Ein Artikel aus ELEKTOR 1980 - Die Elkologie - eine Wissenschaft für sich:

Daß Kondensatoren neben einer Kapazität auch eine Induktivität besitzen, scheint paradox zu sein. Besonders deutlich macht sich dies jedoch bei Elektrolytkondensatoren bemerkbar: ihr Verhalten ist nicht nur frequenzabhängig, sondern kann bei hohen Frequenzen sogar den Charakter eines Bandfilters oder Schwingkreises annehmen.

Doch auch bei niedrigen Frequenzen zeigt sich die Frequenz- abhängigkeit. Die Kapazität eines Elkos ändert sich hier spürbar mit der Frequenz der angelegten Spannung. Von der Ursache dieser Erscheinung und vielem anderem Wissenswertem rund um den Elko ist in diesem Beitrag die Rede.
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In seiner einfachsten Form besteht ein Kondensator aus zwei flachen Metallplatten, die durch ein nichtleitendes Material, das Dielektrikum, voneinander galvanisch getrennt sind. Ein solcher Plattenkondensator ist in Bild 1 skizziert; ihm ist übrigens auch das Schaltbildsymbol für den Kondensator zu verdanken. Legt man an die Platten eine Spannung wie in Bild 2, dann geschieht folgendes:

Die Elektronen (negativ geladene Teilchen), die der negative Pol der Spannungsquelle liefert, gelangen zur Platte a und stoßen die auf Platte b befindlichen Elektronen ab. Dies hat seine Ursache darin, daß gleichartige Ladungen versuchen, sich voneinander zu entfernen.

Die Elektronen der Platte b werden vom positiven Pol der Spannungsquelle abgesaugt. Es findet eine Elektronenbewegung statt, oder mit anderen Worten: es fließt ein elektrischer Strom.

Da auf Platte a ein Elektronenüberschuß und auf Platte b ein Elektronenmangel herrscht, besteht zwischen den beiden Platten eine Potentialdifferenz. Dies aber ist nichts anderes als eine elektrische Spannung.

Wenn die Kondensatorspannung die Spannung der Quelle erreicht hat, ist der Elektronentransport beendet; der Kondensator ist dann aufgeladen. Bemerkenswert erscheint hier noch, daß durch die Spannungsquelle und die Zuleitungsdrähte ein elektrischer Strom fließt, nicht jedoch von Platte zu Platte über das Dielektrikum !
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Um die Abmessungen herabzusetzen, können mehrere Lagen Metallfolie und Dielektrikum, wie rechts in Bild 3a dargestellt, aufeinandergestapelt werden. Ein solcher Kondensator heißt folgerichtig Schichtkondensator.

Als Dielektrikum dienen Papier, Kunststoffe oder keramische Materialien. Man spricht deshalb von Papier-, Polyester-, Polycarbonat- oder keramischen Kondensatoren.

Jedes Dielektrikum hat spezifische Eigenschaften, die die verschiedenen Kondensatortypen entweder für den einen oder für den anderen Zweck besonders geeignet machen.
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Eine Variante des Schichtkondensators ist der gewickelte Schichtkondensator. Hier sind Metall- folien und Dielektrikumschichten zusammen- gerollt (Bild 3b). Dem einfachen Herstellungs- verfahren der gewickelten Schichtkondensatoren steht der Nachteil gegenüber, daß die parasitäre Induktivität höher als beim nicht gewickelten Schichtkondensator ist.

Trotz der geringen Dicke der Metallfolien und Dielektrikumschichten nehmen Materialaufwand und Abmessungen der Schichtkondensatoren bei höheren Kapazitäten und gleichzeitig hohen Arbeitsspannungen in wirtschaftlich nicht mehr vertretbarem Maß zu.

Diese Kondensatoren werden deshalb nur bis zu Kapazitätswerten von einigen Mikrofarad gefertigt. Eine Lösung des Problems ist der Elektrolytkondensator, der sich von Kondensatoren mit festem Dielektrikum wesentlich unterscheidet.
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Wie im vorangegangenen Absatz erläutert, besteht jeder Kondensator aus zwei leitenden Platten oder Folien (Elektroden), zwischen denen sich ein Isolator (Dielektrikum) befindet. Dies gilt im Prinzip auch für den Elektrolytkondensator.

Er unterscheidet sich aber von anderen Kondensatoren dadurch, daß die eine Elektrode (Kathode) nicht aus Metall, sondern aus einer leitfähigen Flüssigkeit (Elektrolyt) gebildet wird. Die andere Elektrode bestand ursprünglich aus einem Aluminiumbecher, heute verwendet man fast ausschließlich eine Aluminiumfolie.
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Die Oberfläche dieser Folie trägt eine Aluminiumoxidschicht, die durch einen elektrolytischen Prozeß (Formieren), vergleichbar dem Eloxieren, erzeugt wird. Diese Oxidschicht ist ein guter Isolator und bildet das Dielektrikum zwischen der Alufolie und dem Elektrolyten.

Die hohe Durchschlagspannung dieses Dielektrikums (8 Millionen Volt pro cm) erlaubt die Verwendung extrem dünner Schichten. Ein Grund für die hohe Kapazität von Elkos im Verhältnis zur Baugröße.
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Elkos mit glatter Folienoberfläche ("glatte Kondensatoren") werden heute nur noch für Spezialanwendungen gefertigt. Der tatsächliche Aufbau eines Elkos weicht von der vereinfachten Darstellung etwas ab.

Der Elektrolyt bei sogenannten "nassen" Elkos ist in einer Lage aus saugfähigem Papier gebunden, die sich zwischen der Anodenfolie und einer Kathodenfolie (ebenfalls Aluminium) befindet. Letztere dient der Stromzuführung zur Elektrolytschicht, die, wie beschrieben, die Gegenelektrode zur Anodenfolie bildet.

Der Elko enthält also einen Wickel aus zwei Aluminiumfolien mit einer Zwischenlage aus elektrolytgetränktem Papier, auf der einen Aluminiumfolie (Anodenfolie, mit dem Pluspol des Elkos verbunden) befindet sich die Oxidschicht als Dielektrikum.
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Die Katode eines Elkos besteht aus dem Elektrolyt, einer elektrisch leitenden Flüssigkeit oder Paste. Für den Stromfluß in Flüssigkeiten gelten jedoch andere Gesetze als für den Stromfluß in festen Stoffen, zum Beispiel in Metallen.

In festen Stoffen bewegen sich nur die Elektronen, während in flüssigen Stoffen auch Ionen am Ladungstransport beteiIigt sind. Elektronen sind wegen ihrer geringen Masse äußerst beweglich, so daß sie auch schnellsten Spannungsänderungen folgen können.

Anders verhält sich dies bei den ungleich größeren und schwereren Ionen; sie sind insbesondere bei niedrigen Temperaturen ausgesprochen träge.
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Wenn die Temperatur so weit absinkt, daß der flüssige Elektrolyt in den festen Zustand übergeht, sind die Ionen sozusagen eingefroren. Weil die Ionen dann nichts mehr zum Ladungstransport beitragen, müssen die Elektronen diese Aufgabe allein übernehmen.

Das Ergebnis ist eine stark herabgesetzte Kapazität der Elektrolytkondensatoren bei niedrigen Temperaturen. Da Ionen weniger beweglich sind, dringen sie nur mühsam in die kleinsten Vertiefungen der geätzten Anodenoberfläche ein, insbesondere wenn ihnen hierzu nur wenig Zeit gelassen wird.
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Nach Veröffentlichung des Kapazitätsmessers "Digifarad" (Elektor, September 1979) machte ein Leser darauf aufmerksam, daß der vom Gerät angezeigte Meßwert bei Elkos nicht als allgemeingültig betrachtet werden darf.

Digifarad mißt nämlich die Kondensatorkapazität nach einer Methode, die weitgehend der Meßnorm für die G-Kapazität entspricht. Da auf den meisten Elkos aber der W-Wert aufgedruckt ist, zeigt das Gerät oft einen zu hohen Wert an.

Dies ist kein Fehler im eigentlichen Sinn; berücksichtigt werden braucht nur, für welchen Zweck der Elko verwendet werden soll.

Wie stark die Kapazität vom aufgedruckten Wert bei verschiedenen Meßfrequenzen abweichen kann, geht aus der Tabelle hervor. Die darin enthaltenen Werte wurden ebenfalls von diesem Leser gemessen und für den vorliegenden Artikel zur Verfügung gestellt.

Literatur : Siemens Datenbuch 1980/81: Aluminium- und Tantal-Elektrolytkondensatoren
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