C 2.2 CONDENSATORI DI CARTA
Sotto questo titolo ci occupiamo principalmente di dielettrici di carta pura. Allo stesso tempo dovremmo dire che le combinazioni di carta e plastica, cioè dielettrici misti, sono piuttosto comuni.
C 2.2.1 Paper/foil
La storia del condensatore commerciale è iniziata con dielettrici di fogli di carta e elettrodi di fogli di alluminio. Poiché la carta è porosa, deve essere impregnata per evitare effetti corona e flash-over. È fatto da uso di cera fusa o diversi tipi di oli, tra le altre cose oli minerali e siliconici. Gli oli aumentano la stabilità tensionale ma diminuiscono in una certa misura l’er. La carta fibrosa ha un er ≈ 6.6 e l’olio minerale ≈ 2.3 che conferisce all’avvolgimento impregnato un er variabile tra 3.1 e 4.5. Le differenze dipendono soprattutto dalla pressione di avvolgimento prodotta dalla forza di trazione durante l’avvolgimento.
In precedenza sono stati utilizzati almeno due fogli di carta impregnati a causa del carattere della carta. Oggi i dielettrici misti sono usati frequentemente dove la carta è combinata con fogli di plastica, solitamente poliestere (PET) o polipropilene.
Poiché le tabelle riassuntive che seguono ogni tipo di materiale presentato non trattano separatamente gli agenti di impregnazione e i dielettrici misti, menzioniamo alcune delle loro caratteristiche nella seguente tabella C2-2.
Tabella C2-2. Tan δ, 1 kHz e er per alcuni dielettrici misti.
La carta impregnata di olio è soprattutto utilizzata nell’alimentazione, nella rete e in alcuni condensatori passanti. In questo manuale ci limitiamo a quei tipi più piccoli che appartengono ai componenti elettronici. Costituiscono una categoria di componenti sbiaditi che viene sempre più sostituita con dielettrici in plastica.
Nei comuni condensatori di rete e di alimentazione destinati ai consumatori, gli involucri contengono solo una debole quantità di olio. La maggior parte di esso esiste nei fogli di carta. L’impregnazione è effettuata in vuoto sull’avvolgimento finito dopo che la carta prima è stata asciugata accuratamente in un forno.
C 2.2.2 MP (carta metallizzata)
Il primo condensatore a film metallizzato è stato costruito con carta metallizzata. Il foglio MP sembra in linea di principio come quello in Figura C2-18.
Figura C2-18. Sezione trasversale attraverso un foglio MP.
Come agenti di impregnazione sostanze solide come epossidica è predominante, ma oli vegetali possono verificarsi in alcuni tipi. L’impregnazione protegge anche la metallizzazione dello zinco dalla corrosione e dall’ossidazione acquosa. Poiché la carta è porosa e in alcuni punti può contenere alcune impurità o debolezze, nelle applicazioni professionali è necessario utilizzare disegni con almeno due strati di fogli di carta. Il rischio che un punto debole in un foglio si trovi di fronte a un altro nello strato successivo è ridotto al minimo. Al posto di un foglio di carta extra oggi i dielettrici misti sono sempre più frequentemente utilizzati con un film di poliestere o polipropilene insieme al foglio di carta metallizzato. Si verificano anche varianti con un film plastico metallizzato e un foglio di carta impregnato.
Il condensatore MP originale una volta stava cadendo fuori uso, ma in concomitanza con le esperienze dei film plastici ha assistito a una rinascita ben motivata. Soprattutto ha a che fare con la necessità di condensatori di protezione transitoria nelle applicazioni di rete. Secondo la Tabella C2-1 il deposito di carbonio derivante dalle auto – guarigioni prodotte durante la fabbricazione – le cosiddette clearings-sono unicamente bassi per i materiali cellulosici allo stesso tempo in cui il rilascio di energia necessaria si ferma a livelli completamente innocui (ΔV ≈ -10 mV… -1 V). Vedi Figura C2-24.
Oltre al condensatore MP ha un altro vantaggio nelle applicazioni a impulsi. Gli impulsi significano tempi di salita di tensione ripidi e correnti di carica e scarica elevate. La metallizzazione dello zinco usuale insieme ad un metallo dello spruzzo dell’estremità che consiste di un composto dello zinco (metallo di shooping) dà appena quel ESR basso nell’interfaccia del contatto che è necessaria per evitare un riscaldamento locale. Corsi ripetitivi di eventi di impulso possono d’altra parte creare riscaldamento interno a causa delle perdite dielettriche. Se il condensatore viene utilizzato come trasmettitore di impulsi di immagazzinamento di energia, parte dell’energia verrà persa nella resistenza alla perdita dielettrica Rd. La tensione Vc del condensatore caricato sarà alla scarica essere tensione divisa in Vd e VL (Figura C2-19).
Figura C2-19. Perdita di energia nel dielettrico ad un carico di impulso.
C 2.2.3 Soppressione dei transienti / Condensatori X e Y
Nel gruppo di condensatori RFI che devono proteggere dalle interferenze a radiofrequenza sono inclusi i cosiddetti condensatori X e Y. Sono collegati alla rete elettrica secondo la figura C2-20. Lì servono anche un altro scopo importante. I transienti colpiscono in particolare ogni rete live relativamente spesso. Possono provenire dall ‘” esterno ” ma possono anche essere generati dalle nostre attrezzature.
Tra l ‘ 80 e il 90% di tutti i transitori dalla rete elettrica durano tra 1 e 10 µs, sono superiori a 1000 V, hanno tempi di aumento della tensione da 200 a 2000 V / µs e si verificano almeno 10 volte al giorno. Ci rendiamo conto che il loro danno deve essere eliminato. È fatto dai condensatori X che quindi sono collegati tra le linee della rete.
I condensatori Y rappresentano un altro tipo di soppressione transitoria. Sono collegati tra una delle linee elettriche e il coperchio a terra delle apparecchiature elettriche. Qui abbiamo bisogno di una maggiore sicurezza contro i cortocircuiti al fine di evitare che l’apparecchiatura venga messa in tensione e causando così gravi lesioni personali. Inoltre, il condensatore Y deve avere una capacità limitata in modo da non provocare correnti dannosamente elevate attraverso il corpo umano in caso di un possibile circuito aperto nel filo di terra (vedi Figura C2-20).
Figura C2-20. Collegamento di condensatori X e Y.
Per verificare che i condensatori X e Y siano realmente in grado di resistere ai transitori che si verificano, devono superare i seguenti tre test senza osservazioni.
- Prova di vita secondo IEC 384-14, 1000 ore a Tuc e 1.25 xVR + 1000 Vrms ogni ora per 0.1 s.
Figura C2-21. Prova di vita dei condensatori X e Y.
- Surge tensione di prova secondo 384-14. Tre impulsi di Vp = da 2,5 a 5 kV a seconda del tipo di condensatore.
Figura C2-22. Test di tensione di sovratensione di condensatori X e Y.
- Test di carica e scarica secondo IEC 384-14. 10 000 impulsi a 100 V / s e 2xVR.
Figura C2-23. Test di carica e scarica di condensatori X e Y.
I condensatori X e Y devono essere approvati dalle autorità nazionali di ispezione per poter essere utilizzati nei rispettivi paesi. Nei cataloghi dei produttori potrebbe essere scritto “approvato da SEMKO” (Svezia), da DEMKO (Danimarca), da VDE (Germania), da UL (USA), da BSI (Gran Bretagna) ecc. Ora tutte le routine di controllo europee sono raccolte in una norma, EN 13 24 00. Gli standard USA sono raccolti sotto UL e il canadese sotto CSA.
MP o MK?
Nelle applicazioni con condensatore X e Y dobbiamo contare su guasti di auto – guarigione. La caduta di tensione causata da un’auto-guarigione dipende dall’energia che viene consumata per evaporare dielettrica e metallizzazione. Qui i PM con la loro metallizzazione dello zinco sono stati superiori ai condensatori a film plastico che per tradizione hanno avuto una metallizzazione Al il cui processo di evaporazione richiede un’energia parecchie volte superiore rispetto allo Zn. Oggigiorno, tuttavia, i condensatori a film plastico (MK) vengono introdotti sul mercato con leghe di metallizzazione basate sulle caratteristiche vantaggiose dello zinco ma senza la sua tendenza alla corrosione acquosa.
Più avanti esistono disegni speciali di film plastici metallizzati in cui viene utilizzata una metallizzazione segmentata, a volte chiamata metallizzazione della struttura. La superficie è divisa in elementi reciprocamente delimitati che sono alla portata della corrente di carica tramite porte strette. Ad un auto-guarigione la corrente di picco li brucia. Vedi esempio in Figura C2-25 e -26 sotto. L’elemento di superficie è isolato e la corrente di scarica da altri elementi viene interrotta così come la caduta di tensione iniziale. Si ottiene approssimativamente la stessa limitazione di energia di un’auto-guarigione in un condensatore MP, specialmente se la metallizzazione della struttura è combinata con scelte di leghe di metallizzazione moderne. La figura seguente C2-24 mostra i tipici effetti di auto-guarigione sulla caduta di tensione su un condensatore.
Figura C 2-24. Tipica tensione scende DVC ad un auto-guarigione (SH) in un MP e un condensatore MK sotto tensione. SHMP ” SHMK-struttura.
I film plastici metallizzati (MK) finora utilizzati sono poliestere (MKT) e polipropilene (MKP). Quest’ultimo non deve essere metallizzato a causa della sua eccellente chimica di auto-guarigione. Combinato con metallizzazione ZNAL molto sottile il design ottiene le stesse caratteristiche della struttura metallizzata MK. Inoltre le sue caratteristiche ad alta frequenza sono superiori a quelle di altri film.
Figura C 2-25. Esempio di una struttura lamina metallizzata e la corrente di auto-guarigione.
La metallizzazione in elementi di superficie strutturati richiede grandi esigenze per il design. Anche se vengono sviluppati metodi convenienti, comportano un certo aumento dei prezzi. La metallizzazione segmentata semplificata nella figura C2-25 consiste in realtà in un modello simile a una griglia distribuito su tutta la superficie.
Figura C2-26. Modello di metallizzazione a griglia.
Un’altra, e molto interessante, metallizzazione della struttura consiste di superfici circolari metallizzate sopra una sottile, alta metallizzazione di resistività superficiale che copre la superficie totale. I giunti circolari deboli servono insieme alla sottile metallizzazione sottostante come elementi di fusione. La funzione di fusione è favorita da una metallizzazione di zinco o lega a bassa energia.
Figura C2-27. Schema di metallizzazione segmentata.
Ogni auto-guarigione riduce la capacità corrispondentemente alla riduzione della superficie. L’opinione dell’autore è che il condensatore MP sia ancora superiore alla struttura dei tipi MK metallizzati. Ma, naturalmente, entrambi i tipi soddisfano gli standard e i requisiti di sicurezza attuali.
C 2.2.4 Dipendenze di temperatura e frequenza
I diagrammi seguenti mostrano alcuni grafici tipici per la dipendenza di temperatura e frequenza dei condensatori di carta.
Figura C2-28. Capacità C rispetto alla temperatura T per condensatori MP e carta impregnata di olio.
Figura C2-29. Dipendenza frequenza tipica della capacità per condensatori di carta.
Figura C2-30. Dipendenza temperatura tipica del fattore di dissipazione per un condensatore MP.
Figura C2-31. Dipendenza frequenza tipica del fattore di dissipazione per un condensatore MP.
Figura C2-32. Area curva tipica per la dipendenza della temperatura dell’IR per condensatori MP.
Figura C2-33. Esempi di impedenza contro frequenza per condensatori MP con diversa capacità e spazio di piombo.
In Figura C1-17 possiamo vedere come la curva di impedenza tocca il fondo delle perdite di ESR come una curva flessibile molto prima che il ramo capacitivo tagli quello induttivo. Nella Figura C2-33, tuttavia, la curva di impedenza si abbassa in un punto acuto attorno alla frequenza di risonanza. Le differenze hanno a che fare con le perdite. Nei componenti a bassa perdita come i condensatori a film, la curva di reattanza capacitiva decrescente raggiunge le aree attorno alla frequenza di risonanza prima di arrivare al contributo di ESR limitante. Qui la reattanza scende ancora più velocemente rispetto alla curva iniziale a causa della reattanza induttiva contrastante.
La punta della curva di impedenza in Figura C2-33 è in un ingrandimento maggiore non così nitido che è indicato nel diagramma. Vedi esempio nella figura C2-43.
(Nei condensatori con perdite piuttosto elevate come, ad esempio, gli elettrolitici, le curve di reattanza raggiungono il contributo ESR a frequenze lontane dalla frequenza di risonanza. Qui produce la capacità dipolo dipendente diminuire una deviazione verso l’alto dalla curva di reattanza iniziale, come mostrato nelle figure C1-17 e 20).
C 2.2.5 Modalità di guasto
L’umidità penetrante rappresenta la più grande minaccia contro i condensatori di carta perché la carta assorbe l’umidità che a sua volta influisce sull’IR e danneggia il dielettrico. Per quanto riguarda i componenti ermetici, vedere C 2.1.9. In condensatori stagnola interna, fili terminali liberamente sospesi corrono il rischio di vibrazione alla rottura.
Tabella di rilevamento
Proprio come per quanto riguarda i resistori, concludiamo ogni gruppo di materiali con una tabella di rilevamento. Si verificano due disegni di elettrodi: metallizzato e lamina. Quando nelle intestazioni scriviamo lamina o incontrato si riferisce quindi al tipo di elettrodo.
ABC di CLR: Capitolo C Condensatori
Condensatori di carta
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