C 2.2 CONDENSATEURS PAPIER
Sous ce titre, nous traitons principalement des diélectriques en papier pur. En même temps, il faut dire que les combinaisons de papier et de plastique, c’est-à-dire de diélectriques mixtes, sont assez courantes.
C 2.2.1 Papier / feuille
L’histoire du condensateur commercial a commencé avec des diélectriques en feuille de papier et des électrodes en feuilles d’aluminium. Parce que le papier est poreux, il doit être imprégné afin d’éviter les effets corona et les flash-overs. Il se fait à l’aide de cire fondue ou de différents types d’huiles, entre autres des huiles minérales et de silicone. Les huiles augmentent la stabilité en tension mais diminuent dans une certaine mesure l’er. Le papier fibreux a un er ≈ 6,6 et l’huile minérale ≈ 2,3 ce qui donne à l’enroulement imprégné un er variant entre 3,1 et 4,5. Les différences dépendent avant tout de la pression d’enroulement produite par la force de traction lors de l’enroulement.
Autrefois, au moins deux feuilles de papier imprégnées étaient utilisées en raison du caractère du papier. Aujourd’hui, les diélectriques mixtes sont fréquemment utilisés lorsque le papier est combiné avec des feuilles de plastique, généralement du polyester (PET) ou du polypropylène.
Parce que les tableaux récapitulatifs qui suivent chaque type de matériau présenté ne traitent pas séparément des agents d’imprégnation et des diélectriques mixtes, nous mentionnons certaines de leurs caractéristiques dans le tableau C2-2 suivant.
Tableau C2-2. Tan δ, 1 kHz et er pour certains diélectriques mixtes.
Le papier imprégné d’huile est avant tout utilisé dans l’alimentation, le secteur et dans certains condensateurs d’alimentation. Dans ce manuel, nous nous limitons aux types plus petits qui appartiennent aux composants électroniques. Ils constituent une catégorie de composants décolorants qui est de plus en plus remplacée par des diélectriques plastiques.
Dans les canalisations communes et les condensateurs d’alimentation destinés à la consommation, les boyaux ne contiennent qu’une faible quantité d’huile. La plupart existent dans les feuilles de papier. L’imprégnation est effectuée sous vide sur l’enroulement fini après que le papier a d’abord été séché soigneusement dans un four.
C 2.2.2 MP (papier métallisé)
Le premier condensateur à film métallisé a été construit avec du papier métallisé. La feuille MP ressemble en principe à celle de la figure C2-18.
Figure C2-18. Coupe transversale à travers une feuille MP.
En tant qu’agents d’imprégnation, des substances solides comme l’époxy sont prédominantes, mais des huiles végétales peuvent être présentes dans certains types. L’imprégnation protège également la métallisation du zinc contre la corrosion aqueuse et l’oxydation. Étant donné que le papier est poreux et que certains points peuvent contenir des impuretés ou des faiblesses, il est nécessaire, dans les applications professionnelles, d’utiliser des conceptions avec au moins deux couches de feuilles de papier. Le risque qu’un point faible dans une feuille se pose en face d’un autre dans la couche suivante est minimisé. À la place d’une feuille de papier supplémentaire de nos jours, des diélectriques mixtes sont de plus en plus fréquemment utilisés avec un film de polyester ou de polypropylène avec la feuille de papier métallisé. Il existe également des variantes avec un film plastique métallisé et une feuille de papier imprégnée.
Le condensateur MP authentique tombait autrefois hors d’usage, mais parallèlement aux expériences des films plastiques, il a connu une renaissance bien motivée. Cela a surtout à voir avec la nécessité de condensateurs de protection contre les transitoires dans les applications secteur. Selon le tableau C2-1, les dépôts de carbone provenant des auto–cicatrisants produits lors de la fabrication – appelés clairières – sont particulièrement faibles pour les matériaux cellulosiques en même temps que la libération d’énergie nécessaire s’arrête à des niveaux totalement inoffensifs (ΔV ≈-10 mV… -1 V). Voir Figure C2-24.
En outre, le condensateur MP présente un autre avantage aux applications d’impulsions. Les impulsions signifient des temps de montée en tension abrupts et des courants de charge et de décharge élevés. La métallisation habituelle du zinc avec un métal de pulvérisation d’extrémité constitué d’un composé de zinc (métal de shooping) donne juste cette faible ESR dans l’interface de contact qui est nécessaire pour éviter un échauffement local. Des cycles répétitifs d’événements impulsionnels peuvent en revanche créer un échauffement interne à cause des pertes diélectriques. Si le condensateur est utilisé comme émetteur d’impulsions de stockage d’énergie, une partie de l’énergie sera perdue dans la résistance de perte diélectrique Rd. La tension Vc du condensateur chargé sera à la décharge une tension divisée en Vd et VL (Figure C2-19).
Figure C2-19. Perte d’énergie dans le diélectrique à une charge d’impulsion.
C 2.2.3 Suppression des transitoires / Condensateurs X et Y
Dans le groupe des condensateurs RFI qui doivent protéger contre les interférences radiofréquences, les condensateurs X et Y sont inclus. Ils sont connectés au secteur selon la figure C2-20. Là, ils servent également un autre objectif important. Les transitoires frappent relativement souvent toutes les conduites sous tension. Ils peuvent provenir de ”l’extérieur” mais peuvent également être générés par nos propres équipements.
Entre 80 et 90% de tous les transitoires du secteur durent entre 1 et 10 µs, sont supérieurs à 1000 V, ont des temps de montée en tension de 200 à 2000 V /µs et se produisent au moins 10 fois par jour. Nous réalisons que leurs dommages doivent être éliminés. Cela se fait par les condensateurs X qui sont ainsi connectés entre les lignes du secteur.
Les condensateurs en Y représentent un autre type de suppression transitoire. Ils sont connectés entre l’une ou l’autre des lignes électriques et le couvercle mis à la terre de l’équipement électrique. Ici, nous exigeons une sécurité supplémentaire contre les courts-circuits afin d’éviter que l’équipement ne soit mis sous tension et ne provoque ainsi de graves blessures corporelles. En outre, le condensateur en Y doit avoir une capacité limitée afin de ne pas provoquer de courants nocifs élevés à travers le corps humain en cas d’un éventuel circuit ouvert dans le fil de terre (voir Figure C2-20).
Figure C2-20. Connexion des condensateurs X et Y.
Afin de vérifier que les condensateurs X et Y peuvent vraiment résister aux transitoires qui se produisent, ils doivent passer les trois tests suivants sans remarques.
- Test de durée de vie selon IEC 384-14, 1000 heures au Tuc et 1,25 xVR + 1000 Vrms toutes les heures pendant 0,1 s.
Figure C2-21. Test de durée de vie des condensateurs X et Y.
- Test de tension de surtension selon 384-14. Trois impulsions de Vp = 2,5 à 5 kV selon le type de condensateur.
Figure C2-22. Test de tension de surtension des condensateurs X et Y.
- Essai de charge et de décharge selon IEC 384-14. 10 000 impulsions à 100 V/s et 2xVR.
Figure C2-23. Essai de charge et de décharge des condensateurs X et Y.
Les condensateurs X et Y doivent être agréés par les autorités nationales de contrôle pour pouvoir être utilisés dans les pays respectifs. Dans les catalogues des fabricants, il pourrait être écrit ”approuvé par SEMKO” (Suède), par DEMKO (Danemark), par VDE (Allemagne), par UL (États-Unis), par BSI (Grande-Bretagne), etc. Désormais, toutes les routines de contrôle européennes sont rassemblées dans une seule norme, EN 13 24 00. Les normes américaines sont collectées sous UL et les normes canadiennes sous CSA.
MP ou MK?
Dans les applications de condensateurs X et Y, nous devons compter sur des pannes auto-cicatrisantes. La chute de tension provoquée par une auto-cicatrisation dépend de l’énergie consommée pour évaporer le diélectrique et la métallisation. Ici, les MPS avec leur métallisation au zinc ont été supérieurs aux condensateurs à film plastique qui, par tradition, ont eu une métallisation Al dont le processus d’évaporation nécessite plusieurs fois plus d’énergie que le Zn. De nos jours, cependant, des condensateurs à film plastique (MK) sont mis sur le marché avec des alliages de métallisation basés sur les caractéristiques avantageuses du zinc mais sans sa tendance à la corrosion aqueuse.
Plus loin, il existe des conceptions spéciales de films plastiques métallisés où une métallisation segmentée est utilisée, parfois appelée métallisation de structure. La surface est divisée en éléments mutuellement délimités qui sont à portée du courant de charge via des portes étroites. Lors d’une auto-guérison, le courant de surtension les brûle. Voir l’exemple dans les figures C2-25 et -26 ci-dessous. L’élément de surface est isolé et le courant de décharge des autres éléments est coupé ainsi que la chute de tension initiale. On obtient à peu près la même limitation d’énergie que par une auto-cicatrisation dans un condensateur MP, surtout si la métallisation de la structure est combinée à des choix d’alliages de métallisation modernes. La figure suivante C2-24 montre des effets d’auto-guérison typiques sur la chute de tension sur un condensateur.
Figure C 2-24. La tension typique chute DVC à une auto-guérison (SH) dans un condensateur MP et MK sous tension. SHMP » SHMK – structure.
Les films plastiques métallisés (MK) utilisés jusqu’à présent sont le polyester (MKT) et le polypropylène (MKP). Ce dernier n’a pas besoin d’être métallisé en raison de son excellente chimie auto-cicatrisante. Combiné à une métallisation ZnAl très fine, le design obtient les mêmes caractéristiques que la structure métallisée MK. De plus, ses caractéristiques de haute fréquence sont supérieures à celles des autres films.
Figure C 2-25. Exemple d’une structure en feuille métallisée et du courant d’auto-cicatrisation.
La métallisation dans les éléments de surface structurés impose de grandes exigences pour la conception. Même si des méthodes rentables sont développées, elles impliquent une certaine hausse des prix. La métallisation segmentée simplifiée de la figure C2-25 consiste en fait en un motif en forme de grille qui est réparti sur toute la surface.
Figure C2-26. Motif de métallisation en forme de grille.
Une autre métallisation de structure, très intéressante, consiste en des surfaces circulaires métallisées au-dessus d’une métallisation à résistivité superficielle mince et élevée qui recouvre toute la surface. Les joints circulaires faibles servent avec la métallisation sous-jacente mince d’éléments de fusion. La fonction de fusion est favorisée par une métallisation du zinc ou d’un alliage à faible énergie.
Figure C2-27. Schéma de métallisation segmentée.
Chaque auto-guérison réduit la capacité de manière correspondante à la réduction de surface. L’auteur estime que le condensateur MP est toujours supérieur aux types MK métallisés à structure. Mais, bien sûr, les deux types répondent aux normes et aux exigences de sécurité actuelles.
C 2.2.4 Dépendances de température et de fréquence
Les diagrammes suivants montrent quelques graphiques typiques de la dépendance de température et de fréquence des condensateurs en papier.
Figure C2-28. Capacité C par rapport à la température T pour les condensateurs MP et papier imprégné d’huile.
Figure C2-29. Dépendance de fréquence typique de la capacité pour les condensateurs papier.
Figure C2-30. Dépendance typique de la température du facteur de dissipation pour un condensateur MP.
Figure C2-31. Dépendance en fréquence typique du facteur de dissipation pour un condensateur MP.
Figure C2-32. Zone de courbe typique pour la dépendance en température de l’IR pour les condensateurs MP.
Figure C2-33. Exemples d’impédance par rapport à la fréquence pour les condensateurs MP avec une capacité et un espace de connexion différents.
Sur la figure C1-17, nous pouvons voir comment la courbe d’impédance touche le bas des pertes ESR comme une courbe souple bien avant que la branche capacitive ne coupe la branche inductive. Sur la figure C2-33, cependant, la courbe d’impédance s’abaisse en un point aigu autour de la fréquence de résonance. Les différences ont à voir avec les pertes. Dans les composants à faible perte tels que les condensateurs à film, la courbe de réactance capacitive décroissante atteint des zones autour de la fréquence de résonance avant d’atteindre la contribution ESR limitante. Ici, la réactance chute encore plus vite que selon la courbe initiale à cause de la réactance inductive contrecarr.
La pointe de la courbe d’impédance de la figure C2-33 est dans un grossissement plus important qui n’est pas si net que cela est indiqué dans le diagramme. Voir l’exemple de la figure C2-43.
(Dans les condensateurs avec des pertes assez élevées comme, par exemple, l’électrolytique, les courbes de réactance atteignent la contribution ESR à des fréquences éloignées de la fréquence de résonance. Produit ici la diminution de la capacité dépendante du dipôle d’un écart vers le haut par rapport à la courbe de réactance initiale, comme le montrent les figures C1-17 et 20).
C 2.2.5 Modes de défaillance
L’humidité pénétrante représente la plus grande menace contre les condensateurs papier car le papier absorbe l’humidité qui à son tour affecte l’IR et endommage le diélectrique. Concernant les composants hermétiques, voir C 2.1.9. Dans les condensateurs en aluminium, les fils terminaux internes en suspension libre risquent de vibrer jusqu’à la rupture.
Table d’arpentage
Tout comme pour les résistances, nous concluons chaque groupe de matériaux avec une table d’arpentage. Deux conceptions d’électrodes se produisent: métallisées et en feuille. Lorsque nous écrivons dans les rubriques feuille ou rencontré, il se réfère donc au type d’électrode.
ABC des condensateurs CLR: Chapitre C
Condensateurs papier
Contenu sous licence EPCI par:
Experts de l’Institut Européen des Composants Passifs de l’EPCI articles originaux
Manuel des composants passifs du CLR par P-O.Fagerholt*