Power-Tipps von TI, Teil 47 Aluminium-Elektrolytkondensatoren richtig einsetzen

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Dass man Aluminium-Elektrolytkondensatoren nach wie vor gern in Netzteilen einsetzt, liegt an dem günstigen Preis dieser Bauelemente. Diesem Vorteil steht allerdings ihre begrenzte Lebensdauer und ihre Empfindlichkeit gegen sehr hohe wie auch sehr niedrige Temperaturen gegenüber.

Aluminium-Elektrolytkondensatoren bestehen aus Metallfolien, zwischen denen sich eine elektrolytgetränkte Papierschicht befindet. Da dieses Elektrolyt mit zunehmender Alterung des Kondensators austrocknet, verändern sich dessen elektrische Eigenschaften. Wird der Kondensator schließlich defekt, so kann dies durchaus spektakulär vonstattengehen, indem sich ein Druck in seinem Innern aufbaut, bis er ein brennbares und korrosives Gas ausstößt.

Die Geschwindigkeit, mit der das Elektrolyt austrocknet, wird in hohem Maße von der Temperatur des Kondensators bestimmt. Jede Abnahme der Betriebstemperatur um 10 °C verdoppelt die Lebensdauer des Kondensators. Die Lebensdauer von Kondensatoren wird üblicherweise bezogen auf die maximal zulässige Temperatur angegeben (z. B. 1.000 Stunden bei 105 °C).

Es wird also problematisch, wenn man diese Kondensatoren für langlebige Applikationen spezifiziert wie beispielsweise das LED-Leuchtmittel in Bild 1, dessen LEDs 25.000 Stunden halten sollen. Soll das Leuchtmittel die volle Lebensdauer von 25.000 Stunden tatsächlich erreichen, darf der Kondensator nicht über 65 °C erwärmt werden.

Dies stellt eine besondere Herausforderung dar, da die Umgebungstemperatur in einer Anwendung dieser Art auf mehr als 125 °C ansteigen kann. Es gibt zwar Kondensatoren, die für höhere Temperaturen ausgelegt sind, aber in den meisten Fällen wird es dennoch der Aluminium-Elektrolytkondensator sein, der die Obergrenze der Lebensdauer eines LED-Tauschleuchtmittels festlegt.

Die Abhängigkeit der Lebensdauer von der Temperatur hat außerdem Auswirkungen darauf, wie die Spannung, mit der der Kondensator konfrontiert wird, zu reduzieren ist. Man könnte zunächst auf die Idee kommen, einfach die Nennspannung des Kondensators höher zu wählen, um das Risiko zu verringern, dass das Dielektrikum einen Defekt erleidet. Damit aber würde man sich einen höheren effektiven Serienwiderstand (ESR) einhandeln.

Da der Kondensator in der Regel einem beträchtlichen Welligkeitsstrom ausgesetzt wird, würde infolge dieses höheren ESR mehr Verlustleistung im Innern des Kondensators abfallen, was eine entsprechende Erwärmung bewirken würde. Mit zunehmender Temperatur aber steigt auch die Ausfallrate. In der Praxis werden Aluminium-Elektrolytkondensatoren meist mit etwa 80 % ihrer Nennspannung betrieben.

Die lebensdauerfördernden niedrigen Temperaturen können bei diesen Kondensatoren zu einem erheblichen Anstieg des ESR führen, wie in Bild 2 zu erkennen ist. Im vorliegenden Fall ist der Widerstand bei 40 °C sogar um eine ganze Größenordnung höher. Dies wirkt sich in vielfältiger Weise auf die Leistungsfähigkeit eines Netzteils aus. Wird der Kondensator am Ausgang eines Schaltnetzteils eingesetzt, steigt die Welligkeitsspannung am Ausgang um eine ganze Größenordnung.

Doch auch die Regelschleife wird beeinflusst, indem die Schleifenverstärkung bei Frequenzen oberhalb der Nullstelle, die vom ESR und der Ausgangskapazität bestimmt wird, um eine Größenordnung zunimmt. Dies kann das Netzteil instabil machen und zum Schwingen bringen. Um diese große Änderung zu berücksichtigen, muss die Regelschleife meist so dimensioniert werden, dass bei Zimmertemperatur und darüber erhebliche Abstriche gemacht werden müssen.

Fakt ist, dass Aluminium-Elektrolytkondensatoren in aller Regel die kostengünstigste Option darstellen. Vor ihrem Einsatz muss man sich jedoch unbedingt vergewissern, ob die Nachteile dieser Bauelemente keine ungünstigen Auswirkungen auf die Applikation haben. Zunächst muss die Abhängigkeit der Lebensdauer von der Betriebstemperatur der Kondensatoren beachtet werden. Außerdem muss die Spannung hinreichend gemindert werden, damit es zu einer möglichst geringen Erwärmung kommt und eine größtmögliche Lebensdauer erreicht wird. Schließlich muss man wissen, über welchen Bereich sich der ESR im Praxiseinsatz verändern wird, damit die Regelschleife korrekt dimensioniert werden kann und die Welligkeits-Spezifikationen des Designs eingehalten werden können.

Im nächsten Power-Tipp geht es um einen Offline-Sperrwandler mit geringer Leistungsaufnahme.

Weitere Informationen zu dieser und anderen Power-Lösungen finden Sie außerdem auf www.ti.com/power-ca und unter www.elektronikpraxis.de/power-tipps.

* * Robert Kollman ist Senior Applications Manager und Distinguished Member of Technical Staff bei Texas Instruments.

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