzteilen, Schaltnetzteilen und Gleichspannungswandlern. Sie puffern Versorgungsspannungen bei plötzlichen Lastspitzen in digitalen Schaltungen und dienen als Energiespeicher in Gleichspannungs-Zwischenkreisen von Frequenzumrichtern, in Airbag-Schaltungen oder in Fotoblitzgeräten.
Als Sonderform werden auch bipolare Elektrolytkondensatoren hergestellt. Sie bestehen aus zwei intern in Gegenpolung geschalteten Anoden. Bipolare Elektrolytkondensatoren können mit Wechselspannung betrieben werden, beispielsweise beim Koppeln niederfrequenter Signale in Audio-Anlagen.
Grundlagen Plattenkondensator hochkant=0.6|mini|Die Größen , ,
Alle Elektrolytkondensatoren sind im Grunde genommen Plattenkondensatoren, deren Kapazität umso größer ist, je größer die Elektrodenfläche und die Dielektrizitätszahl ist und je kleiner der Abstand der Elektroden zueinander ist.
Zur Vergrößerung der Kapazität des späteren Kondensators wird bei allen Elektrolytkondensatoren die Anode aufgeraut, wodurch die Oberfläche deutlich größer als die einer glatten Oberfläche wird, wodurch sich am Prinzip des Plattenkondensators nichts ändert.
Die Dielektrizitätszahl setzt sich zusammen aus der elektrischen Feldkonstante und der materialspezifischen Permittivität des Dielektrikums: . Dieser Wert bestimmt dann die spezifische Kapazität von Aluminium-, Tantal- oder Niob-Elektrolytkondensatoren.
Anodische Oxidation (Formierung) mini|Da die Dicke der Oxidschicht in der Größenordnung der Wellenlänge des Lichtes ist, kann eine unterschiedliche Spannungsfestigkeit anhand der Farbe des oxidierten (formierten) Tantal-Sinterblockes abgeschätzt werden. Die Farben verschieben sich entsprechend der Bragg-Gleichung mit dem Brechungsindex. mini|links|hochkant=1.3|Prinzipdarstellung der anodischen Oxidation mini|links|hochkant=1.3|Die Schichtdicke des bei der Formierung gebildeten Oxids ist proportional zur Formierspannung
Elektrolytkondensatoren basieren auf dem elektrochemischen Effekt der anodischen Oxidation (Formierung). Dabei wird auf der Oberfläche von sogenannten Ventilmetallen (Aluminium, Tantal, Niob u. a. m.) durch Anlegen des Pluspoles einer Gleichstromquelle in einem mit dem Minuspol verbundenen Bad, gefüllt mit einem flüssigen Elektrolyten, eine elektrisch isolierende Oxidschicht gebildet, die als Dielektrikum eines Kondensators genutzt werden kann.
Diese Oxidschichten auf der Anode (+) sind sehr dünn und haben eine sehr hohe Durchschlagsfestigkeit, die im Bereich nm/V liegt. Die Kapazität dieses Kondensators ergibt sich wie bei einem Plattenkondensator aus der Geometrie der Anodenoberfläche und der Dicke der Oxidschicht. Diese wird mit der Formierspannung bestimmt und kann damit den Erfordernissen der jeweiligen Anwendung angepasst werden, wodurch eine Optimierung der spezifischen Kapazität möglich ist.
Materialien Anoden Hauptunterschied zwischen den Elektrolytkondensatoren ist das verwendete Anodenmaterial und dessen Oxid als Dielektrikum: Aluminium-Elektrolytkondensatoren verwenden eine hochreine und elektrochemisch geätzte (aufgeraute) Aluminiumfolie als Anode mit Aluminiumoxid Al2O3 als Dielektrikum Tantal-Elektrolytkondensatoren verwenden hochreines, feinpulveriges und gesintertes Tantalpulver als Anode mit Tantalpentoxid Ta2O5 als Dielektrikum Niob- oder Niob-Oxid-Elektrolytkondensatoren verwenden hochreines, feinpulveriges und gesintertes Niob oder Niob-Oxid als Anode mit Niobpentoxid Nb2O5 als Dielektrikum.
Die Materialeigenschaften der durch die anodische Oxidation erzeugten Dielektrika bestimmen die spezifische Kapazität der jeweiligen Kondensator-Bauart. Außerdem spielt die Oxidstruktur noch eine wichtige Rolle. Die folgende Tabelle gibt einen Überblick über die Eigenschaften der unterschiedlichen Oxid-Materialien.
+ Materialdaten verwendeter Elektrolytkondensator-DielektrikaAnodenmaterialDielektrikumOxidstrukturRelative PermittivitätDurchschlagsfestigkeit (V/μm)Oxidschichtdicke (nm/V)AluminiumAluminiumoxid Al2O3 kristallin11,6…14,2800…1000 1,25…1,0 amorph 9,6 710 1,4Tantal Tantalpentoxid Ta2O5 amorph 27 625 1,6Niob oder Nioboxid Niobpentoxid Nb2O5 amorph 41 400 2,5
Beim Vergleich der Werte für Aluminiumoxid und Tantalpentoxid zeigt sich, dass die relative Permittivität von Tantalpentoxid höher ist als die von Aluminiumoxid und Tantal-Elkos theoretisch eine höhere spezifische Kapazität als Al-Elkos haben müssten. In realen Tantalkondensatoren werden diese Oxidschichtdicken jedoch erheblich dicker formiert, als es die spätere Nennspannung des Kondensators erforderlich machen würde. Dies geschieht aus Gründen der Sicherheit, denn durch den direkten Kontakt des festen Elektrolyten im Kondensator mit dem Oxid ergeben sich im Bereich von Fehlstellen, Verunreinigungen oder Brüchen im Oxid elektrische Mikrobrücken, die zu erhöhtem Reststrom oder sogar zum Kurzschluss führen können. Diese Maßnahme bedeutet, dass in vielen Fällen die Baugrößenunterschiede zwischen Ta-Elkos und Al-Elkos mit gleicher Nennspannung und Kapazität geringer sind als sie theoretisch möglich sein könnten.
Anodenstrukturen Ein Grund für die relativ hohe spezifische Kapazität der Elkos gegenüber anderen konventionellen Kondensatoren ist die stark vergrößerte Oberfläche der Anode. Bei Aluminium-Elkos wird die Anodenfolie elektrochemisch geätzt (aufgeraut), bei Tantal-Elkos wird durch Sintern von feinem Pulvern die Anodenoberfläche gegenüber einer glatten Oberfläche deutlich vergrößert. Sie kann für kleine Spannungen bis zum Faktor 200 größer als eine glatte Oberfläche sein.
Sowohl durch die Ätzung der Aluminium-Anodenfolie als auch durch das Sintern des Tantal- bzw. Niob-Pulvers entsteht eine aufgeraute Anode, deren Oberfläche deutlich größer als die einer glatten Oberfläche ist.
Die Struktur der Anode und die Materialeigenschaften des Dielektrikums sind die Faktoren, die die Kapazität der Kondensatoren bestimmen. Die folgende Tabelle gibt einen Überblick über die Eigenschaften der unterschiedlichen Oxid-Materialien.
Formierung des Dielektrikums Zur Beschreibung der chemischen Prozesse bei der Formierung von Al-Elektrolytkondensatoren siehe Aluminium-Elektrolytkondensator, von Ta-Elektrolytkondensatoren siehe Tantal-Elektrolytkondensator.
Elektrolyt Der Elektrolyt, Namensgeber der Elektrolytkondensatoren, hat nun die Aufgabe, die aufgerauten Strukturen der jeweiligen Anoden mit dem aufliegenden Dielektrikum möglichst vollständig zu bedecken, um als Gegenelektrode (Kathode) zu wirken. Dazu muss er mechanisch in die Poren eingebracht werden können, was nur in flüssiger Form erfolgen kann. Feste Elektrolyte werden deshalb zunächst in flüssiger Form in die Anodenstrukturen eingebracht und anschließend verfestigt.
Die wichtigste elektrische Eigenschaft eines Elektrolyten im Elektrolytkondensator ist seine Leitfähigkeit.
Aluminium-Elektrolytkondensatoren haben meist einen flüssigen oder gelartigen Elektrolyten, der als Ionenleiter physikalisch eine Ionen-Leitfähigkeit mit begrenzter Ionenbeweglichkeit besitzt, siehe auch Aluminium-Elektrolytkondensator#Elektrolyt. Als flüssiger Elektrolyt für Tantal-Elektrolytkondensatoren kommt meist Schwefelsäure zum Einsatz. Flüssige Elektrolyte sind preiswert und stellen während des Betriebs Sauerstoff für die Selbstheilung der dielektrischen Oxidschicht zur Verfügung, wodurch niedrige Reststromwerte erreicht werden können. Andererseits ist die sehr starke Temperaturabhängigkeit elektrischer Parameter besonders bei tiefen Temperaturen eine Folge des Einfrierens der Flüssigkeit. Auch die Lebensdauerbegrenzung von Al-Elkos mit flüssigem Elektrolyten durch Austrocknungen bei hohen Temperaturen ist auf die Verwendung von Flüssigkeiten zurückzuführen.
Neben flüssigen Elektrolytsystemen werden Elektrolytkondensatoren auch mit festen Elektrolytsystemen hergestellt. Feste Elektrolyte haben eine deutlich geringere Temperaturabhängigkeit der elektrischen Parameter und haben keine Austrocknungsprozesse. Diese Elektrolyte sind Elektronenleiter, das heißt, elektrische Änderungen wie Schaltflanken oder Transienten werden ohne Verzögerung weitergeleitet, wodurch spezielle Schaltungsvorschriften erforderlich sind. Solche festen Elektrolyte bestehen entweder aus Mangandioxid, MnO2, siehe auch Tantal-Elektrolytkondensator#Kathode (Elektrolyt) oder aus einem leitfähigen Polymer, beispielsweise Pedot:PSS, siehe auch Polymer-Elektrolytkondensator#Elektrolyte.
Bauarten und Bauformen Prinzipieller Aufbau von Aluminium-Elektrolytkondensatoren Bei Aluminium-Elektrolytkondensatoren wird die geätzte und formierte Anodenfolie zusammen mit einer zweiten Aluminiumfolie und einem Papierstreifen als Abstandshalter gewickelt, mit dem Elektrolyten getränkt, in einen Aluminium-Metallbecher eingebaut und dann verschlossen. Die zweite Al-Folie wird Kathodenfolie genannt, obgleich der Elektrolyt die eigentliche Kathode ist.
Prinzipieller Aufbau von Tantal- und Niob-Elektrolytkondensatoren Bei Tantal- und bei Niob-Elektrolytkondensatoren besteht die Anode aus feinkörnigem, gesintertem und formierten Metallpulver. Diese Elko-Zelle wird mit dem Elektrolyten versehen, der dann mit einer Graphit- und einer Silberschicht kontaktiert wird. Die Umhüllung besteht meist aus einer Kunststoff-Umpressung.
mini|hochkant=2|Typische Bauformen von Aluminium- und Tantal-Elektrolytkondensatoren Bauformen