Basteln mit Elektronik
Gute Elkos, schlechte Elkos und der ESR
Defekte Elektrolytkondensatoren sorgen oft für Probleme
Häufig sind es defekte Elektrolytkondensatoren bzw. Elkos, die für Probleme in verschiedenen elektronischen Geräten wie Fernsehern, Monitoren oder sonstigen Geräten sorgen. Oft sind es die Netzteile (meistens Schaltnetzteile) in diesen Geräten, die ihren Dienst auf einmal versagen. Aber auch in Computern sorgen die defekten Bauteile häufig für Probleme. Defekte Elkos auf Computer-Mainboards oder auch Grafikkarten und anderen Komponenten verursachen mitunter die seltsamsten Defekte. Computer stürzen beispielsweise ohne ersichtlichen Grund ab oder starten sich neu. Bei einer defekten Grafikkarte können seltsame Pixelfehler auf dem Bildschirm auftauchen. Oder auch der Computermonitor fällt aus bzw. schaltet sich direktt nach dem Einschalten wieder ab. Doch woher kommen diese Probleme eigentlich? Warum fallen Netzteile und viele andere elektronische Schaltungen so häufig aufgrund defekter Elektrolytkondensatoren aus?
Equivalent Series Resistance (ESR) - innerer Widerstand eines Elektrolytkondensators
Was passiert eigentlich, wenn eine elektrische Spannung an einen Kondensator oder Elektrolytkondensator angelegt wird? Ganz einfach: Der Kondensator oder Elko lädt sich auf. Für diesen doch recht kurzen Moment fließt also ein Strom in den Kondensator hinein. Umgekehrt fließt ein Strom in die andere Richtung, wird der Kondensator wieder entladen. Wird an den Kondensator eine Wechselspannung oder auch eine getaktete Spannung angelegt, so wird er ständig mit der Frequenz dieser Wechselspannung geladen und entladen. Hier fließt also praktisch ständig ein Strom hin und her. Natürlich sind die Lade- und Entladevorgänge dieses Kondensators auch mit gewissen Verlusten behaftet. Beim Auf- und Entladen müssen die Ströme Widerstände überbrücken, welche durch den Kondensator selbst verursacht werden. Häufig werden diese Verluste und die damit verbundenen Widerstände auch als ohmsche Eigenschaften eines Kondensators bezeichnet. Die gängigere Bezeichnung ist aber der sogenannte Ersatzserienwiderstand eines Kondensators oder auch Elektrolytkondensators. Dieser wird als „Equivalent Series Resistance“, kurz ESR, bezeichnet. Die Höhe dieses Widerstandes ist im Wesentlichen abhängig von der jeweiligen Konstruktion des Bauteils und den dabei verwendeten Materialien. Der hier entstehende elektrische Widerstand bildet quasi mit der Kapazität des Kondensators eine Reihenschaltung.
Der ESR und seine Wirkung in elektronischen Schaltungen
Der Widerstand ist dabei nicht nur von den Materialien des Bauteils abhängig, sondern auch von der Frequenz beim Laden und Entladen des Bauteils sowie von der Umgebungs- und Bauteiletemperatur. In bestimmten elektronischen Schaltungen kann sich dieser Serienwiderstand bzw. ESR-Wert durchaus bemerkbar machen, vor allen Dingen dann, wenn Kondensatoren mit relativ großen Kapazitäten (beispielsweise Elkos) sehr schnell geladen und entladen werden und dabei hohe Ströme fließen (müssen). Dies ist vor allem in Schaltnetzteilen häufig der Fall. Durch einen hohen Ersatzserienwiderstand entstehen während des Lade- und Entladevorganges Verluste. Der Kondensator kann im ungünstigsten Fall nicht mehr vollständig aufgeladen werden, da der Serienwiderstand den Stromfluss begrenzt und nur eine kurze Ladezeit zur Verfügung steht. Muss nun das Netzteil, in dem das Bauteil eingebaut ist, eine hohe elektrische Leistung abgeben, so kann es passieren, dass durch den nicht mehr vollständig aufgeladenen Elektrolytkondensator sowie den Serienwiderstand, der ja auch beim Entladen eine wichtige Rolle spielt, die Abgabespannung des Netzteils zusammenbricht. Das Netzteil kann also nicht mehr seine vollständige Ausgangsleistung liefern, was wiederum zu Fehlfunktionen der angeschlossenen elektronischen Schaltung führt oder gar zu deren kompletten Ausfall.
Hier sieht man sehr deutlich, dass der Elko eine ausgebeulte Metallkappe hat. Solche Bauteile können sogar für einen Komplettausfall von elektronischen Geräten wie Fernsehern, Monitoren oder verschiedenen Schaltnetzteilen sorgen. Häufig kommen solche Defekte durch hohe Umgebungs- bzw. Betriebstemperaturen zustande. Möglicherweise handelt es sich in vielen Fällen aber auch um eine sogenannte geplante Obsoleszenz, also den ganz bewusst in Kauf genommenen Ausfall elektronischer Geräte nach einer bestimmten Betriebszeit, durch die der Benutzer zum Kauf neuer Geräte bewegt werden soll.
Der ESR-Wert und die Kapazität des Kondensators
Tatsächlich ist der Wert des Serienwiderstandes ESR in gewisser Weise abhängig von der Kapazität des jeweiligen Kondensators oder Elektrolytkondensators. Generell gilt hier: Je höher die Kapazität des Kondensators ist, desto geringer ist sein Serienwiderstand. Der ESR ist aber noch von weiteren Faktoren abhängig. Dazu gehört zum Beispiel die Frequenz. Wird der ESR gemessen, so werden diese Messungen häufig bei einer Frequenz von 100 Kilohertz durchgeführt. Die angegebenen Serienwiderstände beziehen sich daher häufig auf diese Frequenz.
Wie kann man solche defekten Elektrolytkondensatoren ausfindig machen?
Es gibt mehrere Möglichkeiten, defekte Elektrolytkondensatoren zu lokalisieren. Bereits mit einer einfachen Sichtprüfung kann man diese oft entlarven. Oft sind die Bauteile oben ausgebeult oder gar aufgeplatzt. In manchen Fällen kann es auch vorkommen, dass das Elektrolyt aus dem Bauteil herausläuft und dabei gegebenenfalls Leiterbahnen auf der Platine beschädigt. Glücklicherweise kommt dies aber wohl eher selten vor. Meistens bleibt es bei einem ausgebeulten Elko, bei dem man gut erkennen kann, dass er ausgewechselt werden muss. Nicht immer aber kann ein solches defektes Bauteil anhand einer einfachen Sichtprüfung ausfindig gemacht werden. Nicht immer sieht man einem Elektrolytkondensator an, dass er defekt ist. Hier bleibt nur noch die Möglichkeit, anhand seiner elektrischen Werte eine Fehlfunktion zu erkennen.
