Das mit den Kondensatoren ist eine schier unendliche Geschichte - und sie ist wichtig !
- Dieser Elko ist defekt
Gleich zu Beginn des Artikels verweise ich auf die beiden sehr ausfürlichen Broschüren/Bücher von Roederstein (aus 1966 und 1979), einem der ganz alten deutschen Hersteller von Kondensatoren aller Art.
In den ausführlichen Beschreibungen steht physikalisch technisch exakt beschrieben, was es mit den vielen vielen Typen und Varianten von Kondensatoren auf sich hat und an welchen Stellen man aus welchen Gründen welche Typen einsetzt (einsetzen sollte). Es ist eine Wissenschaft für sich und erfordert enormes Fachwissen.
In unserem Museums-Umfeld mit unseren uralten Geräten sind die Auswahlen aber vor 30 oder 40 Jahren von den damaligen Entwicklern nach deren Kenntnisstand getroffen worden und erst mal unabänderlich.
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Der Verdacht - der Kondensator ist es . . . .
Wenn ein so altes Audio- oder sonstiges Gerät zur Reparatur ansteht, sollte man anfangen, bei den Kondensatoren zu suchen. Widerstände und Spulen gehen so gut wie nie kaputt, und wenn überhaupt, dann nur als Folgeschäden. Kondensatoren altern - mehr steht hier bei den Kondensatoren.
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Die Kapazität messen scheint einfach
Bei den allermeisten Consumergeräten der großen deutschen Audio- und Fernseh- Hersteller wurde fast alles "auf Kante genäht". Wenn der Verstärker also 2 x 35 Watt abgeben solte, dann brauchte er auch nur 35 Watt zu liefern. Die Kondensatoren in den Netzteilen und in den Filtern waren allzuoft äußerst knapp bemessen. Wenn dann diese Kapazität im Laufe der Zeit/Jahre nachließ, kam eben etwas weniger Leistung raus oder es zerrte bereits deutlich früher.
Darum, wenn auf dem Netzteil-Kondensator 25.000 uF drauf steht und wir messen nur noch 10.000, dann ist er hin.
Zum Messen muß mindestens ein Beinchen des Kondensators abgelötet oder abgeklemmt werden.
Das mit der Kapazität ist aber nur die halbe Wahrheit !
Insbesondere in den analogen wie auch digitalen Netzteilen, auch in Netzteilen von dicken Audio-Enstufen, werden die Kondensatoren arg belastet. Sie müssen den Strom schnellstens (an die Verbraucher) abgeben und vom Trafo her auch wieder schnell neuen Strom "tanken". Klappt das nicht mehr, hat der Kondensator etwas anderes "verloren", seine Stromfluß-Eigenschaften.
Der Fachmann mißt dann den "ESR", den Ersatz- Serien- widerstand. Mehr über diese Eigenschaft finden Sie hier. Auch das war 1966 bereits bekannt.
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Der Stromfluß ist der Maßstab
Zum Verständnis dieser Eigenschaft (für Laien) muß man etwas tiefer rein schaun. Wenn dem aufgeladenen Kondensator Leistung entnommen wird, sind das bei unsereren großen Hifi-Verstärkern fast nur Impulsleistungen. Und Impulse sind quasi ganz kurze Stromstöße, die zu den Lautsprechern übertragen werden sollen (müssen). Diese Impuls-Leistung sollte nahezu verlustfrei aus dem Kondensator herausgeholt werden können. Hat aber der Kondensator einen zu großen inneren Widerstand, kommt eben kein steilflankiger Impuls raus - als wenn ein Vorwiderstand den Stromfluß ausbremst.
Und Umgekehrt ist es fast genauso. Ist der Kondensator teilentladen, soll die fehlende Ladung wieder aufgefrischt werden. Das geht aber nur in dem ganz kurzen Zeitfenster, wenn die Spannung der Sinushalbwelle höher ist als der momentane Ladezustand. Und das ist auf den kleinen Zeitraum der maximalen Spannung (oben auf dem Wellenberg) der Halbwelle begrenzt.
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Und auch hierfür gibt es erschwingliche Meßgeräte (Stand 2008)
Bei dem Elektronik- Spezialisten ELV ganz hoch im Norden Deutschlands in Leer gab es dieses ESR Meßgerät, das diesen Kondensator- Innenwiderstand anzeigt.
Ist der hoch oder bereits zu hoch, dann ist der Stromfluß nicht nur ausgebremst, sondern es ensteht beim heftigen Laden und Entladen ganz langsam eine Menge Wärme und die ist absolut schädlich. Das (oder der) Elektrolyt der ELKOs trocknet jetzt noch schneller aus und die Kapazität geht "flöten".
Der Kondensator kann seine Aufgabe nicht mehr erfüllen und produziert im schlimmsten Fall einen Kurzschluß. Und dann fliegen der oder die Sicherungen raus.
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Im zugehörigen ELV ESR-1 Manual wird es so beschrieben :
- Diese Werte sollten mindestens erreicht werden. Unser 2.500 uF Kondensator hat bei 50 Volt 0,25 und sollte zwischen 0,01 und 0,05 haben.
(Stand der Beschreibung : 2008) - Dieser kleine nützliche Helfer erleichtert die Fehlersuche in modernen elektrischen Geräten, wie z.B. Fernsehgeräte, Monitore, Videorecorder usw. Das Messgerät ermittelt den Ersatz-Serienwiderstand (ESR) eines Elektrolyt-Kondensators (kurz: Elko) - dies sogar im eingebauten Zustand. Der ESR gibt z.B. Aufschluss über den Alterungszustand bzw. die „Qualität” eines Elkos. Speziell in Schaltnetzteilen altern Elkos, bedingt durch die hohe Schaltfrequenz bzw. hohe Arbeitstemperaturen, schneller als „normal”. Steigt der ESR eines zur Spannungssiebung eingesetzten Kondensators über einen bestimmten Wert an, kann unter Umständen die Funktion des Schaltnetzteiles gestört werden. Selbstverständlich kann das ESR 1 auch zur Messung von ohmschen Widerständen im angegebenen Messbereich verwendet werden.
Altern im Zeitraffer
- Ein Elko aus 1985 mit techn. Daten drauf
Die meisten elektronischen Bauteile, wie z. B. Halbleiter oder Widerstände, haben im allgemeinen eine fast unbegrenzte Lebensdauer, vorausgesetzt, sie werden nicht überlastet und in der vorgesehenen Arbeitsumgebung betrieben.
Es gibt jedoch eine Ausnahme - den Elektrolyt-Kondensator (kurz: Elko genannt). Wird ein Elko mit der maximal zulässigen Betriebstemperatur eingesetzt, beträgt die durchschnittliche Lebensdauer 1000 bis 3000 Betriebsstunden. Allein schon die Lagerung bewirkt einen stetigen Kapazitätsverlust, sodass nach ca. 10 Jahren Lagerzeit ein Elko nicht mehr verwendet werden sollte.
Das flüssige Elektrolyt in den ELKOs
Einer der wesentlichen Gründe hierfür ist, dass das flüssige Elektrolyt im Inneren
des Elkos mit der Zeit austrocknet (verdunstet) und die Kapazität sich somit verringert. Maßgeblich entscheidend für den Austrocknungsprozess ist die Betriebstemperatur, die von der Umgebungstemperatur und der vom Elko selbst erzeugten Wärme bestimmt wird. Eine (unbewiesene) Faustformel besagt, dass eine Temperaturerhöhung um 10°C die Lebensdauer eines Elkos halbiert.
Elkos in analogen Netzteilen
Wird ein Elko zur Spannungsstabilisierung in einem herkömmlichen Netzteil eingesetzt, ist z. B. eine Kapazitätsverringerung von 4700uF auf 3300uF üblicherweise noch tolerierbar.
- Anmerkung : Das gilt nur bedingt. Bei Hochleistungsverstärkern und hohen Lautstärken werden Netzteil-ELKOs schon heftig gefordert.
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ELKOs in modernen Schaltnetzteilen
Anders sieht die Sache bei modernen Schaltnetzteilen aus. Hier werden die eingesetzten Elkos extremen Belastungen ausgesetzt. Durch die relativ hohe Schaltfrequenz und die hohen, zum Teil rechteck-förmigen Impulsströme erwärmen sich die Elkos, wodurch die Lebensdauer rapide absinkt. Nicht umsonst sind Netzteile in Computern eine der häufgsten Ausfallursachen. Solche Schaltnetzteile fnden zunehmend aber auch Einzug in moderne Consumergeräte.
Die Erfahrung mit den Ausfällen
Hierbei ist ein Trend zu beobachten, dass viele dieser elektronischen Geräte wie z. B. Fernseher, Videorecorder, Monitore usw. heute schon nach relativ kurzer Zeit ausfallen.
Als Fehlerursache stellt sich oft ein defekter Elko im Schaltnetzteil heraus. Misst man solche Elkos mit einem Kapazitätsmesser nach, stellt man erstaunt fest, dass diese nur unwesentlich an Kapazität verloren haben. Warum ist das Gerät bzw. das Schaltnetzteil dann aber ausgefallen?
Hier kommt der Innenwiderstand des Kondensators ins Spiel, der auch ESR (Equivalent Series Resistance) genannt wird. Dieser Widerstand stellt vielmehr die Summe aller seriellen Verluste eines Kondensators dar. Der Innenwiderstand steht auch in direktem Zusammenhang mit dem Alterungszustand des Elkos, er nimmt mit dem Alter des Elkos zu.
Bei hohen Frequenzen wirkt der ESR zusammen mit der Kapazität wie ein Tiefpass und setzt so die Wirkung der realen Kapazität deutlich herab. Dies hat zur Folge, dass, wie schon erwähnt, ein Schaltnetzteil z. B. nicht mehr einwandfrei arbeitet. Dies äußert sich dann z. B. so, dass das Gerät nur kurz scheinbar einwandfrei arbeitet, aber bald einfach bis auf die Standby-Funktion abschaltet.
Um dieses Problem zu umgehen, setzen die Hersteller sogenannte Low-ESR-Elkos ein, die einen extrem geringen Innenwiderstand aufweisen und speziell für hohe Temperaturen ausgelegt sind.
Solche Elkos sind meist am Aufdruck „105°C” erkennbar - ein Standard-Elko ist nur für Temperaturen bis 85°C geeignet. Aber auch solche Low-ESR-Typen sind nicht vom Alterungsprozess ausgeschlossen. Oft werden aber aus finanziellen Gründen vorwiegend bei billigen Geräten einfach die ganz „normalen” Elkos eingebaut, mit den oben beschriebenen Folgen.
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