07.02.2014, 01:49
Moin, moin,
mit der Titel-gebenden Frage beschäftige ich mich aus immer wieder aktuellen Anlässen und habe versucht, eine Antwort zu finden. Helfen wird die allerdings niemandem ...
Wie lange leben eigentlich Kondensatoren?
Diese Frage stelle ich immer mal wieder und immer mal wieder bekomme ich keine befriedigende Antwort. Klaus Hornburg (Art Audiophile) griff, als Antwort, einmal in seine Vorratskiste, holte einen zwanzig Jahre alten Folienkondensator heraus, hielt ein Vielfach-Meßgerät daran und antwortete so etwas wie: Geht noch.
Hanns-D.Pizonka (Elektor, Klang&Ton) antwortete auf andere Weise: Alles sei endlich. Kein Problem, auch langlebige Bauelemente zu bekommen. Schließlich könne man ja auch nicht alle paar Jahre in den Weltraum fliegen, um an Satelliten zu löten. Man müsse halt bereit sein, den Preis für langlebige Bauelemente zu bezahlen.
Und was bedeutet das nun für den Zustand meiner alten Geräte?
Beispielsweise F&T veröffentlicht auf seinen Datenblättern auch Zusagen für die Lebensdauer. So soll ein für 85°C Temperaturfestigkeit ausgelegter Elko Typ GMA, den ich zum Beispiel als Siebelko in einer Endstufe kenne, eine Lebensdauer von mindestens 8.000 Betriebsstunden haben. Das entspricht einem Jahr Dauerbetrieb.
Wenn ich die zu erwartende Lebenserwartung einer Endstufe mit zehn Jahren ansetze, dann bedeutet das, im Jahr dürfe sie 800 Stunden laufen. Das sind etwa 66 Stunden im Monat, also 2,2 Stunden am Tag. Jeden Tag.
Und wenn die Endstufe nicht im Class A-Betrieb läuft, dann wird sie auch nicht so warm. Hoffentlich. Damit steigt die Lebenserwartung der Elkos! Sie verdoppelt sich schon, wenn die Temperatur konstant um 75° läge. Überschritte sie die 50°C nicht, dann könne man mit 200.000 Stunden Lebenserwartung rechnen. Das wären über 55 Stunden am Tag, wenn man die zehn Jahre Betriebsdauer zu Grunde legt. Das müsste reichen.
Nun liegen vor mir aber Aluminium-Elkos einer prominenten Marke, die das Produktionsdatum 2/87 tragen und, wie ich die Endstufe kenne, nie einen Class A-Betrieb gesehen haben. Trotzdem sind sie im vergangenen Jahr, während die Endstufe lief, ausgelaufen.
Entweder ist die Endstufe mehr als 0,9 Stunden täglich über 25 Jahre gelaufen, oder das regelmäßige Ein- und Ausschalten hat Auswirkungen auf die Lebenserwartung von Elkos. Einschalten bedeutet eine Spannungsspitze. Ist es das?
Oder gibt es mehr Einfluß-Faktoren für die Lebenserwartung eines Kondensators?
Das Problem ist, verbindliche Vorgaben zur Ermittlung und zur Beschreibung der Lebensdauer von Kondensatoren gibt es nicht. In der IEC60484 ist ein Verfahren zur Ermittlung einer Dauerspannungsprüfung (Endurance) definiert. Es ist jedoch niemand verpflichtet, diese durchzuführen. Das gleiche gilt für die IEC60384 und die IEC68-2-78, bei denen zwar die Einflüsse der Luftfeuchtigkeit berücksichtigt werden, dies jedoch ohne angelegte Spannung. Eine DIN zur "Brauchbarkeitsdauer" wurde inzwischen zurückgezogen. Lediglich in der EIA IS-749 wird versucht, ein einheitliches Verfahren für Lebensdauertests zu definieren.
Insbesondere in englisch-sprachigen Handbüchern und Datenblättern gibt es jedoch noch eine Vielzahl von Begriffen, die die Lebensdauer von Kondensatoren thematisieren, bei denen jedoch das Verfahren, das den Angaben zu Grunde liegt, und ebenso die zur Anwendung gekommenen Brauchbartkeits-Grenzen, unklar bleiben.
Welche Bedeutung hat also die Zahl am Ende?
Nebenbei kann man nicht davon ausgehen, das Hersteller-Versprechen habe immer eine Aussagekraft selbst für einen innerhalb der vorgesehenen Betriebspunkte eingesetzten Kondensator.
Immer gibt es bei der Produktion einen Ausschuß, der sich in sogenannten "Frühausfällen" zeigt, die bei einem Markenhersteller eher nicht im Verkauf landen sollten. Es sind jedoch auch Fälle bekannt, in denen eine ganze Charge aus "Frühausfällen" bestand, die in den Handel gelangt waren!
Aber auch bei einem Markenhersteller liegt selbst der Anteil der in den Handel gelangten Elkos, die bei einer "Dauerspannungsprüfung" (IEC60384-4) Werte außerhalb der Toleranzen zeigen, bei bis zu 7% der Produktion. So verstehe ich Dr. Albertsen's Einlassung in seinem Artikel zur Elko-Lebensdauerabschätzung aus 2009 (s. Quellenliste).
Fraglos ist, ein Elektrolyt-Kondensator hat eine begrenzte Lebensdauer. Auch bei modernen Elkos resultiert diese aus einem nutzungsbedingten Verbrauch und zeigt sich durch eine allmähliche Veränderung seiner elektrischen Parameter, dem sogenannten "Drift".
Die wichtigste Größe für das Maß des Drifts ist die effektive Temperatur, die auf den Kondensator wirkt.
Unabhängig von der Bauweise des Elkos kann schon die Spannungs-lose Lagerung einem solchen Bauteil zusetzen. Wenn nämlich eine zu warme Lagerung erfolgt, kann es zu einer beschleunigten Alterung kommen, während gleichzeitig eine "Selbstheilung" des Kondensators nicht erfolgt.
Wenn man sich für die Lebenserwartung eines im Betrieb befindlichen Elkos interessiert, dann hat man zunächst zu klären, ob es sich um einen mit festem oder mit flüssigem Elektrolyt handelt.
Ein flüssiges Elektrolyt verdunstet über die Betriebsdauer des Elkos. Um so höher die Betriebstemperatur, desto schneller. Dabei verringert sich die Kapazität, und der äquivalente Serienwiderstand und die Impedanz nehmen zu.
Insbesondere durch eine Überlastung kann eine große Menge Elektrolyt gleichzeitig verdampfen und das Volumen des Kondensators plötzlich erhöhen. Um die Konsequenzen in Maßen zu halten, verfügen die meisten Elkos, die mit flüssigen Elektrolyten arbeiten, über eine Sollbruchstellen im Gehäuse, die als eine Art Überdruck-Ventil dient.
Aber wie lange dauert es denn nun, bis ein Elko nicht mehr die versprochenen Leistungen erbringt?
Der Hersteller eines Elkos wird in seinem Datenblatt das Ergebnis eines "Endurance Test" angeben, so wie ich es für F&T beschrieben habe. Dieses Ergebnis nennt die Prüfzeit und die Prüftemperatur während des Lebensdauertests. Ist die zu erwartende Betriebstemperatur niedriger, als die Prüf-Temperatur, dann verwendet man für eine Prognose die sogenannte 10K-Regel, die besagt, das sich die Lebensdauer, pro 10° Temperatur-Reduzierung (in Grad-Kelvin bzw. -Celsius), verdoppelt.
Während der Endurance-Test das Ergebnis einer tatsächlichen Prüfung angibt, ergibt die 10K-Regel eine grobe Prognose. Mehr nicht!
Beide Ergebnisse spiegeln die Lebenserwartung eines Kondensators in einem Dauerbetrieb wieder. Die Konsequenzen von häufigem Ein- und Ausschalten und von langen Standzeiten werden darin nicht berücksichtigt! Ebenso wenig betriebsbedingte Belastungen, z.B. durch Ripple-Ströme.
Schon ein Elko mit festem Elektrolyt verhält sich anders. Hier geht man davon aus, das es keinen sogenannten Änderungsausfall gibt, das es im normalen Betrieb zu keiner physikalischen Änderung des Bauelements kommt.
Stattdessen wird in den Datenblättern oft die Zahl der bekannten Zufalls-Ausfälle pro Zeiteinheit angegeben, die vor allem Produktionsfehler abbilden. Der "Failure in Time" (FIT) ist ein statistischer Wert, der mit einer Einheit (in %) pro 10 hoch 9 Stunden (1 Mrd.) angegeben wird.
Übrigens solle der Leser meiner Einleitung nicht glauben, ein Aluminium-Elko sei einer mit festem Elektrolyt. Das "Aluminium" bezeichnet nämlich NICHT das Elektrolyt, sondern das Anodenmetall. Sowohl Aluminium-, als auch Tantal-Elkos gibt es mit flüssigem und mit festen Elektrolyt. Nur Niob-Elkos werden, nach meiner Kenntnis, ausschließlich mit festem Elektrolyt angeboten. Im Bereich der Elektronik für private Endverbraucher sind fast nur die günstigeren Elkos mit flüssigem Elektrolyt anzutreffen.
Ein Hinweis, ob man einen Elko mit flüssigem oder festem Elektrolyt vor sich hat, gibt die Kennzeichnung der Polung: Bei Elektrolytkondensatoren mit flüssigem Elektrolyten ist der Minuspol gekennzeichnet, bei denen mit festem Elektrolyten der Pluspol. Das meint zumindest die Wiki.
In ähnlicher Weise, wie Elkos mit flüssigem Elektrolyt, altern auch die sogenannten Doppelschicht-Kondensatoren. Auch hier verdunstet das Elektrolyt.
Anders altern keramische Klasse-2-Kondensatoren mit einem Dielektrikum aus einem ferroelektrischen Material. Hier altert das Dielektrikum in Folge einer chemischen Veränderung, und die Kapazität des Kondensators sinkt. Klasse-1 Kondensatoren zeigen hingegen kaum ein Alterungsproblem.
Beide Kondensator-Familien haben im HiFi-Bereich sicherlich keine große Bedeutung,
Anders sieht das bei Folien-Kondensatoren aus. Die gelten landläufig als Alterungsresistent. Das liegt daran, das die verwendeten Materialien, insbesondere im "geschützten Raum" eines Elektrogerätes, selber kaum Alterung unterworfen sind. Jedenfalls nach menschlichen Maßstäben. Zudem werden die relevanten Bestandteile des Kondensators, durch sein Gehäuse, effektiv vor Strahlungs- und Witterungseinflüssen geschützt. So die Werbung. Die Veränderungen, die wir beispielsweise an Kunststoffen, die wir in die Hand nehmen können, erfühlen können, entstünden daher im Innenleben eines Kondensators eher nicht. So soll es sein.
Nur wenn ein Folien-Kondensator über längere Zeit feuchtem Klima ausgesetzt ist, kann der Kondensator-Wickel Feuchte aufnehmen, was Einfluß auf den Verlustfaktor und den Isolationswiderstand haben kann. Deshalb gibt es, für den Einsatz in feuchtem Klima, besondere Kondensatoren. Doch wo fängt "feuchtes Klima" an?
Aber auch Hitze und Trockenheit können Einfluß nehmen und ein Schrumpfen der Folie bewirken. Insbesondere beim Löten und bei hoher Strombelastung ist eine Verringerung der Kapazität zwischen 1% und 5% möglich. Bei Kondensatoren in SMD-Bauformen sind Kapazitätsverluste von bis zu 10% bekannt.
Theoretisch kann also ein Folien-Kondensator, der heiß gelötet, zu nahe am Leistungstransistor eingebaut gewesen war und in seiner Lebenszeit auch mal zu hohe Ströme abbekommen hat, außerhalb der Toleranzen arbeiten. Das zeigt er einem aber nicht. Jedenfalls nicht von außen.
Ein industriell eingebauter Folien-Kondensator wird üblicherweise in einer Form verarbeitet, die dafür sorgt, das er, auch noch nach seinem Einbau, innerhalb der vorgesehenen Toleranzen arbeitet. Das liegt an den optimierten Löt-Temperaturen und -Zeiten, die in automatischen Bestückungs-Anlagen zum Einsatz kommen.
Anders sieht das bei handgefertigten Geräten aus, bei reparierten, gar bei mehrfach-reparierten Geräten. Hier kann man hoffen, der Handwerker verfügte zumindest über eine Lötstation mit regelbarer Temperatur und über etwas Erfahrung. Oder man befürchtet, sein 5-Euro-90-Lötkolben stammte vom Kistenschieber, und in einem Karton sammelt er ungebrauchte Flussmittel aus Zugaben.
"Die Alterung von metallisierten Folienkondensatoren wird grundsätzlich durch die Alterung des Dielektrikums, der Elektroden sowie der Schoppierungskontakte bestimmt." Es gibt also Alterung. Die Frage ist, ob sie auch für HiFi-Anwendungen relevant ist.
Tatsächlich sorgt der Preisdruck auf den Rohstoff-Märkte dafür, das es längst unterschiedliche Qualitäten von Folienkondensatoren gibt, was sich durch die verwendeten Materialstärken ausdrückt. Es gibt jedoch keine offizielle Klassifikation für die Beschreibung oder den Einsatz der verschiedenen Qualitäts-Klassen. Beides kann man im "Abstract" des "Whitepaper zum beschleunigten Lebensdauertest für metallisierte Folienkondensatoren ..." des Kondensator-Herstellers HJC lesen.
Es stellt sich also vielleicht auch die Frage, welche Güte die in unseren Geräten eingesetzten Folienkondensatoren haben. Die Frage betrifft die Erstausstattung, aber vielleicht noch mehr in der Vergangenheit erfolgt Umbauten.
Wenn ein Hersteller von Folienkondensatoren von "Ursachen von Kapazitätsverlusten" schreibt, sollte man also das Risiko solcher Verluste jedenfalls nicht pauschal ignorieren, nur weil man die Verluste nicht sieht.
HJC nennt eine frühere Selbstheilung eines Kondensators als eine Ursache eines Kapazitätsverlustes, der problemlos bis zu 10% des Sollwertes ausmachen kann. "... Ein weiterer Grund für Kapazitätsverluste kann eine Korrosion der Folienmetallisierung aufgrund der Präsenz einer unerwünschten Feuchtigkeit sein. ...". Ausdrücklich erwähnt der Hersteller auch "Luftfeuchtigkeit" als Grund. Um so dünner die Metallschicht auf der Folie, desto schneller hat eine solche Korrosion Auswirkungen auf die Funktion des Kondensators in Form von Kapazitätsverlust und erhöhtem ESR.
Aber auch ein Zusammenwirken von einem Katalysator und etwas "Fehlstrom" kann die Oxidschicht, die eine Aluminium-Beschichtung der Folie schützen soll, abbauen und eine Oxidation der Beschichtung befördern. So jedenfalls erklärt ein Leser ein Phänomen, das in Form eines Loches in der Metallisierung eines Folienkondensators in einer Frequenzweiche aufgefallen ist, der, anstatt der versprochenen 2,2µF, nur 50nF Kapazität gezeigt hatte.
Zweifellos ist ein solcher ein seltener Fall. Aber mit zunehmendem Alter und mit zunehmender Falsch-Behandlung solcher Kondensatoren mag solch Seltenheit abnehmen.
Ich jedenfalls erinnere mich an zwei Frequenzweichen, die ich kürzlich in der Hand gehabt habe. Bei einer (ATL) zeigte die Leiterbahn Verfärbungen in Folge einer Überhitzung eines Lastwiderstandes (durchgerissen), bei der zweiten (SonoFer) war sogar eine Spule verschmort. Muß ich trotzdem unterstellen, ein benachbarter Kondensator hätte solch Überhitzung unbeschadet überstanden, nur weil er sich weder verschmort noch verfärbt zeigt?
Leider ist es auch so, dass man nicht immer auf die korrekte Auswahl eines Kondensators durch den Hersteller oder durch den letzten Reparateur setzen kann. Es kann also durchaus sein, ein Kondensator ist bereits einige Jahre lang mit Strömen betrieben worden, für die er nicht gebaut worden ist.
Insbesondere für Geräte, die einmal für den 220V Netzstrom konzipiert gewesen waren und die inzwischen an 235V laufen, kann das Realität sein.
Davor schützen auch prominente Markennamen nicht, wie mir MichaelB einmal anhand eines sogenannten Highend-Verstärkers gezeigt hat.
Auch eine "Fehlkonstruktion" kann letztlich Einfluß auf die Lebensdauer von Bauelementen haben.
Was sagt das über mein gebrauchtes Gerät?
Wenn ein Gerät bereits nicht mehr funktioniert, braucht man die Frage, ob ein Defekt vorliegt, nicht zu stellen. Wenn ein Gerät hingegen noch läuft, oder so tut, als ob es läuft, dann steht man vor der Frage, ob man sich, beispielsweise auf der Suche nach dem Verursacher eines Zeiger-Zuckens, den Kondensatoren meßtechnisch nähern oder sie einfach profilaktisch austauschen sollte.
Das Problem ist, die Kapazität eines Kondensators kann man in der Regel nur im ausgebauten Zustand messen. Einmal erhitzt. Ist der Wert (noch) in Ordnung, wird man ihn wieder einbauen müssen. Das zweite mal erhitzt. Ist der Kondensator dann immer noch innerhalb der Toleranzen? Das kann man meßtechnisch klären. Dafür baut man ihn aus ...
In der Realität des Umgangs mit gebrauchten Hifi-Geräten stellt sich die Frage der Überprüfung alter Kondensatoren im Kontext des Preises und der Verfügbarkeit von Ersatz. Dafür hat der "Ersatz" natürlich die gleichen Werte und auch den gleichen Aufbau aus den gleichen Materialien zu haben, wie das auszutauschende Exemplar! Alles andere würde man Inkompetenz oder "Tuning" nennen müssen. Über den Unterschied denkt selber nach.
Denn schon die Prüfung des Alten erfordert Aufwand. Der Aufwand, einen neuen Kondensator einzubauen, ist also nicht höher, als einen alten zu testen. Wer vor dieser Frage nicht oft steht, der wird entscheiden, ein paar neue Elkos sind im Zweifel billiger, als das Meßgerät zur Prüfung der Kapazität der alten.
Die Eingangs-Frage habe ich allerdings immer noch nicht beantwortet.
Tschüß, Matthias
Quellen:
Dr. Arne Albertsen (Jianghai Europe GmbH): Elko-Lebensdauerabschätzung, 20.07.2009
Han Chi Mi (HJC), Übersetzung: Dieter Burger (Vertriebsbüro Europa): Beschleunigter Lebensdauertest von metallisierten Folienkondensatoren für den Einsatz in PV-Wechselrichter, Whitepaper Rev.0, c2013
http://de.wikipedia.org/wiki/Elektrolytkondensator
http://de.wikipedia.org/wiki/Kunststoff-...ondensator
http://www.amplifier.cd/Fragen/Alterung_...aerker.htm
http://www.amplifier.cd/Technische_Beric...nsator.htm
nebenbei
http://www.heise.de/ct/artikel/Lebensdau...01791.html
mit der Titel-gebenden Frage beschäftige ich mich aus immer wieder aktuellen Anlässen und habe versucht, eine Antwort zu finden. Helfen wird die allerdings niemandem ...
Wie lange leben eigentlich Kondensatoren?
Diese Frage stelle ich immer mal wieder und immer mal wieder bekomme ich keine befriedigende Antwort. Klaus Hornburg (Art Audiophile) griff, als Antwort, einmal in seine Vorratskiste, holte einen zwanzig Jahre alten Folienkondensator heraus, hielt ein Vielfach-Meßgerät daran und antwortete so etwas wie: Geht noch.
Hanns-D.Pizonka (Elektor, Klang&Ton) antwortete auf andere Weise: Alles sei endlich. Kein Problem, auch langlebige Bauelemente zu bekommen. Schließlich könne man ja auch nicht alle paar Jahre in den Weltraum fliegen, um an Satelliten zu löten. Man müsse halt bereit sein, den Preis für langlebige Bauelemente zu bezahlen.
Und was bedeutet das nun für den Zustand meiner alten Geräte?
Beispielsweise F&T veröffentlicht auf seinen Datenblättern auch Zusagen für die Lebensdauer. So soll ein für 85°C Temperaturfestigkeit ausgelegter Elko Typ GMA, den ich zum Beispiel als Siebelko in einer Endstufe kenne, eine Lebensdauer von mindestens 8.000 Betriebsstunden haben. Das entspricht einem Jahr Dauerbetrieb.
Wenn ich die zu erwartende Lebenserwartung einer Endstufe mit zehn Jahren ansetze, dann bedeutet das, im Jahr dürfe sie 800 Stunden laufen. Das sind etwa 66 Stunden im Monat, also 2,2 Stunden am Tag. Jeden Tag.
Und wenn die Endstufe nicht im Class A-Betrieb läuft, dann wird sie auch nicht so warm. Hoffentlich. Damit steigt die Lebenserwartung der Elkos! Sie verdoppelt sich schon, wenn die Temperatur konstant um 75° läge. Überschritte sie die 50°C nicht, dann könne man mit 200.000 Stunden Lebenserwartung rechnen. Das wären über 55 Stunden am Tag, wenn man die zehn Jahre Betriebsdauer zu Grunde legt. Das müsste reichen.
Nun liegen vor mir aber Aluminium-Elkos einer prominenten Marke, die das Produktionsdatum 2/87 tragen und, wie ich die Endstufe kenne, nie einen Class A-Betrieb gesehen haben. Trotzdem sind sie im vergangenen Jahr, während die Endstufe lief, ausgelaufen.
Entweder ist die Endstufe mehr als 0,9 Stunden täglich über 25 Jahre gelaufen, oder das regelmäßige Ein- und Ausschalten hat Auswirkungen auf die Lebenserwartung von Elkos. Einschalten bedeutet eine Spannungsspitze. Ist es das?
Oder gibt es mehr Einfluß-Faktoren für die Lebenserwartung eines Kondensators?
Das Problem ist, verbindliche Vorgaben zur Ermittlung und zur Beschreibung der Lebensdauer von Kondensatoren gibt es nicht. In der IEC60484 ist ein Verfahren zur Ermittlung einer Dauerspannungsprüfung (Endurance) definiert. Es ist jedoch niemand verpflichtet, diese durchzuführen. Das gleiche gilt für die IEC60384 und die IEC68-2-78, bei denen zwar die Einflüsse der Luftfeuchtigkeit berücksichtigt werden, dies jedoch ohne angelegte Spannung. Eine DIN zur "Brauchbarkeitsdauer" wurde inzwischen zurückgezogen. Lediglich in der EIA IS-749 wird versucht, ein einheitliches Verfahren für Lebensdauertests zu definieren.
Insbesondere in englisch-sprachigen Handbüchern und Datenblättern gibt es jedoch noch eine Vielzahl von Begriffen, die die Lebensdauer von Kondensatoren thematisieren, bei denen jedoch das Verfahren, das den Angaben zu Grunde liegt, und ebenso die zur Anwendung gekommenen Brauchbartkeits-Grenzen, unklar bleiben.
Welche Bedeutung hat also die Zahl am Ende?
Nebenbei kann man nicht davon ausgehen, das Hersteller-Versprechen habe immer eine Aussagekraft selbst für einen innerhalb der vorgesehenen Betriebspunkte eingesetzten Kondensator.
Immer gibt es bei der Produktion einen Ausschuß, der sich in sogenannten "Frühausfällen" zeigt, die bei einem Markenhersteller eher nicht im Verkauf landen sollten. Es sind jedoch auch Fälle bekannt, in denen eine ganze Charge aus "Frühausfällen" bestand, die in den Handel gelangt waren!
Aber auch bei einem Markenhersteller liegt selbst der Anteil der in den Handel gelangten Elkos, die bei einer "Dauerspannungsprüfung" (IEC60384-4) Werte außerhalb der Toleranzen zeigen, bei bis zu 7% der Produktion. So verstehe ich Dr. Albertsen's Einlassung in seinem Artikel zur Elko-Lebensdauerabschätzung aus 2009 (s. Quellenliste).
Fraglos ist, ein Elektrolyt-Kondensator hat eine begrenzte Lebensdauer. Auch bei modernen Elkos resultiert diese aus einem nutzungsbedingten Verbrauch und zeigt sich durch eine allmähliche Veränderung seiner elektrischen Parameter, dem sogenannten "Drift".
Die wichtigste Größe für das Maß des Drifts ist die effektive Temperatur, die auf den Kondensator wirkt.
Unabhängig von der Bauweise des Elkos kann schon die Spannungs-lose Lagerung einem solchen Bauteil zusetzen. Wenn nämlich eine zu warme Lagerung erfolgt, kann es zu einer beschleunigten Alterung kommen, während gleichzeitig eine "Selbstheilung" des Kondensators nicht erfolgt.
Wenn man sich für die Lebenserwartung eines im Betrieb befindlichen Elkos interessiert, dann hat man zunächst zu klären, ob es sich um einen mit festem oder mit flüssigem Elektrolyt handelt.
Ein flüssiges Elektrolyt verdunstet über die Betriebsdauer des Elkos. Um so höher die Betriebstemperatur, desto schneller. Dabei verringert sich die Kapazität, und der äquivalente Serienwiderstand und die Impedanz nehmen zu.
Insbesondere durch eine Überlastung kann eine große Menge Elektrolyt gleichzeitig verdampfen und das Volumen des Kondensators plötzlich erhöhen. Um die Konsequenzen in Maßen zu halten, verfügen die meisten Elkos, die mit flüssigen Elektrolyten arbeiten, über eine Sollbruchstellen im Gehäuse, die als eine Art Überdruck-Ventil dient.
Aber wie lange dauert es denn nun, bis ein Elko nicht mehr die versprochenen Leistungen erbringt?
Der Hersteller eines Elkos wird in seinem Datenblatt das Ergebnis eines "Endurance Test" angeben, so wie ich es für F&T beschrieben habe. Dieses Ergebnis nennt die Prüfzeit und die Prüftemperatur während des Lebensdauertests. Ist die zu erwartende Betriebstemperatur niedriger, als die Prüf-Temperatur, dann verwendet man für eine Prognose die sogenannte 10K-Regel, die besagt, das sich die Lebensdauer, pro 10° Temperatur-Reduzierung (in Grad-Kelvin bzw. -Celsius), verdoppelt.
Während der Endurance-Test das Ergebnis einer tatsächlichen Prüfung angibt, ergibt die 10K-Regel eine grobe Prognose. Mehr nicht!
Beide Ergebnisse spiegeln die Lebenserwartung eines Kondensators in einem Dauerbetrieb wieder. Die Konsequenzen von häufigem Ein- und Ausschalten und von langen Standzeiten werden darin nicht berücksichtigt! Ebenso wenig betriebsbedingte Belastungen, z.B. durch Ripple-Ströme.
Schon ein Elko mit festem Elektrolyt verhält sich anders. Hier geht man davon aus, das es keinen sogenannten Änderungsausfall gibt, das es im normalen Betrieb zu keiner physikalischen Änderung des Bauelements kommt.
Stattdessen wird in den Datenblättern oft die Zahl der bekannten Zufalls-Ausfälle pro Zeiteinheit angegeben, die vor allem Produktionsfehler abbilden. Der "Failure in Time" (FIT) ist ein statistischer Wert, der mit einer Einheit (in %) pro 10 hoch 9 Stunden (1 Mrd.) angegeben wird.
Übrigens solle der Leser meiner Einleitung nicht glauben, ein Aluminium-Elko sei einer mit festem Elektrolyt. Das "Aluminium" bezeichnet nämlich NICHT das Elektrolyt, sondern das Anodenmetall. Sowohl Aluminium-, als auch Tantal-Elkos gibt es mit flüssigem und mit festen Elektrolyt. Nur Niob-Elkos werden, nach meiner Kenntnis, ausschließlich mit festem Elektrolyt angeboten. Im Bereich der Elektronik für private Endverbraucher sind fast nur die günstigeren Elkos mit flüssigem Elektrolyt anzutreffen.
Ein Hinweis, ob man einen Elko mit flüssigem oder festem Elektrolyt vor sich hat, gibt die Kennzeichnung der Polung: Bei Elektrolytkondensatoren mit flüssigem Elektrolyten ist der Minuspol gekennzeichnet, bei denen mit festem Elektrolyten der Pluspol. Das meint zumindest die Wiki.
In ähnlicher Weise, wie Elkos mit flüssigem Elektrolyt, altern auch die sogenannten Doppelschicht-Kondensatoren. Auch hier verdunstet das Elektrolyt.
Anders altern keramische Klasse-2-Kondensatoren mit einem Dielektrikum aus einem ferroelektrischen Material. Hier altert das Dielektrikum in Folge einer chemischen Veränderung, und die Kapazität des Kondensators sinkt. Klasse-1 Kondensatoren zeigen hingegen kaum ein Alterungsproblem.
Beide Kondensator-Familien haben im HiFi-Bereich sicherlich keine große Bedeutung,
Anders sieht das bei Folien-Kondensatoren aus. Die gelten landläufig als Alterungsresistent. Das liegt daran, das die verwendeten Materialien, insbesondere im "geschützten Raum" eines Elektrogerätes, selber kaum Alterung unterworfen sind. Jedenfalls nach menschlichen Maßstäben. Zudem werden die relevanten Bestandteile des Kondensators, durch sein Gehäuse, effektiv vor Strahlungs- und Witterungseinflüssen geschützt. So die Werbung. Die Veränderungen, die wir beispielsweise an Kunststoffen, die wir in die Hand nehmen können, erfühlen können, entstünden daher im Innenleben eines Kondensators eher nicht. So soll es sein.
Nur wenn ein Folien-Kondensator über längere Zeit feuchtem Klima ausgesetzt ist, kann der Kondensator-Wickel Feuchte aufnehmen, was Einfluß auf den Verlustfaktor und den Isolationswiderstand haben kann. Deshalb gibt es, für den Einsatz in feuchtem Klima, besondere Kondensatoren. Doch wo fängt "feuchtes Klima" an?
Aber auch Hitze und Trockenheit können Einfluß nehmen und ein Schrumpfen der Folie bewirken. Insbesondere beim Löten und bei hoher Strombelastung ist eine Verringerung der Kapazität zwischen 1% und 5% möglich. Bei Kondensatoren in SMD-Bauformen sind Kapazitätsverluste von bis zu 10% bekannt.
Theoretisch kann also ein Folien-Kondensator, der heiß gelötet, zu nahe am Leistungstransistor eingebaut gewesen war und in seiner Lebenszeit auch mal zu hohe Ströme abbekommen hat, außerhalb der Toleranzen arbeiten. Das zeigt er einem aber nicht. Jedenfalls nicht von außen.
Ein industriell eingebauter Folien-Kondensator wird üblicherweise in einer Form verarbeitet, die dafür sorgt, das er, auch noch nach seinem Einbau, innerhalb der vorgesehenen Toleranzen arbeitet. Das liegt an den optimierten Löt-Temperaturen und -Zeiten, die in automatischen Bestückungs-Anlagen zum Einsatz kommen.
Anders sieht das bei handgefertigten Geräten aus, bei reparierten, gar bei mehrfach-reparierten Geräten. Hier kann man hoffen, der Handwerker verfügte zumindest über eine Lötstation mit regelbarer Temperatur und über etwas Erfahrung. Oder man befürchtet, sein 5-Euro-90-Lötkolben stammte vom Kistenschieber, und in einem Karton sammelt er ungebrauchte Flussmittel aus Zugaben.
"Die Alterung von metallisierten Folienkondensatoren wird grundsätzlich durch die Alterung des Dielektrikums, der Elektroden sowie der Schoppierungskontakte bestimmt." Es gibt also Alterung. Die Frage ist, ob sie auch für HiFi-Anwendungen relevant ist.
Tatsächlich sorgt der Preisdruck auf den Rohstoff-Märkte dafür, das es längst unterschiedliche Qualitäten von Folienkondensatoren gibt, was sich durch die verwendeten Materialstärken ausdrückt. Es gibt jedoch keine offizielle Klassifikation für die Beschreibung oder den Einsatz der verschiedenen Qualitäts-Klassen. Beides kann man im "Abstract" des "Whitepaper zum beschleunigten Lebensdauertest für metallisierte Folienkondensatoren ..." des Kondensator-Herstellers HJC lesen.
Es stellt sich also vielleicht auch die Frage, welche Güte die in unseren Geräten eingesetzten Folienkondensatoren haben. Die Frage betrifft die Erstausstattung, aber vielleicht noch mehr in der Vergangenheit erfolgt Umbauten.
Wenn ein Hersteller von Folienkondensatoren von "Ursachen von Kapazitätsverlusten" schreibt, sollte man also das Risiko solcher Verluste jedenfalls nicht pauschal ignorieren, nur weil man die Verluste nicht sieht.
HJC nennt eine frühere Selbstheilung eines Kondensators als eine Ursache eines Kapazitätsverlustes, der problemlos bis zu 10% des Sollwertes ausmachen kann. "... Ein weiterer Grund für Kapazitätsverluste kann eine Korrosion der Folienmetallisierung aufgrund der Präsenz einer unerwünschten Feuchtigkeit sein. ...". Ausdrücklich erwähnt der Hersteller auch "Luftfeuchtigkeit" als Grund. Um so dünner die Metallschicht auf der Folie, desto schneller hat eine solche Korrosion Auswirkungen auf die Funktion des Kondensators in Form von Kapazitätsverlust und erhöhtem ESR.
Aber auch ein Zusammenwirken von einem Katalysator und etwas "Fehlstrom" kann die Oxidschicht, die eine Aluminium-Beschichtung der Folie schützen soll, abbauen und eine Oxidation der Beschichtung befördern. So jedenfalls erklärt ein Leser ein Phänomen, das in Form eines Loches in der Metallisierung eines Folienkondensators in einer Frequenzweiche aufgefallen ist, der, anstatt der versprochenen 2,2µF, nur 50nF Kapazität gezeigt hatte.
Zweifellos ist ein solcher ein seltener Fall. Aber mit zunehmendem Alter und mit zunehmender Falsch-Behandlung solcher Kondensatoren mag solch Seltenheit abnehmen.
Ich jedenfalls erinnere mich an zwei Frequenzweichen, die ich kürzlich in der Hand gehabt habe. Bei einer (ATL) zeigte die Leiterbahn Verfärbungen in Folge einer Überhitzung eines Lastwiderstandes (durchgerissen), bei der zweiten (SonoFer) war sogar eine Spule verschmort. Muß ich trotzdem unterstellen, ein benachbarter Kondensator hätte solch Überhitzung unbeschadet überstanden, nur weil er sich weder verschmort noch verfärbt zeigt?
Leider ist es auch so, dass man nicht immer auf die korrekte Auswahl eines Kondensators durch den Hersteller oder durch den letzten Reparateur setzen kann. Es kann also durchaus sein, ein Kondensator ist bereits einige Jahre lang mit Strömen betrieben worden, für die er nicht gebaut worden ist.
Insbesondere für Geräte, die einmal für den 220V Netzstrom konzipiert gewesen waren und die inzwischen an 235V laufen, kann das Realität sein.
Davor schützen auch prominente Markennamen nicht, wie mir MichaelB einmal anhand eines sogenannten Highend-Verstärkers gezeigt hat.
Auch eine "Fehlkonstruktion" kann letztlich Einfluß auf die Lebensdauer von Bauelementen haben.
Was sagt das über mein gebrauchtes Gerät?
Wenn ein Gerät bereits nicht mehr funktioniert, braucht man die Frage, ob ein Defekt vorliegt, nicht zu stellen. Wenn ein Gerät hingegen noch läuft, oder so tut, als ob es läuft, dann steht man vor der Frage, ob man sich, beispielsweise auf der Suche nach dem Verursacher eines Zeiger-Zuckens, den Kondensatoren meßtechnisch nähern oder sie einfach profilaktisch austauschen sollte.
Das Problem ist, die Kapazität eines Kondensators kann man in der Regel nur im ausgebauten Zustand messen. Einmal erhitzt. Ist der Wert (noch) in Ordnung, wird man ihn wieder einbauen müssen. Das zweite mal erhitzt. Ist der Kondensator dann immer noch innerhalb der Toleranzen? Das kann man meßtechnisch klären. Dafür baut man ihn aus ...
In der Realität des Umgangs mit gebrauchten Hifi-Geräten stellt sich die Frage der Überprüfung alter Kondensatoren im Kontext des Preises und der Verfügbarkeit von Ersatz. Dafür hat der "Ersatz" natürlich die gleichen Werte und auch den gleichen Aufbau aus den gleichen Materialien zu haben, wie das auszutauschende Exemplar! Alles andere würde man Inkompetenz oder "Tuning" nennen müssen. Über den Unterschied denkt selber nach.
Denn schon die Prüfung des Alten erfordert Aufwand. Der Aufwand, einen neuen Kondensator einzubauen, ist also nicht höher, als einen alten zu testen. Wer vor dieser Frage nicht oft steht, der wird entscheiden, ein paar neue Elkos sind im Zweifel billiger, als das Meßgerät zur Prüfung der Kapazität der alten.
Die Eingangs-Frage habe ich allerdings immer noch nicht beantwortet.
Tschüß, Matthias
Quellen:
Dr. Arne Albertsen (Jianghai Europe GmbH): Elko-Lebensdauerabschätzung, 20.07.2009
Han Chi Mi (HJC), Übersetzung: Dieter Burger (Vertriebsbüro Europa): Beschleunigter Lebensdauertest von metallisierten Folienkondensatoren für den Einsatz in PV-Wechselrichter, Whitepaper Rev.0, c2013
http://de.wikipedia.org/wiki/Elektrolytkondensator
http://de.wikipedia.org/wiki/Kunststoff-...ondensator
http://www.amplifier.cd/Fragen/Alterung_...aerker.htm
http://www.amplifier.cd/Technische_Beric...nsator.htm
nebenbei
http://www.heise.de/ct/artikel/Lebensdau...01791.html
Stapelbüttel von einem ganzen Haufen Quatsch