Vorsicht, leckt: Aluminium-Elektrolytkondensatoren und ihr Leckstrom

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Auch wenn sie recht einfach aufgebaut sind, so haben Aluminium-Elektrolytkondensatoren doch ihre Tücken. Ihr Leckstrom zum Beispiel ist ein Thema, mit dem sich Entwickler unbedingt befassen sollten.

Aluminium-Elektrolytkondensatoren sind ein wichtiger Bestandteil vieler Geräte der Leistungselektronik. Erhöhte Anforderungen an die Energieeffizienz, die expandierende Nutzung erneuerbarer Energie und der stetig wachsende Elektronikanteil im Automobilbau haben die weite Verbreitung dieser Bauelemente vorangetrieben. In vielen Applikationen hängen Lebensdauer und Zuverlässigkeit des Gerätes direkt von den entsprechenden Parametern der Aluminium-Elektrolytkondensatoren ab.

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Der Aufbau von Aluminium-Elektrolytkondensatoren

Aluminium-Elektrolytkondensatoren vereinen Spannungsfestigkeiten im Bereich von wenigen Volt bis zu ca. 700 V und einen weiten Kapazitätsbereich von 1 µF bis über 1 F bei gleichzeitig kompaktem Aufbau. Eine hoch aufgeraute Anodenfolie aus Aluminium mit einer dünnen Dielektrikumsschicht aus Aluminiumoxid wird dabei vollflächig von einer passgenauen Kathode, der Elektrolytflüssigkeit, kontaktiert (Bild 1).

Ein elektrochemisches Verfahren mit der Bezeichnung „anodische Oxidation“ bzw. „Formierung“ erzeugt die Dielektrikumsschicht auf der Oberfläche der aufgerauten Anodenfolie. Die Güte der Formierung bzw. Aufbau und Schichtdicke des Dielektrikums sind dabei wesentliche Schlüssel für eine hohe Zuverlässigkeit der Aluminium-Elektrolytkondensatoren im Betrieb. Bild 2 zeigt eine elektronenmikroskopische Aufnahme der Oberfläche einer geätzten Hochvolt-Anodenfolie.

Bild 3 zeigt den Schichtaufbau des Dielektrikums im Querschnitt. Auf die Aluminiumfolie (1) folgt zunächst eine Schicht amorphen Aluminiumoxids (2), der sich eine kristalline (3) und schließlich eine hydratisierte Schicht (4) anschließen.

Die kompakten Moleküle der amorphen Schicht (2) weisen nur einen losen Verbund auf, d.h. sie haben nur geringe Wechselwirkungen untereinander. Dies ist vorteilhaft, wenn ein durch den Ripplestrom aufgeprägtes Feld sie anregt, denn in diesem Fall wird weniger Wärme dissipiert als bei fester gekoppelten Molekülen. Die „Reibung“ untereinander fällt gering aus.

Die ebenfalls kompakten Moleküle in der kristallinen Schicht (3) sind enger angeordnet und bieten einen guten Isolationswiderstand, der kleine Leckströme begünstigt.

Die großen Moleküle der Hydratschicht (4) lassen sich leicht polarisieren und erzeugen im Wechselfeld relativ viel „Reibungsverluste“. Bei erhöhter Temperatur lösen sich zudem Wassermoleküle aus der Hydratschicht, was u.a. zu einer Schwächung der kristallinen Schicht (3) und damit zu einem Anstieg des Leckstromes führt.

Ein Ziel bei der Entwicklung von neuen Anodenfolien ist daher auch eine dünnere Hydratschicht bei einer gleichzeitig dickeren amorphen Schicht. Hersteller Jianghai verfügt dank seiner Strategie der vertikalen Integration über eigene Werke zur Formierung des Anodenmaterials und kann daher die Technologie der Folien optimieren.

Die wichtigsten Ursachen des Leckstroms

Eine wesentliche Ursache des Leckstromes von Aluminium-Elektrolytkondensatoren sind Fehlstellen im Dielektrikum der Anode. Fehlstellen resultieren z.B. aus Kristallbaufehlern, der Anwesenheit von Fremdatomen in der Aluminium-Basisschicht, mechanischen Spannungsrissen (vom Wickeln), fertigungsbedingten Beschädigungen (Zuschnitt der Folie, genietete Verbindungen mit den Anschlussfähnchen) und Anlösungen der Oxidschicht durch den Elektrolyten.

Kleinere Beiträge zum Leckstrom leisten die dielektrische Absorption, Querströme außerhalb des Elko-Wickels sowie Tunneleffekte. Innerhalb weniger Minuten an Spannung klingt der Elko-Leckstrom in etwa exponentiell ab und nimmt einen fast konstanten Wert, den Betriebsleckstrom an (Bild 4a).

Der Betriebsleckstrom als Maß für den Formierzustand der Anodenfolie hängt von der Zeit, angelegter Spannung, Temperatur und Vorgeschichte des Kondensators ab (Bild 4a bis 4c). Typische Werte des Betriebsleckstromes können ca. 5 bis 15% vom Datenblattwert des Leckstromes betragen und stellen sich in der Regel bereits nach mehreren zehn Minuten kontinuierlichen Betriebs ein.

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