Пленочный конденсатор

При выборе металла  для обкладок, кроме оценки его  электропроводности и механических свойств, надо учитывать также его  влияние на процессы старения пропитывающих  составов, применяемых на конденсаторном производстве. Относительно большая  поверхность обкладок в намотанных конденсаторах в сравнении с  относительно небольшим объемом  диэлектрика, прилегающего к обкладке (при малых толщинах диэлектрика, применяемых в конденсаторостроении), дает резкое усиление каталитического  действия металла обкладки на химические или электрохимические явления, протекающие в процессе старения. Также при использовании обкладок в виде металлической фольги, даже при сильном сжатии конденсаторных секций, неизбежно появление зазоров  между диэлектриком и обкладкой, которые заполнены воздухом в  непропитанном конденсаторе и пропиточной  массой - в пропитанном. Подобные зазоры образуют некоторую емкость, включенную последовательно с емкостью слоев  диэлектрика и снижающую эффективное  значение  диэлектрической проницаемости  диэлектрика (рисунок 4.2.1.1).

 

 

 

Рисунок 4.2.1.1 - Зазоры между обкладкой из фольги и диэлектриком: – емкость диэлектрика; - емкость зазора.

     Емкость слоев диэлектрика   и емкость зазора соединены последовательно. Определим результирующую емкость конденсатора C:

 

     Таким образом, наличие емкости зазора снижает C в сравнении с и тем больше, чем меньше емкость зазора, т. е. чем его толщина больше. Это приводит к соответствующему уменьшению эффективной диэлектрической проницаемости.  Поскольку всякая пропиточная масса имеет ε выше, чем у воздуха, эффективная диэлектрическая проницаемость после пропитки при наличии зазоров всегда несколько увеличивается, даже если сам диэлектрик не впитывает пропиточную массу (как в случае пленочных конденсаторов и слюдяных).

4.2.2 Металлизация диэлектрика

Устранение недостатков, связанных с наличием зазора между  диэлектриком и обкладкой, можно  осуществить металлизацией диэлектрика. При этом достигается также значительная экономия металла, так как металлический  слой на поверхности диэлектрика  может  иметь значительно меньшую  толщину, чем металлическая фольга, от которой требуется механическая прочность, чтобы исключить возможность  её обрывов при намотке или  сборке конденсаторных секций.

Для металлизации диэлектриков в конденсаторостроении были предложены следующие методы:

1. Химический;

2. Вжигание;

3. Испарение в вакууме;

4. Катодное распыление.

Для металлизации органических диэлектриков применяется в основном метод испарения металла в  вакууме. Применение вакуума (остаточное давление порядка  мм рт. ст.) обеспечивает отсутствие окисления испаряемого металла, снижение его точки кипения и получение прямолинейного движения атомов металла от испарителя к поверхности диэлектрика. Значения температуры кипения некоторых металлов при остаточном давлении мм рт. ст. приводятся в таблице 4.2.2.1.

 

Таблица 4.2.2.1. – Температура  кипения некоторых материалов

Металл	Температура кипения,
Кадмий	260
Цинк	340
Алюминий	1000
Серебро	1050
Медь	1270
Олово	1350

 

     Для металлизации органических диэлектриков чаще всего применяют цинк и алюминий. Цинк имеет малую температуру кипения, что снижает расход энергии, необходимой для его испарения (кадмий имеет еще меньшую температуру, но он значительно дороже цинка). Недостаток цинка – низкое значение критической температуры, при которой происходит надежное сцепление металла с поверхностью диэлектрика при металлизации методом вакуумного испарения. Поэтому перед металлизацией цинком на диэлектрик наносят весьма тонкий подслой из металла, обладающего повышенной температурой кипения и соответственно более высокой критической температурой. Для этого используют серебро или олово. Другим недостатком цинка является малая устойчивость против окисления и коррозии. При металлизации цинком, толщина слоя невелика, а  подслой из тугокипящего металла составляет всего 1% от всей толщины.

Также для металлизации синтетических  пленок используют алюминий, который  более устойчив к окислению и  коррозии. Еще одно преимущество алюминия - меньшая величина удельного сопротивления. При покрытии алюминием не нужен  подслой из металла. Недостатки: повышенный расход энергии на испарение металла  в связи с его повышенной температурой кипения и необходимость работать при высоком вакууме (остаточное давление порядка  мм рт. ст.). Также при высокой температуре алюминий активно реагирует с большинством нагревостойких материалов, которые могли бы быть использованы для изготовления тиглей для плавки и испарения этого металла.  Процесс металлизации алюминием более сложен, поэтому для менее ответственных и более дешевых типов металлизированных  конденсаторов продолжается, как и у нас, так и за рубежом использование металлизации цинком.

 

     4.3 Синтетические пленки, применяемые в конденсаторостроении

В настоящее время в  конденсаторостроении применяются  два основных типа синтетических  пленок: неполярные и полярные пленки.

4.3.1 Неполярные синтетические пленки

Свойства некоторых неполярных синтетических материалов приведены  в таблице 4.3.1.1. Неполярные пленки отличаются небольшой : от 2-2,2 до 2,5-2,7 и малым удельное сопротивление их весьма высоко: порядка . Таким образом, по электрическим свойствам они являются высокочастотными материалами и резко отличаются от бумаги. По механическим свойствам они уступают бумаге, имея меньше 900-1000 , по величине удлинения пленка из полистирола подобна бумаге (удлинение 2-3 %); пленки из полиэтилена и полипропилена и из фторированных соединений в отличие от бумаги эластичны и имеют удлинение порядка 50-100 % и даже выше. Это создает некоторые неудобства при намотке из них конденсаторных секций. По нагревостойкости некоторые из этой группы пленок уступают бумаге (полистирол), а другие не отличаются от нее или даже резко превосходят бумагу (фторированные соединения).

     Будучи неполярными веществами, все пленки этой группы имеют отрицательный ТКε, величина слабо зависит от температуры, ε и неполярных пленок не зависят от частоты в широком диапазоне её изменения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рассмотрим подробнее  материалы, применяемые для изготовления неполярных пленок:

1. Полистирол

     Первая из неполярных пленок, нашедшая себе применение в конденсаторостроении. Минимальная толщина пленки составляет 20 мкм, за рубежом 8-10 мкм. Если полистирольную пленку нагреть до температуры, близкой к размягчению, то она дает небольшую усадку, до 50% по длине. Величина усадки зависит от температуры и времени прогрева. Это явление используют для улучшения стабильности емкости конденсаторов, путем их прогрева при повышенной температуре, вызывающей усадку пленки; при этом витки секции сжимаются, вытесняя значительную часть воздуха из зазоров между слоями пленки и между пленкой и фольгой, что способствует стабилизации величины емкости.

Полистирол позволил изготовлять  пленочные конденсаторы с малым  углом потерь, стабильной емкостью и высокой постоянной времени, по низкой рабочей температуре, всего 60. Полистирольные конденсаторы открытого типа небольшой емкости применяются в радиоприемной и телевизионной аппаратуре общего назначения; герметизированные конденсаторы с повышенной точностью и стабильностью емкости и с высокой постоянной времени применяются в электроизмерительной технике и в счетно-решающих устройствах.

Кратковременная электрическая  прочность полистирольной пленки высока, но в ней имеются слабые места, которые заставляют принимать большой  запас по электрической прочности  при выборе , особенно при большой емкости, т.е. при большой площади обкладок. При обкладках из фольги и постоянном напряжении можно указаны следующие значения в таблице 4.3.1.1.

 

Номинальная емкость, пФ	Толщина диэлектрика, мкм	, В	В	,
0,1-0,2	2 20	500	250	6,25
0,003-0,1	2 20	1000	500	12,5
0,003-0,05	3 20	2000	1000	13,3

Таблица 4.3.1.1 – Значения рабочей напряженности полистирольной пленки

 

   По отношению к среднему значению эти величины дают запас порядка 10-20 раз. При этом учитывается, что в готовых конденсаторах может дополнительно снизиться по сравнению с пленки вследствие появления добавочных слабых мест за счет попадания пыли в процессе намотки, а также вдавливания фольги в пленку в процессе запекания.

2. Политетрафторэтилен (фторопласт-4)

Фторопласт-4 представляет собой  фтористоуглеродное соединение с большой  энергией связи между атомами С и F. Это объясняет высокую нагревостойкость материала и его химическую устойчивость. Нижний предел толщины для пленки ПТФЭ до 5-6 мкм; однако, для таких пленок характерна большая дырчатость и малая электрическая прочность, даже при использовании в 2-3 слоя. Поэтому чаще применяют пленки толщиной 10-20 мкм. По углу потерь и коэффициенту абсорбции пленка ПТФЭ лучше полистирольной, не говоря уже о рабочей температуре (обычно до 200, при снижении напряжения до 250), по стабильности емкости пленка несколько уступает полистирольной. Широкое применение этой пленки ограничивается её высокой стоимостью. В отличие от полистирольной пленки, умеющей удлинение порядка 3%, пленка из ПТФЭ эластична и её удлинение при разрыве достигает 100-200%, поэтому следовало бы ожидать меньшего влияния технологии изготовления конденсатора на появление слабых мест в диэлектрике и соответственно повышения электрической прочности в сравнении с полистирольными; этому мешает исходное число дефектов в пленке типа сквозных отверстий, особенно при малых толщинах. Поэтому результаты определения указывают не для одного слоя, а для нескольких слоев. Значения при температуре до 200 и емкостях до 0,05-0,1 мкф приведены в таблице 4.3.1.2.

Таблица 4.3.1.2 – Значения при температуре до 200 и емкостях до 0,05-0,1 мкф для фторопластовой пленки

Толщина диэлектрика, мкм	Рабочее напряжение, В (постоянный ток)	,
3 5	200	13,3
3 10	600	20
4 10	1000	25

 

     Ничтожная гигроскопичность ПТФЭ позволяла бы изготовлять конденсаторы открытого типа, но этому препятствуют эластичность и мягкость пленки; поэтому конденсаторы низкого напряжения из такой пленки обычно собирают в трубчатых алюминиевых корпусах, закрывая торцы шайбами из толстого ПТФЭ. Постоянная времени конденсатора из пленки ПТФЭ очень велика: при температуре 200 удается получать до1000 сек при фольговых электродах и до 100 сек – при металлизированных, при комнатной температуре – до сек.

3. Полиэтилен

По нагревостойкости полиэтилен превосходит полистирол, однако обладает худшими электрическими свойствами. Основным его недостатком является резко повышенный ТКε (примерно в  три раза больше, чем у полистирола). Таким образом, полиэтиленовую пленку можно применять взамен полистирольной только тогда, когда необходимо улучшить рабочий интервал температур, а некоторое  ухудшение электрических свойств  конденсаторов по сравнению с полистирольными является допустимым. По эластичности полиэтиленовая пленка подобна фторопластовой, но имеет меньше слабых мест; поэтому можно полагать, что значения для полиэтиленовых конденсаторов будут больше, чем для рассмотренных выше неполярных пленок.

     Также в качестве материалов для изготовления неполярных пленок используют полипропилен, полипараксилилен, полифениленоксид.

4.3.2 Полярные синтетические  пленки

Полярные синтетические  пленки имеют повышенное значение диэлектрической  проницаемости  и угла потерь, близкого к углу потерь пропитанной бумаги. В отличие от неполярных пленок в  связи с природой поляризации  полярных пленок, тангенс угла потерь резко возрастает с частотой. Свойства полярных синтетических пленок, применяемых  в конденсаторостроении, приведены в таблице 4.3.2.1.

1. Полиэтилентерефталатная пленка (лавсан).