Was ist die Lebensdauer und Zuverlässigkeit von Kondensatoren?

Kondensatoren sind ein wesentliches Element vieler Schaltungsdesigns, können aber auch ein teurer Teil eines Systems sein. Aus diesem Grund ist es beim Kauf von Komponenten für ein elektronisches Gerät wichtig, die Lebensdauer und Zuverlässigkeit verschiedener Kondensatortypen zu kennen.

Ein Kondensator ist ein Gerät, das elektrische Ladung speichert und aus Leitern besteht, die durch ein isolierendes Material, das „Dielektrikum“ genannt wird, getrennt sind. Dies können Luft, Papier, Kunststoffe, Glimmer oder Keramik sein. Das Dielektrikum hat eine Reihe von Eigenschaften, die beim Design eines Kondensators wichtig sind, und diese Eigenschaften beeinflussen, wie viel Kapazität der Kondensator erreichen kann.

Der gebräuchlichste Kondensatortyp ist der Aluminium-Elektrolytkondensator, der aus zwei leitenden Aluminiumfolien, von denen eine eine isolierende Oxidschicht aufweist, und einem mit leitfähigem Flüssigelektrolyt getränkten Abstandshalter aufgebaut ist. Dieser wird aufgerollt, in ein zylindrisches Gehäuse gelegt und mit zwei Verbindungsstiften oder Beinen versehen.

Diese Kappen sind polarisiert, was bedeutet, dass alle an sie angelegten Gleichspannungen gemäß den positiven oder negativen Markierungen auf ihrem Körper ausgerichtet sein müssen. Sie sind billig in der Herstellung und im Gegensatz zu den meisten anderen Kondensatortypen physikalisch klein für die Menge an Kapazität, die sie bieten.

Ihre Lebensdauer beträgt in der Regel 15 Jahre oder mehr, danach können sie in der Regel noch lange wiederverwendet werden. Oft haben sie durch das Verdunsten des Elektrolyten einen Teil ihrer Nennkapazität eingebüßt, sind aber noch brauchbar.

In Audioschaltungen werden Kondensatoren am häufigsten für drei Funktionen verwendet: Koppeln von Gleichspannung vom Ausgang eines Schaltungselements zu einem anderen; Entkoppeln und Lagern von Stromschienen; und frequenzselektive Schaltungen wie Filter und Entzerrer. In diesen Anwendungen fungieren sie als sehr effektiver „Blocker“ des Gleichstromflusses und reduzieren den Effekt von Interferenzen, die die Audiosignalqualität stören können, indem sie eine große Menge an Rauschen in das System einbringen.

Sie wirken auch als „Filter“, indem sie die Wirkung von Niederfrequenzsignalen reduzieren und manchmal die Reaktion von höheren Frequenzen verbessern, damit diese Signale für den Verstärker leichter reproduziert werden können. Sie werden in einer Vielzahl unterschiedlicher Schaltkreise verwendet und sind in vielen Arten von Geräten zu finden, von Röhrenradios bis hin zu Computern und Audiogeräten.

Die Lebensdauer eines Kondensators hängt von mehreren Faktoren ab, darunter dem Material, aus dem er besteht, seiner Anwendung und der Umgebungstemperatur, bei der er gelagert oder betrieben wird. Es wird auch durch lokale Erwärmung, DC- und Stromstöße mit umgekehrter Polarität und das Anlegen von Ripple-Strömen in einem Stromkreis beeinflusst.

Im Allgemeinen sind Elektrolytkondensatoren anfälliger für Degradation als Nicht-Elektrolytkondensatoren, und ihr ESR (interner äquivalenter Serienwiderstand) nimmt mit zunehmendem Alter tendenziell zu. Dies liegt daran, dass die Isolatoren auf Elektrolyten dünner sind und eine größere Oberfläche haben als ihre nicht elektrolytischen Gegenstücke, was sie anfälliger für Kriechströme macht.

Eine gut konzipierte Stromversorgung kann jedoch die Lebensdauer von Elektrolytkondensatoren verlängern, indem verhindert wird, dass sich Wärme auf ihnen staut. Hier ist es eine gute Idee, ein Netzteil zu verwenden, das über integrierte Schutzfunktionen verfügt, um ein thermisches Durchgehen zu verhindern, und alle Elkos zu ersetzen, die das Ende ihrer Lebensdauer erreicht haben, wenn es notwendig wird.