Was macht Bauteile kaputt?

[fabi]

...Strom, Spannung oder letztlich nur die Leistung?

Bei Kondensatoren wird die maximal zulässige Spannung angegeben, bei Widerständen nur die Belastbarkeit. Wie hoch darf der Strom bei einem MKP-Kondensator sein?

Ist bei Widerständen egal, ob nun ein sehr hoher Strom in dem Zweig fließt, solange nur der Spannungsabfall gering genug ist?

Bei Spulen wird der Sättigungsstrom angegeben, die Spannung ist wahrscheinlich uninteressant, weil die Durchschlagspannung der Wicklungen vergleichsweise hoch sein dürfte. Ich denke das Problem wird hier das verbacken bei zu hohen Leistungen sein, der Lack wird abdampfen, oder?

Grüße, fabi

[SvenT]

Re: Was macht Bauteile kaputt?

Original geschrieben von fabi
...Strom, Spannung oder letztlich nur die Leistung?

Alles zusammen, die genauen Versagensmechanismen hängen sehr stark vom Bauteil und dessen technologie ab.

Original geschrieben von fabi
Bei Kondensatoren wird die maximal zulässige Spannung angegeben, bei Widerständen nur die Belastbarkeit. Wie hoch darf der Strom bei einem MKP-Kondensator sein?

Ziemlich hoch!
Soweit ich mich erinnere müsste man bei Wima oder Epcos auf deren Internet-Seiten datenblätter von Kondensatoren finden.

Original geschrieben von fabi
Ist bei Widerständen egal, ob nun ein sehr hoher Strom in dem Zweig fließt, solange nur der Spannungsabfall gering genug ist?

Grob gesagt ja. Bis der Strom hoch genug ist, um irgendwas anzurichten, ist der widerstand schon lange in flammen aufgegangen.
Drahtwiderstände/Zementwiderstände halten sehr viel aus. Auch eine kurzzeitige Überlast verkraften die sehr gut.
Schichtwiderstände (metalloxidwiderstände) können überlast weit weniger gut ab.

Original geschrieben von fabi
Bei Spulen wird der Sättigungsstrom angegeben, die Spannung ist wahrscheinlich uninteressant, weil die Durchschlagspannung der Wicklungen vergleichsweise hoch sein dürfte. Ich denke das Problem wird hier das verbacken bei zu hohen Leistungen sein, der Lack wird abdampfen, oder?

Ja, mehrlagig gewickelte Spulen neigen dazu, ihre inneren Wicklungen sehr stark aufzuheizen, so dass der Lack schmilzt und die Wicklungen in Kontakt miteinander kommen. Dadurch entsteht ein Kurzschluss und die Spule ist kaputt. Evtl. geht sie sogar in Rauch auf, da in dem entstehenden Kurzschlussring sehr hohe Ströme fließen können, der die Spule zusätzlich aufheizt.

Die Durchschlagsfestigkeit der Wicklung spielt für Audio-anwendungen tatsächlich keine Rolle. Bei hoch geschätzten 100 Volt die ein wirklich großer Verstärker maximal abgeben kann geht garantiert kein Lackdraht kaputt.

[raphael]

Bei Widerständen ist es die Leistung und damit letztlich das Produkt aus Spannung und Strom die IMHO den Widerstand irgendwann zerstört. Widerstände geben die Energie als Wärme ab. Kann diese Wärme nicht mehr hinreichend durch die Widerstandoberfläche abgegeben werden, gehen die sie eben in Flammen und Rauch auf.
wenn wir davon ausgehen, daß wir den Widerstand an eine Konstantstromquelle anschließen, gilt P=RI^2, die Spannung ergibt sich dann über den Widerstand. Halten wir hingegen die Spannung konstant, dann ist P=U^2/R, der Strom ist dann abhängig von Spannungsabfall und Widerstand. Das muß man bei der Leistungabschätzung berücksichtigen.
Bei Kondensatoren spielt die Spannungsfestigkeit eine Rolle: Eine zu hohe Spannung führt zum Durchschlag. Hier ist der Strom eher zweitrangig. Natürlich verkraften Kondensatoren aber auch nur einen gewissen Strom. Dann ist es wie beim Widerstand. Auch die Cs haben einen elektrischen Widerstand der nur einen gewisses Produkt aus Strom und Spannung zuläßt. Allerdings wird acuh hier vermutlich eher wieder die Spannung der limitierende Faktor sein.

Raphael

[Frank S]

Bei den Kondensatoren ist neben dem tan delta auch die Kontaktierung von bedeutung:

-Typen für geringere Strombelastung haben Folien mit aufgedampftem metall. Die Folien stehen wechselseitig auf beiden Seiten heraus, sind dort untereinander und mit den Anschlußdrähten verpresst. Bei zu hoher Strombelastung brennt es die aufgedampfte Kontaktierung am Übergang zum Anschluß weg. Das kann man miterleben, wenn man ungeeignete Kondensatoren in der Leistungeslektronik einsetzt.

-Typen für erhöhrte Anforderungen sind mit Metallfolien ausgestattet, die auch aufwendig -oft geschweißt- kontaktiert sind.

Einige Infos gibt´s auf der Website von Wima.

Bei Elkos gibt es mehrere Effekte:
-Die Kontaktierung ist hierbei verpresst, wobei bei hohen Strömen sich die kontaktierung abbrennt

-Bei zu hoher Impulsbelastung von nicht-schaltfesten Kondensatorn baut sich das Oxyd ab und der Leckstrom steigt. Stichwort: Anoden/Kathoden-Kapazität.

[harry_m]

Zeit, Sauerstoff...

Alle Materialien altern. Je älter sie werden, umso schlechter sind die Eigenschaften. Bei den Kondensatoren führt es dazu, dass die Leckströme und Verluste steigen: bis sie irgendwann so hoch werden, dass daraus entstehende Wärme in einer "Kettenreaktion" den Kondensator explodieren lässt.

Wer einmal erlebt hat, wie ein Elko hochgeht, der will es nicht nochmal erleben. Ein Kollege beugte sich mal über ein auf dem Tisch aufgebautes Netzteil... Just in diesem Moment platzte ein 200mFx50V Kondensator. Er bekam das Ding in die Stirn.

Es war eine richtige Beule... 3cm weiter und es wäre ins Auge gegangen.

[Frank S]

Hab als Praktikant ein Netzteil eines Sato CL-408 repariert. Es gab Regelschwingungen und um das Pfeifen des Trafos zu hören ging ich mit dem Gesicht über die Platine. Im Bereich des Primärnetzteils stieg Wärme auf. Hab das Gesicht weggezogen, Spannung abgeschaltet und mit der Hand versucht, die Wärmequelle zu finden. Plötzlich hat der Ladeelko das Überdruckventil abgesprengt und mir die Unterseite der Hand verbrannt. Wärte das wenige Sekunden früher passiert: Hornhauttransplantation, bleibende Sehbedinderung...

Allgemein gilt für Bauteile recht gut das Gesetz von Arrhenius. Also etwa halbe MTBF bei 10K höherer Temperatur. Auch deshalb sollte man z.B. MOSFET nicht mit 100°C Chiptemperatur an der Grenze der SOA fahren, auch wenn manche Datenblätter bis zu 175°C zulassen. Bei LEDs zeight sich ebenfalls eine erhöhte Ausfallrate bei Nennlastbetrieb: sie fangen an zu blinken, weil durch die thermische Verspannung sich die Bondingdrähte lösen.

[Frankynstone]

Blinkende LEDs habe ich noch nicht gehabt, aber dafür irreversibel veränderte Farbe und verminderte Helligkeit. So eine LED stirbt langsam, irgendwann kommt kein Licht mehr raus. Man kann sie noch kurz als Glühlampe betreiben, der luftdicht abgeschlossene Bonddraht glüht kurz, aber nicht viel länger, als eine Sekunde

Wima gibt bei Kondensatoren immer lustige Diagramme an, und zwar die zulässige Wechselspannung über die Frequenz. Wenn man sich mal die Mühe macht, so ein Diagramm zu interpretieren, kommt man pro Typ auf einen so halbwegs konstanten Zahlenwert des Stromes pro Kapazität. Die Angabe bedeutet aber nur, dass der Kondensator 10K erwärmt wird, für einen Folienkondensator ist das sehr viel.

Wima kontaktiert mit Schoopenmetall, das sollte aufgesprühtes, flüssiges Zink sein. Die nackten Vielschicht-MKT von Siemens sind schöne Anschauungsobjekte für die Stirnkontaktierung mit Schoopenmetall. Bei Styroflex-, FKP- und ähnlichen Kondensatoren mit richtigen Matallfolien anstatt Metallbedampfung sind die Anschlussdrähte manchmal einfach nur mit eingewickelt (mechanisch nicht robust), manchmal sogar punktgeschweißt, aber auch hier gibt es Stirnkontaktierung, die beiden Versionen sind sehr zuverlässig.

Noch mal zur Belastbarkeit von Kernspulen: Der Sättigungsstrom gibt nur an, wo der Kern aufhört, die Induktivität der Spule zu vergrößern. Ist der Kern erstmal gesättigt, geht das Magnetfeld um ihn herum, mehr nicht. Es gibt Ferrite, die durch hohe Feldstärken oder hohe Temperaturen kaputt gehen, siehe Hinweise in den Datenblättern von Epcos.

Man sollte darauf achten, dass man den halben Sättigungsstrom nicht überschreitet und die Temperatur bei unter 100°C bleibt, damit die Induktivität sich nicht gravierend von der Kleinsignalgröße unterscheidet, für die maximale Temperatur sind der Lack vom Draht und der Kunststoff vom Spulenträger ausschlaggebend (ca. 130°C).

Heiß werdende Kondensatoren oder zerstörte Ferritkerne sollten im HiFi-Bereich nicht auftreten. Wenn doch, handelt es sich um Fehlkäufe :-(

Schon häufiger findet man, um bei der Unterhaltungselektronik zu bleiben, den Hitzetod in Netzteilen (vertrocknete Elkos, verheizte Transistoren oder Reglerschaltkreise, Temperatursicherungen in unterdimensionierten Trafos) und Endstufen (auch die Treibertransistoren werden gern sehr heiß, weil Kühlsterne oder -fähnchen aus der Mode sind). Überall, wo Bauelemente heiß werden, werden Lötstellen kalt, weil mechanische Spannungen auftreten. Kritisch sind Widerstände in Röhrenverstärkern, da gehen die Kappen ab oder lösen sich die Kohleschichten vom Keramikkörper.

Die ersten Siliziumtransistoren für Vorverstärker hatten Kontaktierungsprobleme, sie beginnen irgendwann zu knistern oder auszusetzen. Sie sind wegen mangelnder Stabilität auch durch mechanische Spannung zermürbt. Das ist kein Grund zur Trauer, die Ersatztypen sind oft deutlich besser.

Mir sind Fälle bekannt, wo Transistoren nach enormer Überhitzung (Metallgehäuse mit Anlassfarben) noch funktionierten, aber die Parameter sind nach solchen Übungen immer irreversibel verändert. Die Dotierstoffe und Metallisierungen beginnen zu wandern, so kann ein vorgeschädigter Transistor durch geringere Verstärkung die Qualität des Gerätes mindern und irgendwann spontan durch Kurzschluss das Gerät sogar auf seinen Schrottwert reduzieren.

[tiki]

Hallo,

wenn man nun wüßte, wie genau es der Fabian wissen will...

Widerstände haben ebenfalls eine angegebene Spannungsfestigkeit, bei deren Überschreitung Überschläge drohen. Der Zerstörungsmechanismus ist aber letztendlich auch hier meist irreversibler Ladungs- und Materialtransport durch hohe Leistung.
Selbst bei Gate-Durchschlägen von MOSFETs ist die Überspannung nur der Auslöser.

Bei Kondenstaoren spielt neben tandelta auch der ESR (equivalent series resistance) eine gewichtige Rolle für den verträglichen Ripplestrom, welcher sich gemeinerweise mit der Frequenz und natürlich der Temperatur ändert. Nicht von ungefähr weisen OSCONs mit die vergleichsweise höchsten Werte für Elektrolytkondensatoren auf.

Es gibt auch eine Alterung von innerhalb der Grenzdaten betriebenen BE, z.B. werden Bondablösungen in Leistungs-BE durch ständigen mechanischen Lastwechsel wegen thermischer Ausdehnung bei elektrischer Be-/Entlastung beschrieben. Unter anderem haben die neueren Ausführungen von Leistungs-LEDs Vergußkappen aus Silikon.

Reine Spannungsausfälle sind selten, weil die Ablösearbeiten für die Materialoberflächen i.d.R. sehr hohe Spannungen bedingen, ehe ein spontaner Materialtransport das Bauelement zerstört. Allerdings begünstigen hohe Spannungen Migrationseffekte, die schleichende Änderungen nach sich ziehen und irgendwann zum scheinbar schlagartigen Ausfall führen (Beispiel: frühere Al-Metallisierungen in Schaltkreisen, die durch Fremdelemente, wie Phosphor, tw. zu wandern begannen oder umgewandelt wurden).

Gruß, Timo

[fabi]

Vielen Dank, diese Ausführlichkeit reicht mir vollkommen aus! Es gibt auch wirklich keinen konkreten Fall, ich habe mich nur mal gewundert, warum auf Frequenzweichen manche Bauteile öfter kaputt gehen als andere.