AKKN Electronics GermanyKondensatoren fallen in der Praxis nicht zufällig aus. Die Fehlerbilder Bauchung, Elektrolytaustritt und Unterbrechung folgen typischen physikalischen Mechanismen. Wer diese Mechanismen kennt und systematisch prüft, findet schneller die Schadensursache und wählt den passenden Ersatztyp aus. Dieser Beitrag richtet sich an Instandhaltungs- und Entwicklungsingenieure, die Kondensatoren in Frequenzumrichtern, Stromversorgungen und Schaltschrank-Anwendungen beurteilen müssen.
Anwendungsgrenze: Wann dieses Vorgehen gilt
Die drei genannten Ausfallbilder treten überwiegend an Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit flüssigem Elektrolyt auf. Sie werden in Zwischenkreisen, als Siebkondensatoren und als Puffer- und Stützkondensatoren eingesetzt. Bei Kunststoff-Folienkondensatoren wie MKP oder MKT können Bauchung und Elektrolytaustritt nicht auftreten, da kein flüssiges Medium vorhanden ist. Hier sind Kapazitätsverlust, Isolationsversagen oder mechanische Risse die maßgeblichen Fehlerbilder. Die folgenden Grenzwerte und Schritte beziehen sich daher auf Aluminium-Elektrolytkondensatoren.
Alle Messungen werden am ausgebauten, spannungsfreien Kondensator durchgeführt. Das Bauelement muss vollständig entladen sein. Nach dem Abschalten einer Anlage sind mindestens fünf Minuten Wartezeit einzuplanen und die Entladung über einen geeigneten Widerstand zu unterstützen.
Ausfallbilder und Entscheidungsschwellen
Die folgende Tabelle fasst die typischen Merkmale, Schwellenwerte und Maßnahmen zusammen.
| Ausfallbild | Merkmal | Entscheidungsschwelle | Maßnahme |
|---|---|---|---|
| Bauchung | Bleibende Wölbung der Becher- oder Deckelkontur, angehobene Sollbruchstelle | Bleibende Verformung der Gehäuseform gilt als Ausfallkriterium | Kondensator sofort ersetzen; Ursache prüfen (Rippelstrom, Umgebungstemperatur) |
| Elektrolytaustritt | Flüssigkeitsreste oder weiße, bräunliche Ablagerungen an Dichtungen, Sollbruchstelle oder Anschlussbolzen | Bereits ein einzelner Tropfen oder getrocknete Rückstände sind als Ausfall zu werten | Bauteil tauschen, Umgebung auf Korrosionsspuren kontrollieren |
| Unterbrechung | Keine Kapazität messbar, ESR nicht bestimmbar beziehungsweise extrem hoch | Kapazität unterhalb der unteren Toleranzgrenze (bei Alu-Elektrolyt häufig −20 % des Nennwerts) und ESR oberhalb des Datenblatt-Grenzwerts | Ersatztyp wählen; Lötstellen und Befestigung benachbarter Bauteile prüfen |
Die Kapazitätstoleranz ist auf dem Bauteil angegeben; die Bauartnorm IEC 60384-4 beziehungsweise DIN EN 60384-4 ergänzt die zulässigen Grenzwerte. Häufig anzutreffen sind ±20 % oder −10 %/+30 %. Maßgeblich ist die Angabe des Herstellers. Eine Abweichung außerhalb dieser Grenze ist ein eindeutiges Ablagekriterium, auch wenn der Kondensator seine Funktion zeitweise noch erfüllt. Das gilt ebenso, wenn der ESR den zulässigen Höchstwert deutlich überschreitet; als erste Orientierung dient ein Anstieg auf den doppelten Anfangswert.
Ursachenzusammenhang: Warum Bauchung keine Einzelerscheinung ist
Bauchung und Elektrolytaustritt sind Folgen von Überdruck im Wickel. Der Überdruck entsteht, wenn sich der Elektrolyt bei Übertemperatur zersetzt. Treiber sind ein zu hoher Rippelstrom, eine hohe Umgebungstemperatur oder eine Kombination aus beidem. Der Rippelstrom erzeugt im Kondensator eine Verlustleistung, die über den ESR in Wärme umgewandelt wird. Bei gleicher Filterwirkung führt ein Kondensator mit niedrigerem ESR zu weniger Eigenerwärmung und damit zu einer geringeren thermischen Belastung. Umgekehrt steigt mit zunehmender Alterung der ESR; die Verlustleistung nimmt weiter zu. Dieser Kreislauf führt im Endstadium zu den oben genannten Ausfallbildern.
Bei der Auslegung eines Ersatzkondensators muss der Rippelstrom daher mit derselben Sorgfalt bewertet werden wie die Nennspannung. Folgende Punkte lassen sich aus der Schaltung beziehungsweise der Herstellerdokumentation entnehmen:
- Nennspannung: mindestens so hoch wählen wie die maximale Zwischenkreisspannung einschließlich zulässiger Überschwingung.
- Rippelstrom: Der effektive Rippelstrom bei der tatsächlichen Schaltfrequenz muss unter dem zulässigen Wert der Baureihe liegen; ein Derating von 10 bis 20 Prozent schafft Lebensdauerreserve.
- Kerntemperatur: Die maximal zulässige Kerntemperatur sowie die Umgebungstemperatur im Schaltschrank sind bei der Auswahl einzubeziehen.
Schrittweises Vorgehen bei der Auswahl eines Ersatztyps
- Anlage spannungsfrei schalten, Kondensator über einen Entladewiderstand entladen und mit einem Multimeter die Restspannung prüfen.
- Sichtprüfung aller Kondensatoren der betroffenen Baugruppe durchführen; zusätzlich die Leiterplatte oder Montagefläche auf Elektrolyt-Rückstände untersuchen.
- Elektrische Messung mit einem LCR-Meter: Kapazität bei 100 Hz oder 120 Hz, ESR bei der vom Datenblatt vorgegebenen Frequenz. Alle Messwerte protokollieren.
- Die Messergebnisse mit den Entscheidungsschwellen aus der Tabelle abgleichen.
- Für einen Ersatztyp die Kenndaten des Originalbauteils heranziehen: Baugröße, Befestigung, Anschlussart, Nennspannung, Kapazität, ESR, Rippelstromgrenze und Temperaturbereich.
- Den Tausch dokumentieren: ausgebautes Bauteil, verwendeter Ersatztyp, Messwerte und Datum. So lassen sich wiederkehrende Ausfälle erkennen und Wartungsintervalle anpassen.
Der Ablauf bleibt auch dann gültig, wenn kein Original-Ersatzteil verfügbar ist. Er hilft jedoch nicht, wenn die eigentliche Ursache außerhalb des Kondensators liegt. Eine wiederholt auftretende Bauchung bei frisch eingebauten Kondensatoren ist in vielen Fällen auf eine zu hohe Übertemperatur im Schaltschrank oder eine zu geringe Kühlung der Baugruppe zurückzuführen. In einem solchen Fall genügt der Kondensatortausch allein nicht.
