Gute Elkos, schlechte Elkos und der ESR

Defekte Elektrolytkondensatoren gehören zu den häufigsten Ursachen für Probleme in elektronischen Geräten. Besonders in Netzteilen in Fernsehern, Monitoren oder Computern führen gealterte oder beschädigte Elkos oft dazu, dass Geräte plötzlich ausfallen oder unzuverlässig arbeiten.

Ein wichtiger Faktor dabei ist der sogenannte ESR (Equivalent Series Resistance). Dieser Begriff bezeichnet den inneren Serienwiderstand eines Kondensators. Steigt dieser Widerstand im Laufe der Zeit an, kann der Kondensator seine Aufgabe in einer Schaltung nicht mehr richtig erfüllen.

Die Folgen sind häufig schwer zuzuordnende Fehler: Computer stürzen ohne ersichtlichen Grund ab, Netzteile starten nicht mehr richtig oder Bildschirme zeigen plötzlich Bildfehler. In vielen Fällen steckt ein Elektrolytkondensator mit zu hohem ESR-Wert dahinter.

In diesem Beitrag erfahren Sie:

• was der ESR eines Kondensators eigentlich bedeutet
• warum der ESR-Wert für elektronische Schaltungen so wichtig ist
• weshalb Elektrolytkondensatoren mit der Zeit schlechter werden können
• wie sich defekte Elkos erkennen lassen
• und welche Rolle ESR-Messgeräte dabei spielen

Gerade bei Schaltnetzteilen oder anderen Schaltungen mit schnell wechselnden Strömen spielt der ESR eine entscheidende Rolle für die Funktion der gesamten Elektronik.

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?

Was bedeutet ESR bei einem Kondensator?

Dazu folgen nun einige Infos zum Equivalent Series Resistance (ESR), dem innerem 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.

ESR messen: Wie erkennt man einen schlechten Elektrolytkondensator?

Wenn ein Elektrolytkondensator altert, steigt häufig sein ESR-Wert (Equivalent Series Resistance) an. Ein zu hoher ESR kann dazu führen, dass ein Kondensator seine Aufgabe in der Schaltung nicht mehr richtig erfüllen kann. Besonders in Netzteilen oder anderen Schaltungen mit schnellen Ladungswechseln führt ein erhöhter ESR-Wert oft zu Fehlfunktionen.

Um einen solchen Defekt festzustellen, kann der ESR eines Kondensators gemessen werden. Dafür werden spezielle Messgeräte verwendet, sogenannte ESR-Messgeräte oder ESR-Tester. Diese Geräte messen den inneren Serienwiderstand des Kondensators und zeigen an, ob der Wert noch im normalen Bereich liegt.

Ein großer Vorteil vieler ESR-Messgeräte besteht darin, dass sich der ESR-Wert oft direkt in der eingebauten Schaltung prüfen lässt, ohne den Kondensator vorher auslöten zu müssen. So können defekte Elkos relativ schnell identifiziert werden.

Typische Anzeichen für einen Kondensator mit zu hohem ESR-Wert sind beispielsweise:

• instabile oder zusammenbrechende Spannungen in Netzteilen
• Geräte, die nicht mehr richtig starten
• Bild- oder Signalstörungen in elektronischen Geräten
• ungewöhnliche Erwärmung von Bauteilen in der Schaltung

Wird ein Kondensator mit deutlich erhöhtem ESR-Wert gefunden, sollte er in der Regel ersetzt werden. Besonders bei älteren Geräten lohnt es sich oft, mehrere Elektrolytkondensatoren im betroffenen Bereich vorsorglich auszutauschen.

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