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Lagerung von Aluminium- Elektrolytkondensatoren

Der im Datenblatt spezifizierte Leckstrom soll auch nach längerer, spannungsloser Lagerung eingehalten werden – und hat daher auch einen wesentlich höheren Zahlenwert als der Betriebsleckstrom. In Abhängigkeit von Temperatur und Elektrolyt-Zusammensetzung löst sich die Oxidschicht teilweise mehr oder weniger auf, denn ohne angelegte Spannung kann sich die Oxidschicht nicht regenerieren („Selbstheilung“).

Zu Wartungszwecken eingelagerte Geräte sollen daher von Zeit zu Zeit betrieben werden. Die Zeiträume für einen „Regenerationsbetrieb“ hängen von den eingesetzten Aluminium-Elektrolytkondensatoren ab und liegen typischerweise im Bereich von mehreren Jahren.

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Bei neuen, noch nicht bestückten und gelöteten Aluminium-Elektrolytkondensatoren empfiehlt Jianghai, einen Zeitraum von zwölf Monaten nach dem Eintreffen beim Endanwender bis zur Verarbeitung und Nutzung nicht zu überschreiten. Eine längere Lagerung kann die Verarbeitbarkeit beim Löten beeinträchtigen bzw. zu erhöhten Leckströmen beim ersten Betrieb führen. In Abhängigkeit von der Baureihe und den Umgebungsbedingungen bei der Lagerung können längere Lagerdauern individuell vereinbart werden.

Während Niedervolt-Aluminium-Elektrolytkondensatoren (bis 100 V Nennspannung) mit lösemittelbasierten Elektrolytsystemen in der Regel sehr stabil sind, können Hochvolt-Aluminium-Elektrolytkondensatoren (ab 160 V Nennspannung) mit Ethylenglykol-basierten Elektrolyten und insbesondere sogenannte „Low ESR“-Typen mit wasserhaltigen Elektrolyten einen Anstieg der Leckströme ausprägen.

Ein ca. 15- bis 30-minütiger Betrieb der Aluminium-Elektrolytkondensatoren an einer über Widerstände (Niedervolt: 100 Ω, Hochvolt: 1 kΩ) zugeführten, schrittweise auf Nennspannung erhöhten Spannung kann in diesem Fall eine weitgehende Ausheilung der geschwächten Stellen im Dielektrikum bewirken und den Leckstrom wieder unter den Datenblattwert senken.

Symmetrierung – damit alles in Balance ist

Bei einer Serienschaltung von Aluminium-Elektrolytkondensatoren teilt sich die Spannung im Verhältnis der Isolationswiderstände der Kondensatoren (bzw. im Verhältnis der reziproken Leckströme der Kondensatoren) auf.

Um eine gleichmäßige Aufteilung der Spannung zu gewährleisten, sollte der Ruhestrom I_Q durch einen Spannungsteiler aus Widerständen in Bild 5 den (Betriebs-) Leckstrom um ein Mehrfaches übersteigen. Die Verwendung von Aluminium-Elektrolytkondensatoren aus einem Fertigungslos ist dabei vorteilhaft, denn diese weisen in der Regel geringere Abweichungen der Leckströme aus als Aluminium-Elektrolytkondensatoren aus verschiedenen Fertigungslosen.

Die Mittelpunktspannung ergibt sich nach:

Gleichung (1) zeigt, dass die Mittelpunktspannung U_m vom gewünschten Idealwert U_D/2 um einen Wert abweicht, der proportional zu dem Widerstandswert und der Leckstromdifferenz verläuft.

Zur Dimensionierung der Symmetrierwiderstände R_B gilt es, einen guten Kompromiss zwischen geringer Verlustleistung und noch akzeptabler Spannungsdifferenz zu finden.

Als Schätzwert für die Leckstromdifferenz der Aluminium-Elektrolytkondensatoren bei oberer Kategorietemperatur gilt Gleichung (2):

Auflösen von Gleichung (1) nach R_B und Einsetzen des Terms für I_L,C2-I_L,C1 aus (2) ergibt:

Für ideale Symmetrierwiderstände mit identischen Widerstandswerten könnte man die Mittelpunktspannung U_m der Kondensator-Nennspannung gleichsetzen. Reale Widerstände sind jedoch mit einer Toleranz behaftet, so dass auch die Mittelpunktspannung vom Idealwert der halben Zwischenkreisspannung abweicht. Bei einer Toleranz der Widerstandswerte von z.B. ±5% ergibt sich im ungünstigsten Fall eine Abweichung der Mittelpunktspannung vom Idealwert von nahezu 10%. Es empfiehlt sich daher für die Auslegung einer passiven Symmetrierung, eng tolerierte Widerstände zu verwenden und eine Mittelpunktspannung unterhalb der Nennspannung der eingesetzten Aluminium-Elektrolytkondensatoren zu wählen.

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