Металлобумажные конденсаторы

Федеральное агентство по образованию РФ ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР) Кафедра физической электроники (ФЭ) Пояснительная записка к курсовой работе МЕТАЛЛОБУМАЖНЫЕ КОНДЕНСАТОРЫ по дисциплине «Материалы и элементы электронной техники»

Содержание Введение

1. Основные параметры конденсаторов

1.1 Понятие конденсатора

1.2 Ёмкость конденсатора

1.3 Номинальная ёмкость

1.4 Номинальное напряжение

1.5 Испытательное напряжение

1.6 Пробивное напряжение

2. Классификация конденсаторов

2.1 В зависимости от назначения

2.2 По характеру изменения ёмкости

2.3 В зависимости от способа монтажа

2.4 По характеру защиты от внешних воздействующих факторов

2.5 По виду диэлектрика

2.6 Электрическая прочность

2.7 Диэлектрическая проницаемость

2.8 Потери в диэлектрике

2.9 Конденсаторы с твёрдым неорганическим диэлектриком

2.10 Особенности керамических конденсаторов

2.11 Особенности стеклянных конденсаторов

2.12 Особенности слюдяных конденсаторов

2.13 Конденсаторы с газообразным диэлектриком

2.14 Конденсаторы с жидким диэлектриком

3. Конденсаторы с твёрдым органическим диэлектриком

3.1 Особенности конденсаторов с твёрдым органическим диэлектриком

3.2 Особенности бумажных конденсаторов

3.3 Особенности плёночных конденсаторов

4. Металлобумажные конденсаторы

4.1 Характеристика металлобумажных конденсаторов

4.2 Металлизация диэлектрика

4.3 Явление самовосстановления электрической прочности при пробое

4.4 Конденсаторная бумага

4.5 Пропиточные массы

4.6 Твёрдые неполярные массы

4.7 Лакировка бумаги перед металлизацией

4.8 Технология изготовления металлобумажных конденсаторов

5. Уплотнённые конструкции

6. Расчёт металлобумажного конденсатора Заключение

Введение

конденсатор напряжение электрический диэлектрика Изобретение электрического конденсатора относится к середине 18 века, но начало развития конденсаторостроения следует отнести только к самому концу 19 века, когда после изобретения радио А. С. Поповым возникла большая потребность в конденсаторах. Первое применение конденсаторов было обусловлено развитием радиотехники, а также техники проводной связи, где конденсатор служил основным элементом колебательных контуров и электрических фильтров. Однако в последующее время конденсаторы применяют как важные элементы силовой электротехники, для улучшения коэффициента мощности, для компенсации индуктивности линий электропередач, для пуска однофазных электродвигателей и т. п. Кроме того, в последние годы конденсаторы часто используются в качестве накопителей энергии для всевозможных импульсных устройств, как в радиолокационной технике, так и в устройствах для изучения термоядерных реакций, для использования электрогидравлического эффекта и т. п.

В настоящее время развитие новых областей техники ставит перед советским конденсаторостроением задачи разработки и освоения новых типов конденсаторов; эти задачи успешно разрешаются.

К областям техники, требующим создания новых типов конденсаторов, относятся: производство счетно-решающих устройств, строительство сверхскоростных самолётов, ракетная техника, космическая техника, применение атомной энергии для мирных целеё, лазерная техника, магнитоимпульсная обработка металлов, сверхглубокое бурение и т. д.

Резкий рост производства электроэнергии в нашей стране и постройка линии электропередач большого протяжения требуют дальнейшего расширения производства силовых конденсаторов для улучшения коэффициента мощности и для продольной ёмкостной компенсации линии электропередач. Специальные типы конденсаторов требуются в связи с применением постоянного тока для дальних передач электроэнергии. Задачи увеличения выпуска силовых конденсаторов как расширением производства на уже существующих заводах, так и строительством новых.

Масштабы мирового конденсаторостроения характеризуются в настоящее время годовым выпуском конденсаторов для электронной техники, исчисляющимся несколькими миллиардами штук; в ряде страж ежедневный выпуск превышает 1−2 миллиона штук. Суммарная реактивная мощность выпускаемых в мире силовых конденсаторов достигает 15−20 миллионов квар в год.

В современной технике конденсаторы находят себе исключительно широкое и разностороннее применение, прежде всего в области электроники (радиотехнической и телевизионной аппаратуре, в радиолокационной технике, в автоматике и телемеханике, в электроизмерительной технике, в лазерной технике и т. д.).

1. Основные параметры конденсаторов

1.1 Понятие конденсатора

Конденсатор-это радиоэлемент, предназначенный для накопления электрической энергии, и представляющий собой систему двух противоположно заряженных проводников.

Простейший конденсатор состоит из двух металлических пластин, называемых обкладками, между которыми находится непроводник электрического тока — диэлектрик. Обкладки конденсатора обычно изготавливают из алюминия, серебра, меди, латуни и т. п., а в качестве диэлектрика применяют бумагу, слюду, керамику, воздух и т. п.

1.2 Ёмкость конденсатора

Если к одной обкладке подвести положительный заряд, а к другой — отрицательный, то разноимённые заряды, притягиваясь друг к другу, будут удерживаться на обкладках. Поэтому конденсатор служит накопителем энергии. Способность конденсатора накапливать на обкладках электрические заряды под воздействием электрического поля, называется электрической ёмкостью. Выражается соотношением

где

Qэлектрический заряд в кулонах;

Uнапряжение, приложенное к обкладкам, в вольтах;

Сёмкость, получаемая в фарадах.

Для конденсатора, обкладки которого представляют собой плоские пластины одинакового размера, разделённые диэлектриком, ёмкость определяется из выражения

Где — электрическая постоянная, равная

— относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика;

Sплощадь пластин, ;

d-толщина диэлектрика, м.

1.3 Номинальная ёмкость

Значение ёмкости, отмаркированное на конденсаторе или указанное в паспорте на него, называется номинальной ёмкостью. Фактическая же ёмкость конденсатора может отличаться от номинальной, но не больше чем на допустимое отклонение (допуск). Как правило, допускаемое отклонение от номинальной указано в процентах, которое проставляют на конденсаторе после значения ёмкости. Например, % означает, что номинальная ёмкость его равна 100пФ, а фактическая ёмкость не может быть меньше или больше 110 пФ. По величине допускаемого отклонения ёмкости от номинальной конденсаторы разделяются на следующие основные классы точности:

Таблица 1.1 Классы допускаемых отклонений ёмкости

Номинальные ёмкости стандартизованы. Они образуют ряды геометрической прогрессии. Ёмкости конденсаторов широкого применения соответствуют рядам, имеющим условное обозначение: и т. д.

1.4 Номинальное напряжение

Номинальное напряжение конденсатора — наибольшее напряжение между его обкладками, при котором он способен надёжно и длительно работать, сохраняя свои параметры при всех установленных для него рабочих температур. Допустимое напряжение переменного тока на конденсаторе, как правило, меньше номинального напряжения постоянного тока.

1.5 Испытательное напряжение

Испытательное напряжениеэто напряжение, которое выдерживает конденсатор без пробоя в течение короткого промежутка времени (от 5сек до 1 мин). Испытательное напряжение превышает номинальное в 1,5−3 раза. Для металлобумажных конденсаторов, в связи с их способностью к самовосстановлению при пробое, устанавливается меньший запас электрической прочности, чем для конденсаторов с органическим диэлектриком, что определяет для них меньшее значение испытательного напряжения, равного обычно 1,5

1.6 Пробивное напряжение

Пробивное напряжениеЭто напряжение, при котором конденсатор пробивается. Оно всегда выше испытательного. Чем выше пробивное напряжение конденсатора, тем он надёжнее.

2. Классификация конденсаторов

Рисунок 2.1 Общая классификация конденсаторов

2.1 В зависимости от назначения

Конденсаторы разделяют на две группы: общего и специального назначения. К группе общего назначения относят наиболее распространённые низковольтные конденсаторы, к которым не предъявляются особые требования. Все остальные конденсаторы являются специальными. К ним относятся: высоковольтные, импульсные, помехоподавляющие, пусковые и т. д.

2.2 По характеру изменения ёмкости

Различают конденсаторы постоянной ёмкости, переменной ёмкости и подстроечные. У постоянных конденсаторов ёмкость является фиксированной и в процессе эксплуатации не регулируется. Их применяют для плавной настройки колебательных контуров. Конденсаторы переменной ёмкости допускают изменение ёмкости в процессе функционирования аппаратуры. Ёмкости подстроечных конденсаторов изменяется при разовой или периодической регулировке и не изменяется в процессе функционирования аппаратуры. Их используют для периодической подстройки и регулировки цепей схем, где требуется незначительное изменение ёмкости.

2.3 В зависимости от способа монтажа

Конденсаторы могут выполняться для печатного и для навесного монтажа, а также для использования в составе микромодулей и микросхем.

2.4 По характеру защиты от внешних воздействующих факторов

Конденсаторы выполняются: незащищёнными, защищёнными, неизолированными, изолированными, уплотнёнными и герметизированными. Незащищённые конденсаторы допускают эксплуатацию в условиях повышенной влажности только в составе герметизированной аппаратуры. Защищённые конденсаторы допускают эксплуатацию в аппаратуре любого конструктивного исполнения. Неизолированные конденсаторы не допускают касания своим корпусом шасси аппаратуры. Изолированные конденсаторы имеют достаточно хорошее изоляционное покрытие (компаунды) и допускают касания корпусом токоведущих частей аппаратуры. Уплотнённые конденсаторы имеют уплотнённую органическими материалами конструкцию корпуса. Герметизированные конденсаторы имеют герметичную конструкцию корпуса, который исключает возможность сообщения окружающей среды с его внутренним пространством (керамический, металлический корпус).

2.5 По виду диэлектрика

Все конденсаторы можно разделить на группы: с органическим, неорганическим, газообразным и оксидным диэлектриком.

Рисунок 2.2 Классификация конденсаторов по виду диэлектрика

2.6 Электрическая прочность

Электрическая прочность диэлектрика характеризуется величиной пробивной напряжённости, представляющей собой отношение пробивного напряжения к толщине диэлектрика:

Значение определяется химическим составом и структурой диэлектрика. Электрический пробой происходит лишь в тех случаях, когда исключена возможность существенного разогрева диэлектрика и развития процессов старения. При эксплуатации конденсаторов с твёрдым диэлектриком электрического пробоя в чистом виде, как правило, не наблюдается за исключением пробоя при единичных импульсах напряжения с большой амплитудой и малой длительностью. Электротепловой пробой в диэлектрике наступает в результате прогрессирующего разогрева диэлектрика из-за выделения в нём диэлектрических потерь. Под электрическим старением обычно понимают ухудшение электрических характеристик диэлектрика с течением времени под воздействием электрического напряжения и температуры окружающей среды. Электрическому старению в той или иной степени подвержено большинство твёрдых диэлектриков, применяемых в конденсаторостроении.

2.7 Диэлектрическая проницаемость

Способность диэлектрика поляризоваться в электрическом поле характеризуется его диэлектрической проницаемостью е, 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 д, который является дополнением до 90є к углу сдвига фаз ц между действующим на конденсаторе переменным напряжением и проходящим через него переменным током, то есть. Чем больше потери в конденсаторе, тем больше угол потерь д и тем больше tgд.

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; щкруговая частота ();

С — удельное сопротивление диэлектрика;

С — ёмкость конденсатора ().

Определяющей причиной возрастания tgд 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 20 єС; 2 — с твердой пропиткой при температуре 20 єС; 3 — с твердой пропиткой при температуре 70 °C.

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 катодэлектролит, пропитывающий бумажную или тканевую прокладку в алюминиевых и танталовых конденсаторах, жидкий или гелеобразный электролит в полупроводниках и объёмнопористых 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 е и ТКе. Величина е лежит в пределах от 7,5- 9 до нескольких тысяч, а величина ТКе 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 е, 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 е 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 веществаклетчатки) 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 е, 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 єС, а при сниженной рабочей напряжённости и до 125 єС. 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) металлобумажных конденсаторов при 25 єС 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.

Рисунок 4.2 Секция металлобумажного конденсатора. 1- первая лента металлизированной бумаги; 2-закраина цервой ленты; 3-вторая лента металлизированной бумаги; 4-закраина второй ленты; 5- контактная накладка, соединенная с металлическим слоем первой ленты; 6-припаянный к этой накладке выводной проводник;7-накладка, контактирующая с металлом второй ленты; 8- вывод от этой накладки.

При замене обкладок из фольги тонким слоем металла, в конденсаторе могут возникать явления, которые не наблюдались при обкладках из фольги: явление мерцания ёмкости (у слюдяных и керамических конденсаторов с серебряными обкладками) и явление самовосстановления конденсатора при пробое.

4.3 Явление самовосстановления электрической прочности при пробое

Было обнаружено для металлоплёночных и металлобумажных конденсаторов. При коротком замыкании тонких металлизированных обкладок в момент пробоя по обкладкам проходит ток короткого замыкания, плотность которого возрастает по мере приближении к точке, в которой произошёл пробой. На участке наибольшей плотности тока вокруг места пробоя внутри окружности малого радиуса r выделяется достаточно тепла для расплавления тонкого металлического слоя. При этом появляются условия для возникновения между обкладками электрической дуги, которая разбрасывает расплавленный металл, создавая вокруг места короткого замыкания участок поверхности, свободной от металлического слоя. При увеличении радиуса изолированного участка дуги удлиняется, гаснет и процесс самовосстановления заканчивается. Место короткого замыкания оказывается изолированным от обкладок.

Рисунок 4.3 Процесс самовосстановления металлизированного конденсатора

Для того, чтобы процесс самовосстановления происходил успешно и удаление металла осуществлялось лишь на небольшом участке обкладки вокруг места пробоя, необходимо, чтобы толщина слоя не была чрезмерно мала и чтобы слой был однородным по всей поверхности. Явление самовосстановления при пробое металлобумажного конденсатора не обеспечивает возможность длительной работы такого конденсатора при напряжении, превышающем. При длительном приложении такого напряжения начнутся систематические пробои и самовосстановления, число которых растёт с увеличением напряжения; удаление части обкладок при каждом пробое, хотя и небольшое, постепенно приводит к снижению ёмкости. В конечном счёте, если часть обкладки, прилегающая по всей длине к одной из торцовых, будет разрушена, то конденсатор «потеряет ёмкость», то есть между выводами будет «обрыв» (сопротивление между выводами — бесконечность). Таким образом, металлобумажный конденсатор низкого напряжения отказывает в работе при повышении напряжения не вследствие пробоя и короткого замыкания, как обычный конденсатор, а вследствие появления обрыва.

4.4 Конденсаторная бумага

Для изготовления металлобумажных конденсаторов применяют специальную бумагу, отличающуюся весьма малой толщиной и малым содержанием неорганических примесей и выпускаемую с различным значением плотности. При уменьшении толщины бумаги стоимость её резко возрастает, как из-за необходимости увеличивать время размола бумажной массы, что связано с расходом электроэнергии, так и вследствие уменьшения выхода годной бумаги. Для конденсаторов постоянного напряжения выпускается бумага плотностью 1,2. Доброкачественная конденсаторная бумага имеет малую воздухопроницаемость (ниже 2−3). Реакция водной вытяжки должна быть слабощелочной и близкой к нейтральной. Бумага должна быть однородной и содержать минимальное количество структурных дефектов. Недостатком бумаги является неизбежное присутствие в ней некоторого количества токопроводящих включений в виде частиц угля, а также железа и меди или их окислов. Непропитанная конденсаторная бумага в воздушносухом состоянии содержит 20−50% воздуха (по объёму) и 6−10% воды (по весу). Для улучшения её электрических свойств необходимо проводить сушку — для удаления воды и пропитку для замены воздуха, находящегося в порах бумаги, твёрдым или жидким диэлектриком, обладающим более высоким, чем у воздуха, значениями и е. Операции сушки и пропитки проводят после намотки конденсаторных секций. По ГОСТу предусматривается изготовление двух сортов конденсаторной бумаги КОН-1 с объёмным весом 1,0 и толщиной 7,8,10,12,15,22,30 мк и КОН-2 с объёмным весом 1,16−1,25, толщиной 5,6,7,8,10,12,15,22,30 мк.

4.5 Пропиточные массы

Пропиточные массы можно разделить на жидкие и мягкие. Основным преимуществом жидких пропиточных масс является полное заполнение всех пор в бумаге, если пропитка проводится при высоком вакууме, в отличие от твёрдых масс, которые обладают усадкой, вызывающей образование остаточных газовых включений в диэлектрике конденсатора. При переходе от твёрдой пропитки к пропитке жидким диэлектриком обеспечили жидким пропитывающим массам преимущественное применение в производстве высоковольтных бумажных конденсаторов, как при переменном, так и при постоянном напряжении. Твёрдые пропиточные массы применяются при изготовлении конденсаторов постоянного напряжения при не выше 600−1000 В. Основным преимуществом твёрдых пропиточных масс является возможность упрощения конструкции конденсатора, если от него не требуется работа в условиях высокой влажности. При жидкой пропиточной массе требуется герметизация конструкции, чтобы устранить возможность вытекания жидкой массы из конденсатора.

4.6 Твёрдые неполярные массы

Воскообразные вещества, представляющие собой смеси предельных твёрдых углеводородов типа, где nпорядка 20 или выше, теперь находят лишь ограниченное применение в конденсаторостроении.

Церезинпродукт очистки ископаемого воскообразного веществаозокерита (образующегося при естественном перерождении нефти) имеет высокую температуру плавления, чем парафин, и отличается от него повышенной устойчивостью к окислению. Находит себе преимущественное применение в производстве металлобумажных конденсаторов.

4.7 Лакировка бумаги перед металлизацией

Имеющиеся в бумаге частицы угля, металлическая пыль могут иметь как высокую проводимость, так и относительно низкую. Поэтому при изготовлении однослойных металлобумажных конденсаторов из нелакированной бумаги трудно получить постоянную времени выше нескольких, так как оставшиеся неизолированными частицы полупроводникового характера будут шунтировать обкладки, создавая большую утечку. Наличие лаковой плёнки изолирует такие частицы от обкладок. Кроме того, эта плёнка заметно улучшает электрическую прочность бумажного диэлектрика, закрывая случайные сквозные отверстия в бумаге. Недостатком лакировки является то, что она затрудняет использование особо тонких бумаг для изготовления металлобумажных конденсаторов, поскольку прочность этих бумаг в смоченном состоянии оказывается недостаточной и приводит к чрезмерному числу обрывов на лакировочной машине.

4.8 Технология изготовления металлобумажных конденсаторов

Первой операцией в производстве металлобумажных конденсаторов является намотка конденсаторных секций, которую проводят на специальных намоточных станках из лент металлизированной бумаги, сматывающихся с рулоны, закреплённых на осях станка.

Рисунок 4.4 Схемы намотки бумажных конденсаторов а) — со смещенной фольгой; б) — с вкладными выводами; 1 — фольга; 2 — конденсаторная бумага; 3 — выступающие края фольги; 4 — вкладные выводы.

Для обеспечения нужного натяжения используют тормозные устройства. Осевое положение рулона можно регулировать, чтобы обеспечить совпадение краёв бумажных лент. Намотка конденсаторных секций ведётся на оправку, вставленную в отверстие в шпинделе станка; оправка должна иметь устройства для закрепления концов бумажных лент. Обычно намоточный станок представляет собой полуавтомат; шпиндель приводится во вращение от электродвигателя; намотчица заправляет концы бумажных лент в оправку, пускает в ход станок и он ведёт намотку автоматически до получения требуемого числа витков, установленного заранее на специальном счётчике, работающем на механическом или электромеханическом принципе; после намотки нужного числа витка станок автоматически останавливается, и намотчица обрезает бумагу, кроме однойдвух лент, с помощью которых она наматывает перед обрезкой холостые защитные витки. После этого намотчица заклеивает секцию, чтобы избежать её разматывания, и снимает её с оправки. При изготовлении конденсаторов с небольшими значениями номинальной ёмкости применяют цилиндрические секции, намотанные на оправки малого диаметра (1,5−3 мм) и сохраняющие цилиндрическую форму после снятия с оправки.

Рисунок 4.5 Поперечное сечение цилиндрической секции металлобумажного конденсатора.

Намотка представляет собой ответственную операцию, в значительной степени влияющую на надёжность конденсатора. Брак при намотке (резкие складки и морщины, перекосы лент и т. д.) может легко стать причиной пробоя одной из секций конденсатора в условиях эксплуатации и вывести его из строя. Цилиндрические секции после намотки поступают на сборку в корпусах.

5. Уплотнённые конструкции

Первым мероприятием для влагозащиты конденсаторов с помощью органических материалов явилась пропитка, то есть заполнение пор в диэлектрике и зазоров между слоями диэлектрика и обкладками какойлибо влагостойкой пропиточной массой. Пропитка может обеспечить только временную защиту конденсатора от действия влаги, лишь задерживая проникновение влаги в конденсатор на относительно небольшой срок, но не исключая возможности этого проникновения с течением времени. Пропитка полезна как вследствие того, что пропитанные конденсаторные секции при умеренной влажности сохраняют свои электрические свойства в течение того небольшого времени, которое необходимо для процесса сборки конденсатора, так и потому, что после пропитки заметно возрастает электрическая прочность конденсатора. Простейшим дополнительным средством влагозащиты пропитанной конденсаторной секции является покрытие её слоем изоляционного лака. Шагом вперёд в направлении улучшения влагостойкости конденсаторов явилась заливка влагоупорным компаундом пропитанных конденсаторных секций, помещаемых в металлический или изоляционный корпус, открытый с одной или с двух торцов (рисунок 5.1 а), б)).

Рисунок 5.1 уплотнённые конструкции с применением органических влагозащитных веществ: а) — изоляционная трубка, заливка; б) — металлическая трубка, заливка, изоляционные шайбы; в) — окукливание компаундом.

Недостатком таких конструкций является их пониженная морозостойкость, так как при низких температурах возможно растрескивание заливочного компаунда с последующей потерей влагостойкости конденсатора. Существуют и другие методы влагозащиты конденсаторов: опрессовка пластмассой, метод облицовки влагозащитным компаундом (5.1 в)), метод кипящего слоя. Все эти конструкции также не могут обеспечить достаточно надёжной работы в условиях высокой, особенно тропической влажности. Это обусловлено тем, что в этих конструкциях используется органическая изоляция, хотя и в относительно небольших количествах. Недостатком применения органических материалов для целей влагозащиты является присущая всем материалам влагопроницаемость. Даже когда не нарушена сплошность влагозащитного слоя, органический материал всё равно будет постепенно пропускать через себя влагу. Органические вещества в условиях повышенной влажности и температуры, характерных для тропиков, могут служить питательной средой для развития на них поверхности колоний грибков. Это приводит к возможности отказов в связи с резким возрастанием поверхностной утечки. Развитие грибков может вызвать также коррозию металлов и разложение изоляции. Для повышения грибоустойчивости изоляции было предложено покрывать её антигрибковыми лаками, содержащими токсичные для грибков веществ.

6. Расчёт металлобумажного конденсатора

Расчёт конденсатора нужно начинать с выбора диэлектрика. В металлобумажном конденсаторе диэлектриком является конденсаторная бумага. Согласно ГОСТу выберем бумагу КОН-2 с объёмным весом 1,2. Пропиточную массу выберем церезин, поскольку он является твёрдой пропиточной массой и соответственно конструкция не требует герметизированной конструкции. Твёрдые массы выбираются для работы при постоянном напряжении. В отличие от парафина, церезин имеет более высокую температуру плавления и отличается повышенной устойчивостью к окислению. Исходя из этого, определим по таблице электрическую прочность пропитанной конденсаторной бумаги: В таблице имеются значения только для бумаги, пропитанной вазелином (40 кВ/мм) и для бумаги, пропитанной маслом (35 кВ/мм). Эти значения не имеют особого отличия, поэтому примем величину электрической прочности для бумаги, пропитанной церезином 38 кВ/мм. Теперь мы можем рассчитать толщину диэлектрика:

где kкоэффициент запаса для металлобумажного конденсатора, который лежит в пределе от 2 до 3. Толщина бумаги стандартизована, поэтому мы не можем взять толщину диэлектрика 0,98 мк. Берём толщину диэлектрика 10 мк.

Рассчитаем площадь обкладок конденсатора:

при использовании плотной конденсаторной бумаги КОН-2 для однослойного бумажного конденсатора при пропитке церезином е=4,5.

Зная площадь ленты конденсаторной бумаги, мы можем рассчитать габаритные размеры:

Пусть ширина бумаги равна 3 см, тогда её длина будет равна 83,3 см.

Теперь нам необходимо определить величину закраин конденсаторной бумаги. Закраины необходимы для того, чтобы избежать пробоя конденсатора по закраине. Величину закраин для металлобумажных конденсаторов при номинальном напряжении до 400 В принимают равной 2 мм.

Рисунок 6.1 Конденсаторная бумага

Намотав конденсаторную секцию из бумаги такой длины, мы получим конденсатор больших габаритных размеров (толщиной 3 см и длиной 10 см). Такие конденсаторы в производстве не выпускаются. Поэтому возьмём для удобства 4 параллельно соединённые конденсаторные секции не цилиндрической формы, а прессованные. Тогда длина конденсаторной бумаги одной конденсаторной секции будет равна 20,8 см.

Для цилиндрических конденсаторов диаметр намоточной оправки выбирается порядка 0,1 мк. Для прессованных конденсаторов диаметр намоточной оправки должен быть сопоставим с внешним диаметром.

Выберем диаметр намоточной оправки. Тогда внешний диаметр найдём по формуле:

Для металлобумажных конденсаторов толщина обкладок, нанесённых методом металлизации в вакууме, принимается равной Активная ширина обкладок, исходя из рисунка 6.1, равна 2,6 см.

Посчитаем количество витков в конденсаторной секции:

Также необходимо учитывать холостые витки, которые в начале необходимы для изоляции от намоточной оправки, а в конце для изоляции от корпуса, то с учётом этого конечное число витков будет равно 27+4=31 витков (2 в начале и 2 в конце обмотки).

После намотки конденсаторной секции, намоточная оправка вынимается и производится прессовка конденсаторной секции и цилиндрическая конденсаторная секция становится прессованной.

Найдём ширину прессованной секции:

Толщина прессованной конденсаторной секции:

Рисунок 6.2 Прессованная конденсаторная секция

После параллельного соединения прессованных конденсаторных секций, конденсатор будет иметь габариты: длина 3 см, высота 0,85 см и толщина 0,4 см. После этого припаиваются накладки с выводами (рисунок 4.2) и конденсаторная секция заливается влагоупорным компаундом. После этого рассчитывается корпус. Чаще всего это нефтяной битум. Недостатком таких конструкций является пониженная морозостойкость, так как при низких температурах возможно растрескивание заливочного компаунда с последующей потерей влагостойкости конденсатора. Поэтому возьмём в качестве заливочного компаунда эпоксидную смолу для улучшенной надёжности системы влагозащиты. С учётом компаунда, корпус будет иметь габаритные размеры: длина 3,2 см, высота 0,87 см, ширина 0,6 см. Обычно корпуса для металлобумажных конденсаторов изготавливают либо из алюминия, либо из меди. Выберем алюминий в качестве материала для изготовления корпуса, поскольку он имеет высокую температуру плавления и большее по сравнению с медью удельное сопротивление (), а также устойчив к коррозии и окислению.

Рассчитаем вес получившегося конденсатора:

Вес обкладок:

Вес бумаги:

Вес пропиточной массы:

Вес корпуса:

Общая масса:

m=0,0135гр+0,3гр+0,0225гр+1,76гр=2,096гр.

Полученный конденсатор не очень удобен в использовании, так как имеет очень маленькую толщину. Поэтому возьмём одну конденсаторную секцию, представленную на рисунке (6.2), а остальные три намотаем на первую. Мы получим одну конденсаторную секцию с размерами: длина 3 см, высота 0,85 см и толщина 0,4 см.

Рисунок 6.3 Прессованная конденсаторная секция

Количество витков в конденсаторной секции будет равно 112.

Рисунок 6.4 Металлобумажный конденсатор

Заключение

Рассчитанный выше конденсатор, может работать:

· На невысоких частотах, поскольку с увеличением частоты, тангенс диэлектрических потерь возрастает по экспоненте;

· В области средних температур (от -10 єС до 60 єС);

· При кратковременном воздействии электрического поля;

· При постоянном воздействии напряжения;

· В средах умеренной влажности.

Размеры конденсатора:

Длина 3,2 см;

Высота 0,87 см;

Толщина 0,6 см.

Масса конденсатора: 2,096 гр.

1. В. Т. Ренне Электрические конденсаторы 1969 г.

2. В. Т. Ренне, Ю. В. Багалей, И. Д. Фридберг Расчёт и конструирование конденсаторов 1966 г.

3. Ануфриев Ю. А. Эксплуатационные характеристики и надёжность электрических конденсаторов. М., «Энергия», 1976 г.

4. Капилевич Р. М., Битнер Л. Р. Конденсаторы и резисторы: Методические указания.- Томск.

5. Михайлов И. В., Пропошин А. И. М 69 Конденсаторы. «Энергия», 1973 г.

6. Справочник по электрическим конденсаторам С74/ под общей ред. И. И. Четверткова и В. Ф. Смирнова.

7. Справочник по расчёту режимов работы электрических конденсаторов/ Под ред. О. Л. Мезенинова. — К.: Техника, 1987 г. — 168с.