Elektrolytkondensatoren: Aufbau, Vorteile & Anwendungen im Detail

Um Elektrolytkondensatoren zu verstehen, zuerst: Was ist ein Kondensator? Wovon hängt Kapazität ab?

Was ist ein „Kondensator“?

„Ein elektronisches Bauelement, das elektrische Ladung in Form eines elektrischen Feldes speichert.“

Passives Bauelement (steuert Strom nicht über anderes elektrisches Signal). Zwei Typen: polar (Elektrolyt) & unpolar. Hier: Aluminium-Elektrolytkondensator (polar).

Zwei Metallplatten (Anode/Kathode) speichern Ladung bei korrekter Polarity. Parallelplattenkondensator: Spannung → E-Feld. Hohes E-Feld → geringe Kapazität (C ~ 1/E). Dielektrikum (Isolator) zwischen Platten verringert E-Feld → Spannung sinkt → Kapazität steigt. C hängt ab von: Plattenfläche, Plattenabstand, Permittivität des Dielektrikums.

Elektrolytkondensatoren

Breite Anwendung: Netzteile, Mainboards (TV/PC), Mikrocontroller-Boards, Audioverstärker, Kopplung/Entkopplung. Sehr hohe Kapazitätswerte durch Dünnschicht-Dielektrikum.

Wie wird ein Elektrolytkondensator gefertigt?

Zwei Metallfolien (Anode/Kathode). Dielektrikum: Anodenoxidation – elektrochemischer Prozess bildet isolierende Oxidschicht (Al₂O₃) auf Anodenfolie. Elektrolyt (ionisierte Flüssigkeit) fungiert als Kathoden-Kontakt. Oxidschichtdicke ∝ max. Betriebsspannung (Schutz vor Durchbruch).

Drei Metallsysteme

1. Aluminium-Elektrolytkondensator (hier im Fokus)
2. Tantal-Elektrolytkondensator
3. Niob-Elektrolytkondensator

Aluminium-Elektrolytkondensator – Aufbau & Fertigung

Zwei Al-Folien (Anode hochrein 99,99 %, 20–100 µm; Kathode niedrigrein ~98 %), getrennt durch Dielektrikum/Papier. Kathodenseite: Elektrolytlösung + Spacer-Papier.

Anodenfolie – Ätzen (Rauhen)

Kapazität ∝ effektive Oberfläche. Ätzen vergrößert Oberfläche.

1. Physikalisch: Folie in HCl-Lösung (chemisches Ätzen).
2. Elektrochemisch: Folie als Anode in wässriger HCl-Lösung, Stromfluss (Gleich- oder Wechselstrom).

Verfahren nach gewünschter Performance. Nach Ätzen: Chlorid-Reste spülen (sonst Korrosion).

Formieren (Anodenoxidation)

Geätzte Folie in Elektrolyt (Ammoniumphosphat/borat) + Gleichspannung → Al₂O₃-Schicht wächst. Dicke ∝ Spannung (~1,4 nm/V).

Kathodenfolie

Niedrigreines Al (98 %), geätzt, aber nicht formiert. Natürliche Oxidschicht (Luft) hält nur 1–2 V. Dient als elektrischer Kontakt Elektrolyt ↔ Außenanschluss.

Elektrolyt

Ionisierte, leitfähige Flüssigkeit = „flüssige Kathode“. Anforderungen: leitfähig, chemisch stabil ggü. Folien, niedrige Volatilität bei hoher Temperatur.

Spacer-Papier (Trennschicht)

Verhindert Kurzschluss Anode-Kathode. Hochreines Saugpapier. Dicke nach Spannungsklasse (100 V: 35–75 µm). Bei Überspannung: Papier durchbricht → Kurzschluss → Explosion.

Fertigung (Wickeln, Imprägnieren, Altern)

1. Masterrolle → Ätzen → Formieren
2. Anode/Kathode auf Breite/Länge schneiden
3. Anschlüsse anschweißen, mit Spacer-Papier wickeln
4. Wickelgut in Elektrolytbad imprägnieren (Unterdruck)
   
5. Elektrolyt: Polyhydric Alkohole (Ethylenglycol/Lösungsmittel) + Ammoniumsalze (Solute) → regeneriert Oxidschicht, verbessert Lebensdauer/Leckstrom
6. In Al-Gehäuse mit Gummidichtung einbauen, verschließen
7. PVC-Hülse mit Aufdruck (Typ, Spannung, Kapazität, Polung)
8. Altern (Aging): Gleichspannung bei hoher Temperatur → Oxidschicht nach Schlitzen/ Schweißen reparieren, Leckstrom stabilisieren
9. Endprüfung

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