Was ist Kondensatorleckstrom und wie kann er reduziert werden?

Der Kondensator ist die häufigste Komponente in der Elektronik und wird in fast jeder Elektronikanwendung verwendet. Es gibt viele Arten von Kondensatoren auf dem Markt, die für verschiedene Zwecke in jeder elektronischen Schaltung verwendet werden können. Sie sind in vielen verschiedenen Werten von 1 Pico-Farad bis 1 Farad-Kondensator und Superkondensator erhältlich. Kondensatoren haben auch verschiedene Arten von Nennwerten, wie Arbeitsspannung, Arbeitstemperatur, Toleranz des Nennwerts und Leckstrom.

Der Leckstrom des Kondensators ist ein entscheidender Faktor für die Anwendung, insbesondere wenn er in der Leistungselektronik oder Audioelektronik verwendet wird. Verschiedene Arten von Kondensatoren bieten unterschiedliche Leckstromwerte. Neben der Auswahl des perfekten Kondensators mit der richtigen Leckage sollte die Schaltung auch die Möglichkeit haben, den Leckstrom zu steuern. Wir sollten also zuerst ein klares Verständnis des Kondensatorleckstroms haben.

Beziehung zur dielektrischen Schicht

Der Leckstrom eines Kondensators steht in direktem Zusammenhang mit dem Dielektrikum des Kondensators. Sehen wir uns das folgende Bild an -

Das obige Bild ist eine interne Konstruktion des Aluminium-Elektrolytkondensators. Ein Aluminium-Elektrolytkondensator besteht aus wenigen Teilen, die in einer kompakten, dichten Verpackung eingekapselt sind. Die Teile sind Anode, Kathode, Elektrolyt, Isolator der dielektrischen Schicht usw.

Der dielektrische Isolator sorgt für eine Isolierung der leitenden Platte innerhalb des Kondensators. Da es auf dieser Welt nichts Perfektes gibt, ist der Isolator kein idealer Isolator und hat eine Isolationstoleranz. Aufgrund dessen fließt eine sehr geringe Strommenge durch den Isolator. Dieser Strom wird als Leckstrom bezeichnet.

Der Isolator und der Stromfluss können mit einem einfachen Kondensator und Widerstand demonstriert werden.

Der Widerstand hat einen sehr hohen Widerstandswert, der als Isolatorwiderstand identifiziert werden kannund der Kondensator wird verwendet, um den tatsächlichen Kondensator zu replizieren. Da der Widerstand einen sehr hohen Widerstandswert aufweist, ist der durch den Widerstand fließende Strom sehr niedrig, typischerweise in einer Anzahl von Nanoampere. Der Isolationswiderstand hängt von der Art des dielektrischen Isolators ab, da verschiedene Arten von Materialien den Leckstrom ändern. Die niedrige Dielektrizitätskonstante bietet einen sehr guten Isolationswiderstand, was zu einem sehr geringen Leckstrom führt. Beispielsweise sind Kondensatoren vom Typ Polypropylen, Kunststoff oder Teflon das Beispiel einer niedrigen Dielektrizitätskonstante. Bei diesen Kondensatoren ist die Kapazität jedoch sehr gering. Durch Erhöhen der Kapazität wird auch die Dielektrizitätskonstante erhöht. Elektrolytkondensatoren haben typischerweise eine sehr hohe Kapazität und der Leckstrom ist ebenfalls hoch.

Abhängige Faktoren für den Kondensatorleckstrom

Der Kondensatorleckstrom hängt im Allgemeinen von den folgenden vier Faktoren ab:

1. Dielektrische Schicht
2. Umgebungstemperatur
3. Lagertemperatur
4. Angewandte Spannung

1. Die dielektrische Schicht funktioniert nicht richtig

Die Kondensatorkonstruktion erfordert einen chemischen Prozess. Das dielektrische Material ist der Hauptabstand zwischen den leitenden Platten. Da das Dielektrikum der Hauptisolator ist, hängt der Leckstrom stark davon ab. Wenn das Dielektrikum während des Herstellungsprozesses getempert wird, trägt es daher direkt zur Erhöhung des Leckstroms bei. Manchmal weisen die dielektrischen Schichten Verunreinigungen auf, was zu einer Schwäche der Schicht führt. Ein schwächeres Dielektrikum verringert den Stromfluss, der weiter zum langsamen Oxidationsprozess beiträgt. Nicht nur dies, sondern auch eine falsche mechanische Beanspruchung tragen zur dielektrischen Schwäche eines Kondensators bei.

2. Umgebungstemperatur

Der Kondensator hat eine Bewertung der Arbeitstemperatur. Die Arbeitstemperatur kann zwischen 85 und 125 Grad Celsius liegen. Da der Kondensator eine chemisch zusammengesetzte Vorrichtung ist, steht die Temperatur in direktem Zusammenhang mit dem chemischen Prozess im Kondensator. Der Leckstrom steigt im Allgemeinen an, wenn die Umgebungstemperatur hoch genug ist.

3. Lagerung des Kondensators

Das lange Speichern eines Kondensators ohne Spannung ist nicht gut für den Kondensator. Die Lagertemperatur ist auch ein wichtiger Faktor für den Leckstrom. Wenn die Kondensatoren gelagert werden, wird die Oxidschicht vom Elektrolytmaterial angegriffen. Die Oxidschicht beginnt sich im Elektrolytmaterial aufzulösen. Der chemische Prozess ist für verschiedene Arten von Elektrolytmaterialien unterschiedlich. Der Elektrolyt auf Wasserbasis ist nicht stabil, wohingegen ein Elektrolyt auf Inertlösungsmittelbasis aufgrund der Verringerung der Oxidationsschicht weniger Leckstrom beiträgt.

Dieser Leckstrom ist jedoch vorübergehend, da der Kondensator beim Anlegen an eine Spannung selbstheilende Eigenschaften aufweist. Während der Einwirkung einer Spannung beginnt sich die Oxidationsschicht zu regenerieren.

4. Angewandte Spannung

Jeder Kondensator hat eine Nennspannung. Daher ist die Verwendung eines Kondensators über der Nennspannung eine schlechte Sache. Wenn die Spannung ansteigt, steigt auch der Leckstrom an. Wenn die Spannung am Kondensator höher als die Nennspannung ist, erzeugt die chemische Reaktion in einem Kondensator Gase und baut den Elektrolyten ab.

Wenn der Kondensator längere Zeit gelagert wird, z. B. jahrelang, muss der Kondensator durch Bereitstellen der Nennspannung für einige Minuten wieder in den Betriebszustand versetzt werden. Während dieser Phase baut sich die Oxidationsschicht wieder auf und stellt den Kondensator in einer Funktionsstufe wieder her.

Reduzieren des Kondensatorleckstroms zur Verbesserung der Kondensatorlebensdauer

Wie oben diskutiert, hat ein Kondensator Abhängigkeiten mit vielen Faktoren. Die erste Frage ist, wie die Kondensatorlebensdauer berechnet wird. Die Antwort besteht darin, die Zeit zu berechnen, bis der Elektrolyt aufgebraucht ist. Der Elektrolyt wird von der Oxidationsschicht verbraucht. Der Leckstrom ist die Hauptkomponente für die Messung, wie stark die Oxidationsschicht behindert wird.

Daher ist die Reduzierung des Leckstroms im Kondensator eine wichtige Schlüsselkomponente für die Lebensdauer eines Kondensators.

1. Die Herstellung oder die Produktionsanlage ist der erste Ort eines Kondensatorlebenszyklus, an dem Kondensatoren sorgfältig für einen geringen Leckstrom hergestellt werden. Es muss darauf geachtet werden, dass die dielektrische Schicht nicht beschädigt oder behindert wird.

2. Die zweite Stufe ist die Speicherung. Kondensatoren müssen bei der richtigen Temperatur gelagert werden. Eine falsche Temperatur beeinflusst den Kondensatorelektrolyten, was die Qualität der Oxidationsschicht weiter verschlechtert. Stellen Sie sicher, dass die Kondensatoren bei einer Umgebungstemperatur betrieben werden, die unter dem Maximalwert liegt.

3. In der dritten Stufe ist beim Löten des Kondensators auf der Platine die Löttemperatur ein Schlüsselfaktor. Denn für die Elektrolytkondensatoren kann die Löttemperatur hoch genug werden, mehr als der Siedepunkt des Kondensators. Die Löttemperatur beeinflusst die dielektrischen Schichten über den Bleistiften und schwächt die Oxidationsschicht, was zu einem hohen Leckstrom führt. Um dies zu überwinden, wird jeder Kondensator mit einem Datenblatt geliefert, in dem der Hersteller eine sichere Löttemperatur und eine maximale Belichtungszeit angibt. Diese Nennwerte müssen für den sicheren Betrieb des jeweiligen Kondensators beachtet werden. Dies gilt auch für SMD-Kondensatoren (Surface Mount Device). Die Spitzentemperatur beim Reflow-Löten oder Wellenlöten sollte die maximal zulässige Nennleistung nicht überschreiten.

4. Da die Spannung des Kondensators ein wichtiger Faktor ist, sollte die Kondensatorspannung die Nennspannung nicht überschreiten.

5. Auswuchten des Kondensators in Reihenschaltung. Die Kondensator-Reihenschaltung ist eine etwas komplexe Aufgabe, um den Leckstrom auszugleichen. Dies ist auf das Ungleichgewicht des Leckstroms zurückzuführen, bei dem die Spannung aufgeteilt und zwischen den Kondensatoren aufgeteilt wird. Die geteilte Spannung kann für jeden Kondensator unterschiedlich sein, und es besteht die Möglichkeit, dass die Spannung an einem bestimmten Kondensator über der Nennspannung liegt und der Kondensator eine Fehlfunktion aufweist.

Um diese Situation zu überwinden, werden zwei hochwertige Widerstände über den einzelnen Kondensator gelegt, um den Leckstrom zu reduzieren.

In der folgenden Abbildung ist die Auswuchttechnik dargestellt, bei der zwei in Reihe geschaltete Kondensatoren unter Verwendung hochwertiger Widerstände ausgeglichen werden.

Durch Verwendung der Auswuchttechnik kann die durch den Leckstrom beeinflusste Spannungsdifferenz gesteuert werden.