Металлобумажный конденсаторы

2.7 Диэлектрическая проницаемость

Способность диэлектрика поляризоваться в электрическом поле характеризуется его диэлектрической проницаемостью ε, представляющей собой отношение электрического смещения D (заряд, отнесённый к единице площади) к напряжённости электрического поля E:

.

Чем сильнее поляризуется диэлектрик, тем  больше будет ёмкость изготовленного из него конденсатора, так как смещающиеся в диэлектрике заряды связывают часть зарядов на обкладках и позволяют увеличить общий заряд конденсатора при неизменных его геометрических размерах и при одном и том же значении напряжения, приложенного к обкладкам. Величину диэлектрической проницаемости можно определить как отношение ёмкости С конденсатора с данными диэлектриком к ёмкости С конденсатора с теми же размерами, в котором это вещество заменено вакуумом.

2.8 Потери в диэлектрике

Во всяком включении в цепь переменного  тока в конденсаторе имеются потери электрической энергии. Она обращается в тепловую энергию и конденсатор нагревается. В основном энергия теряется в диэлектрике. Потери эти характеризуют тангенсом угла δ, который является дополнением до 90º к углу сдвига фаз φ между действующим на конденсаторе переменным напряжением и проходящим через него переменным током, то есть . Чем больше потери в конденсаторе, тем больше угол потерь δ и тем больше tgδ.

 

 

Рисунок 2.3 Область изменения тангенса угла потерь металлобумажных конденсаторов на частоте 50 Гц в зависимости от температуры.

, где

емкостной ток и сопротивление; - активный ток и сопротивление; ω- круговая частота ( ); ρ- удельное сопротивление диэлектрика; С-ёмкость конденсатора ( ).

Определяющей причиной возрастания  tgδ конденсаторов с увеличением приложенного напряжения является ионизация газовых включений внутри диэлектрика или у краёв электродов.

Рисунок 2.4 Характер изменения тангенса угла потерь металлобумажных конденсаторов в зависимости от частоты.

1- с полужидкой пропиткой при температуре 20ºС; 2- с твердой пропиткой при температуре 20ºС; 3- с твердой пропиткой при температуре 70°С.

 

2.9 Конденсаторы с твёрдым неорганическим диэлектриком

Конденсаторы с неорганическим диэлектриком можно разделить на три группы: низковольтные, высоковольтные и помехоподавляющие. В качестве диэлектрика в них используется керамика, стекло, слюда, стеклоэмаль. Обкладки выполняются в виде тонкого слоя металла, нанесённого на диэлектрик путём металлизации в виде тонкого слоя. Конденсаторы с оксидным диэлектриком разделяются: общего назначения, неполярные, высокочастотные, импульсные, пусковые и помехоподавляющие. В качестве диэлектрика в них используется оксидный слой. Анод - металлическая обкладка. В зависимости от материала анода оксидные конденсаторы подразделяют на алюминиевые, танталовые и ниобиевые. Второй обкладкой служит катод- электролит, пропитывающий бумажную или тканевую прокладку в алюминиевых и танталовых конденсаторах, жидкий или гелеобразный электролит в полупроводниках и объёмно- пористых конденсаторах. По выполняемой функции и характеру изменения ёмкости конденсаторы с газообразным диэлектриком подразделяют на постоянные и переменные. В качестве диэлектрика в них используется воздух, сжатый газ, вакуум. Основной областью применения является высокочастотная аппаратура, так как эти конденсаторы обладают высокой стабильностью электрических параметров. К конденсаторам с неорганическим твёрдым диэлектрикам относят: слюдяные, стеклянные и керамические конденсаторы.

2.10 Особенности керамических конденсаторов

Особенностью керамики как материала  для изготовления конденсаторов является большое разнообразие значений ε и ТКε. Величина ε лежит в пределах от 7,5- 9 до нескольких тысяч, а величина ТКε может иметь как большие положительные и отрицательные значения, так и значения, близкие к нулю.

2.11 Особенности стеклянных конденсаторов

Преимущество  стекла - его дешевизна и высокая  электрическая прочность при малых толщинах. Основными недостатками являются: относительно высокие потери, резко возрастающие с ростом температуры, что создаёт неустойчивость против теплового пробоя, и большая хрупкость, затрудняющая обращение со стеклом в условиях производства и мешающая его использованию при небольших толщинах.

2.12 Особенности слюдяных конденсаторов.

Слюда представляет собой природный материал, способный  расщепляться на тонкие пластинки с достаточно высокой механической и электрической прочностью и обладающий относительно высокой ε, а потому удобный для использования в качестве диэлектрика в конденсаторах.

2.13 Конденсаторы с газообразным диэлектриком

Особенностями таких диэлектриков является: невозможность их использовать для закрепления обкладок; восстанавливаемость электрической прочности конденсаторов после пробоя. Преимущества: весьма малая проводимости и ничтожный угол потерь, независимость ε от частоты и весьма малая зависимость от температуры, полное отсутствие явления абсорбции. Эти преимущества делают газообразный диэлектрик особенно удобным для применения в образцовых конденсаторах и в различных типах высокочастотных конденсаторов. Основные недостатки: низкое значение диэлектрической проницаемости, необходимость применения больших зазоров между обкладками.

2.14 Конденсаторы с жидким диэлектриком

Жидкий диэлектрик, так же как  и газообразный, не может служить  опорой для обкладок конденсатора. Поэтому они также должны иметь  две системы относительно толстых  и механически прочных обкладок, зазор между которыми определяется дополнительной твёрдой изоляцией. Преимуществом жидкого диэлектрика в сравнении с воздухом является повышенная диэлектрическая проницаемость, позволяющая в несколько раз увеличить ёмкость конденсатора, а также повышенная электрическая прочность. Существенным недостатком жидких диэлектриков является высокий ТКЕ. В связи с этим конденсаторы с жидким диэлектриком мало пригодны для использования в стабильных контурах радиоустройств.

 

3. КОНДЕНСАТОРЫ С ТВЁРДЫМ ОРГАНИЧЕСКИМ ДИЭЛЕКТРИКОМ

3.1 Особенности конденсаторов с твёрдым органическим диэлектриком

Особенностью органических диэлектриков, применяемых  в конденсаторостроении, бумаги (состоящей из природного высокомолекулярного вещества- клетчатки) является возможность получения конденсаторного диэлектрика в виде длинных и очень тонких лент, намотанных в рулоны. При достаточно высоких значениях механической и электрической прочности для бумаги можно получать нижний предел толщины, равный 4-5 мкм. Возможность использования малых толщин диэлектрика и высоких значений даже при небольших значениях ε, которые у органических диэлектриков не превышают 3-6, позволяет получать относительно большие значения удельной ёмкости и удельной энергии конденсаторов с твёрдым органическим диэлектриком. В связи с этим диапазон значений резко расширен по сравнению с конденсаторами с неорганическим диэлектриком; легко получать ёмкости порядка единиц и десятков микрофарад. Получение больших емкостей облегчается возможностью механизации процесса изготовления конденсаторных секций путём их намотки из лент диэлектрика на специальных станках полуавтоматического или автоматического действия. Бумага обладает относительно высокими потерями, а потому изготовленные из неё конденсаторы предназначаются в основном для работы при постоянном напряжении или напряжении низкой частоты, или при импульсных напряжениях. По нагревостойкости органические материалы уступают неорганическим. Даже при использовании пропиточной бумаги можно получать конденсаторы с верхним пределом рабочей температуры до 85-100 ºС, а при сниженной рабочей напряжённости и до 125ºС. Недостатком органических материалов при их использовании в конденсаторостроении является повышенный коэффициент линейного расширения, который обычно в 10 раз превышает те значения, которые характерны для неорганических диэлектриков. Поэтому стабильность ёмкости конденсаторов с органическим диэлектриком всегда будет хуже, чем у конденсаторов с неорганическим диэлектриком. Органическим диэлектрикам свойственно старение в электрическом поле, которое может быть как электрохимического, так и ионизационного характера; в связи с этим приходится брать большие запасы электрической прочности и заметно снижать до 8-10 раз.

Эти конденсаторы изготовляют обычно намоткой тонких длинных лент конденсаторной бумаги, плёнок или их комбинации с  металлизированными или фольговыми электродами. По назначению и используемым диэлектрическим материалам низковольтные конденсаторы можно разделить на низкочастотные и высокочастотные. К низкочастотным относятся конденсаторы на основе полярных и слабополярных органических плёнок (бумажные, металлобумажные, лакоплёночные), тангенс угла диэлектрических потерь которых имеет резко выраженную зависимость от частоты. Они способны работать на частотах до Гц. К высокочастотным относятся конденсаторы на основе органических плёнок (полистирольные, фторопластовые), имеющие малое значение тангенса диэлектрических потерь, не зависящее от частоты. Они допускают работу на частотах до Гц. Высоковольтные конденсаторы можно разделить на высоковольтные постоянного напряжения и высоковольтные импульсные. В качестве диэлектрика высоковольтных конденсаторов постоянного напряжения используют: бумагу, полистирол, фторопласт. Высоковольтные импульсные конденсаторы делают на основе бумажного и комбинированного диэлектрика. Основное требование, предъявляемое к высоковольтным конденсаторам,- высокая электрическая прочность. Комбинированные конденсаторы обладают повышенной по сравнению с бумажными конденсаторами электрической прочностью, надёжностью и имеют боле высокое сопротивление изоляции. Высоковольтные импульсные конденсаторы должны допускать быстрые разряды, то есть большие токи. Их собственная индукция должна быть малой, чтобы не искажать формы импульсов. К конденсаторам с твёрдым органическим диэлектриком относят: бумажные, металлобумажные и плёночные конденсаторы.

3.2 Особенности бумажных  конденсаторов

Бумага - полярный диэлектрик, обладает относительно высокими потерями и высокой температурной нестабильностью ёмкости, но технологичность изготовления конденсаторов. Широкий диапазон , практически неограниченная сырьевая база и, как следствие, дешевизна бумажных конденсаторов делают их конкурентными во многих областях применения. Для изготовления бумажных конденсаторов применяют специальную бумагу, отличающуюся малой толщиной (от 4 до 30 мкм). Для повышения электрической прочности бумагу пропитывают. Разновидностью бумажных конденсаторов являются металлобумажные, в которых вместо фольги используют тонкий слой металла. Нанесённый на бумагу методом испарения в вакууме. В таких конденсаторах можно использовать более тонкие слои бумаги, что приводит к увеличению удельной ёмкости при том же рабочем напряжении. По электрическим показателям бумажные конденсаторы значительно уступают слюдяным и керамическим. Они имеют большие потери, которые быстро растут с частотой, и более низкое сопротивление изоляции. Их параметры зависят от климатических условий и меняются во времени. Существенным недостатком бумажных конденсаторов является большая собственная индуктивность, которая обусловлена тем, что обкладки конденсатора свёрнуты в виде спирали.

3.3 Особенности плёночных  конденсаторов

К плёночным конденсаторам относят: полистирольные, фторопластовые, полиэтиленовые, лавсановые и поликарбонатные конденсаторы. Эти материалы, состоящие из длинных полимерных молекул, позволяют изготовлять тонкие плёнки в рулонной форме. Используя для этого различные технологические приёмы. Из таких плёнок можно изготовлять конденсаторы намотанного типа, подобные бумажным конденсаторам по конструкции, но отличающиеся от них улучшенными электрическими свойствами или повышенной нагревостойкостью. По электрическим свойствам они являются высокочастотными диэлектриками и резко отличаются от бумаги.

 

4. МЕТАЛЛОБУМАЖНЫЕ КОНДЕНСАТОРЫ

4.1 Характеристика металлобумажных конденсаторов

Название металлобумажных получили бумажные конденсаторы, в которых в качестве обкладок, вместо фольги, используется тонкий слой металла, нанесённый на бумагу методом испарения в вакууме. При замене фольги тонким слоем металла вследствие явления самовосстановления, свойственного металлизированным конденсаторам, можно изготовлять однослойные металлобумажные конденсаторы. Это позволило уменьшить толщину диэлектрика в два раза и объём конденсатора  в 4 раза и толщины обкладок конденсатора до 0,1 мкм. Металлобумажные конденсаторы имеют по сравнению с бумажными конденсаторами меньшие габаритные размеры (при равных номинальных напряжениях и ёмкостях), а по сравнению с электролитическим - обладают меньшими токами утечки, большим сроком службы и лучшей холодоустойчивостью. Недостаток металлобумажных конденсаторов заключается в том, что сопротивление изоляции у них ниже, чем у бумажных, оно уменьшается также при длительном хранении в бездействующем состоянии и с увеличением числа самовосстанавливающихся пробоев. Металлобумажные конденсаторы с однослойным диэлектриком с номинальным напряжением до 250 В нежелательно применять в цепях с низким напряжением. Металлобумажные конденсаторы в основном применяют в цепях развязок, блокировок и фильтров. Постоянная времени (то есть время, которое необходимо для того, чтобы напряжение на выводах конденсатора уменьшилось в e раз) металлобумажных конденсаторов при 25ºС составляет от 250 до 2000 МОммкФ, то есть обычно в 6-10 раз меньше, чем у обычных фольговых.

 

Рисунок 4.1 Конденсаторы   металлобумажные

 

4.2 Металлизация диэлектрика

Устранение недостатков, связанных  с наличием зазора между диэлектриком и обкладкой, можно осуществить с помощью металлизации диэлектрика, то есть непосредственным нанесением тонкого слоя металла на поверхность материала, используемого в качестве диэлектрика в конденсаторе. При этом достигается значительная экономия металла, так как металлический слой на поверхности диэлектрика может иметь значительно меньшую толщину, чем металлическая фольга. Для металлизации диэлектриков были предложены следующие методы: химический, вжигание, испарение в вакууме и катодное распыление. При металлизации органических диэлектриков, имеющих вид длинных тонких лент, намотанных в рулоны, имеется возможность вести процесс, непрерывно пропуская движущуюся ленту над испарителем до тех пор, пока с отдающего рулона исходной ленты весь материал не будет перемотан на приёмный рулон металлизированной ленты. После этого надо снять вакуум, вынуть из установки рулон металлизированного материала и поставить на металлизацию новый рулон ещё не металлизированной бумаги. В качестве металла для металлизации бумаги, в основном, выбирают алюминий. Так как он устойчив к коррозии и окислению. В связи с тем, что бумага, металлизированная алюминием, допускает длительное хранение, оказывается возможным ставить процесс металлизации непосредственно на бумажной фабрике и использовать в конденсаторостроении готовую металлизированную бумагу. Преимуществом алюминия также является меньшая величина удельного сопротивления. При покрытии алюминием не нужен подслой из другого металла. Недостатками, связанными с металлизацией алюминием являются: повышенный расход энергии на испарение металла в связи с его повышенной температурой кипения и необходимостью работать при высоком вакууме. Кроме того, при высокой температуре алюминий активно реагирует с большинством нагревостойких материалов, которые могли бы быть использованы для изготовления тиглей для плавки и испарения этого металла. Эту задачу удалось решить только при отказе от использования тиглей и переходе к стрежневым нагревателям, на которые непрерывно подаётся алюминиевая проволока, которая плавится и испаряется, соприкасаясь с нагревателем; последний приходится периодически заменять, так как он постепенно разрушается при соприкосновении с алюминием. Обычно для металлизации применяется широкая лента, которая затем при перемотке разрезается на более узкие с таким расчётом, чтобы с одного из краёв ленты оставалась бы неметаллизированная закраина. Обычно применяется односторонняя металлизация. В этом случае при намотке конденсатора из двух лент они располагаются таким образом, чтобы на одной ленте закраина была сдвинута к одному краю ленты, а на второй ленте - к противоположному краю. На торцы намотанных секций наносятся путём распыления проводящие накладки из сплавов, контактирующие с металлическими слоями каждой из лент. К накладке на каждом торце припаивают выводной проводник. При металлизации бумаги алюминием для получения надёжного контакта перед нанесением накладки из сплава производится предварительное напыление на торцы конденсаторных секций слоя цинка.