Why
and how should electrolytic capacitors (electrolytic caps) be
replaced?
(DEUTSCH siehe unten)
1. Background knowledge
1.1 Construction of
an electrolytic cap
Electrolytic capacitors consist of an
aluminum can, which is filled with a capacitive package and sealed by
a rubber disc with two feedthrough holes for the connecting
wires.
The capacitive package consists of two specially
treated aluminum strips, on each one a connecting wire is welded. The
two strips are then coiled up with an absorbent paper liner **, which
is soaked with an electrolyte liquid, inserted into the aluminum can
and sealed with the rubber disc.
For brand new electrolytic
capacitors this construction is absolutely leakproof, sometimes there
is a safety valve (third hole in the rubber disc), which releases
pressure in the event of malfunction or too high voltage and is
normally closed.
**For
high-quality audio electrolytic capacitors, instead of the paper
liner, a layer made of silk may be included. Although these
electrolytic capacitors are very well suited for audio signals, they
have a lower lifespan than normal electrolytic capacitors.
In
addition, the use only 'pays off' in the audio signal path. For
control tasks and in the power supply there are optimized
electrolytic capacitors available.
1.2 Increased mains/grid voltage
Increased grid voltage has been a local problem in Germany since 1987, when the voltage of some european countries began to converge.
Until
1987, the grid voltage in Germany was 220V, and devices manufactured
until then were designed accordingly. Some had already a voltage
selector, but was set to 220V. The voltage was allowed to fluctuate
from 198V - 242V, so the devices had to cope.
Since 1987, the
grid voltage is 230V, and now the devices must be able to withstand
fluctuations between 207V and 253V, which is 11V more than in the
most extreme case to 220V times!
In Germany it is therefore
strongly recommended that you set the device to 240V at the voltage
selector on the rear panel or by internal soldering at the
transformer to 240V if possible!
2.
What happens to the caps?
2.1 Too high voltage at transformer
output
Many devices whose transformers can not be switched
from 220V to 240V output more AC voltage than originally calculated.
That higher AC then is rectified and reaches as a higher DC voltage
than expected the filter capacitors.
In many Philips CD
players, these are e.g. calculated for 16V DC maximum voltage, which
was then just calculated because of a higher maximum voltage would
make the capacitors too big.
Now these 16V are exceeded! (For this
reason I chose 35V maximum voltage for these caps at my Philips
recapping kits).
Such overloaded electrolytic capacitors can
burst and burn, distribute it's inner into the device, release liquid
and gaseous chemicals (electrolyte) and no longer fulfill any
function.
2.2
Increased temperature load
Aging and shrinkage of the rubber
disc caused by high temperatures and evaporation of the plasticizer
of the rubber compound causes leaks in the feedthroughs of the
connecting wires and on the flanged edge of the aluminum
can.
Elevated temperature occurs in the vicinity of a heat
sink (power supply, amplifier), but may e.g. also be generated by
ripple current inside the cap itself.
Evaporated electrolyte
fluid escapes and is missing in the paper strip. The value of the
electrolytic capacitor, measured in μF (= micro-Farad), decreases
and is soon outside the tolerance limit of its manufacturer and thus
outside of what the device manufacturer considered necessary when
designing the circuit.
2.3
Switch-on time and elapsed time since production
Electrolytic
caps have a certain lifespan, which is specified by most
manufacturers under certain conditions. A value is given, which
applies if the electrolytic capacitor is at a certain temperature
without voltage or under voltage.
Standby mode e.g. causes the
electrolytic capacitors to wear without performing any useful work,
other than e.g. waiting for a signal from the infrared remote
control.
Really switch off devices as possible.
Also
storage time and the elapsed time since production can wear out the
caps. A since prodution sealed device inside it's original box may
also be defective.
3.
Examples of occurring errors
At amplifiers the lack of capacity (dried out caps) is indicated by hum from mains (power grid) through headphone and/or loudspeakers,
distortions at bass reproduction because then the loudspeakers need quick energy from the big power supply caps.
Sometimes there is a noticable difference between the left and right channel.
Some amps have a safety circuit which switches on the loudspeakers several seconds after powering on the amp by a relais. The time
span between powering on and switching on the speakers is determined by an electrolytic cap and can be too short or too long during
aging of that cap. It indicates the state of all other caps inside the amp if you have problems with this delay time.
4.
Procedure for replacing the electrolytic capacitors
Mark all
negative poles or make good pictures before you begin the
desoldering. Aluminum electrolytic capacitors have a plus and minus
pole, the minus pole is marked. The polarity must be maintained.
Use
a temperature-controlled soldering station at lower temperature or a
16-20-watt soldering iron to prevent the entire copper track from
coming off the circuit board during desoldering. The use of a simple
desoldering pump and/or desoldering wick is recommended. You will
find both as a set at my shop.
Watch out for solder thrown out by
the desoldering pump, it could bridge over tracks or IC pins and
cause damage.
For old devices, it is best to use the still
available lead containing solder named
Sn60Pb40, this solder was
also used at that time. Lead-free solder requires a higher
temperature and does not make the device ROHS compliant by
resoldering these few caps.
Swap 1:1, unsolder a cap, resolder
the new cap. So the chance of making a mistake is low. If in doubt,
only the photos or a service manual will help you.
When
soldering at boards good soldering skills are required.
Hints:
As
already mentioned above, the electrolytic capacitors are usually
supplied with higher voltage capability. The following rule must be
observed:
The maximum voltage of the new cap may be equal to
or higher than that of the old cap, but never lower. If there is e.g.
a 47μF/35V cap in your device, it can easily be replaced by a
47μF/63V, but never by a 47μF/25V cap!
Warum und wie sollten Elektrolytkondensatoren (Elkos) ersetzt werden?
1. Hintergrundwissen
1.1 Aufbau eines Elkos
Elektrolytkondensatoren bestehen aus einem Alubecher, der mit einem Wickel gefüllt und mittels einer Gummischeibe mit zwei Durchführungslöchern für die Anschlussdrähte verschlossen ist.
Der Wickel besteht aus zwei speziell behandelten Aluminiumstreifen, an jedem wird ein Anschlussdraht angeschweißt. Die beiden Streifen werden dann mit einer saugfähigen Papierzwischenlage*, die mit einer Elektrolyt-Flüssigkeit getränkt ist, aufgerollt, in den Alubecher gesteckt und mit der Gummischeibe verschlossen.
Bei fabrikneuen Elkos ist diese Konstruktion absolut dicht, manchmal gibt es ein Sicherheitsventil (drittes Loch in der Gummischeibe), dass bei Fehlfunktion oder Spannung über die Spezifikation Druck ablässt und im normalen Fall geschlossen ist.
*Bei hochwertigen Audio-Elkos kann anstelle der Papierzwischenlage auch eine Zwischenlage, die aus Seide (silk) hergestellt wird, enthalten sein. Diese Elkos sind für Audio-Signale zwar sehr gut geeignet, die Lebensdauer ist aber geringer als die von normalen Elkos.
Zudem „lohnt“ sich der Einsatz nur im Audio-Signalweg. Für Steuerungsaufgaben und im Netzteil gibt es dafür optimierte Elkos.
1.2 Erhöhte Netzspannung seit 1987
Bis 1987 betrug in Deutschland die Netzspannung 220V, und bis dahin hergestellte Geräte waren damals darauf ausgelegt. Manche hatten auch schon einen Spannungswähler, der aber auf 220V eingestellt war. Die Spannung durfte von 198V - 242V schwanken, damit mussten die Geräte zurechtkommen.
Seit 1987 beträgt die Netzspannung aber 230V, und inzwischen müssen die Geräte Schwankungen zwischen 207V und 253V ertragen können, das sind 11V mehr als im extremsten Fall zu 220V-Zeiten!
Es wird daher dringend empfohlen, Geräte, die sich am Spannungswähler an der Rückseite oder durch internes Umlöten am Transformator auf 240V umstellen lassen, auf jeden Fall auf 240V einzustellen!
2. Was passiert mit den Elkos?
2.1 Zu hohe Spannung hinter dem Trafo
Viele Geräte, deren Transformator sich nicht von 220V auf 240V umschalten lässt, geben hinter dem Transformator eine höhere Spannung aus als ursprünglich berechnet. Diese wird gleichgerichtet, den Dioden macht diese höhere Spannung nichts aus, doch danach folgen die Glättungs-Elkos.
Bei vielen Philips-CD-Playern sind diese z.B. mit 16V Spannungsfestigkeit berechnet, was damals wegen der Baugröße schon knapp berechnet war.
Nun werden diese 16V aber überschritten! (Aus diesem Grund sind diese Elkos in meinen Philips-Sätzen mit 35V, bei gleicher Baugröße, ausgelegt).
Solche überlasteten Elkos können platzen und brennen, verteilen den Wickel im Gerät, setzen flüssige und gasförmige Chemikalien frei (Elektrolyt) und erfüllen keinerlei Funktion mehr.
2.2 Erhöhte Temperaturbelastung
Die Alterung und Schrumpfung der Gummischeibe durch hohe Temperaturen und Verdunstung des Weichmachers der Gummimischung, die diese erhärten lässt, verursacht
Undichtigkeiten bei den Durchführungen der Anschlussdrähte und am gebördelten Rand des Alubechers.
Erhöhte Temperatur tritt in der Nähe eines Kühlkörpers (Netzteil, Endstufe) auf, kann aber z.B. auch durch Rippelstrom im Elko selbst erzeugt werden.
Verdunstete Elektrolyt-Flüssigkeit tritt aus und fehlt in dem Papierstreifen. Der Wert des Elkos, in µF (=Mikro-Farad) gemessen, nimmt ab und befindet sich bald außerhalb der Toleranzgrenze seines Herstellers und damit außerhalb dessen, was der Gerätehersteller bei der Auslegung der Schaltung für nötig gehalten hatte.
2.3 Einschalt-Zeit und verstrichene Zeit seit der Produktion
Elkos haben eine bestimmte Lebensdauer, die von den meisten Hersteller unter bestimmten Bedingungen angegeben wird. Dabei wird ein Wert angegeben, der zutrifft, wenn der Elko ohne Spannung oder unter Spannung bei einer bestimmten Temperatur steht.
Standby-Modus z.B. lässt die Elkos verschleißen, ohne, dass irgendwelche Nutzbringende Arbeit verrichtet wird, außer z.B. dem Warten auf das Signal der Infrarot-Fernbedienung.
Geräte also nach Möglichkeit richtig abschalten.
Auch Lagerzeit und die verstrichene Zeit an sich seit Produktion lässt Elkos verschleißen. Ein 1982 verpacktes und heute ausgepacktes Gerät kann somit defekte Elkos haben, ohne jemals richtig eingeschaltet gewesen zu sein.
3. Beispiele für auftretende Fehler
4. Vorgehensweise beim Ersetzen der Elkos
Markieren Sie alle Minus-Pole bzw. machen Sie deutliche Fotos, bevor Sie mit dem Auslöten beginnen. Aluminium-Elkos haben einen Plus- und Minus-Pol, der Minus-Pol ist markiert. Die Polung muss unbedingt beibehalten werden.
Benutzen Sie eine temperaturgeregelte Lötstation auf niedriger Temperatur oder einen Lötkolben von 16-20 Watt, damit sich beim Entlöten nicht das ganze Lötauge von der Leiterplatte löst. Der Gebrauch einer einfachen Entlöt-Saugpumpe und/oder Entlöt-Litze wird empfohlen. Beides finden Sie als Set in meinem Shop.
Achten Sie auf durch die Entlötpumpe ausgeworfenes Lötzinn, es könnte Leiterbahnen oder IC-Anschlüsse überbrücken und zu Zerstörungen führen.
Nehmen Sie bei alten Geräten am besten das nach wie vor erhältliche bleihaltige Lot
Sn60Pb40, dieses Lot wurde auch damals benutzt. Bleifreies Lot erfordert eine etwas höhere Temperatur und macht an diesen wenigen Stellen ihr Gerät nicht ROHS konform.
Tauschen Sie 1:1, d.h. einen Elko auslöten, neuen Elko einlöten. So ist die Chance, einen Fehler zu machen, gering. Im Zweifelsfall helfen Ihnen sonst nur noch die Fotos oder die Serviceanleitung weiter.
Beim Löten an Platinen sind gute Lötkenntnisse erforderlich.
Hinweise:
Wie oben schon angesprochen, werden die Elkos meist mit höherer Spannungsfestigkeit geliefert. Dabei ist folgende Regel unbedingt zu beachten:
Die Spannungsfestigkeit des neuen Elkos darf gleich oder höher sein als die des alten Elkos, jedoch niemals niedriger. D.h. haben Sie z.B. einen Elko 47µF/35V im Gerät, kann er ohne weiteres durch einen Elko 47µF/63V ersetzt werden, nicht jedoch durch einen 47µF/25V!
Aus vereinfachenden Gründen kann es vorkommen, dass, wenn im Gerät z.B. 47µF/10V, 47µF/16V und 47µF/25V vorkommen, alle drei durch einen höheren Wert, z.B. 47µF/35V ersetzt werden.