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Metallisierte Filmkondensatoren werden häufig als Störschutzbauteile in Netzeingangsfiltern von Geräten verwendet, die direkt am Netz betrieben werden. Solche X- und Y-Kondensatoren fallen jedoch immer vorzeitig aus. Warum das so ist und wie solche Ausfälle mit geeigneten Qualitätssicherungsmaßnahmen verhindert werden können, erfahren Sie hier.

Metallisierte Filmkondensatoren zeichnen sich durch zahlreiche technische Vorteile aus. Dazu zählen beispielsweise ein geringer Verlustfaktor und eine geringe Abhängigkeit der Kapazität und des Verlustfaktors von Temperatur und Frequenz. Sie sind für Wechselspannung und Gleichspannung geeignet und haben eine hohe Strombelastbarkeit. Darüber hinaus weisen sie eine hohe Spannungsfestigkeit und Pulsbelastbarkeit auf und sind in hohen Kapazitätswerten erhältlich.

Aufgrund ihrer Selbstheilungseigenschaften sind X- und Y-Folienkondensatoren ideal geeignet, um direkt im Versorgungsnetz an der mit Transienten überlagerten Netzspannung betrieben zu werden. Allerdings gibt es immer wieder Klagen über X-Film-Kondensatoren, die teilweise schon nach wenigen Jahren im Betrieb vorzeitig ausfallen. Dieser Artikel beschreibt die Hauptursache und stellt eine geeignete Maßnahme zur Qualitätssicherung vor.

Gewickelte, metallisierte Folienkondensatoren bestehen üblicherweise aus zwei Kunststofffolien als Dielektrikum und der auf die Kunststofffolien aufgebrachten Metallisierung als Elektroden. Bei der Herstellung werden die beiden metallisierten Folien eines Kondensators leicht versetzt zueinander gewickelt. Durch die versetzte Anordnung der Elektroden ragt eine Kante der Metallisierung aus einer der beiden Seitenflächen (Endflächen) der Walze heraus.

Die überstehenden Elektroden werden in einem nach Max Schoop benannten Verfahren mit Zinn, Zink oder Aluminium metallisiert (schoopiert = Wicklungsflächenkontakt mit aufgespritzten Metallpartikeln), also elektrisch kontaktiert. Das verflüssigte Kontaktmetall wird mit Hilfe von Druckluft als fein verteilter Nebel direkt auf die jeweilige Stirnseite des Kondensators aufgesprüht. Die Anschlüsse werden mit der Kontaktschicht der Wicklungsstirnseiten verlötet oder verschweißt. Diese Kondensatorzelle wird dann in ein Gehäuse eingesetzt und dort mit einer Vergussmasse zum besseren Schutz gegen umweltbedingte Weinflüsse umhüllt.

Der Trend in der Komponentenindustrie zur Miniaturisierung und zur Realisierung von Einsparpotenzialen birgt bei X- und Y-Folienkondensatoren die Gefahr, dass ihre Robustheit gegenüber den Umgebungsbedingungen leidet und damit die zu erwartende Lebensdauer sinkt. Die in den letzten Jahren zunehmenden Reklamationen lassen den Schluss zu, dass die X- und Y-Folienkondensatoren der neueren Generation grundsätzlich nicht mehr der Qualität der früher hergestellten Kondensatoren entsprechen. Sowohl die ältere als auch die aktuelle Generation der sicherheitszertifizierten X- und Y-Funkentstörkondensatoren müssen jedoch die Norm IEC 60384-14 erfüllen. Dies deutet darauf hin, dass diese Norm in wesentlichen Punkten nicht zeitgemäß ist, um eine konstante Mindestqualität der derzeit auf dem Markt produzierten Kondensatoren zu gewährleisten.

Das End-of-Life eines Metallfolienkondensators beschreibt den Zeitpunkt, ab dem der Kondensator seine spezifizierten Werte nicht mehr erfüllt. Die Kriterien für ein Ende der Lebensdauer sind entweder eine zu starke Abnahme der Kapazität oder des Isolationswiderstandes oder eine zu starke Zunahme des Verlustfaktors des Kondensators.

Die Lebensdauer eines Metallfolienkondensators wird im Wesentlichen durch die Einflussfaktoren Temperatur (Umgebungstemperatur und Eigenerwärmung), Spannung und Luftfeuchtigkeit bestimmt. Jeder dieser Faktoren kann bei übermäßiger Belastung zu vorzeitiger Alterung oder zum Ausfall des Kondensators führen. Um herauszufinden, welcher dieser Faktoren in der Praxis den größten Einfluss auf vorzeitiges Altern oder Versagen hat, sind weniger Laborversuche mit simulierten Bedingungen hilfreich. Vielmehr ist eine Ursachenanalyse von Kondensatoren, die im Feld vorzeitig ausgefallen sind, sinnvoll, da diese Kondensatoren den tatsächlichen Bedingungen in der Praxis ausgesetzt waren.

Abb. 1: Schematische Darstellung des Aufbaus eines metallisierten Folienkondensators (Bild: Elcap / CC)

X- und Y-Filmkondensatoren werden hauptsächlich in Netzfilteranwendungen zur EMV-Entstörung von elektronischen Geräten verwendet. Bei diesen netzparallelen „cross-the-line“-Schaltungen ist eine vorzeitige Alterung oder ein Ausfall eines Kondensators in der Regel unkritisch für die Funktion des Endprodukts. In den meisten Fällen arbeitet ein Netzteil nach dem Ausfall eines X-Kondensators im Netzfilter des Netzteils weiter. Oder eine Lampe leuchtet nach einem Ausfall eines X-Kondensators im Netzfilter eines EVG oder eines LED-Treibers weiter.

Eine Verschlechterung oder ein gewisser Ausfall der X- und Y-Funkentstörkondensatoren in Netzfiltern führt nur dazu, dass die für dieses elektronische Gerät geltende EMV-Grenzwertkurve nicht mehr eingehalten wird. Dies kann zu einer Reklamation des Kunden führen.

In der Praxis erweist es sich jedoch als äußerst unpraktisch und damit sehr unwahrscheinlich, dass die Einhaltung der EMV-Grenzwertkurve eines elektronischen Gerätes vor Ort beim Endkunden überprüft wird. Erst wenn das elektronische Gerät im Betrieb als Störungsursache identifiziert wird, wird in den meisten Fällen die genaue Ursache der Störung untersucht. Es ist daher davon auszugehen, dass in den allermeisten Fällen eine Alterung oder ein Ausfall eines Funk-Entstörkondensators in einem Netzfilter nicht wahrgenommen wird und das Endprodukt dann ohne die ursprünglichen Eigenschaften der X bzw. Y . weiter betrieben wird Kondensator.

Abb. 2: Wesentliche Einflussfaktoren auf die Lebensdauer eines Metallfolienkondensators. (Bild: HJC)

Bei Anwendungen, bei denen der Kondensator in Reihe zur Netzspannung geschaltet und damit funktionskritisch ist, macht sich eine unzulässige Degradation von X- und Y-Kondensatoren sofort bemerkbar. Dies ist beispielsweise bei kapazitiven Netzteilen und Spannungsteilern der Fall oder bei Koppelkondensatoren in SPS-Modulen (Powerline Communication). Fällt bei diesen Anwendungen der Kondensator aus, führt dies sofort zu einem Funktionsausfall des Gerätes. In letzter Zeit häufen sich die Meldungen über entsprechende Ausfälle von Industrieprodukten und Haushaltselektronik. In allen Fällen führte ein massiver Kapazitätsverlust der verwendeten X2-Kondensatoren zum Ausfall.

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