Papierkondensatoren

C 2.2 PAPIERKONDENSATOREN

Unter dieser Überschrift beschäftigen wir uns hauptsächlich mit reinen Papierdielektrika. Gleichzeitig sollten wir sagen, dass Kombinationen von Papier und Kunststoff, d. H. gemischte Dielektrika, ziemlich häufig sind.

C 2.2.1 Papier / Folie

Die Geschichte des kommerziellen Kondensators begann mit Papierfoliendielektrika und Elektroden aus Aluminiumfolien. Da Papier porös ist, muss es imprägniert werden, um Corona-Effekte und Flash-Overs zu vermeiden. Dies geschieht durch Verwendung von geschmolzenem Wachs oder verschiedenen Arten von Ölen, unter anderem Mineral- und Silikonölen. Die Öle erhöhen die Zugfestigkeit, verringern aber in gewissem Maße die Festigkeit. Faserpapier hat eine er ≈ 6,6 und das Mineralöl ≈ 2,3, was der imprägnierten Wicklung eine er zwischen 3,1 und 4,5 verleiht. Die Unterschiede hängen vor allem vom Wickeldruck ab, den die Zugkraft beim Wickeln erzeugt.

Früher wurden wegen des Charakters des Papiers mindestens zwei imprägnierte Papierfolien verwendet. Heutzutage werden häufig gemischte Dielektrika verwendet, bei denen das Papier mit Kunststofffolien, üblicherweise Polyester (PET) oder Polypropylen, kombiniert wird.

Da die Übersichtstabellen nach jeder vorgestellten Materialart die Imprägniermittel und gemischten Dielektrika nicht getrennt behandeln, erwähnen wir einige ihrer Eigenschaften in der folgenden Tabelle C2-2.

Tabelle C2-2. Tan δ, 1 kHz und er für einige gemischte Dielektrika.

Ölimprägniertes Papier wird vor allem in Strom-, Netz- und bestimmten Durchführungskondensatoren verwendet. In diesem Handbuch beschränken wir uns auf die kleineren Typen, die zu den elektronischen Bauteilen gehören. Sie stellen eine wichtige Komponentenkategorie dar, die immer mehr durch plastische Dielektrika ersetzt wird.

Bei üblichen Netz- und Durchführungskondensatoren für Verbraucherzwecke enthalten die Gehäuse nur eine geringe Menge Öl. Das meiste davon existiert in den Papierfolien. Die Imprägnierung erfolgt im Vakuum an der fertigen Wicklung, nachdem das Papier zunächst vorsichtig in einem Ofen getrocknet wurde.

C 2.2.2 MP (metallisiertes Papier)

Der erste metallisierte Folienkondensator wurde mit metallisiertem Papier gebaut. Die MP-Folie sieht im Prinzip wie in Abbildung C2-18 aus.

Abbildung C2-18. Querschnitt durch eine MP-Folie.

Als Imprägniermittel überwiegen feste Substanzen wie Epoxid, aber bei bestimmten Typen können pflanzliche Öle vorkommen. Die Imprägnierung schützt auch die Zinkmetallisierung vor wässriger Korrosion und Oxidation. Da das Papier porös ist und an bestimmten Stellen einige Verunreinigungen oder Schwächen enthalten kann, muss man in professionellen Anwendungen Designs mit mindestens zwei Lagen Papierfolien verwenden. Das Risiko, dass eine Schwachstelle in einer Folie gegenüber einer anderen in der nächsten Schicht landet, wird minimiert. Anstelle einer zusätzlichen Papierfolie werden heutzutage immer häufiger gemischte Dielektrika mit einer Polyester- oder Polypropylenfolie zusammen mit der metallisierten Papierfolie verwendet. Es gibt auch Varianten mit einer metallisierten Kunststofffolie und einer imprägnierten Papierfolie.

Der echte MP-Kondensator war einmal außer Gebrauch, aber gleichzeitig mit den Erfahrungen aus den Kunststofffolien erlebte er eine gut motivierte Renaissance. Es hat vor allem mit dem Bedarf an Transientenschutzkondensatoren in Netzanwendungen zu tun. Gemäß Tabelle C2-1 sind die Kohlenstoffablagerungen aus bei der Herstellung entstehenden Selbstheilungen – sogenannte Clearings – für Cellulosematerialien einmalig gering, während die notwendige Energiefreisetzung auf völlig unbedenklichem Niveau (ΔV ≈ -10 mV… -1 V) aufhört. Siehe Abbildung C2-24.

Außerdem hat der MP-Kondensator einen weiteren Vorteil bei Impulsanwendungen. Impulse bedeuten steile Spannungsanstiegszeiten und hohe Lade- und Entladeströme. Die übliche Zinkmetallisierung zusammen mit einem Endspritzmetall aus einer Zinkverbindung (Shooping-Metall) ergibt genau das niedrige ESR in der Kontaktgrenzfläche, das zur Vermeidung einer lokalen Erwärmung notwendig ist. Repetitive Verläufe von Impulsereignissen können andererseits aufgrund der dielektrischen Verluste zu einer inneren Erwärmung führen. Wenn der Kondensator als Energiespeicherpulsgeber verwendet wird, geht ein Teil der Energie im dielektrischen Verlustwiderstand Rd verloren. Die Spannung Vc des geladenen Kondensators wird bei der Entladung in Vd und VL geteilt (Abbildung C2-19).

Abbildung C2-19. Energieverlust im Dielektrikum bei einer Impulslast.

C 2.2.3 Transientenunterdrückung / X- und Y-Kondensatoren

In der Gruppe der HF-Kondensatoren, die vor Hochfrequenzstörungen schützen sollen, sind sogenannte X- und Y-Kondensatoren enthalten. Sie werden gemäß Abbildung C2-20 an das Stromnetz angeschlossen. Dort dienen sie auch einem anderen wichtigen Zweck. Transienten schlagen nämlich jedes Stromnetz relativ oft an. Sie können von „außen“ kommen, aber auch von unseren eigenen Geräten erzeugt werden.

Zwischen 80 und 90 % aller Transienten aus dem Netz dauern zwischen 1 und 10 µs, sind höher als 1000 V, haben Spannungsanstiegszeiten von 200 bis 2000 V/µs und treten mindestens 10 mal am Tag auf. Wir sind uns bewusst, dass ihr Schaden beseitigt werden muss. Dies geschieht durch die X-Kondensatoren, die somit zwischen die Leitungen des Netzes geschaltet sind.

Die Y-Kondensatoren stellen eine andere Art der Transientenunterdrückung dar. Sie sind zwischen einer der Stromleitungen und der geerdeten Abdeckung elektrischer Geräte angeschlossen. Hier fordern wir eine besonders hohe Sicherheit gegen Kurzschlüsse, um zu verhindern, dass die Geräte unter Spannung gesetzt werden und dadurch schwere Personenschäden verursachen. Außerdem muss der Y-Kondensator eine begrenzte Kapazität haben, um im Falle eines möglichen offenen Stromkreises im Erdungskabel keine schädlich hohen Ströme durch den menschlichen Körper zu erzeugen (siehe Abbildung C2-20).

Abbildung C2-20. Anschluss von X- und Y-Kondensatoren.

Um zu überprüfen, ob die X- und Y-Kondensatoren auftretenden Transienten wirklich standhalten, müssen sie die folgenden drei Tests ohne Anmerkungen bestehen.

1. Lebensdauertest nach IEC 384-14, 1000 Stunden bei Tuc und 1,25xVR + 1000 Vrms pro Stunde für 0,1 s.

Abbildung C2-21. Lebensdauertest von X- und Y-Kondensatoren.

1. Stoßspannungsprüfung nach 384-14. Drei Impulse von Vp = 2,5 bis 5 kV je nach Kondensatortyp.

Abbildung C2-22. Stoßspannungsprüfung von X- und Y-Kondensatoren.

1. Lade- und Entladetest nach IEC 384-14. 10 000 Impulse bei 100 V/s und 2xVR.

Abbildung C2-23. Ladung und entladung test von X und Y kondensatoren.

X- und Y-Kondensatoren müssen für den Einsatz in den jeweiligen Ländern von den nationalen Kontrollbehörden zugelassen sein. In den Herstellerkatalogen könnte es „genehmigt von SEMKO“ (Schweden), von DEMKO (Dänemark), von VDE (Deutschland), von UL (USA), von BSI (Großbritannien) usw. stehen. Jetzt sind alle europäischen Prüfroutinen in einer Norm, EN 13 24 00, zusammengefasst. Die US-amerikanischen Standards werden unter UL und die kanadischen unter CSA gesammelt.

MP oder MK?

Bei X- und Y-Kondensatoranwendungen müssen wir mit selbstheilenden Ausfällen rechnen. Der Spannungsabfall, der durch eine Selbstheilung verursacht wird, hängt von der Energie ab, die verbraucht wird, um Dielektrikum und Metallisierung zu verdampfen. Hier sind MPs mit ihrer Zinkmetallisierung Kunststofffolienkondensatoren überlegen, die traditionell eine Al-Metallisierung aufweisen, deren Verdampfungsprozess eine um ein Vielfaches höhere Energie erfordert als Zn. Heutzutage werden jedoch Kunststofffolienkondensatoren (MK) mit Metallisierungslegierungen auf Basis der vorteilhaften Eigenschaften von Zink, jedoch ohne dessen Neigung zur wässrigen Korrosion, auf den Markt gebracht.

Weiter gibt es spezielle Konstruktionen metallisierter Kunststofffolien, bei denen eine segmentierte Metallisierung verwendet wird, die manchmal als Strukturmetallisierung bezeichnet wird. Die Oberfläche ist in voneinander abgegrenzte Elemente unterteilt, die über schmale Tore in Reichweite des Ladestroms sind. Bei einer Selbstheilung verbrennt der Stoßstrom sie ab. Siehe Beispiel in Abbildung C2-25 und -26 unten. Das Oberflächenelement wird isoliert und der Entladestrom von anderen Elementen sowie der beginnende Spannungsabfall werden abgeschnitten. Man erhält ungefähr die gleiche Energiebegrenzung wie durch eine Selbstheilung in einem MP-Kondensator, insbesondere wenn die Strukturmetallisierung mit einer Auswahl moderner Metallisierungslegierungen kombiniert wird. Die folgende Abbildung C2-24 zeigt typische Selbstheilungseffekte auf den Spannungsabfall über einem Kondensator.

Abbildung C 2-24. Typische Spannungsabfälle DVC bei einer Selbstheilung (SH) in einem MP- und einem MK-Kondensator unter Spannung. SHMP “ SHMK-Struktur.

Die bisher verwendeten metallisierten Kunststofffolien (MK) sind Polyester (MKT) und Polypropylen (MKP). Letzteres muss aufgrund seiner hervorragenden Selbstheilungschemie nicht strukturmetallisiert werden. In Kombination mit einer sehr dünnen ZnAl-Metallisierung erhält das Design die gleichen Eigenschaften wie die strukturmetallisierte MK. Darüber hinaus sind seine Hochfrequenzeigenschaften denen anderer Filme überlegen.

Abbildung C 2-25. Beispiel einer Struktur metallisierte Folie und der Selbstheilungsstrom.

Die Metallisierung in strukturierten Oberflächenelementen stellt hohe Anforderungen an das Design. Selbst wenn kostengünstige Methoden entwickelt werden, führen sie zu einem gewissen Preisanstieg. Die vereinfachte segmentierte Metallisierung in Abbildung C2-25 besteht eigentlich aus einem gitterartigen Muster, das über die gesamte Oberfläche verteilt ist.

Abbildung C2-26. Gitterartiges Metallisierungsmuster.

Eine weitere und sehr interessante Strukturmetallisierung besteht aus metallisierten kreisförmigen Oberflächen auf einer dünnen Metallisierung mit hohem spezifischen Oberflächenwiderstand, die die gesamte Oberfläche bedeckt. Die schwachen Kreisverbindungen dienen zusammen mit der dünnen darunterliegenden Metallisierung als Fixierelemente. Die Schmelzfunktion wird durch eine Metallisierung aus Zink oder Niedrigenergielegierung begünstigt.

Abbildung C2-27. Schematische Darstellung der segmentierten Metallisierung.

Jede Selbstheilung reduziert die Kapazität entsprechend der Oberflächenreduktion. Die Meinung des Autors ist, dass der MP-Kondensator den metallisierten MK-Typen immer noch überlegen ist. Aber natürlich erfüllen beide Typen die aktuellen Standards und Sicherheitsanforderungen.

C 2.2.4 Temperatur- und Frequenzabhängigkeiten

Die folgenden Diagramme zeigen einige typische Diagramme für die Temperatur- und Frequenzabhängigkeit von Papierkondensatoren.

Abbildung C2-28. Kapazität C gegen Temperatur T für MP- und ölimprägnierte Papierkondensatoren.

Abbildung C2-29. Typische Frequenzabhängigkeit der Kapazität für Papierkondensatoren.

Abbildung C2-30. Typische Temperaturabhängigkeit des Verlustfaktors für einen MP-Kondensator.

Abbildung C2-31. Typische Frequenzabhängigkeit des Verlustfaktors für einen MP-Kondensator.

Abbildung C2-32. Typischer Kurvenbereich für die Temperaturabhängigkeit des IR für MP-Kondensatoren.

Abbildung C2-33. Beispiele für Impedanz gegen Frequenz für MP-Kondensatoren mit unterschiedlicher Kapazität und Leitungsraum.In Abbildung C1-17 können wir sehen, wie die Impedanzkurve den Boden der ESR-Verluste wie eine biegsame Kurve berührt, lange bevor der kapazitive Zweig den induktiven Zweig schneidet. In Abbildung C2-33 dreht sich die Impedanzkurve jedoch scharf um die Resonanzfrequenz. Die Unterschiede haben mit den Verlusten zu tun. In verlustarmen Bauelementen wie Folienkondensatoren erreicht die abnehmende kapazitive Reaktanzkurve Bereiche um die Resonanzfrequenz, bevor sie den begrenzenden ESR-Beitrag erreicht. Hier fällt die Reaktanz aufgrund der entgegenwirkenden induktiven Reaktanz noch schneller ab als gemäß der Ausgangskurve.

Die Spitze der Impedanzkurve in Abbildung C2-33 ist in einer größeren Vergrößerung nicht so scharf, wie im Diagramm angegeben. Siehe Beispiel in Abbildung C2-43.

(Bei Kondensatoren mit relativ hohen Verlusten wie z.B. Elektrolyten erreichen die Reaktanzkurven den ESR-Beitrag bei Frequenzen weit weg von der Resonanzfrequenz. Hier erzeugt die dipolabhängige Kapazität eine Abweichung nach oben von der anfänglichen Reaktanzkurve verringern, wie in den Figuren C1-17 und 20).

C 2.2.5 Ausfallarten

Eindringende Feuchtigkeit stellt die größte Gefahr für Papierkondensatoren dar, da das Papier Feuchtigkeit aufnimmt, die wiederum die IR beeinflusst und das Dielektrikum schädigt. Für hermetische Bauteile siehe C 2.1.9. Bei Folienkondensatoren laufen interne, frei aufgehängte Anschlussdrähte Gefahr, zu einer Störung zu vibrieren.

Übersichtstabelle

Wie bei Widerständen schließen wir jede Materialgruppe mit einer Übersichtstabelle ab. Es gibt zwei Elektrodenkonstruktionen: metallisiert und Folie. Wenn wir in den Überschriften Folie oder met schreiben, bezieht es sich somit auf den Elektrodentyp.

ABC der CLR: Kapitel C Kondensatoren

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