Der falsch gepolte Elko
Elektrolytkondensatoren explodieren heftig, wenn man sie nicht richtig kontaktiert. Hochgeschwindigkeits-Videos offenbaren diesen Vorgang.
Elektrolytkondensatoren, kurz Elkos genannt, bestehen einfach gesagt aus aufgerauten Metallanoden (üblich Aluminium, Tantal oder Niob), auf denen durch Elektrolyse Isolierschichten aufgewachsen sind, welche die Anode von Elektrolytkathoden trennt. Die Schichtdicken des Dielektrikums liegen in der Größenordnung von 1 nm, was zu Kapazitäten von (10 – 20) µF/cm2 führt. Auf diese Weise lassen sich mit Elkos sehr große Kapazitäten realisieren.
Aufgrund ihrer Bauweise dürfen Elektrolytkondensatoren im Allgemeinen nur mit wohldefinierter Polung betrieben werden. Bei Betrieb mit falscher Polung kann es – je nach Spannungsniveau – sogar zur Explosion kommen, was bei dichter Anordnung elektronischer Komponenten eine erhebliche Brandgefahr mit sich bringt.
Es gibt mehrere Theorien des letztendlichen Versagens des Kondensators. Die auftretenden Prozesse im Innern eines Elkos für tantalbasierte Systeme bei falscher Polung sind die folgenden. Die Isolierschicht aus Ta2O5 wird bei richtiger Polung dadurch aufgebaut, dass Sauerstoffionen aus dem Elektrolyten zur Anode gezogen werden. Diese Formierungsspannung der Schicht liegt im Allgemeinen unter der Betriebsspannung, sodass eine Isolierschicht definierter Dicke vorliegt. Bei Gegenspannung wandern nun wieder Sauerstoffionen aus der dielektrischen Schicht in den Elektrolyten, die Schicht dünnt aus, bis es letztlich zum Kurzschluss kommt. Der dabei fließende kurzzeitig sehr hohe Strom führt zum Verdampfen des Elektrolyten, und der starke Druckanstieg lässt den Elko explodieren. Um dies zu verhindern, wird häufig ein Überdruckventil in Form eines Gummistopfens eingebaut.
In unserem Versuch schlossen wir einen Elko (470 µF, max. 16 V) mit falscher Polung direkt an ein Labornetzgerät (Strom max. 24 A) mit einer Spannung von 16 V an. Typischerweise explodiert er 4 bis 5 Sekunden nachdem der Kurzschluss erreicht wird. In unserem Fall fließt ein maximaler Kurzschlussstrom von 24 A.
Die Explosion eines Elkos in Superzeitlupe bei 4000 Bildern pro Sekunde und 1/5000 s Integrationszeit (Video: Vollmer, Möllmann).
Wie das Hochgeschwindigkeits-Video zeigt, schiebt sich zwischen dem Start und kurz vor dem Platzen der Gummistopfen deutlich aus dem Gehäuse heraus, das innere Volumen vergrößert sich um fast 20 %. Dann sieht man erste Dampfwolken entweichen, bis der Elko explodiert. Direkt nach dem Abheben des Stopfens schießen auch kleine Stichflammen aus dem Gehäuse heraus. Die Explosion ist innerhalb weniger Millisekunden abgeschlossen. Je nach Zusammensetzung des Elektrolyten können auch ungesunde chemische Dämpfe entstehen. Dies ist auch ein Grund, weswegen wir vor dem Nachahmen dieser Versuche warnen!
Übrigens kann ein Elko auch bei richtiger Polung explodieren, wenn er mit deutlicher Überspannung betrieben wird. Dies haben wir bei doppelter Spannung von 32 V getestet. Die Explosion verlief ähnlich zu der mit 16 V Gegenspannung. Somit sollte jedem Physiker und Elektronikbastler klar sein, bei Elkos lieber zweimal die Polung (und auch die eingestellte Maximalspannung) zu kontrollieren bevor eine neue Schaltung in Betrieb gesetzt wird.
Michael Vollmer, Klaus-Peter Möllmann, FH Brandenburg
Dies ist die gekürzte Version eines Artikels, der in der aktuellen Ausgabe von Physik in unserer Zeit erschienen ist. Weitere Hochgeschwindigkeits-Videos finden Sie auch in unserem Youtube-Kanal.
