Austausch von alten Kondensatoren

(Übersetzung vom originalen englischsprachiger Artikel "Replacing old capacitors" von Emilio Ciardiello, auf Basis von einer Google-Übersetzung, den ich zu verbessern versucht hatte. Vielen Dank dem Martin Boesch, der meine eigene Übersetzung redaktiert und verbessert hat. Dieser Artikel besteht nun aus Martins Redaktion meiner Übersetzungsversuch.)

Beim Plan einer Restauration eines alten Radiogerätes oder von historischem Funkmaterial stellen sich häufig Fragen wie „Wie viele Kondensatoren soll ich ersetzen?“ oder „Soll ich alle Kondensatoren ersetzen, um Fehlfunktionen zu verhindern?“ Man liest von Sammlern, die ihre Radios vollständig demontiert haben, um alle Bauteile zu ersetzen, als Resultat finden sich dann Gehäuse voll von neuen glänzenden Bauteilen, die nur noch erratisch oder gar nicht mehr funktionieren.

Nach meiner Erfahrung ist der Austausch von ordnungsgemäss funktionierenden Teilen durch mehr oder weniger identische Bauteile nicht notwendig, solches Vorgehen kann die Funktion des Geräts verschlechtern oder kann zu neuen Fehlfunktionen führen. Originale Bauteile, die immer noch innerhalb der originalen Spezifikationen sind, arbeiten zuverlässig und sind nicht mehr auf „Kinderkrankheiten“ anfällig. Natürlich hat jeder Sammler zu diesem Thema aufgrund früher gemachter Erfahrungen etwas unterschiedliche Ansichten.

Antworten auf die gestellten Fragen können unterschiedlich ausfallen, je nach Qualität der Arbeit der seinerzeitigen Entwickler eines Geräts und Einsatz der im Gerät verbauten Komponenten, Art und Qualität der verwendeten Bauteile, je nach Umgebungsbedingungen, denen das Gerät in seiner Betriebszeit ausgesetzt war und nach Lagerbedingungen.

Oftmals finden sich die Punkte in Threads zu spezifischen Modellen diskutiert. Da fast jeder Sammler von historischen Radios und Funkmaterial an diesem Thema interessiert sein dürfte, habe ich beschlossen, in diesem Thread eine Übersicht zu geben, in der Hoffnung, dass Leser weitere Erfahrungen beisteuern.

 

Typische Funktionsstörungen von gealterten Kondensatoren

Zahlreiche Funktionsstörungen von alten Geräten sind durch gealterte oder defekte Kondensatoren bedingt, die Funktionsstörungen gealterter Kondensatoren lassen sich in folgende Kategorien einteilen:

1) Kurzschluss

Ein Kurzschluss kann oft durch verminderte Spannungswerte und/oder Widerstandswerte im Bereich des fehlerhaften Abschnitts festgestellt werden. Ein Kurzschluss in einem Kondensator hat oftmals weitere Fehlfunktionen zu Folge, beispielsweise verschmorte Widerstände oder durchgebrannte Sicherungen. Immer wenn sich ein durchgebrannter Widerstand oder eine durchgebrannte Sicherung findet, muss ein Kurzschluss in einem Kondensator vermutet werden, es sei denn, es finde sich eine eindeutig andere Ursache.

2) Leitungsunterbruch

Dieser Fehler kann häufig in vollständig „ausgetrockneten“ Elektrolytkondensatoren festgestellt werden. Findet sich in der Anodenspannungsfilterung ein Kondensator mir einem Leitungsunterbruch, kommt es zu einem lauten Brummen. In anderen Fällen, beispielsweise bei einem Defekt eines Kondensators im Kathodenpfad einer NF-Verstärkerstufe, kann ein solchermassen „ausgetrockneter“ Kondensator eigentlich eine deutliche Verbesserung der Klangqualität zur Folge haben (aber wird den Gewinn der Stufe auch deutlich reduziert).

Im Falle von Überhitzungen der Zuführungsdrähte kann es auch gelegentlich zu Leitungsunterbrüchen in Styroflex - Kondensatoren kommen.

3) Veränderungen der Nennkapazität

Zu Veränderungen des Kapazitätswerts kann es aufgrund verschiedener Ursachen kommen: teilweises Austrocknen von Aluminium - Elektrolytkondensatoren, Eintrocknen oder chemische Veränderungen im Öl oder Wachs, welches zur Imprägnation des Papier - Dielektrikums von Papier- Wickelkondensatoren eingesetzt wurde, Adsorption von Feuchtigkeit im Dielektrikum von Papier- oder Keramikkondensatoren, Rissbildungen in der aufgedampften Silberbeschichtung von Glimmerkondensatoren oder Rissbildungen in Keramikkondensatoren.

Eine Abnahme des Kapazitätswertes eines Filter - Elektrolytkondensators kann bis zu 20 % akzeptiert werden, zum anderen kann eine Veränderung des Kapazitätswerts eines Keramik- oder Glimmerkondensators schon um 5 % in einer HF-Schaltung dazu führen, dass die Schaltung beim Abgleich nicht mehr in Resonanz gebracht werden kann.

4) Übermässiger Leckstrom oder schlechter Isolationswiderstand

Bei jedem guten Kondensator kann ein sehr hoher aber endlicher Widerstandswert gemessen werden. Bei Papier - Wickelkondensatoren kann durch im Papier des Dielektrikums absorbierte Feuchtigkeit ein stark verminderter Durchgangswiderstand gefunden werden.

Ein gewisser Leckstrom kann in vielen Einsatzbereichen akzeptiert werden, beispielsweise in der Entkopplung der Anodenspannung oder in Niederspannungsbereichen. In anderen Einsatzbereichen, wie beispielsweise der Kopplung zwischen NF-Vor- und Endstufe kann bereits ein geringer Leckstrom zur Verschiebung der Gittervorspannung in den positiven Bereich führen. Eine zu hohe Collectorspannung bei Transistorgeräten kann zu übermässigem Strom an der Basis des Transistors der folgenden Stufe zur Zerstörung des Transistors führen.

Bei Elektrolyt - Kondensatoren kommt es durch Ausbildung kleiner Defekte im Dielektrikum zu hohem Leckstrom, dies vor allem dann, wenn ein Gerät für längere Zeit nicht im Einsatz gestanden hat. In diesen Fällen kann es zu irreversiblen Schäden am Gerät kommen, wenn unvermittelt die volle Betriebsspannung angelegt wird. Die als Dielektrikum wirkende dünne Oxydschicht kann oftmals durch vorsichtiges Anlegen einer niedrigeren Spannung neu aufgebaut werden, der Elektrolytkondensator wird neu formiert. Bei sehr alten Elektrolytkondensatoren mit einem in schlechtem Zustand befindlichen Elektrolyt wird allerdings von dieser Methode abgeraten.

 

Verschiedene Kondensator - Bauformen in alten Geräten

Papier- / Folien- Wickelkondensatoren, das Papier meist mit Wachs oder Öl imprägniert, wurden lange in Standardanwendungen mit Kapazitätswerten von 1000 pF bis hin zu Werten von über 10 µF verwendet. Auch heute - vor allem in Wechselspannungsanwendungen - sind Papier- oder Kunststoff - Folienkondensatoren noch im Einsatz.

Gute Papier - Kondensatoren können ihren Kapazitätswert über 70 Jahre beibehalten. Viele Typen oder auch nur einzelne Produktionschargen können über die Jahre infolge schlechter hermetischer Abdichtung des Folienwickels, Unzulänglichkeiten im Produktionsprozess oder Instabilität oder hydroscopischen Effekten des Imprägnierungsöls oder -wachses zu Problemen führen.

Infolgedessen wird empfohlen, Papierkondensatoren ungeachtet des äusserlichen Zustands grosszügig auszutauschen.

 

Abb. 1 - Übersicht über den Papier - Wickelkondensatoren

P1, P2, P3 und P4 zeigen traurige Beispiele von Kondensatoren mit Glaskörper und Teer-Abdichtung. P1 und P3 zeigen geschmolzene Abdichtungen, bei P1 ist sogar das Imprägnierungswachs ausgelaufen. P2 zeigt eine lose Teer-Abdichtung, P4 zeigt aufgequollene Vergussmasse.
P5, P6 und P7-sind Papierkondensatoren mit gegossenen Körpern, Oftmals kommt es zu hygroskopischen Effekten durch Läsionen an der Versiegelung oder Rissbildungen. (P7 zeigt ein Beispiel eines berüchtigten sogenannten „Bumblebee“ - Kondensators mit Kunststoffgehäuse, die in USA-Geräten aus den 50- und 60-er Jahren oft anzutreffen sind. Manchmal finden sich Exemplare, besonders wenn sie zur Netzentkopplung benutzt wurden, mit vollkommen abgebrochenem Kunststoffgehäuse.)
P8 zeigt einen Papierkondensator mit Bienenwachs-Beschichtung in ausgezeichnetem Zustand, der um Mittel-30er hergestellt wurde: Ich führte Messungen an 12 Exemplaren in meinem Hammarlund SP110 (1937) durch, die immer Isolationswiderstands - Messwerte von mehr als 100 MOhm ergaben. (Allerdings ist das atypisch. Papierwickelkondensatoren sollen, besonders bei Röhrengeräten, in den meisten Fällen vollständig ausgetauscht werden. Unabhängig vom Alter ist die Fehleranfälligkeit intolerabel groß.)

 

Abb. 2 – weitere Wickelkondensatoren

Obwohl diese Kondensatoren wie Papierwickelkondensatoren aussehen, werden in P9 bis P12 Kunststoff- Folien verwendet, ihr typischer Isolationswiderstand liegt in der Größenordnung von einem GigaOhm: ein Ersatz dieser Kondensatoren ist nicht nötig, außer sie seien eindeutig defekt!
P13 zeigt einen alten Papier-Kondensator mit Phenolharz- oder Gummi- Formkörper: diese Typen sehen äusserlich ganz ähnlich wie viele Glimmerkondensatoren aus, ihre Isolationseigenschaften sind in der Regel fragwürdig, auch wenn seit den 30ern die Firma Aerovox um die kritischen Punkte des Kondensator - Formgusses wusste.

 

Glimmerkondensatoren (sog. Mica) in der Regel mit Silbermetallisierung, wurden üblicherweise in HF-Schaltungen mit hoher Stabilität eingesetzt. Als Kondensatorkörper wurden über die Jahren verschiedene Kunststoffe oder auch Epoxyharz eingesetzt, vor allen in Europa wurden einige Typen lediglich oberflächlich lackiert oder auch überhaupt nicht geschützt.

Glimmerkondensatoren mit Kunststoffkusskörper oder aus Epoxy- Tauchharz aus den letzten Jahren arbeiten in der Regel zuverlässig.

 

Abb. 3 - Glimmer - Kondensatoren

Glimmer - Kondensatoren arbeiten in der Regel sehr zuverlässig, vor allem die Typen M4 und M5 (Kontrolle, ob das Gehäuse, besonders beim Eingang der Leitungen, nicht beschädigt ist). Manchmal können Kondensatoren vom der Bauform M3 aus der Toleranz laufen, vor allem, wenn die Silberschichten verkratzt und daher teilweise isoliert sind. Beachten Sie, dass die Bauformen vom Typ M1 oder M2 besonders in USA auch für die Papier-Folien-Kondensatoren verwendet wurden: die Identifizierung des Dielektrikums von Kondensatoren mit rechteckigen Gehäusen und Kapazitätswerten von mehr als nur wenigen Nanofarad ist nicht leicht.
(Auch wird das Entschlüsseln des Kapazitätswerts bei den Bauformen M1, M2 und M4 mit Farbpunkten vielmals schwierig. Über lange Zeit existierte keine einzige standardisierte Norm der Farbcodierung diesen Kondensatoren. Also setzten die verschiedenen Hersteller oft unterschiedliche Codierungen ein, was manchmal zur Verwirrung führt.)

 

Polystyrol (Styroflex) - Film zeichnet sich durch niedrige dielektrische Verluste und gute Temperaturstabilität aus. Polystyrol - Kondensatoren wurden in Europa als präzise und stabile Komponenten bei HF- und ZF-Abstimmschaltungen und in NF-Filtern verwendet.

Leider ist der Polystyrolfilm nicht hitzebeständig; bei Temperaturen über 82°C nimmt er Schaden. Aus diesem Grund wurde Glimmer in den Vereinigten Staaten (wo Temperaturbeständigkeiten von mind. 85º C notwendig sind) bevorzugt. Die Zuverlässigkeit ist sehr hoch, wenn der Kondensator nicht physisch (wegen der sehr dünnen Zuleitungen) oder durch Überhitzung beschädigt wurde.

 

Keramik - Kondensatoren stehen für eine Vielzahl von Anwendungen zur Verfügung. Abhängig von ihrer Zusammensetzung, wurden keramische Materialien mit unterschiedlichen Dielektrizitätskonstanten und kontrollierten Temperaturkoeffizienten hergestellt. Keramik-Kondensatoren von niedriger Kapazität mit kontrolliertem Temperatur-Koeffizienten werden häufig in HF- oder ZF-Schwingkreisen verwendet. Typen von mittlerer bis hoher Kapazität werden zur Kopplung / Gleichstromblockierung zwischen Stufen oder zur HF-/ZF-Filter - Entkopplung eingesetzt.

Die Zuverlässigkeit von Keramik-Kondensatoren ist sehr hoch, doch in einigen Fällen können sie durch adsorbierte Feuchtigkeit an Kapzität verlieren; in der Regel wird die Kapazität nach einem kurzen Backvorgang wieder ihren ursprünglichen Wert erreichen.

 

Abb. 4 - C1 ist ein Polystyrol-Kondensator. C2 bis C4 sind typische Keramik-Kondensatoren.

Bei Elektrolyt-Kondensatoren („Elkos“) wirkt eine durch eine chemische Reaktion aufgebaute dünne Oxidschicht zwischen einer Aluminiumfolie und einer mit Elektrolytpaste imprägniertem Papier als Dielektrikum. Elektrolyt - Kondensatoren sind normalerweise polarisiert (es existieren allerdings auch nicht polarisierte Elkos), diese chemisch gebildete Oxidschicht kann leicht durch Verpolung oder durch Überspannung zerstört werden.

Allen Elko - Formen gemeinsame typische Ausfälle sind Schäden durch Leckbildung in der Oxid-Schicht oder Kurzschluß, die oft durch übermäßigen Leckstrom verursacht werden, und Verminderung der Nennkapazität durch Austrocknung des Elektrolyts.

Elektrolyt - Kondensatoren sollen ersetzt werden, wenn ihre Kapazität unter 80% des Nennwertes senkt. Die Oxidschicht kann teilweise Schaden nehmen, wenn der Kondensator über einen längeren Zeitraum nicht an Spannung gelegen hat. Durch Anlegen einer niedrigen Spannung über einige Zeit, um Leckströme am Anfang auf niedrigere Werte ohne Gefahr für den Kondensator zu begrenzen, kann die Oxidschicht manchmal neu formiert werden. (Dies Vorgehen wird wegen zweifelhafter Sicherheit nicht in allen Fällen empfohlen)

Übermäßige Leckströme können zur schädlichen Erwärmung mit Entweichen von Elektrolyt aus der Entlüftungsbohrung führen; eine weitere Erhöhen des Formierungsstroms bis hin zur Zerstörung der Oxidschicht.

Abb. 5 - Diese Kondensatoren zeigen sichtbare Spuren von Auslaufen des Elektrolyts
und sollen ersetzt werden.

 

Einige Tipps

Ein Kapazitäts- und Isolationswiderstands - Messgerät ist in der Regel erforderlich, um fehlerhafte Kondensatoren aufzuspüren. Handelsübliche Multimeter können nicht eingesetzt werden, den Isolationswiderstand zu messen. Die Anschaffung eines sehr teuren Messgeräts lohnt sich oftmals nicht, da Näherungsmessungen gewöhnlich rasch zum Auffinden des fehlerhaften Bauteils führen. Ich habe hier entsprechende Isolations- Messgeräte zu absolut erschwinglichen Preisen gefunden.

Bei der Messung der Kapazität von Elektrolyt-Kondensatoren, soll man nicht vergessen, dass Toleranzen zwischen - 20 und 80% des Nennwerts für diese Komponenten durchaus als normal betrachtet werden können.

Beim Inbetriebnahme eines alten Geräts ist es ratsam, zunächst einige Vorarbeiten zur Herstellung der Betriebssicherheit durchzuführen, ehe man sich daran macht, Komponenten auszutauschen.

Nach einer guten Reinigung soll eine visuelle Inspektion erfolgen, es wird eine erste Liste von beschädigten sicherheitskritischen Teilen erstellt. Kabel mit brüchiger oder abgeschabter Gummi- Isolation, Komponenten, die aufgesprungen, ausgelaufen, verschmort oder oder andersweitig beschädigt sind, müssen vor dem ersten Einschalten ersetzt werden.

Allgemein anerkannte Regel ist es, bei für längere Zeit eingelagertem Gerät, d. h. sechs Monate oder mehr, unabhängig von den bisherigen Einsatzbedingungen eine weiches „Wake-up“ - Prozedur durchzuführen, um die Elektrolyt-Kondensatoren und falls vorhanden, Selen-Gleichrichter, neu zu formieren. Es ist ratsam, Geräte mit etwa halber Netzspannung für eine halbe Stunde zu betreiben, und auf die Anodenspannung und gleichzeitig bzgl. Flüssigkeitsverlust aus Elektrolyt-Kondensatoren und Überhitzung von Bauteilen, Auftreten eines verdächtigen Brummens, sorgfältig zu beobachten.

Es ist nicht absolut notwendig, jeden Kondensator zu ersetzen. Einige Kondensatoren werden in Niederspannungs- oder in Mittel- bis Niederimpedanz -Schaltungen eingesetzt, deren Betrieb durch verminderte Siebwirkung nicht wesentlich beeinträchtigt wird. Gute Vorkriegs-Kondensatoren zeigen auch heute noch einen Isolationswiderstand in der Größenordnung von mehreren Zig- oder Hunderten von Megaohm. Andere Kondensatoren, die Papierkondensatoren sehr gleichen, bestehen eigentlich aus Glimmer oder Kunststoff-Folien, deren Widerstand in der Größenordnung von 1 000 MOhm liegt.

Der Ersatz von Papier-Kondensatoren erfordert eine sorgfältige Schaltungsanalyse. Bei Kondensatoren zum Einsatz an Netzspannung wurde ein hochwertiges Dielektrikum aus Papier eingesetzt; das Polyester- Film- Kondensatoren sind hier häufig nicht gleich gut geeignet, wie Papier- Wickelkondensatoren. Wenn möglich sollen Metall- Papier- oder Polypropylen - Folien - Kondensatoren bei Anwendung an Netzspannung innerhalb des Geräts bevorzugt werden. Dies ist auch der Fall bei Kondensatoren in der Primärwicklung von Ausgangstransformatoren, bei Anlaufkondensatoren von kleinen Wechselstrom - Motoren oder bei Filterkondendsatoren in der Hochspannungs - Wicklung von Netztransformatoren.

Beim Netzeingangsfilter sollen nur UL / CSA / IEC zugelassene Film-Folien- oder Keramik-Kondensatoren (X-Typ zu Netz-Netz- oder Y-Typ zu Netz-Masse-Gebrauch) verwendet werden.

Abb. 6 - Einige X2 Film-Folien-Kondensatoren
für die sichere Verwendung in Wechselspannungsschaltungen.

Im Fall einer Gegentakt-Endstufe, ist es beim Ersetzen eines Kondensators in der Schaltung einer Röhre ratsam, ein aufeinander abgestimmtes Kondensator - Paar auswählen und auch den entsprechenden Kondensator in der Schaltung der zweiten Röhre zu ersetzen.

Als Kondensatoren mit niedriger Kapazität in HF- oder ZF-Stufen können Keramik-, Glimmer- oder (in Europa üblich) Polystyrol-Film (Styroflex) - Typen verwendet werden. Diese sind in Allgemeinen sehr zuverlässig, mit Ausnahme einiger lackierter Glimmer-Typen.

Als allgemeine Regel gilt, dass HF-Kondensatoren nicht entfernt oder von ihrem ursprünglichen Platz umplaziert werden sollten, außer wenn das Bauteil mit Gewissheit defekt ist. Wenn verfügbar, sind getauchte Glimmerkondensatoren zum Ersatz für die anderen Typen am ehesten geeignet, eine Ausnahme bilden Temperatur - kompensierte keramische Typen, wie N220 oder N750, die vorwiegend in temperaturkompensierten Resonanzkreisen eingesetzt werden. Natürlich muss der Schwingkreis nach dem Austausch eines solches Kondensators wieder abgeglichen werden.

 

Die folgende Grafik, die einen typische kleine NF-Verstärker zeigt, hilft zu veranschaulichen, wie beim Ersatz der alten Kondensatoren nach Anwendungszweck vorgegangen werden soll. Hier haben wir C1 und C2 als Filter-Kondensatoren der Anodenspannung, C3 als Netzeingang-Filter, C6 im Niederspannungs- Signalweg, C7 in der kritischen Kopplung / Blockierung zwischen den Stufen, und C8 in der NF-Endstufe.

• Ein Kurzschluß in C1 oder C2 führt normalerweise zu einem durchgeschmorten oder offenen X1 und / oder R1 (für den Fall, dass keine Sicherung vorhanden ist; sonst würde natürlich die Sicherung zuerst durchbrennen).
• Ein offener C1 oder C2 wird zumindest zu einem lauten Brummen führen. C1 und C2 müssen ersetzt werden, wenn sie offensichtlich beschädigt sind oder wenn der Wert unter etwa 40 Mikrofarad pro Abschnitt gesunken ist.
• C3 darf nur mit einem zugelassenen X- oder Y-Typ Wechselspannung-Kondensator ersetzt werden.
• C6 muss normalerweise nicht ausgetauscht werden, außer wenn er keinen Durchgang mehr zeigt.
• C7 soll immer für auf Leckströme überprüft werden, sonst wird die Gitterspannung der Leistungspentode positiv, und die Pentode selbst in kurzer Zeit beschädigt. Die einfachste Möglichkeit besteht darin, die Röhre aus der Fassung entfernen und die Spannung an TP1 messen (bei entfernter Röhre soll überhaupt keine positive Spannung messbar sein). Eine Metallfilm- Polyester-Typ wird für C7 ein geeigneter Ersatz sein.
• Durch dielektrische Verluste wird C8 im normalen Betrieb erwärmt und kann schließlich wie P1 und P3 in Abb.1 aussehen. Metallisierte Polyester-Typen sind als Ersatz für C8 nicht zuverlässig; Film-Folien- oder Polypropylen-Typen für höhere Betriebsspannungen (>1 kV) werden die NF-Spitzen von sehr hoher Spannung, welche sich über der Primärwicklung des Ausgangsübertragers ergeben, sicher verarbeiten.

 

Abb. 7 - Schaltbild eines typischen kleinen NF-Verstärker.

 

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