Металлы для обкладок конденсаторов

Силовые электрические конденсаторы — Обкладки силовых конденсаторов

Содержание материала

Глава седьмая
ОБКЛАДКИ СИЛОВЫХ КОНДЕНСАТОРОВ

ФОЛЬГОВЫЕ ОБКЛАДКИ

Алюминиевая фольга, используемая в качестве обкладок при изготовлении намотанных секций силовых конденсаторов с бумажным, бумажно-пленочным и пленочным диэлектриком, выпускается по ГОСТ 618-73. Она содержит 99,5—99,7% алюминия. Применение алюминия обосновано тем, что он обладает небольшим удельным сопротивлением, высокой теплопроводностью, легко прокатывается до малых толщин и относительно дешев. В конденсаторах других типов применяются также фольговые обкладки из других материалов: оловянная — 84—85% Sn, 13—14% Рb, 1—2% Sb, красномедная, танталовая. Алюминиевая фольга для электролитических конденсаторов содержит 99,95—99,99% алюминия.
В подавляющем большинстве силовых конденсаторов применяется алюминиевая фольга толщиной 7—8 мкм. Временное сопротивление разрыву этой фольги, не подвергавшейся отжигу и называемой жесткой, должно быть не менее 7,5-10 5 Па при удлинении не менее 0,5%. Для удаления следов технологической смазки, загрязняющей диэлектрик конденсатора и ухудшающей его δtg, фольга отжигается. Такая фольга называется мягкой, и удлинение ее достигает 2%, но прочность на разрыв понижается. Как показывает опыт, без ущерба для технических характеристик конденсатора толщина фольги с 7— 8 мкм может быть снижена до 5—6 мкм. В конденсаторах для повышенных частот (электротермических) применяется фольга толщиной 16 мкм.

В бумажном и бумажно-пленочном диэлектрике применяется гладкая фольга. В пленочном диэлектрике гладкая фольга слипается с пленкой, что препятствует проникновению пропитывающей жидкости, в результате чего целые участки диэлектрика остаются непропитанными и содержат воздух. Для устранения этого фольга делается тисненой, и через канавки тиснения обеспечивается полная пропитка диэлектрика [7.1 ].
В намотанных секциях поверхность обкладок сравнительно велика по сравнению с объемом диэлектрика, прилегающего к ней. Это усиливает каталитическое воздействие алюминия на химические и электрохимические процессы старения. При постоянном напряжении и повышенных температурах наличие алюминия приводит к быстрому разложению хлорированных полярных жидкостей, что имеет следствием возрастание проводимости и сокращение ресурса конденсатора. При этом на поверхности фольги, особенно анодной, находящейся под положительным потенциалом, наблюдается сильное коррозионное разрушение. В переменном электрическом поле металлические фольговые обкладки могут вибрировать, в результате чего увеличиваются потери. Повышением коэффициента запрессовки можно снизить эффект от этого явления.

ОБКЛАДКИ В ВИДЕ МЕТАЛЛИЗИРОВАННОГО ДИЭЛЕКТРИКА

Обкладки в виде металлизированного диэлектрика получаются испарением металла в вакууме (до 10-4 мм рт. ст.) и осаждением его на поверхность диэлектрического материала с образованием металлического слоя и обычно называются металлизированными. Этот термин будет сохранен и в дальнейшем. Металлический слой может осаждаться непосредственно на диэлектрик, и тогда обкладка и диэлектрик образуют единую систему, или на отдельную диэлектрическую подложку, как, например, лист бумаги, и тогда обкладка является самостоятельным элементом. Процесс образования слоя металлизации зависит от многих факторов: физических свойств металла и поверхности, определяющих сродство металла к поверхности, температуры поверхности и др. Осаждение молекул металла на поверхности диэлектрика может происходить только в том случае, когда температура поверхности Т меньше некоторой критической температуры Тк. При Т> Тк молекулы металла не закрепляются на поверхности диэлектрика, и она остается чистой.
При попадании на поверхность диэлектрика молекула металла закрепляется на нем, отдавая избыточную кинетическую энергию молекулам диэлектрика, и участвует вместе с ними в тепловом движении. Время пребывания молекулы в закрепленном состоянии определяется степенью сродства металла с поверхностью и ее температурой. При больших Т эго время невелико, и молекула металла быстро отрывается от поверхности в окружающее пространство. В этом случае при малой интенсивности потока падающих на поверхность молекул металла образуется рыхлый молекулярный слой. При низкой температуре поверхности, обусловливающей большое время пребывания молекулы в закрепленном состоянии, и большой интенсивности потока молекул металла создаются условия для образования полимолекулярного слоя. Поскольку молекулы металла в последующих слоях, кроме первого, сцепляются друг с другом, силы сцепления возрастают, и процесс отдачи молекул в окружающее пространство затрудняется. Значения Тк различны для различных потоков молекул металла. Процесс металлизации осуществляется в специальных установках.
Металл, используемый для изготовления обкладок из металлизированного диэлектрика, должен исключать возможность их разрушения или окисления в процессе работы конденсатора и обеспечивать в то же время его надежное самовосстановление после пробоя диэлектрика. Кроме того, он должен иметь малое сопротивление, низкую температуру кипения, а упругость его паров должна быть высокой при сравнительно низких температурах, поскольку применяемые в силовом конденсаторостроении изоляционные материалы отличаются малой теплостойкостью в силу их органической природы. Металлы с низкой температурой кипения требуют также меньших затрат энергии в процессе металлизации. Температуры кипения некоторых металлов, °С, в вакууме приведены ниже.
Кадмий . 260
Цинк . 340
Алюминий . 1000
Серебро . 1050
Медь . 1270
Олово . 1350
Самую низкую температуру кипения имеет кадмий. Но он дорог и поэтому не применяется для металлизации.
Следующим идет цинк. Однако тонкие пленки цинка на конденсаторном диэлектрике в атмосферных условиях быстро окисляются, в результате чего увеличивается их сопротивление, и поэтому секции с металлизированными цинком обкладками могут только кратковременно храниться в обычных условиях. Кроме того, оксиды цинка обладают полупроводящими свойствами, в результате чего самовосстановление может быть неполным. От указанных недостатков цинка свободен алюминий, который хотя и имеет более высокую температуру кипения по сравнению с цинком, но широко применяется для металлизации.
Самовосстановление конденсаторов с обкладками из металлизированного диэлектрика зависит от многих факторов: толщины слоя металлизации; свойств металла, химического состава материала, на который она наносится; натяжения лент при намотке (плотности намотки). Основным и определяющим является толщина слоя металлизации. Для улучшения самовосстановления, а также снижения разрушения и окисления металлизированных обкладок применяется ряд специальных мер, рассматриваемых далее.

Читайте также:  Металл магний сообщение кратко

Источник

Обкладки конденсаторов

При постоянном напряжении конденсаторы практически не нагружены током и служат лишь для создания электрического поля в диэлектрике (не считая моменты зарядки и разряда конденсатора).

При переменном напряжении обкладки должны нести значительный ток

[90]

В этом случае необходимо рассчитывать толщину обкладок и величину удельного сопротивления металла из которого они изготовлены, а так же теплоемкость, теплопроводность металла; плотность – при расчете веса обкладок и конденсатора; температурный коэффициент линейного расширения TKl и температуру плавления – при оценке нагревостойкости.

При изготовлении обкладок из металлической фольги в производстве конденсаторов намотанного типа учитывают и механическую прочность металла, так как тонкая фольга должна выдерживать без обрыва натяжение намоточного станка.

Большое значение имеет правильный расчет обкладок для импульсных накопительных енсаторов иконденсаторов, при разряде которых по обкладкам кратковременно протекают очень большие токи.

Для изготовления обкладок конденсаторов применяют большое число различных металлов: медь, алюминий, серебро, золото, бронза, вольфрам, молибден, цинк, никель, платина, свинец, олово, титан и др.

Кроме металлических обкладок в ряде типов конденсаторов применяют также обкладки в виде слоя жидкого или вязкого электролита или в виде слоя полупроводника.

В случае конденсаторов с газообразным или жидким диэлектриком, которые не могут служить конструктивной опорой для обкладок, используют массивные обкладки с толщиной примерно 0.25÷0.5 мм и выше из алюминия, меди или их сплавов.

При изготовлении конденсаторов с твердым диэлектриком используется тонкая металлическая фольга примерно 5÷6 мкм или выше (алюминиевая, медная, свинцово-оловянная) или тонкие слои металла нанесенные металлизацией (цинк, алюминий, серебро и др.), толщина слоя от нескольких микрон до 0.01÷0.1 мкм.

При изготовлении электролитических конденсаторов в качестве одной из обкладок применяется фольга из вентильного металла, способного образовывать оксидные диэлектрические слои при электролитическом окислении (алюминий, тантал, ниобий, титан)

Тугоплавкие благородные металлы: золото, платина, палладий применяются в виде тонких слоев в конструкции конденсаторов, при изготовлении которых предусматривается воздействие высокой температуры, способной вызывать окисление или расплавление обкладок.

Обкладки из фольги

Обкладки из фольги широко применяются в производстве конденсаторов намотанного типа с органическим диэлектриком (бумажным, пленочным), а так же в производстве некоторых типов слюдяных и стеклопленочных конденсаторов.

Основным типом металлической фольги, применяемой в конденсаторостроении, является алюминиевая фольга. Алюминий обладает небольшим удельным сопротивлением, высокой теплопроводностью, легко прокатывается до малых толщин и относительно дешев.

В производстве бумажных и пленочных конденсаторов применяется алюминиевая фольга с содержанием алюминия 99.5÷99.7 % толщиной 7÷8 мкм. Временное сопротивление разрыву для этой фольги должно быть не менее 7.5 кг/мм 2 при удлинении не менее 0.5 % ; такая фольга называется жесткой.

Для мягкой отожженной фольги удлинение до 2 %, но прочность на разрыв понижена.

В производстве электролитических конденсаторов применяют для изготовления анодов алюминиевую фольгу с содержанием алюминия 99.95÷99.99% толщиной 50÷100 мкм.

Некоторые зарубежные фирмы вместо алюминиевой фольги применяют оловянную, а точнее оловянно-свинцовую, так как материал легко поддается пайке, мягок, плотно прилегает к диэлектрику. У нас такую фольгу изготовляют небольшими партиями с толщиной до 7 мкм, но она имеет худшую теплопроводность, повышенный удельный вес, повышенную стоимость и увеличенное удельное сопротивление.

Красномедная фольга – содержит не менее 99.7 % меди, применяется в производстве намотанных конденсаторов небольшой емкости, когда требуется увеличенная прочность обкладок. Толщина фольги 15÷50 мкм. Ее также применяют и в производстве слюдяных конденсаторов. При использовании фольги, ввиду ее большой жесткости для обеспечения хорошего прилегания обкладок к слюде надо увеличить степень сжатия конденсаторных секций. Наличие заусенцев на краях медной фольги опасно, так как может приводить к проколам диэлектрика и снижению электрической прочности конденсатора. Поэтому для устранения этой опасности ленты фольги пропускают между вальцами, разглаживая заусенцы. Луженая медная фольга применяется так же для изготовления вкладных контактов в намотанных конденсаторах с обкладками из алюминия или оловянно-свинцовой фольги.

Латунная или бронзовая фольга отличаются повышенной упругостью и находят ограниченное применение при изготовлении воздушно-слюдяных подстроечных конденсаторов.

Тонкая танталовая фольга толщиной 10÷15 мкм является носителем оксидного слоя и применяется в производстве электролитических конденсаторов.

При выборе материала для обкладок, кроме оценки его электрической прочности и механических свойств, надо учитывать так же его влияние на процессы старения пропитывающих составов.

Алюминий при постоянном напряжении и повышенной температуре вызывает быстрое разложение хлорированных пропиточных масс, сопровождающееся увеличением проводимости и резким сокращением срока службы бумажных конденсаторов пропитанных этими массами. При этом на поверхности фольги с положительным потенциалом наблюдается коррозионное разрушение.

При пропитке неполярными углеводородными массами и при постоянном напряжении бумажные конденсаторы с алюминиевыми обкладками, наоборот, оказываются более устойчивыми, чем конденсаторы с обкладками из оловянно-свинцовой фольги. При переменном напряжении, когда электролитические процессы не имеют места, отмечено так же преимущество алюминиевой фольги перед оловянно-свинцовой фольгой в отношении большей стабильности электрических характеристик конденсаторов и большого срока службы.

Читайте также:  Нева металл скандинавия 26 см ne726

При использовании металлической фольги для обкладок, даже при сильном сжатии конденсаторных секций, неизбежно появление зазоров между диэлектриком и обкладкой, которые заполнены воздухом в непропитанном конденсаторе и пропиточной массой в пропитанном (рис. 32). Эти зазоры образуют емкость, включенную последовательно емкости слоев диэлектрика и снижающую эффективное значение диэлектрической проницаемости диэлектрика. Результирующая емкость будет равна:

[91]

Наличие емкости зазоров снижает результирующую емкость в сравнении с емкостью диэлектрика, и тем больше, чем меньше емкость зазоров, то есть чем толщина зазора больше. Это приводит к уменьшению эффективной диэлектрической проницаемости, так как всякая пропиточная масса имеет диэлектрическую проницаемость большую, чем у воздуха.

Наличие зазоров, заполненных пропиточными массами приводит к появлению междуслойной поляризации и увеличению коэффициента абсорбции конденсатора. Наличие междуслойной поляризации вызывает появление зависимости емкости от частоты в области низких частот. Наличие зазоров приводит к увеличению потерь энергии в конденсаторе. Изменения размеров зазоров при расширении и сжатии конденсатора, вызванных колебаниями температуры, приводят к дополнительным изменениям емкости с температурой.

В металлических фольговых обкладках может возникать вибрация при воздействии переменного электрического поля, что увеличивает потери энергии в конденсаторе и требует применения сильного сжатия конденсаторных секций. Сильное сжатие секций позволяет уменьшать величину зазоров, увеличивать емкость зазоров и ослаблять вредное влияние зазора на величину и стабильность емкости.

Источник

Конденсаторы для «чайников»

Если вы регулярно занимаетесь созданием электрических схем, вы наверняка использовали конденсаторы. Это стандартный компонент схем, такой же, как сопротивление, который вы просто берёте с полки без раздумий. Мы используем конденсаторы для сглаживания пульсаций напряжения/тока, для согласования нагрузок, в качестве источника энергии для маломощных устройств, и других применений.

Но конденсатор – это не просто пузырёк с двумя проводочками и парой параметров – рабочее напряжение и ёмкость. Существует огромный массив технологий и материалов с разными свойствами, применяемых для создания конденсаторов. И хотя в большинстве случаев для любой задачи сгодится практически любой конденсатор подходящей ёмкости, хорошее понимание работы этих устройств может помочь вам выбрать не просто нечто подходящее, а подходящее наилучшим образом. Если у вас когда-нибудь была проблема с температурной стабильностью или задача поиска источника дополнительных шумов – вы оцените информацию из этой статьи.

Начнём с простого

Лучше начать с простого и описать основные принципы работы конденсаторов, прежде чем переходить к настоящим устройствам. Идеальный конденсатор состоит из двух проводящих пластинок, разделённых диэлектриком. Заряд собирается на пластинах, но не может перетекать между ними – диэлектрик обладает изолирующими свойствами. Так конденсатор накапливает заряд.

Ёмкость измеряется в фарадах: конденсатор в один фарад выдаёт напряжение в один вольт, если в нём находится заряд в один кулон. Как и у многих других единиц системы СИ, у неё непрактичный размер, поэтому, если не брать в расчёт суперконденсаторы, о которых мы здесь говорить не будем, вы скорее всего встретитесь с микро-, нано- и пикофарадами. Ёмкость любого конденсатора можно вывести из его размеров и свойств диэлектрика – если интересно, формулу для этого можно посмотреть в Википедии. Запоминать её не нужно, если только вы не готовитесь к экзамену – но в ней содержится один полезный факт. Ёмкость пропорциональна диэлектрической проницаемости εr использованного диэлектрика, что в результате привело к появлению в продаже различных конденсаторов, использующих разные диэлектрические материалы для достижения больших ёмкостей или улучшения характеристик напряжения.


Паразитные индуктивность и сопротивление реального конденсатора

С использованием диэлектриков в конденсаторах есть одна проблемка, наряду с тем, что диэлектрик с нужными характеристиками обладает неприятными побочными эффектами. У всех конденсаторов есть небольшие паразитные сопротивление и индуктивность, которые иногда могут влиять на его работу. Электрические постоянные меняются от температуры и напряжения, пьезоэлектричества или шума. Некоторые конденсаторы стоят слишком дорого, у некоторых существуют состояния отказа. И вот мы подошли к основной части статьи, в которой расскажем о разных типах конденсаторов, и об их свойствах, полезных и вредных. Мы не будем освещать все возможные технологии, хотя большинство обычных мы опишем.

Алюминиевые электролитические

Алюминиевые электролитические конденсаторы используют анодно-оксидированный слой на алюминиевом листе в качестве одной пластины-диэлектрика, и электролит из электрохимической ячейки в качестве другой пластины. Наличие электрохимической ячейки делает их полярными, то есть напряжение постоянного тока должно прикладываться в одном направлении, и анодированная пластина должна быть анодом, или плюсом.

На практике их пластины выполнены в виде сэндвича из алюминиевой фольги, завёрнутой в цилиндр и расположенной в алюминиевой банке. Рабочее напряжение зависит от глубины анодированного слоя.

У электролитических конденсаторов наибольшая среди распространённых ёмкость, от 0,1 до тысяч мкФ. Из-за плотной упаковки электрохимической ячейки у них наблюдается большая эквивалентная последовательная индуктивность (equivalent series inductance, ESI, или эффективная индуктивность), из-за чего их нельзя использовать на высоких частотах. Обычно они используются для сглаживания питания и развязывания, а также связывания на аудиочастотах.

Читайте также:  Технология сварки тонкостенного металла

Танталовые электролитические


Танталовый конденсатор поверхностного размещения

Танталовые электролитические конденсаторы изготавливаются в виде спечённого танталового анода с большой площадью поверхности, на которой выращивается толстый слой оксида, а затем в качестве катода размещается электролит из диоксида марганца. Комбинация большой площади поверхности и диэлектрических свойств оксида тантала приводит к высокой ёмкости в пересчёте на объём. В результате такие конденсаторы выходят гораздо меньше алюминиевых конденсаторов сравнимой ёмкости. Как и у последних, у танталовых конденсаторов есть полярность, поэтому постоянный ток должен идти в строго одном направлении.

Их доступная ёмкостью варьируется от 0,1 до нескольких сотен мкФ. У них гораздо меньше сопротивление утечки и эквивалентное последовательное сопротивление (ESR), в связи с чем они используются в тестировании, измерительных приборах и высококачественных аудиоустройствах – там, где эти свойства полезны.

В случае танталовых конденсаторов необходимо особенно следить за тем, чтобы они не вышли из строя — бывает, что в таком случае они загораются. Аморфный оксид тантала – хороший диэлектрик, а в кристаллической форме он становится хорошим проводником. Неправильное использование танталового конденсатора – например, подача слишком большого пускового тока может привести к переходу диэлектрика в другую форму, что увеличит проходящий через него ток. Правда, репутация, связанная с возгораниями, появилась у более ранних поколений танталовых конденсаторов, и улучшенные методы производства привели к созданию более надёжной продукции.

Полимерные плёнки

Целое семейство конденсаторов использует полимерные плёнки в качестве диэлектриков, а плёнка либо находится между витыми или перемежающимися слоями металлической фольги, либо имеет металлизированный слой на поверхности. Их рабочее напряжение может доходить до 1000 В, но высокими ёмкостями они не обладают – это обычно от 100 пФ до единиц мкФ. У каждого вида плёнки есть свои плюсы и минусы, но в целом всё семейство отличается более низкими ёмкостью и индуктивностью, чем у электролитических. Посему они используются в высокочастотных устройствах и для развязывания в электрически шумных системах, а также в системах общего назначения.

Полипропиленовые конденсаторы используются в схемах, требующих хорошей тепловой и частотной стабильности. Также они используются в системах питания, для подавления ЭМП, в системах, использующих переменные токи высокого напряжения.

Полиэстеровые конденсаторы, хотя и не обладают такими температурными и частотными характеристиками, получаются дешёвыми и выдерживают большие температуры при пайке для поверхностного монтажа. В связи с этим они используются в схемах, предназначенных для использования в некритичных приложениях.

Полиэтилен-нафталатовые конденсаторы. Не обладают стабильными температурными и частотными характеристиками, но могут выдерживать гораздо большие температуры и напряжения по сравнению с полиэстеровыми.

Полиэтилен-сульфидовые конденсаторы обладают температурными и частотными характеристиками полипропиленовых, и в дополнение выдерживают высокие температуры.

В старом оборудовании можно наткнуться на поликарбонатные и полистиреновые конденсаторы, но сейчас они уже не используются.

Керамика

История керамических конденсаторов довольно длинная – они использовались с первых десятилетий прошлого века и по сей день. Ранние конденсаторы представляли собою один слой керамики, металлизированной с обеих сторон. Более поздние бывают и многослойными, где пластины с металлизацией и керамика перемежаются. В зависимости от диэлектрика их ёмкости варьируются от 1 пФ до десятков мкФ, а напряжения достигают киловольт. Во всех отраслях электроники, где требуется малая ёмкость, можно встретить как однослойные керамические диски, так и многослойные пакетные конденсаторы поверхностного монтажа.

Проще всего классифицировать керамические конденсаторы по диэлектрикам, поскольку именно они придают конденсатором все свойства. Диэлектрики классифицируют по трёхбуквенным кодам, где зашифрована их рабочая температура и стабильность.

C0G лучшая стабильность в ёмкости по отношению к температуре, частоте и напряжению. Используются в высокочастотных схемах и других контурах высокого быстродействия.

X7R не обладают такими хорошими характеристиками по температуре и напряжению, посему используются в менее критичных случаях. Обычно это развязывание и различные универсальные приложения.

Y5V обладают гораздо большей ёмкостью, но характеристики температуры и напряжения у них ещё ниже. Также используются для развязывания и в различных универсальных приложениях.

Поскольку керамика часто обладает и пьезоэлектрическими свойствами, некоторые керамические конденсаторы демонстрируют и микрофонный эффект. Если вы работали с высокими напряжениями и частотами в аудиодиапазоне, например, в случае ламповых усилителей или электростатики, вы могли услышать, как «поют» конденсаторы. Если вы использовали пьезоэлектрический конденсатор для обеспечения частотной стабилизации, вы могли обнаружить, что его звук модулируется вибрацией его окружения.

Как мы уже упоминали, статья не ставит целью охватить все технологии конденсаторов. Взглянув в каталог электроники вы обнаружите, что некоторые технологии, имеющиеся в наличии, здесь не освещены. Некоторые предложения из каталогов уже устарели, или же имеют такую узкую нишу, что с ними чаще всего и не встретишься. Мы надеялись лишь развеять некоторые тайны по поводу популярных моделей конденсаторов, и помочь вам в выборе подходящих компонентов при разработке собственных устройств. Если мы разогрели ваш аппетит, вы можете изучить нашу статью по катушкам индуктивности.

Об обнаруженных вами неточностях и ошибках прошу писать через личные сообщения сайта. Спасибо.

Источник

Поделиться с друзьями
Металл
Adblock
detector