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Kondensator-Leckströme bei BBODs & Bumble Bees

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Kurt Schmid
Kurt Schmid
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06.Dec.12 23:39
 
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Kürzlich konnte mein Freund Mario Möller, Stuttgart (RM & GFGF) einen superseltenen Hallicrafters SX-88 KW-Empfänger1,2 „an Land ziehen“.

Bild 1: Hallicrafters SX-88

Dieses Gerät ist nicht nur wegen seiner absoluten Seltenheit und dementsprechenden Preis berühmt, sondern auch wegen der vielen darin verbauten Kondensatoren, hergestellt von Sprague mit dem Handelsnamen „Bumble Bee“ (auf Deutsch „Hummel“). Dieser Name leitet sich wohl vom Aussehen der axialen Kondensatoren ab. Der tubuläre Körper dieser ölimprägnierten Papierkondensatoren ist hochglänzend schwarz. Die aufgebrachten Ringe der Farbkodierung des Kondensatorwerts sind besonders kräftig ausgefallen und geben zusammen mit dem tiefschwarzen Hintergrund der Pressmasse dem Kondensator ein nobles Aussehen (--> Bumblebee).
 

Bild 2: SX-88 Chassisunterseite mit zahlreichen BumbleBees 

Wie im normalen Leben muss nun ein hübsches Äußeres nicht unbedingt einhergehen mit einem guten Kern. Es hat sich nämlich herausgestellt, dass die BumbleBees nach längerer Betriebszeit zunehmend Leckströme entwickeln. Dieser Kondensatortyp wurde natürlich nicht nur im SX-88 verbaut, sondern auch in anderen amerikanischen Geräten (einschließlich Messgeräte, z.B. von Tektronix). Nachdem von den Anwendern das Problem erkannt worden war, wurden die BumbleBees meist durch keramische Scheibenkondensatoren ersetzt.
 
Bei einem Alter von mindestens 50 Jahren ist es so, dass bei den BumbleBees fast garantiert ist, dass diese heutzutage nahezu alle defekt sind. Entsprechend dem Haupteinsatzgebiet der BumbleBees als Abblock- und Koppelkondensatoren führen hohe Leckströme zu dramatischen Folgen (z.B. Rauchentwicklung) im Gerät. Aus leidvollen Erfahrungen hat sich in der „community“ der Name „Black Beauties of Death“ (BBoD) eingebürgert (s. auch Beitrag im Forum). BBoD heißt frei übersetzt etwa „Schwarzer Todesengel“ (LoL). 
 
Trotz vorsichtigem Hochfahren des SX-88 mit einem Regeltransformator entwickelte sich aus dem Chassis des Geräts rasch unheilverkündender Rauch. Mario Möller entschloss sich daraufhin, alle BBoD durch die, die Authentizität kaum störenden axialen „Mylar“ Polyesterfolien-Kondensatoren (Sprague, Yellow Jacket) zu ersetzen. Um beim Austausch Kollateralschäden zu vermeiden, wurden die Anschlussdrähte der BBoD relative nahe am Kondensatorkörper abgeschnitten und der Austauschkondensator über ‚pig-tail‘ Spiralen mit den alten verbliebenen Anschlussdrähten verlötet. 
 
Meiner Bitte entsprechend, hat mir Mario Möller alle aus dem SX-88 entfernten BBoD zur Vermessung der Leckströme zur Verfügung gestellt.
 

Bild 3: aus dem SX-88 entfernte BBoD

Die BBoD wurden mit einem Kapazitätsmessgerät Sencore LC75 vermessen. Dieses Gerät gestattet die Messung von Kapazität und Leckstrom unter einstellbaren Betriebsspannungen (bis maximal 600V).
 
Aus noch nicht geklärter Ursache, zeigten alle 8 BBoD mit 3,3nF/400V absolut unrealistische Kapazitätswerte an (> 1000 µF) und wurden von der Betrachtung ausgeschlossen.
 

Bild 4: Messergebnisse

In der Tabelle sind die Messergebnisse unter Verwendung der auf dem Kondensator angegebenen nominalen Betriebsspannung dargestellt.
 
Von allen 25 getesteten war keiner der Kondensatoren in Ordnung. Ein Vorbesitzer des Geräts hatte 3 BumbleBees (2 x 0,47µF, 1 x 0,39 µF) durch modernere sogenannte „Mustard“ - Kondensatoren (Mullard) ausgetauscht. Der Name "Mustard" resultiert wohl aus dem gelben senffarbigen Aussehen diese Kondensatoren. Mit dem Sencore LC75 war bei diesen kein Leckstrom messbar (=0 µA). Bemerkenswert ist die Tatsache, dass die aktuell gemessenen Kapazitätswerte in allen Fällen über den nominalen Werten lagen. Dies gilt besonders für Kondensatoren mit hohem Leckstrom.
 
Bei den durchgeführten Messungen wurden anfangs alle Kondensatoren mit einer Betriebsspannung von nur 100 Volt vermessen (nicht gezeigt). Während die Kapazitätswerte dabei im Vergleich zu den Messungen unter nominaler Betriebsspannung identisch waren, zeigte sich erwartungsgemäß, dass sich die Leckströme mit zunehmender Betriebsspannung erhöhten.
 
Zur Evaluierung der Spannungsabhängigkeit der Leckströme wurden 4 von 10 Kondensatoren der Werte 47nF/600V bei 100V, 200V, 300V, 400V, 500V und 600V gemessen.
 

Bild 5: Spannungsabhängigkeit der Leckströme bei BBoD

Zur Vermeidung des Einflusses von „Memory“-Effekten und innerer Erwärmung wurde ein komplexeres Messprotokoll benutzt. Jeder der 4 Kondensatoren wurde zuerst mit 100 Volt Betriebsspannung vermessen, wobei aus oben genannten Gründen darauf geachtet wurde, dass jede Messung möglichst kurz andauerte. Nach ca. 10 Minuten wurden die 4 Kondensatoren nacheinander mit 200 Volt vermessen. Nachdem alle Spannungen durchgemessen waren, wurde die Messreihe in umgekehrter Reihenfolge (600V, 500V … 100V) durchgeführt. Dieses Prozedere wurde nun dreimal durchlaufen und die Werte der  einzelnen Spannungswerte arithmetisch gemittelt.
 
Entgegen der ursprünglichen Annahme, dass der Leckstrom linear mit der Spannung ansteigen würde, zeigt die Graphik in Bild 5 einen progressiven Verlauf des Leckstroms in Abhängigkeit von der Betriebsspannung. 
 
Ein BBoD mit 22nF/600V (Kondensator 23 der Tabelle) wurde nun zusätzlich ausführlich vermessen und dessen Kurve der Spannungsabhängigkeit des Leckstroms graphisch dargestellt (Sigmaplot, Systat).
 

Bild 6: Nichtlinearer Verlauf des spannungsabhängigen Leckstroms

Auch hier bestätigte sich der progressive Anstieg des Leckstroms mit der Spannung. Dies wurde mit Hilfe einer linearen Regression (rote gestrichelte Gerade) graphisch verdeutlicht.
 
Bei anfängliche orientierenden Vermessungen der BBoD hatte sich schon gezeigt, dass Kondensatoren, die besonders hohe Leckströme aufwiesen, sich bei längerem Anliegen höherer Betriebsspannungen deutlich erwärmten. Aus dieser Erfahrung resultiert auch die vorne beschriebene Vorsichtsmaßnahme bei der Vermessung von Leckströmen an BBoD.
 
Abschließend wurde nun anhand eines Kondensators (Kondensator 05 aus Tabelle Bild 4) die Entwicklung des Leckstroms unter Betrieb mit einer Dauerspannung aufgenommen. Der Kondensator 47nF/600V wurde über das Sencore LC75 mit 2/3 der Nominalspannung (400V) beaufschlagt und der Leckstrom alle 10 Sekunden abgelesen.
 

Bild 7: Zeitliche Entwicklung des Leckstroms bei BBoD

Der Leckstrom dieses BBoD startete schon bei dem hohen Wert von 2968 µA. Nach 220 Sekunden wurde die Grenze des Sencore LC75 Messbereichs (10 mA) überschritten. Der Kurvenverlauf zeigt ebenfalls einen progressiven Verlauf des Leckstroms über die Zeit. Zur Illustration wurde die Steigung der Kurve berechnet (rote Punkte = jeweils Messwert N - Messwert N-1) und diese als kubischer Spline (SigmaPlot) dargestellt (rote Kurve). Nach Abschluss der Messung (120 s) hatte sich der Kondensator schon deutlich erwärmt.
 
Mutmaßung für die Ursache für das Versagen dieser Kondensatoren
 
Bei einwandfreien Kondensatoren sinkt nach Anlegen einer Spannung der „Leckstrom“ leicht. Das wird besonders bei Elektrolyt Kondensatoren deutlich (Formieren). Es kommt im Dielektrikum zur Ausrichtung von vorhandenen schwachen oder bei Elektrolyt Kondensatoren starken Dipolen. Die BBoD reagieren hingegen mit einem starken Anstieg der Leckströme. Gleichzeitig geht aus der Tabelle der Messwerte (Bild 4) hervor, dass besonders leckstrombehaftete BBoD sich durch eine deutlich erhöhte Kapazität auszeichnen.
 
Die optische Kontrolle der Pressmasse der Umhüllung der BBoD hat gezeigt, dass in vielen Fällen schon mit dem unbewaffneten Auge Risse in der Umhüllung erkennbar sind. Diese können längs des Tubus aber auch quer dazu auftreten. Ich habe die BBoD aus dem SX-88 mit einem Stereomikroskop (Wild M8) bei 50-facher Vergrößerung untersucht. Längsrisse traten besonders an den beiden gegenüberliegenden Nahtstellen, welche durch die Formen der Presswerkzeuge entstehen, auf. Es war immer so, dass wie beim Öffnen einer Muschel, sich eine Naht leicht öffnete, während die gegenüberliegende Naht dicht blieb.
 

Bild 8: geöffneter BumbleBee Kondensator

Auch der gewaltsam geöffnete BumbleBee Kondensator ist an den Halbschalen getrennt. Die Schwachstelle ist wahrscheinlich die Pressnaht. 
 
In einem Fall konnte aber auch ein zirkulär verlaufender Riss entdeckt werden. In den Längsrissen sammelte sich in größerem Maß eine ölige Flüssigkeit, die sich von hier über die Oberfläche fein verteilt (ölimprägnierter Papierkondensator).
 
Alle gefundenen Untersuchungsergebnisse lassen folgenden Mechanismus für das Versagen dieser Kondensatoren vermuten. Spuren von Feuchtigkeit, die entweder schon in der Imprägnierflüssigkeit vorhanden war oder von außen im geringen Maß z.B. über die nicht speziell gesicherte Durchführung der Anschlussdrähte in das Kondensatorinnere eindringen konnte, führte zu einer elektrolytischen Reaktion des Wassers. 
 

Bild 9: Elektrolytische Reaktionen von Wasser (stöchiometrisch vereinfacht)

Selbst neutrales Wasser ist durch sogenannte Autoproteolyse in geringem Maß in H3O+ und OH- dissoziiert (gespalten). Da das H3O+ (Hydronium- oder auch Oxonium-Ion genannt) ein positiv geladenes Ion ist, wird es in einem elektrischen Feld zur negativ geladenen Kathode wandern (--> Kation). OH- (Hydroxyd-Ion) ist hingegen ein negativ geladenes Ion und wandert im elektrischen Feld zur positiven Elektrode (Anode) und ist somit ein Anion. D.h. es kommt durch diese beiden verschieblichen Ladungsträger zu einem Strom, der in diesem Fall von Ionen getragen wird.  
 
An der Kathode nimmt das Oxonium-Ion Elektronen auf (wird reduziert). Es entsteht neben Wasser molekulares Wasserstoffgas. An der Anode gibt das Hydroxyl-Ion Elektronen ab (wird dabei oxidiert). Es entsteht neben Wasser, gasförmiger molekularer Sauerstoff. 
 
Die beiden Ionentypen im elektrischen Feld (angelegte Betriebsspannung) sind Träger und Ursache der Leckströme. Die zwei entstehenden Gase Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) führen im Inneren des Kondensatorkörperszu einem Überdruck und können, wenn sie stark genug sind, zu Mikrorissen führen, was wiederum den Eintritt von weiterer Feuchtigkeit erleichtert. Die Stromflüsse führen zur Freisetzung der Verluste in Form von Wärme (Erhöhung der Temperatur). Da Wasser eine hohe Dielektrizitätskonstante aufweist, erhöht sich dadurch die Kapazität des Kondensators (bei allerdings sehr schlechtem Verlustwinkel). Die über dem Nominalwert liegende Kapazität war ja gerade Kennzeichen der besonders stark defekten BBoD.
 
Neben den BumbleBees gibt es auch Brown Beauties of Death. Diese wurden z.B. in größerem Maß in Collins Geräten verbaut. Ob braun oder schwarz, BBoD sind in jedem Fall "respektable" Mitglieder im großen Zoo von Kondensatoren (z.B. Wima Tropydur), die alternativlos ausgetauscht werden müssen.
 
 
[1] Raymond S. Moore, Communication Receivers - The Vacuum Tube Era
[2] Fred Ostermann, Shortwave Receivers - Past & Present
 

This article was edited 08.Dec.12 06:38 by Kurt Schmid .

  
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