Elko Leckstrom messen: ein Beispiel aus der Praxis

Beim Restaurieren älterer Geräte stellt sich oft die Frage, ob originale Elektrolytkondensatoren noch sicher verwendet werden können oder besser ersetzt werden sollten. Besonders kritisch ist bei solchen Bauteilen immer der Leckstrom. Ein zu hoher Wert kann Netzteile überlasten, also den Gleichrichter zerstören, den Netztransformator bei längerem Betrieb beschädigen oder den Kondensator selbst zum Platzen bringen.

Wer einen Elko prüfen, einen Elektrolytkondensator testen oder den Leckstrom messen möchte, sollte wissen, wie man dabei vorgeht, welche Messwerte noch normal sind und wann ein Bauteil als kritisch gilt. Genau das zeige ich hier anhand eines Praxisbeispiels aus der Werkstatt.

Ich hatte einen solchen „Fall“ erst kürzlich bei einem Grundig TK23 Tonbandgerät, der auf der Bandmaschinenseite dokumentiert ist. Genau deshalb wollte ich in diesem Versuch gezielt den Elko-Leckstrom messen, und zwar anhand eines Originalnauteils aus den 60er Jahren.

Ausgangspunkt war ein originaler Netzteilelko aus einem ausgeschlachtetem Grundig-Röhrentonbandgerät, der mehrere Jahre unbenutzt gelagert wurde. Es handelte sich um einen klassischen Dreifachelko mit drei Kapazitäten in einem gemeinsamen Becher, wie er in den 1950er- und 1960er-Jahren häufig eingesetzt wurde. Solche Mehrfach-Elkos sind heute besonders interessant, weil sie elektrisch kritisch, schwer zu ersetzen und aus historischen Gründen oft erhaltenswert sind.

In diesem Beitrag beschreibe ich, wie ich den Leckstrom dieses Elkos gemessen habe, welcher Versuchsaufbau sich dafür bei mir bewährt hat und welche Ergebnisse dabei herauskamen. Anhand dieses Praxisbeispiels zeige ich, was die gemessenen Werte bedeuten, ab wann ein Elko als kritisch gilt und wie sich beurteilen lässt, ob ein originaler Kondensator noch verwendbar ist oder ob er besser ersetzt werden sollte.

Ziel dieses Erfahrungsberichts ist es nicht, pauschale Empfehlungen zu geben. Mir geht es vielmehr darum, ein mögliches Messverfahren zu zeigen und die Ergebnisse realistisch einzuordnen. Und zwar so, wie sie sich in der Werkstattpraxis bei alten Röhrengeräten tatsächlich darstellen.

Hinweis: In diesem Beitrag wird mit hohen und gefährlichen Spannungen gearbeitet. Besonders Röhrengeräte arbeiten mit lebensgefährlichen Spannungen. Außerdem können Elektrolytkondensatoren elektrische Energie über längere Zeit speichern, selbst wenn das Gerät bereits vom Netz getrennt wurde. Aufgeladene Elkos können daher auch noch Minuten oder sogar Stunden später gefährliche Spannungen führen. Die hier gezeigten Versuchsaufbauten und Vorgehensweisen dienen ausschließlich der Information und setzen entsprechende Kenntnisse im Umgang mit elektrischen Schaltungen voraus. Arbeiten an solchen Schaltungen sollten nur von Personen durchgeführt werden, die die damit verbundenen Risiken sicher einschätzen können.

Was ist der Leckstrom eines Elektrolytkondensators?

Ein Elektrolytkondensator besitzt eine dünne Oxidschicht auf der Aluminiumfolie. Diese Schicht wirkt als Dielektrikum. Wird ein Elko über längere Zeit nicht betrieben, kann sich diese Oxidschicht teilweise abbauen. Beim erneuten Anlegen einer Spannung muss sie sich zunächst wieder neu formieren.

Legt man wieder eine Spannung an, fließt zunächst ein relativ hoher Strom, weil sich der Kondensator auflädt. Nachdem dieser Ladestrom abgeklungen ist, bleibt ein kleiner Strom übrig. Und das ist der sogenannte Leckstrom. Dieser stellt einen unerwünschten Stromfluss durch das Dielektrikum dar und kann bei lange gelagerten Elektrolytkondensatoren zunächst stark erhöht sein.

• Typische Ursachen für erhöhten Leckstrom sind unter anderem eine lange Lagerzeit ohne angelegte Betriebsspannung, wodurch sich die Oxidschicht teilweise zurückbilden kann.
• Ein weiterer Grund ist ein gealterter oder chemisch veränderter Elektrolyt, das seine ursprünglichen Eigenschaften nicht mehr vollständig erfüllt.
• Auch eine beschädigte oder ungleichmäßig aufgebaute Oxidschicht kann dazu führen, dass der Isolationswiderstand sinkt und somit ein höherer Leckstrom fließt.
• Zusätzlich kann eine hohe Temperaturbelastung über längere Zeit die Alterungsprozesse im Inneren des Kondensators beschleunigen und den Leckstrom deutlich erhöhen.
• Nicht zuletzt spielt auch die mechanische Alterung eine Rolle, beispielsweise durch Austrocknung, Materialversprödung oder innere Spannungen im Wickelaufbau.

Ein gewisser Leckstrom ist unter Umständen sogar normal. Problematisch wird es aber, wenn er dauerhaft hoch bleibt oder sogar ansteigt.

Wann ist der Leckstrom zu hoch?

Als grobe Faustregel gilt:

Leckstrom ≈ 0,01 × C × U (in µA)

Beispiel:
50 µF bei 250 V → ca. 125 µA

Bei alten Netzteilelkos aus Röhrengeräten darf der Strom anfangs auch deutlich höher sein, sollte aber nach dem sogenannten Formieren innerhalb von Minuten deutlich zurückgehen.

Praxisorientierte Bewertung bei ca. 250 V:

• unter 1 mA → unkritisch
• 1–5 mA → beobachten
• über 10 mA → kritisch
• über 50 mA → stark verdächtig
• dauerhaft über 100 mA → eindeutig defekt

Ausgangspunkt: Original-Dreifachelko aus einem Röhrentonbandgerät

Ausgangspunkt war ein originaler Netzteilelko aus einem ausgeschlachteten Grundig-Röhrentonbandgerät. Das Bauteil war mehrere Jahre unbenutzt gelagert worden.

Es handelte sich um einen klassischen Dreifachelko mit drei Kapazitäten (50 µF, 50 µF und 100 µF) in einem gemeinsamen Aluminiumbecher, wie er in den 1950er- und 1960er-Jahren häufig eingesetzt wurde.

Solche Mehrfach-Elkos sind heute besonders interessant:

• Sie sind elektrisch oft schon kritisch.
• Auch sind sie mechanisch nur schwer zu ersetzen.
• Und sie sind aus historischen Gründen erhaltenswert. Aber die Sicherheit geht vor.

Der Versuchsaufbau zum Messen des Elko-Leckstroms

Die folgende Abbildung zeigt einen einfachen Versuchsaufbau mit einem Spannungswandler zur Erzeugung einer hohen Messspannung zum Testen des Elkos bei hohen Spannungen.

Der Versuchsaufbau bestand aus folgenden Komponenten:

• Ein Spannungswandler wird benötigt, der eine hohe Gleichspannung erzeugt.
• Zusätzlich kam ein regelbares Netzteil zum Einsatz.
• Zur Messung wurden zwei Multimeter verwendet, eines für die Spannung und eines für den Strom.
• Eine Glimmlampe mit Vorwiderstand diente zur Anzeige der anliegenden Hochspannung (nicht unbedingt notwendig).
• Ein Entladewiderstand mit 100 kΩ sorgte dafür, dass sich der Kondensator nach der Messung wieder sicher entlädt.
• Als Prüfling wurde ein alter Elektrolytkondensator aus einem Röhrengerät verwendet.

Der verwendete Spannungswandler ist eigentlich für 12 Volt Eingangsspannung vorgesehen und erzeugt daraus etwa 220 bis 250 Volt Ausgangsspannung. Solche Module sind günstig auf Aliexpress und Co. erhältlich, jedoch ist bei ihrer Verwendung höchste Vorsicht geboten.

Achtung:
Arbeiten mit Spannungen über 200 Volt sind lebensgefährlich. Ein Stromschlag kann tödlich enden. Der Kondensator speichert nach der Messung ebenfalls mehrere hundert Volt. Ein Entladewiderstand für eine kontrollierte Entladung des Elkos ist zwingend erforderlich.

Messung bei hoher Spannung

Hier wurde eine Gleichspannung von etwa 253 Volt an den Elko angelegt. Der Spannungswandler beginnt bereits bei etwa 3 Volt Eingangsspannung zu arbeiten und erzeugt dann schon eine wesentliche höhere Ausgangsspannung. Beim langsamen Erhöhen der Eingangsspannung steigt die Ausgangsspannung schnell auf über 100 Volt und schließlich auf mehr als 250 Volt an.

Aufgrund der integrierten Gleichrichterdioden eignet sich das Modul gut für solche Versuchsaufbauten zur Leckstrommessung von Elektrolytkondensatoren, auch wenn kein Hochspannungsnetzteil vorhanden ist.

Hier ist der Versuchsaufbau noch besser zu sehen. Natürlich zieht auch die Glimmlampe etwas Strom, ebenso der parallel zum Kondensator geschalteter Widerstand, auf der Platine unten rechts zu sehen. Ich habe hier einen Widerstand mit 100 Kiloohm verwendet. Dieser dient dazu, den Kondensator nach der Messung sicher zu entladen, da ein mit mehreren 100 Volt aufgeladener Kondensator immer eine gewisse Sicherheitsgefahr darstellt.

Der Leckstrom war anfangs deutlich höher als die später gemessenen 10 mA. Zu Beginn betrug er fast 100 mA.

Das ist bei lange gelagerten Elkos nicht ungewöhnlich. Die Oxidschicht muss sich erst wieder regenerieren. Dieser Vorgang wird als Formieren eines Elektrolytkondensators bezeichnet.

Beim Formieren geht man wie folgt vor:

• Die Spannung sollte langsam und kontrolliert erhöht werden.
• Dabei ist der fließende Strom kontinuierlich zu beobachten.
• Zusätzlich sollte die Temperatur des Kondensators aufmerksam überwacht werden.
• Außerdem ist Geduld erforderlich, da der Formierungsprozess einige Zeit in Anspruch nehmen kann.

Der Strom sollte innerhalb einiger Minuten deutlich zurückgehen. Ziel ist ein Strom nahe Null, abgesehen vom Strom durch Glimmlampe und Entladewiderstand.

Wichtig:
Erwärmt sich der Kondensator, tritt Elektrolyt aus oder bleibt der Strom dauerhaft hoch, sollte der Versuch besser abgebrochen werden.

In diesem Fall funktionierte das Formieren bei allen drei Kapazitäten ohne größere Probleme. Aber es kann auch anders sein, wie ein weiteres Beispiel aufzeigt.

Beispiel eines defekten Elkos

Anders sah es bei einem weiteren Exemplar aus demselben Gerätetyp aus. Dieser Elektrolytkondensator lief beim Anlegen der Spannung aus und erzeugte einen unangenehmen Geruch.

Treten solche Erscheinungen auf, ist der Elko eindeutig defekt und muss ersetzt werden.

Bei einem zugehörigen Gerät zeigte sich folgendes Messbild:

Bereits bei 60,6 Volt floss ein Strom von rund 90 mA.

Normalerweise beträgt die Stromaufnahme bei noch nicht vorgeheizten Röhren nur wenige Milliampere, da noch kein Anodenstrom fließt. Hier jedoch blieb der Strom auch nach mehreren Sekunden hoch.

Die separate Sicherung für den Anodenstrom war durchgebrannt. Wäre dieser Stromkreis nicht abgesichert gewesen, hätten Gleichrichter und Netztransformator vermutlich nach kürzester Zeit schon Schaden genommen.

Was passiert im Inneren bei einem Defekt?

Im Inneren eines Elektrolytkondensators befinden sich aufgewickelte Aluminiumfolien mit einem getränkten Isoliermaterial (Elektrolyt).

Kommt es zu einem dauerhaften Stromfluss durch das Dielektrikum, passiert folgendes:

• Erst erwärmt sich der Elektrolyt im Inneren des Kondensators.
• Durch die Erwärmung können sich Gase bilden.
• Dadurch steigt der Innendruck im Gehäuse an.
• Nach kurzer Zeit öffnet sich das integrierte Sicherheitsventil (wenn vorhanden) und lässt den Druck entweichen.
• Im Extremfall kann der Kondensator jedoch platzen oder sogar explodieren.

Der nach dem Aufladen weiterfließende Strom wird als Leckstrom bezeichnet. Ist er zu hoch, deutet das auf eine geschädigte Oxidschicht hin.

Dies ist der geöffnete defekte Elektrolytkondensator aus der Abbildung oben. Sehr gut zu sehen sind die isoliert Folien und die leitenden Flächen (ein ähnliches Material wie Alufolie). Dabei ist das Isoliermaterial in einem Elektrolyt getränkt, daher auch der Name Elektrolytkondensator.

Im Falle eines Defektes, bei dem es in der Regel zu einem Stromfluss zwischen den leitenden Kondensatorplatten (hier besser als Flächen bezeichnet) kommt, kann sich der Elektrolyt im Inneren stark erwärmen und dadurch Gase bilden.

So sollte es aussehen, wenn alles in Ordnung ist. Nachdem die Elektronenröhren aufgeheizt sind, fließt ein Anodenstrom in Höhe von einigen Milliampere, auch messbar ist. Vorher floss bereits kalten Zustand ein Strom von deutlich mehr als 100 Milliampere. Dieser wurde auch nach einigen Sekunden nach einlegen der Betriebsspannung nicht wesentlich geringer, weshalb der Versuch des Formierens abgebrochen und Elektrolytkondensator ausgewechselt wurde.

Originale Becherelkos erhalten oder besser ersetzen?

Bei historischen Röhrengeräten stellt sich immer wieder die grundsätzliche Frage, ob der Originalzustand bewahrt oder das Gerät technisch modernisiert werden soll. Ein Erhalt des originalen Elektrolytkondensators kann sich lohnen, wenn der Leckstrom nach dem Formieren auf einen gegen Null tendierenden, also sehr niedrigen Wert zurückgeht, keine Erwärmung auftritt und auch keine mechanischen Schäden sichtbar sind. In solchen Fällen ist ein weiterer Betrieb unter Beobachtung meist vertretbar.

Ein Austausch ist hingegen sinnvoll, wenn der Leckstrom dauerhaft hoch bleibt, Elektrolyt austritt, sich das Bauteil spürbar erwärmt oder sogar Sicherungen auslösen. In diesen Fällen besteht ein reales Risiko für Folgeschäden an Gleichrichter oder Netztransformator.

Eine häufige Lösung ist das sogenannte „Re-Capping“: Ein moderner Kondensator wird im alten Aluminiumbecher versteckt. So bleibt die historische Optik erhalten.

Elko-Leckstrom messen lohnt sich

Das Messen des Leckstroms ist eine wichtige Methode, um alte Netzteilelkos zu prüfen und die Sicherheit historischer Röhrengeräte zu gewährleisten.

Nicht jeder alte Elektrolytkondensator ist automatisch defekt. Manche lassen sich durch sorgfältiges Formieren wieder stabil betreiben. Andere hingegen zeigen bereits bei niedriger Spannung einen eindeutig zu hohen Strom und müssen ersetzt werden.

Wer systematisch vorgeht, die Spannung langsam erhöht und Strom sowie Temperatur im Blick behält, kann eine fundierte Entscheidung treffen.

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