Condensadores DE papel C 2.2
Bajo este título nos ocupamos principalmente de los dieléctricos de papel puro. Al mismo tiempo, debemos decir que las combinaciones de papel y plástico, es decir, los dieléctricos mixtos, son bastante comunes.
C 2.2.1 Papel/lámina
La historia del condensador comercial comenzó con dieléctricos de lámina de papel y electrodos de láminas de aluminio. Debido a que el papel es poroso, debe impregnarse para evitar efectos de corona y destellos. Se realiza mediante el uso de cera derretida o diferentes tipos de aceites, entre otras cosas, aceites minerales y de silicona. Los aceites aumentan la estabilidad tensional pero disminuyen en cierta medida el er. El papel fibroso tiene un er ≈ 6.6 y el aceite mineral ≈ 2.3 que da al devanado impregnado un er que varía entre 3.1 y 4.5. Las diferencias dependen sobre todo de la presión de bobinado producida por la fuerza de tracción durante el bobinado.
Anteriormente se usaban al menos dos láminas de papel impregnadas debido al carácter del papel. Hoy en día, los dieléctricos mixtos se utilizan con frecuencia cuando el papel se combina con láminas de plástico, generalmente poliéster (PET) o polipropileno.
Dado que las tablas de resumen que siguen a cada tipo de material presentado no tratan por separado los agentes de impregnación y los dieléctricos mezclados, mencionamos algunas de sus características en la siguiente Tabla C2-2.
Cuadro C2-2. Tan δ, 1 kHz y er para algunos dieléctricos mixtos.
El papel impregnado de aceite se utiliza, sobre todo, en la alimentación eléctrica, la red eléctrica y en ciertos condensadores de alimentación. En este manual nos limitamos a los tipos más pequeños que pertenecen a los componentes electrónicos. Constituyen una categoría de componentes de decoloración que cada vez se sustituye más por dieléctricos de plástico.
En condensadores de alimentación y de red comunes destinados a fines de consumo, las carcasas contienen solo una cantidad débil de aceite. La mayor parte de ella existe en las láminas de papel. La impregnación se realiza al vacío en el devanado terminado después de que el papel se haya secado cuidadosamente en un horno.
C 2.2.2 MP (papel metalizado)
El primer condensador de película metalizada se construyó con papel metalizado. La lámina MP se parece en principio a la de la Figura C2-18.
Figura C2-18. Corte transversal a través de una lámina de MP.
Como agentes de impregnación predominan sustancias sólidas como el epoxi, pero los aceites vegetales pueden aparecer en ciertos tipos. La impregnación también protege la metalización del zinc contra la corrosión acuosa y la oxidación. Debido a que el papel es poroso y en ciertos puntos puede contener algunas impurezas o debilidades, en aplicaciones profesionales se deben usar diseños con al menos dos capas de láminas de papel. Se minimiza el riesgo de que un punto débil de una lámina caiga frente a otra en la siguiente capa. En lugar de una lámina de papel adicional hoy en día, los dieléctricos mixtos se utilizan cada vez con más frecuencia con una película de poliéster o polipropileno junto con la lámina de papel metalizado. También se producen variantes con una película de plástico metalizado y una lámina de papel impregnada.
El condensador MP genuino una vez se cayó de uso, pero al mismo tiempo que las experiencias de las películas de plástico, ha sido testigo de un renacimiento bien motivado. Sobre todo tiene que ver con la necesidad de condensadores de protección transitoria en aplicaciones de red. De acuerdo con la Tabla C2-1, el depósito de carbono de las autocuraciones producidas durante la fabricación, los llamados claros, son excepcionalmente bajos para los materiales de celulosa, al mismo tiempo que la liberación de energía necesaria se detiene en niveles completamente inofensivos (ΔV ≈ -10 mV V -1 V). Véase la figura C2-24.
Además, el condensador MP tiene otra ventaja en aplicaciones de pulso. Los pulsos significan tiempos de subida de tensión pronunciados y altas corrientes de carga y descarga. La metalización de zinc habitual, junto con un metal de pulverización final que consiste en un compuesto de zinc (metal de reborde), proporciona la baja ESR en la interfaz de contacto que es necesaria para evitar un calentamiento local. Los ciclos repetitivos de eventos de pulso pueden, por otro lado, crear calentamiento interno debido a las pérdidas dieléctricas. Si el condensador se utiliza como transmisor de impulsos de almacenamiento de energía, parte de la energía se perderá en la resistencia a la pérdida dieléctrica Rd. La tensión Vc del condensador cargado en la descarga será la tensión dividida en Vd y VL (Figura C2-19).
Figura C2-19. Pérdida de energía en el dieléctrico con una carga de pulso.
C 2.2.3 Condensadores de supresión transitoria/condensadores X e Y
En el grupo de condensadores RFI que protegerán contra interferencias de Radiofrecuencia se incluyen los denominados condensadores X e Y. Están conectados a la red eléctrica de acuerdo con la Figura C2-20. Allí también sirven para otro propósito importante. Los transitorios golpean, es decir, todas las tuberías vivas con relativa frecuencia. Pueden venir del «exterior», pero también pueden ser generados por nuestro propio equipo.
Entre el 80 y el 90% de todos los transitorios de la red eléctrica duran entre 1 y 10 µs, son superiores a 1000 V, tienen tiempos de subida de tensión de 200 a 2000 V/µs y se producen al menos 10 veces al día. Nos damos cuenta de que su daño debe eliminarse. Se realiza mediante los condensadores X que, por lo tanto, están conectados entre las líneas de la red eléctrica.
Los condensadores en Y representan otro tipo de supresión transitoria. Están conectados entre cualquiera de las líneas eléctricas y la cubierta a tierra del equipo eléctrico. Aquí requerimos una seguridad extra alta contra cortocircuitos para evitar que el equipo se ponga bajo tensión y, por lo tanto, cause lesiones personales graves. Además, el condensador en Y debe tener una capacitancia limitada para no provocar corrientes dañinas altas a través del cuerpo humano en caso de un posible circuito abierto en el cable de tierra (ver Figura C2-20).
Figura C2-20. Conexión de condensadores X e Y.
Para verificar que los condensadores X e Y realmente pueden soportar transitorios que ocurren, deben pasar las tres pruebas siguientes sin comentarios.
- Prueba de vida según IEC 384-14, 1000 horas a Tuc y 1,25 xVR + 1000 Vrms cada hora para 0,1 s.
Figura C2-21. Prueba de vida útil de condensadores X e Y.
- Prueba de sobretensión de acuerdo con 384-14. Tres pulsos de Vp = 2,5 a 5 kV dependiendo del tipo de condensador.
Figura C2-22. Prueba de sobretensión de condensadores X e Y.Prueba de carga y descarga según IEC 384-14. 10 000 pulsos a 100 V / s y 2xVR.
Figura C2-23. Prueba de carga y descarga de condensadores X e Y.
Los condensadores X y Y deben contar con la aprobación de las autoridades nacionales de inspección para poder utilizarse en los respectivos países. En los catálogos de los fabricantes se podría escribir «aprobado por SEMKO» (Suecia), por DEMKO (Dinamarca), por VDE (Alemania), por UL (Estados Unidos), por BSI (Gran Bretaña), etc. Ahora todas las rutinas de comprobación europeas se recogen en una única norma, EN 13 24 00. Los estándares de los Estados Unidos se recopilan bajo UL y los canadienses bajo CSA.
¿MP o MK?
En aplicaciones de condensadores X e Y, tenemos que contar con averías de autorrecuración. La caída de tensión causada por una autocuración depende de la energía que se consume para evaporar el dieléctrico y la metalización. Aquí los MPs con su metalización de zinc han sido superiores a los condensadores de película plástica que, por tradición, han tenido una metalización Al cuyo proceso de evaporación requiere varias veces más energía que el Zn. Sin embargo, hoy en día, los condensadores de película plástica (MK) se comercializan con aleaciones de metalización basadas en las características ventajosas del zinc, pero sin tendencia a la corrosión acuosa.
Más adelante existen diseños especiales de películas de plástico metalizadas donde se utiliza una metalización segmentada, a veces llamada metalización de estructura. La superficie está dividida en elementos demarcados mutuamente que están al alcance de la corriente de carga a través de puertas estrechas. En un proceso de autocuración, la sobretensión los quema. Véase el ejemplo de las figuras C2-25 y -26 a continuación. El elemento de superficie se aísla y se corta la corriente de descarga de otros elementos, así como la caída de tensión inicial. Se obtiene aproximadamente la misma limitación de energía que un condensador MP autocurable, especialmente si la metalización de la estructura se combina con opciones de aleaciones metalizadas modernas. La siguiente Figura C2 – 24 muestra los efectos típicos de autocuración en la caída de tensión sobre un condensador.
la Figura C 2-24. Las caídas de voltaje típicas de DVC en un condensador de autocuración (SH) en un MP y un MK bajo tensión. SHMP » SHMK-estructura.
Las películas de plástico metalizado (MK) que se han utilizado hasta ahora son de poliéster (MKT) y polipropileno (MKP). Este último no necesita ser metalizado por estructura debido a su excelente química de auto-curación. Combinado con una metalización ZnAl muy fina, el diseño obtiene las mismas características que la estructura metalizada MK. Además, sus características de alta frecuencia son superiores a las de otras películas.
la Figura C 2-25. Ejemplo de una estructura de lámina metalizada y la corriente de autocuración.
La metalización en elementos de superficie estructurada hace grandes demandas para el diseño. Incluso si se desarrollan métodos rentables, implican un cierto aumento de los precios. La metalización segmentada simplificada de la Figura C2 – 25 en realidad consiste en un patrón en forma de cuadrícula que se distribuye por toda la superficie.
Figura C2-26. Patrón de metalización en forma de rejilla.
Otra metalización de estructuras muy interesante consiste en superficies circulares metalizadas encima de una metalización de alta resistividad superficial delgada que cubre la superficie total. Las uniones circulares débiles sirven junto con la fina metalización subyacente como elementos de fusión. La función de fusión se ve favorecida por una metalización de zinc o aleación de baja energía.
Figura C2-27. Esquema de metalización segmentada.
Cada autocuración reduce la capacitancia de forma correspondiente a la reducción de la superficie. La opinión del autor es que el condensador MP sigue siendo superior a los tipos MK metalizados de estructura. Pero, por supuesto, ambos tipos cumplen con los estándares y requisitos de seguridad actuales.
C 2.2.4 Dependencias de temperatura y frecuencia
Los siguientes diagramas muestran algunos gráficos típicos de la dependencia de temperatura y frecuencia de los condensadores de papel.
Figura C2-28. Capacitancia C versus temperatura T para condensadores de papel impregnados de aceite y MP.
Figura C2-29. Dependencia de frecuencia típica de la capacitancia para condensadores de papel.
Figura C2-30. Dependencia típica de la temperatura del factor de disipación para un condensador MP.
Figura C2-31. Dependencia de frecuencia típica del factor de disipación para un condensador MP.
Figura C2-32. Área de curva típica para la dependencia de temperatura del IR para condensadores MP.
Figura C2-33. Ejemplos de impedancia versus frecuencia para condensadores MP con capacitancia y espacio de derivación diferentes.
En la Figura C1-17 podemos ver cómo la curva de impedancia toca la parte inferior de las pérdidas de ESR como una curva flexible mucho antes de que la rama capacitiva corte la inductiva. En la Figura C2-33, sin embargo, la curva de impedancia desciende en un punto agudo alrededor de la frecuencia de resonancia. Las diferencias tienen que ver con las pérdidas. En componentes de baja pérdida como condensadores de película, la curva de reactancia capacitiva decreciente alcanza áreas alrededor de la frecuencia de resonancia antes de llegar a la contribución limitante de ESR. Aquí la reactancia cae incluso más rápido que de acuerdo con la curva inicial debido a la reactancia inductiva contrarrestante.
La punta de la curva de impedancia en la Figura C2-33 está en un aumento mayor no tan agudo que se indica en el diagrama. Véase el ejemplo de la Figura C2-43.
(En condensadores con pérdidas bastante altas como, por ejemplo, electrolíticos, las curvas de reactancia alcanzan la contribución ESR a frecuencias muy alejadas de la frecuencia de resonancia. Aquí se produce la disminución de capacitancia dependiente de dipolo una desviación hacia arriba de la curva de reactancia inicial, como se muestra en las Figuras C1-17 y 20).
C 2.2.5 Modos de falla
La humedad penetrante representa la mayor amenaza contra los condensadores de papel porque el papel absorbe la humedad que a su vez afecta al IR y daña el dieléctrico. En cuanto a los componentes herméticos, véase C 2.1.9. En los condensadores de aluminio internos, los cables terminales suspendidos libremente corren el riesgo de vibrar o interrumpirse.
Tabla de levantamiento
Al igual que con respecto a las resistencias, concluimos cada grupo de materiales con una tabla de levantamiento. Se producen dos diseños de electrodos: metalizado y laminado. Cuando en los encabezados escribimos papel de aluminio o nos encontramos, por lo tanto, se refiere al tipo de electrodo.
ABC de CLR: Condensadores de capítulo C
Condensadores de papel
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Expertos del Instituto Europeo de Componentes Pasivos de EPCI artículos originales
Manual de Componentes Pasivos de CLR por P-O. Fagerholt *