Undichter Elko

Zeitweise sporadische Ausfälle oder Totalausfälle an PC’s,  Computernetzteilen und  anderen elektronischen Systemen können sehr häufig durch defekte Elektrolytkondensatoren (Elkos) verursacht werden. Im Rahmen  der diversen  „Fehlersuchen“ an elektronischen Komponenten, ist häufig zu beobachten, dass für die Ursache eines Ausfalls ein defekter Kondensator verantwortlich war.

1.   Ausfallursachen - Elektrolytkondensatoren

1.1  Aufbau - Elektrolytkondensatoren

Der Elko besteht aus zwei Aluminiumelektroden von denen eine Elektrode „künstlich oxidiert“ wurde. Die Oxidschicht bezeichnet man als Dielektrikum und ergibt aufgrund ihrer Rauhigkeit eine extrem große, zerklüftete Oberfläche. Um diese zerklüftete Oberfläche mit den zahlreichen Poren zu Nutzen, verwendet man eine Flüssigkeit als Elektrode. Die Flüssigkeit wird als Elektrolyt bezeichnet und ist mit der anderen Elektrode direkt leitend verbunden. Zwischen den beiden Elektroden befindet sich ein isolierendes durchlässiges Gewebe oder Papier.

 

Beide Aluminiumelektroden, mit einer isolierenden Gewebeschicht, werden zusammengerollt und in einem Aluminiumbecher untergebracht. Hinzugefügt wird eine Elektrolytflüssigkeit und der Aluminiumbecher mit einem Gummipfropfen verschlossen, durch den auch der Plusanschluß des Kondensators geführt wird.

1.2  Aufgaben - Elektrolytkondensatoren

Elkos werden in allen Bereichen der Elektronik zur Pufferung und Siebung, als auch als kurzzeitiger Speicher der Versorgungsspannung eingesetzt. Die Speisespannungen heutiger Prozessoren betragen nur wenige Volt aber die benötigten Speiseströme können kurzzeitig Werte von etwa 100A annehmen. Kondensatoren  können, im Gegensatz zum Netzteil,  kurzzeitig diese hohen Ströme zur Verfügung stellen.

Die Speisespannung darf dabei nicht nennenswert zusammenbrechen, der Kondensator dient sozusagen als „(Strom-) Stütze“ für diesen kurzen Moment.

1.3  Lebensdauer - Elektrolytkondensatoren

In den Datenblättern von Kondensatoren, insbesondere bei Elektrolytkondensatoren, wird die Lebensdauer bei einer bestimmten Umgebungs- bzw. Betriebstemperatur vom Hersteller angegeben. Meist ist dies die Maximaltemperatur des Bauteils. Wird diese Temperatur um 10°C überschritten, halbiert sich die Lebensdauer des Bauteils um etwa die Hälfte.

 

Folgendes Beispiel soll uns das verdeutlichen. Laut Datenblatt (siehe oben) hat ein „Elko“ eine Lebensdauer von 3000 Stunden bei einer Temperatur von 105°C. Sinkt nun die Temperatur um 10°C, also auf 95°C, so verdoppelt sich die Lebensdauer auf etwa 6000 Stunden. Weitere 10°C Absenkung (85°C) verdoppelt den Wert auf etwa 12000 Stunden wie an der oben abgebildeten Grafik zu erkennen ist.

 

Anders ausgedrückt, bei etwa 65°C beträgt die zu erwartende Lebensdauer ca. 100000 Stunden, bei 75°C nur noch 50000 Stunden.

Zu starke, dauerhafte Erwärmung bedeutet den vorzeitigen Tod

Das ist auch ein häufiger Grund, warum es zu vorzeitigen Ausfällen von Kondensatoren kommen kann - zu hohe (Umgebungs-)Temperaturen! Im Laufe der Zeit verlieren Kondensatoren, in einem normalen rahmen, immer einen kleinen Teil der Elektrolytflüssigkeit. Diese „diffundiert“ durch den Gummipfropfen am Alubecher. Werden die Bauteile überbeansprucht beschleunigt sich der Vorgang wie in den Abbildungen unten zu sehen ist.

Gerade bei „alten“ Elkos kann die Elektrolytflüssigkeit im Laufe der Zeit durch einen spröden „Gummi-Pfropfen“ sehr leicht hindurchwandern. Die Folge ist Kapazitätsverlust und der Kondensator kann seine Aufgabe nicht mehr erfüllen, was sich wiederum auf andere Schaltungsteile auswirkt. Hinweise von ausgetrockneten Kondensatoren kann man auf der Platine finden. Meist ist auf der Platine, um den Kondensator herum, ein dunkler Rand zu beobachten.

 

Ausgelaufener Elektrolyt auf der Platine kann weitere Ausfälle verursachen! Da der Elektrolyt leitfähig ist, kann es bei der Berührung mit den Leiterbahnen zu Kurzschlüssen kommen. Ein weiterer Folgeschaden nach dem Ausfall des Bauteils sind Verbrennungen auf der Platine.

Das "Austrocknen" von Kondensatoren war auch die Ursache für einen Ausfall eines Instrumentencombies eines Fahrzeugherstellers das nach ein paar Jahren Laufzeit seinen Dienst verweigerte. Bauteilekosten Kondensatoren: 5 Euro, Bauteilekosten Instrumentencombi: etwa 700 Euro!

1.4  ESR - Elektrolytkondensatoren

Messtechnisch kann ein ausgetrockneter Kondensator leicht über den sogenannten ESR-Wert  (Equivalent Series Resistance) diagnostiziert werden. ESR bedeutet soviel wie „Vergleichbarer Serienwiderstand“ des Kondensators. Dieser kann mit einem gewöhnlichen Ohmmeter, da diese mit Gleichspannung arbeiten, nicht gemessen werden. Um den ESR zu Messen werden im Handel spezielle Messgeräte angeboten. Ein preisgünstiges Gerät ist das als Bausatz von ELV erhältliche ESR-1 (Abb. rechts) das mir schon wertvolle Dienste geleistet hat.

Kondensatoren, speziell Elkos, können wie oben schon erwähnt, mit „normalen Mitteln“ (Ohmmeter) schlecht geprüft werden sofern sie nicht einen totalen Kurzschluss aufweisen. Oft macht sich ein Schaden im Kondensator erst bemerkbar wenn er an eine entsprechend hohe Spannung angeschlossen ist, die durch das Ohmmeter nicht erreicht werden kann.

 

Dabei setzt man sogenannte  ESR-Meter (Abb.rechts) ein, die den Serienwiderstand des Kondensators mit einer sehr hohen Frequenz und relativ niedriger Spannung messen können. Je nach Kapazitätswert werden entsprechende Widerstandsangaben in Ohm vom Messgerät angezeigt. Der Techniker kann nun, aufgrund seiner Erfahrung, entscheiden ob der angezeigte Widerstandswert bezogen auf die Kapazität zu hoch ist. Dabei gilt, je niedriger desto besser.


Mit dieser Methode lassen sich sehr schnell defekte Kondensatoren in einer Schaltung finden ohne dass sie ausgelötet werden müssen.

Vorsicht "Explosionsgefahr"!

Kurzzeitig mit Spannung überlastete Kondensatoren können an einer „Beule“ auf der Stirn- bzw. Oberseite erkannt werden. Durch den zu hohen Druck im Inneren des Kondensators wurden die „Sollbruchstellen“ schon geöffnet, wie in der Abbildung unten links zu erkennen ist.

Schaltnetzteile wie sie z.B. im Fernseher, Videorecorder, Monitore, DVD-Player, Notebook-Netzteile und Computernetzteilen verbaut sind fallen sehr häufig aufgrund eines defekten Kondensators im Schaltnetzteil aus. Stehen diese Geräte an schlecht belüfteten Stellen (wie z.B. in einem Schrank) kann es zu einem Wärmestau kommen und die Kondensatoren in ihrer Lebensdauer drastisch einschränken.

 

Vor nicht allzu langer Zeit hat versagte das Steckernetzteil meines Routers. Nach dem Öffnen des Netzteils war optisch kein Schaden zu erkennen. Schon bald stellte sich beim Messen mit dem ESR-Meter heraus, dass am Kondensator mit 4,7µF, ein verdächtig hoher ESR-Wert zu messen war. Nach dem Austausch des Bauteils gegen ein neues, lief das Netzteil wieder einwandfrei.

 

Fällt ein Kondensator in einem elektronischen System aus, kann das weitere Schäden im entsprechenden Schaltkreis nach sich ziehen. Überlastete und defekte Halbleiter (Transistoren) sind die Folge.

 

Abschließen bemerkt, Folienkondensatoren und Wickelkondensatoren (trockene Kondensatoren) unterliegen fast keiner Alterung und sind weniger ausfallträchtig als Elkos. Selbst bei häufigen Überspannungen, sie können sich meistens selbst heilen, dauert es sehr lange bis sie ausfallen.


Beispiel hierfür ist ein fast 70 Jahre alter Kondensator aus einem Röhrengerät. Die Nennwerte waren heute noch bis auf ein Prozent genau!