mini|400px|Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit flüssigem Elektrolyten weisen eine große Vielfalt an Bauformen, Baugrößen und Baureihen auf.
Ein Aluminium-Elektrolytkondensator, auch „Elko“ genannt, ist ein gepolter Kondensator, dessen Anodenelektrode (+) aus einer Aluminiumfolie besteht, auf der durch anodische Oxidation, auch Formierung genannt, eine gleichmäßige, der Nennspannung angepasste äußerst dünne elektrisch isolierende Aluminiumoxidschicht als Dielektrikum erzeugt wird. Ein flüssiger oder fester Elektrolyt, der sich geometrisch der Oberflächenstruktur der Anode anpasst, bildet die Kathode (-) des Kondensators. Eine zweite Aluminiumfolie kontaktiert den Elektrolyten und bildet die elektrische Verbindung zum negativen Anschluss des Kondensators.
Aluminium-Elektrolytkondensatoren gliedern sich durch die Verwendung unterschiedlicher Elektrolytsysteme in zwei Unterfamilien: Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit flüssigem Elektrolyten, auch „nasse“ Elkos genannt, die im vorliegenden Artikel beschrieben sind, und Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit festem Elektrolyten, siehe Polymer-Elektrolytkondensator und SAL-Elektrolytkondensator.
Besonderheit der Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit flüssigem Elektrolyten ist der Aggregatzustand des Elektrolyten. Als Flüssigkeit ist er stärker den Einflüssen der Temperatur ausgesetzt als ein fester Elektrolyt und er kann durch Austrocknungsvorgänge verdunsten. Dadurch altern Elkos und verändern im Laufe der Zeit ihre Kennwerte. Andererseits liefert der flüssige Elektrolyt den Sauerstoff für die Selbstheilung der Oxidschicht beim Auftreten von Fehlstellen (Nachformierung), wodurch niedrige Restströme erreicht werden.
Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit flüssigem Elektrolyten besitzen, mit wenigen Ausnahmen, eine durch Ätzung sehr stark vergrößerte Anodenoberfläche (rau) zur Erhöhung der Kapazität. Zusammen mit dem sehr dünnen Dielektrikum sowie der Möglichkeit, die Dicke der Oxidschicht einer gewünschten Spannungsfestigkeit anzupassen, erreichen sie, verglichen mit Keramik- und Kunststoff-Folienkondensatoren eine höhere spezifische Kapazität. Sie werden hergestellt mit Kapazitätswerten von 0,1 µF bis 2.700.000 µF (2,7 F)CDE, series DCMC, cde.com (PDF; 1,0 MB) mit Nennspannungswerten von 4 V bis 630 V.Jianghai, 630-V-Elkos (PDF; 701 kB) Sie zeichnen sich außerdem durch eine große Anzahl unterschiedlicher Baugrößen in unterschiedlichen Bauformen aus, wodurch ihr Anwendungsspektrum bis in den Bereich großer Leistungen hineinreicht. Durch Wahl einer Baureihe mit einer entsprechenden Lebensdauerspezifikation kann außerdem der Alterungsprozess der Elkos den jeweiligen Anforderungen angepasst werden.
Aluminium-Elektrolytkondensatoren, die dank ihrer hohen Kapazitäten auch bei niedriger Frequenz wie z. B. der Netzfrequenz schon niedrige Impedanzen aufweisen, werden typischerweise in Netzteilen, Schaltnetzteilen und Gleichspannungswandlern zum Glätten und Sieben gleichgerichteter Spannungen eingesetzt. Sie puffern Versorgungsspannungen bei plötzlichen Lastspitzen in digitalen Schaltungen und bilden den Energiespeicher in Gleichspannungs-Zwischenkreisen von Frequenzumrichtern, in Airbag-Schaltungen oder in Fotoblitzgeräten.
Aluminium-Elektrolytkondensatoren sind gepolte Kondensatoren, die nur mit Gleichspannung betrieben werden dürfen. Falschpolung oder Wechselspannung, aber auch Spannungen größer als die Nennspannung sowie Rippelstrom-Überlastung können zu einem elektrischen Kurzschluss und zur Zerstörung der Kondensatoren führen. Dabei können sie sogar explodieren.
Als Sonderform werden auch bipolare Aluminium-Elektrolytkondensatoren hergestellt. Sie bestehen aus zwei intern in Gegenpolung geschalteten Anoden. Bipolare Elektrolytkondensatoren können mit Wechselspannung betrieben werden.
Grundlagen Plattenkondensator 155px|mini| Aluminium-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 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 der Aluminium-Elektrolytkondensatoren.
Anodische Oxidation (Formierung) mini|Prinzipdarstellung der anodischen Oxidation
Aluminium-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 Anode 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.
+Materialdaten von Aluminiumoxid und Tantalpentoxid in ElektrolytkondensatorenAnodenmaterialDielektrikumOxid-strukturRelativePermittivitätDurchschlags-festigkeit(V/µm)Oxidschicht-dicke(nm/V)AluminiumAluminiumoxid Al2O3 amorph 9,6 710 1,4 kristallin11,6…14,2Jeng-Kuei Chang, Chia-Mei Lin, Chi-Min Liao, Chih-Hsiung Chen, Wen-Ta Tsai, Journal of The Electrochemical Society, 2004. Effect of Heat-Treatment on Characteristics of Anodized Aluminum Oxide Formed in Ammonium Adipate Solution (PDF; 600 kB) doi:10.1149/1.1646140 800…1000 1,25…1,0Tantal Tantalpentoxid Ta2O5 amorph 27 625 1,6
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 und 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.
Materialien und Fertigung Anodenfolie 300px|mini|Die Anodenfolien von Al-Elkos werden elektrochemisch geätzt (aufgeraut), links: 10-V-Niedervolt-Anodenfolie, rechts: 400-V-Hochvolt-Anodenfolie. Niedervolt- und Hochvolt-Anoden zeigen völlig unterschiedliche Ätzstrukturen mini|300px|Blick auf die Oberfläche einer aufgerauten Anodenfolie Grundmaterial aller Anoden für Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit flüssigem Elektrolyten ist eine Aluminiumfolie mit der Dicke von 50 bis 100 μm aus hochreinem Aluminium mit einem Reinheitsgrad von mindestens 99,98 %.Becromal, Products, becromal.euElna, Capacitors, Prinziples, Panasonic, Production of Aluminum Electrolytic Capacitors Diese wird in einem elektro-chemischen Prozess geätzt (aufgeraut), um die wirksame Elektrodenoberfläche zu vergrößern.A. Albertsen, Elektrolytkondensator-Grundlagen, Das 1 × 1 für Entwickler und folgende, 2018 WEKA FACHMEDIEN GmbH, [Elektronik, https://www.elektroniknet.de/elektronik/e-mechanik-passive/das-1-x-1-fuer-entwickler-134112.html]CapXon, Manufacturing Process Durch die Ätzung kann die Oberfläche der Anode, abhängig von der späteren Spannungsfestigkeit, um bis etwa Faktor 200 gegenüber einer glatten Oberfläche vergrößert werden.Eine glatte Aluminiumfolie mit einer Oxidschicht für 6,3 V hat eine Kapazität von etwa 1 µF/cm², eine hochaufgeraute Niedervoltfolie für 6,3 V kann eine spezifische Kapazität von bis zu 275 µF/cm² erreichen (KDK, Aluminum Foils for Aluminum Electrolytic Capacitors kdk.com), während eine Hochvoltfolie mit einer Formierspannung von 800 V eine spezifische Kapazität von etwa 0,2 µF/cm² aufweist.(Becromal, Products, becromal.eu)
Formierung des Dielektrikums mini|Ultra-Dünnschliff einer geätzten Pore in einer 10 V Niedervolt-Anodenfolie mit aufliegender Oxidschicht, Vergrößerung 100.000fach. Hellgrau: Aluminium, dunkelgrau: amorphes Aluminiumoxid, Hell: Pore, in der sich später der Elektrolyt befindet Nach dem Ätzen wird die Aluminium-Anode anodisch oxidiert bzw. formiert. Dabei wird, wie oben beschrieben, durch Anlegen einer Stromquelle in richtiger Polarität in einem Elektrolytbad auf der Aluminium-Oberfläche eine elektrisch isolierende Oxidschicht Al2O3 gebildet, das Dielektrikum des Kondensators. Der Vorgang der Formierung erfolgt in zwei Reaktionsschritten. Zunächst wird in einer stark exothermen Reaktion Aluminium (Al) in sein Hydroxid Al(OH)3 umgewandelt:
2 Al + 6 H2O → 2 Al(OH)3 + 3 H2 ↑
Diese Reaktion wird beschleunigt durch ein hohes elektrisches Feld und durch hohe Temperaturen, wobei Wasserstoffgas (3 H2 ↑) freigesetzt wird. Das gelartige Aluminiumorthohydroxid Al(OH)3, auch Aluminiumhydroxid, Aluminiumhydrat oder Aluminiumtrihydrat (ATH) genannt, wandelt sich im zweiten Reaktionsschritt nach einiger Zeit in Aluminiumoxid Al2O3 und Wasser H2O um:
2 Al(OH)3 → 2 AlO(OH) + 2 H2O → Al2O3 + 3 H2O
Allerdings ist normalerweise die so erzeugte Schicht aus Aluminiumoxid nicht homogen. Eine anodisch erzeugte Schicht ohne zusätzliche Nachbehandlung bildet ein kompliziertes Mehrschichtgebilde aus amorphem, kristallinem und porös kristallinem Aluminiumoxid, auf der meist auch noch ein Rest nicht umgeformten Aluminiumhydroxids liegt.J. L. Stevens, A. C. Geiculescu, T. F. Strange: Dielectric aluminum oxides: Nano-structural features and composites. NSTI-Nanotech 2006, vol. 3, 2006 tib.euoder yumpu.com