Металлобумажный конденсатор

 

Обкладки конденсаторов нагреваются  проходящим по ним током и одновременно отводят тепло от диэлектрика  к корпусу конденсатора. В процессе работы конденсатора на обкладки из фольги действуют механические напряжения, вызванные электродинамическими силами, возникающие при протекании токов в близко расположенных электродах. Материалы обкладок испытывает и механические нагрузки при намотке и сборке конденсаторных секций. Этими условиями определяются требования к материалу обкладок: он должен обладать высокой электропроводностью, теплопроводностю и механической прочностью. Чаще всего для обкладок применяется алюминиевая фольга удельное сопротивление алюминия, как и других проводниковых материалов, растет при увеличении процента содержащихся в нем примесей. У наиболее чистого, отожженного алюминия ρ = 0,026 / м, у алюминия марки А-1 ρ = 0,0282

/ м. температурный коэффициент  сопротивления ТК ρ = 0,004 град^-1 в интервале температур от 0 до 150⁰ С.

В соответствии с ГОСТ 618-62 «Фольга  алюминиевая, рулонная для электротехнических целей», фольга выпускается толщиной от 0,005 до 0,2 мм при ширине рулона от 10 до 460 мм. Допуски по толщине колеблются в пределах от ±10 до ±20 %, что при конструировании может вызывать заметное отклонение фактической толщины и веса секции от расчетных величин, полученных при номинальных размерах. Фольга выпускается двух сортов – твердая и мягкая (отожженная), - различающихся по своим механическим характеристикам.

Для выводов (вкладышей) секций конденсаторов  выбирается либо более толстая, чем для электродов, алюминиевая фольга, либо медная луженая фольга толщиной 0,05 мм. Для перемычек между секциями и для выводов конденсатора применяется медная фольга толщиной 0,3 – 0,5 мм.

2. Технология изготовления бумажных конденсаторов

 

Первой операцией в производстве бумажных конденсаторов является намотка  конденсаторных секций, которую проводят на специальных намоточных станках  из лент бумаги и алюминиевой фольги, сматывающихся с рулонов.

При изготовлении конденсаторов с  небольшими значениями номинальной  емкости применяют цилиндрические секции, намотанные на оправки малого диаметра (1,5 – 3 мм) и сохраняющая  цилиндрическую форму после снятия с оправки; при изготовлении силовых конденсаторов или конденсаторов для электронной техники с высоким рабочим напряжением или большой емкостью применяют плоско прессованные секции. В этом случаи используется оправка большого диаметра, до 20 – 60 мм, и снятая с оправки секция сжимается, принимая плоскую форму.

 
Рисунок 3.2.1. Поперечное сечение секций

бумажных конденсаторов: а – цилиндрическая

секция ; б – плоская  секция.

При сборке небольших радиоконденсаторов плоские секции обычно просто вставляют  в металлический корпус, применяя для их уплотнения картонные клинья. При этом степень сжатия невелика, что несколько ухудшает удельные характеристики.

При использовании твердых (реже - полужидких) масс в производстве небольших  бумажных конденсаторов низкого  напряжения иногда применяют сушку и пропитку секций до сборки в корпусе; цилиндрические секции сушат и пропитывают в металлических корзинах (сетчатых или перфорированных коробках), а плоские секции – в металлических струбцинах, которые разбирают после окончания пропитки и охлаждения до комнатной температуры. В этом случаи твердая масса при своем отвердевании (за счет охлаждения или «запечки» при пропитке смолами) цементирует конденсаторную секцию и она сохраняет приданную ей прессовкой плоскую форму.

При использовании жидких пропиточных масс сушка и пропитка производятся после сборки конденсаторных секций в корпусах и припайки или приварки верхние крышки с изоляторами. В ней оставляется отверстие, через которое уходят пары воды при сушке и входит пропиточная масса при пропитке; по окончании пропитки после охлаждения конденсатора до некоторой заданной температуры это отверстие запаивается или заваривается.

Сушка и пропитка бумажных конденсаторов  являются наиболее ответственными этапами  технологии, от которых в сильной степени зависит качество готовых конденсаторов. Основной задачей сушки является максимальное удаление воды, содержащейся в конденсаторе.

Основная задача процесса пропитки – заполнение пор в бумаге и  зазоров между слоями бумаги и  обкладками пропиточной массой для повышения бумажного диэлектрика и его электрической прочности.

Время пропитки значительно меньше времени сушки и даже для больших  силовых конденсаторов редко  превышает 10 – 12 ч.

После окончания пропитки излишки  пропиточной массы извлекают из конденсатора для запайки пропиточных отверстий.

При пропитке конденсаторов твердыми воскообразными массами желательно выдерживать конденсаторы в массе  до температуры, близкой к точке  ее застывания, чтобы ослабить влияние усадки массы.

После запайки отверстий в герметизированных  конденсаторах проводится их обмывка  подходящим растворителем и проверка на герметичность.

Конденсаторы, оказавшиеся герметичными поступают на окраску корпуса  антикоррозионным лаком, проходят просушку и направляются на окончательное испытание и маркировку.

3. Конденсаторы бумажные с металлизированными обкладками МБГО

 

Данные конденсаторы предназначены  для работы в цепях постоянного  и пульсирующего токов. Они изготавливаются  в исполнениях для умеренного и холодного климата. Выпускаются в герметичных металлических корпусах.

 
Рисунок 3.5.1 Конденсаторы бумажные с металлизированными обкладками МБГО

 

Таблица 3.5.1. Массогабаритные данные конденсатора

Сном, мкФ	U ном.п, в	Размеры, мм				Масса, г, не более
		H	L	B	A
2,0	160	25	31	16	13	30
4,0				21		40
10,0		50	46	16	25	80
20,0				31		140
30,0				41		180
1,0	300	25	31	11	13	25
2,0				21
3,0		50	31	11	25	70
10,0				21		115
20,0				41		180
30,0				56		230
1,0	400	25	46	16	13	30
2,0				26		45
4,0		50	31	16	25	80
10,0				31		140
20,0				61		250
0,5	500	25	46	11	13	25
1,0				21		40
2,0		50	31	11	25	70
10,0				21		115
20,0				41		180
20,0				76		300
25,0	630	25	46	11	13	25
0,5				16		30
1,0				26		45
2,0		50	31	16	25	80
4,0				26		120
10,0				56		230

 

Показатели надежности. τ _min = 10⁴.; t_cчз = 12 лет.

Способ крепления - за корпус и за планки.

На ряду с данным конденсатором  существует также и бумажный конденсатор  с металлизированными обкладками МБГЧ, предназначенные для работы в  цепях переменного и пульсирующего токов. Они изготовляются в исполнениях для умеренного и холодного климата и все климатическом. Выпускаются в герметичных металлических прямоугольных корпусах двух видов: МБГЧ – 1 и МБГЧ – 2.

 Рисунок 3.5.2 Конденсаторы бумажные с металлизированными обкладками МБГЧ

 

4. Расчет размеров и массы  готового конденсатора

Рассчитываем бумажный конденсатор  с номинальным напряжением  150 В, емкостью 0,1 мкФ, током утечки на постоянном напряжении не более 10 ^{- 8} А.

Выберем в качестве диэлектрика плотную конденсаторную бумагу КОН-2 (1,2 г/см³) и пропитку вазелином для повышения удельной емкости. Данный вид бумаги имеет пробивное напряжение слоя U_пр=240-670 В и Е_пр=40-70 МВ/м.

Из формулы  найдем толщину диэлектрика .

 

    Рисунок 3.1.1 К расчету цилиндрического конденсатора  с бумажным диэлектриком:

     а - общий  вид с разрезом; б – вывод;  в – схема развертки намотанной  секции.

 

Тогда для однослойного бумажного  конденсатора при умеренном сжатии секции принимаем ε = 4,5. Берем два слоя диэлектрика толщиной по 6 мкм, а толщину пропитки по 1 мкм, так как номинальное напряжение 150 В. Тогда толщина пропитанного слоя бумаги 7 мкм. Величина закраин при напряжении 150 В составляет 2 мм.

Ширину бумаги берем равной 37 мм. В качестве материала обкладок возьмем алюминиевую фольгу  толщиной 7 мкм. Активная ширина обкладок

 

b_а =  37 – 2 ∙ 2 = 33 мм.

 

Разбив конденсатор на 4 параллельно  соединяемые секции, выбирая диаметр  намоточной оправки D₀= 10 мм. Подсчитываем число витков по формуле:

с учетом того, что при намотке  металлобумажный конденсаторов  принимается увеличенное количество холостых витков в начале и конце  намотки, обычно 5 – 10. 

Взяв 5 холостых витков в начале намотки, получим диаметр, при котором начинается намотка активных витков,

Приняв толщину обкладки равную нулю, вычислим коэффициент. 

,

где d – толщина диэлектрика, мкм;

d_ф - толщина обкладки, мкм.

Вычисляем наружный диаметр намотанной секции

;

.

где С – номинальная емкость, мкФ;

D₀ – диаметр, при котором начинается намотка активных витков, см

Число витков секции

;

Полное число витков 42 + 10 = 52.

Ширина секции согласно формуле:

;

см  мм

Используем в качестве корпуса  винипластовую трубку: внутренний диаметр  22 мм, толщина стенок 1,5 мм, наружный диаметр 25 мм. С учетом выступающих с торцов фольги и припайки вывода принимаем длину секции на 2 мм более ширины бумаги, т.е. 39 мм. Считая на заливку торцов по 5 мм с каждого торца, получаем длину корпуса 49мм. Для заливки используем эпоксидную смолу. Таким образом, получили следующие размеры конденсатора : диаметр 22 мм и длина 49 мм.

Объем конденсатора

 см³.

Удельный объем составляет

 см³ /мкФ

Определим вес конденсатора. Активная площадь фольги в нем составляет

К_н С d = 126 ∙ 0,1 ∙ 3,7 = 466,2 см², где

.

При активной ширине 3,3 см длина лент фольги см.

Вес фольги в конденсаторе V_ф ∙ ρ_ф= 2 ∙ 141,27 ∙ 3,3 ∙ 7 ∙ 10^-4 = 0.653 г. Бумажная лента несколько длиннее фольги за счет 5 холостых витков в конце и начале намотки. Длина первого витка π ∙ 0,33 = 1 см, длина последнего витка π ∙ 1,3 = 4 см. Принимаем увеличение длины бумажной ленты в сравнении с длиной фольги 5 ∙ π (1+ 4) = 72,5 см.

Тогда длина бумажных лент ℓ_б = 141,3 + 72,5 = 213,8 см.

Объем бумаги в конденсаторе V_б = 2 ∙ 213,8 ∙ 2 ∙ 6 ∙ 10^-4 =0,513 см³.

Вес бумаги в конденсаторе V_б ∙ ρ_б = 0,513 ∙ 1,2 = 0,6 г.

Относительный объем пор  .

Объем впитанного вазелина 0,225∙0,513= 0,115 см³.

С учетом налипания пропиточной  массы на поверхность секции принимаем  ее полный объем 0,014 см³ и при удельном весе 0,85 г/ см³ получаем вес пропиточной массы в конденсаторе 0,12 г.

Принимая длину выводных проводников  с учетом их припайки к торцу секций по 40 мм при диаметре 1 мм (для меди удельный вес 8,9 г / см³), получаем вес выводных проводников г.

Принимаем удельный вес винипласта 1,4 г / см³, находим вес корпуса

 г.

Объем с обоих торцов на заливку см³.

Принимая удельный вес эпоксидной смолы равным 1,25 г / см³, и несколько увеличив объем, учитывая затекание смолы в щель между секцией и стенкой корпуса, а также выступание за края торцов, получаем вес заливочной массы в конденсаторе