C 2.2 Kondensatory papierowe
pod tym nagłówkiem mamy do czynienia głównie z czystymi dielektrykami papierowymi. Jednocześnie należy powiedzieć, że połączenia papieru i plastiku, tj. mieszane dielektryki, są dość powszechne.
C 2.2.1 Papier / Folia
historia kondensatora komercyjnego rozpoczęła się od dielektryków z folii papierowej i elektrod z folii aluminiowych. Ponieważ papier jest porowaty, musi być impregnowany, aby zapobiec efektom koronowym i przepaleniu. Odbywa się to za pomocą stopionego wosku lub różnego rodzaju olejów, między innymi olejów mineralnych i silikonowych. Oleje zwiększają stabilność napinania, ale zmniejszają do pewnego stopnia er. Papier włóknisty ma er ≈ 6.6, A olej mineralny ≈ 2.3, co daje impregnowanemu uzwojeniu er w zakresie od 3.1 do 4.5. Różnice zależą przede wszystkim od ciśnienia nawijania wytwarzanego przez siłę rozciągającą podczas nawijania.
dawniej ze względu na charakter papieru stosowano co najmniej dwie impregnowane folie papierowe. Obecnie dielektryki mieszane są często stosowane tam, gdzie papier jest łączony z foliami z tworzyw sztucznych, Zwykle poliestrowymi (PET) lub polipropylenowymi.
ponieważ tabele sumaryczne po każdym przedstawionym typie materiału nie dotyczą oddzielnie środków impregnujących i mieszanych dielektryków, niektóre z ich właściwości wymieniamy w poniższej tabeli C2-2.
tabela C2-2. Tan δ, 1 kHz i er dla niektórych dielektryków mieszanych.
papier impregnowany olejem jest przede wszystkim stosowany w kondensatorach zasilających, sieciowych i niektórych kondensatorach zasilających. W tym podręczniku ograniczamy się do tych mniejszych typów, które należą do komponentów elektronicznych. Stanowią one zanikającą kategorię komponentów, które coraz częściej zastępowane są dielektrykami z tworzyw sztucznych.
w zwykłych kondensatorach sieciowych i zasilających przeznaczonych do celów konsumenckich obudowy zawierają tylko niewielką ilość oleju. Większość z nich występuje w foliach papierowych. Impregnację przeprowadza się w próżni na gotowym uzwojeniu, po czym papier najpierw ostrożnie suszy się w piekarniku.
C 2.2.2 MP (papier metalizowany)
pierwszy Kondensator metalizowany został zbudowany z papieru metalizowanego. Folia MP wygląda w zasadzie jak ta na rysunku C2-18.
rysunek C2-18. Przekrój przez folię MP.
jako środki impregnacyjne dominują substancje stałe, takie jak epoksyd, ale w niektórych rodzajach mogą występować oleje roślinne. Impregnacja zabezpiecza również metalizację cynku przed korozją wodną i utlenianiem. Ponieważ papier jest porowaty i w niektórych punktach może zawierać pewne zanieczyszczenia lub słabości, należy w profesjonalnych zastosowaniach stosować projekty z co najmniej dwiema warstwami folii papierowych. Minimalizuje się ryzyko, że słaby punkt w jednej folii wyląduje naprzeciwko drugiej w następnej warstwie. Zamiast dodatkowej folii papierowej obecnie coraz częściej stosuje się dielektryki mieszane z folią poliestrową lub polipropylenową wraz z metalizowaną folią papierową. Występują również warianty z metalizowaną folią z tworzywa sztucznego i impregnowaną folią papierową.
oryginalny Kondensator MP kiedyś wypadał z użycia, ale jednocześnie z doświadczeniami z folii plastikowych był świadkiem dobrze umotywowanego renesansu. Przede wszystkim ma to związek z potrzebą przejściowych kondensatorów zabezpieczających w aplikacjach sieciowych. Zgodnie z tabelą C2 – 1 złoże węgla powstające podczas procesu produkcji-tzw. polewy – jest wyjątkowo niskie w przypadku materiałów celulozowych, przy czym konieczne uwalnianie energii zatrzymuje się na całkowicie nieszkodliwym poziomie (ΔV ≈ -10 mV… -1 V). Patrz Rysunek C2-24.
poza tym Kondensator MP ma jeszcze jedną zaletę w aplikacjach impulsowych. Impulsy oznaczają strome czasy wzrostu napięcia i wysokie prądy ładowania i rozładowania. Zwykła metalizacja cynku wraz z metalem natryskowym składającym się ze związku cynku (metalu strzelającego) daje właśnie taki niski ESR w interfejsie stykowym, który jest niezbędny do uniknięcia lokalnego ogrzewania. Powtarzające się cykle zdarzeń impulsowych mogą natomiast powodować wewnętrzne nagrzewanie z powodu strat dielektrycznych. Jeśli kondensator jest używany jako nadajnik impulsu magazynującego energię, część energii zostanie utracona w rezystancji strat dielektrycznych Rd. Napięcie VC naładowanego kondensatora będzie przy rozładowaniu dzielone napięciem w Vd i VL (rysunek C2-19).
rysunek C2-19. Straty energii w dielektryku przy obciążeniu impulsowym.
C 2.2.3 Kondensatory przejściowe / Kondensatory X i y
do grupy kondensatorów RFI zabezpieczających przed zakłóceniami częstotliwości radiowych zalicza się tzw. Kondensatory X i Y. Są one podłączone do sieci elektrycznej zgodnie z Rys. C2-20. Tam również służą innemu ważnemu celowi. Transients strajku mianowicie co Live sieci stosunkowo często. Mogą one pochodzić z „zewnątrz”, ale mogą być również generowane przez nasz własny sprzęt.
między 80 A 90% wszystkich stanów przejściowych z sieci elektrycznej trwa od 1 do 10 µs, są wyższe niż 1000 V, mają czasy wzrostu napięcia od 200 do 2000 V / µs i występują co najmniej 10 razy dziennie. Zdajemy sobie sprawę, że ich uszkodzenia muszą zostać wyeliminowane. Odbywa się to za pomocą kondensatorów X, które w ten sposób są połączone między liniami sieci.
Kondensatory Y reprezentują inny rodzaj tłumienia przejściowego. Są one połączone między jedną z linii energetycznych a uziemioną pokrywą urządzeń elektrycznych. Wymagamy tutaj bardzo wysokiego bezpieczeństwa przed zwarciami, aby zapobiec naprężeniu sprzętu, a tym samym spowodowaniu poważnych obrażeń ciała. Poza tym Kondensator Y ma ograniczoną pojemność, aby nie powodować szkodliwych wysokich prądów przez ciało ludzkie w przypadku ewentualnego obwodu otwartego przewodu uziemiającego (patrz rysunek C2-20).
rysunek C2-20. Podłączanie kondensatorów X i Y.
aby zweryfikować, czy Kondensatory X i Y naprawdę wytrzymują występujące stany przejściowe, muszą przejść następujące trzy testy bez uwag.
- test trwałości zgodnie z IEC 384-14, 1000 godzin w Tuc i 1,25 xVR + 1000 Vrms co godzinę przez 0,1 s.
rysunek C2-21. Test żywotności kondensatorów X i Y.
- test napięcia udarowego zgodnie z 384-14. Trzy impulsy Vp = 2,5 do 5 kV w zależności od typu kondensatora.
rysunek C2-22. Test napięcia udarowego kondensatorów X i Y.
- test ładowania i rozładowania zgodnie z IEC 384-14. 10 000 impulsów przy 100 V / S I 2xVR.
rysunek C2-23. Test ładowania i rozładowania kondensatorów X i Y.
Kondensatory X i Y muszą mieć homologację krajowych organów kontrolnych, aby mogły być stosowane w odpowiednich krajach. W katalogach manufaktur mogło być napisane „approved by SEMKO” (Szwecja), przez DEMKO (Dania), przez VDE (Niemcy), przez UL (USA), Przez BSI (Wielka Brytania) itd. Teraz wszystkie europejskie procedury kontrolne są zebrane w jednej normie, EN 13 24 00. Normy Amerykańskie są zbierane zgodnie z UL, a kanadyjskie zgodnie z CSA.
MP czy MK?
w zastosowaniach kondensatorów X i Y musimy liczyć na samouzdrawiające się awarie. Spadek napięcia spowodowany samouzdrawianiem zależy od energii zużywanej w celu odparowania dielektryka i metalizacji. Tutaj MPs z metalizacją cynkową są lepsze od kondensatorów foliowych z tworzywa sztucznego, które według tradycji miały metalizację Al, której proces parowania wymaga kilkakrotnie większej energii niż Zn. Obecnie jednak kondensatory foliowe (MK) są wprowadzane na rynek ze stopami metalizacyjnymi bazującymi na korzystnych właściwościach cynku, ale bez jego tendencji do korozji wodnej.
Ponadto istnieją specjalne konstrukcje metalizowanych folii z tworzyw sztucznych, w których stosuje się metalizację segmentową, czasami zwaną metalizacją struktury. Powierzchnia jest podzielona na wzajemnie odgraniczone elementy, które są w zasięgu prądu ładowania przez wąskie bramy. Podczas samoleczenia prąd udarowy spala je. Patrz przykład na rysunku C2-25 i -26 poniżej. Element powierzchniowy jest izolowany i odcina się prąd rozładowania z innych elementów, a także początkowy spadek napięcia. Uzyskuje się w przybliżeniu takie samo ograniczenie energii jak przez samouzdrawianie w kondensatorze MP, zwłaszcza jeśli metalizacja struktury jest połączona z wyborem nowoczesnych stopów metalizujących. Poniższy rysunek C2-24 pokazuje typowy efekt samoleczenia na spadek napięcia nad kondensatorem.
rysunek C 2-24. Typowe spadki napięcia DVC przy samouzdrawianiu (SH) w kondensatorze MP i MK pod napięciem. SHMP ” SHMK-struktura.
dotychczas stosowane folie z tworzyw sztucznych metalizowanych (MK) to Poliester (MKT) i polipropylen (MKP). Te ostatnie nie muszą być metalizowane ze względu na doskonałą chemię samoleczenia. W połączeniu z bardzo cienką metalizacją Zn konstrukcja uzyskuje takie same cechy jak konstrukcja metalizowana MK. Ponadto jego charakterystyka wysokiej częstotliwości jest lepsza od innych filmów.
rysunek C 2-25. Przykład struktury metalizowanej folii i prądu samoleczenia.
metalizacja w strukturyzowanych elementach powierzchni stawia duże wymagania projektowe. Nawet jeśli zostaną opracowane opłacalne metody, pociągną za sobą pewien wzrost cen. Uproszczona metalizacja segmentowa na rysunku C2-25 w rzeczywistości składa się z wzoru podobnego do siatki, który jest rozłożony na całej powierzchni.
rysunek C2-26. Wzór metalizacji podobny do siatki.
inna i bardzo interesująca metalizacja struktury składa się z metalizowanych okrągłych powierzchni na cienkiej metalizacji o wysokiej rezystywności powierzchniowej, która obejmuje całkowitą powierzchnię. Słabe okrągłe połączenia służą razem z cienką metalizacją jako elementy łączące. Funkcja utrwalania jest preferowana przez metalizację cynku lub stopu niskoenergetycznego.
rysunek C2-27. Schemat metalizacji segmentowej.
każde samouzdrawianie zmniejsza pojemność odpowiednio do redukcji powierzchni. Zdaniem autora Kondensator MP nadal jest lepszy od konstrukcji metalizowanych typu MK. Ale oczywiście oba typy spełniają aktualne normy i wymagania bezpieczeństwa.
C 2.2.4 zależności temperatury i częstotliwości
poniższe wykresy przedstawiają typowe wykresy zależności temperatury i częstotliwości kondensatorów papierowych.
rysunek C2-28. Pojemność C w stosunku do temperatury T dla kondensatorów papierowych MP i impregnowanych olejem.
rysunek C2-29. Typowa zależność częstotliwości pojemności dla kondensatorów papierowych.
rysunek C2-30. Typowa zależność temperaturowa współczynnika rozpraszania dla kondensatora MP.
rysunek C2-31. Typowa zależność częstotliwości współczynnika rozpraszania dla kondensatora MP.
rysunek C2-32. Typowa powierzchnia krzywej dla zależności temperaturowej IR dla kondensatorów MP.
rysunek C2-33. Przykłady impedancji a częstotliwości dla kondensatorów MP o różnej pojemności i przestrzeni ołowiu.
na rysunku C1-17 możemy zobaczyć, jak krzywa impedancji dotyka dna strat ESR, jak giętka krzywa na długo przed odgałęzieniem pojemnościowym przecinającym gałąź indukcyjną. Jednak na rysunku C2-33 krzywa impedancji obraca się w ostrym punkcie wokół częstotliwości rezonansowej. Różnice mają związek ze stratami. W komponentach o niskiej stratności, takich jak kondensatory foliowe, malejąca krzywa reaktancji pojemnościowej dociera do obszarów wokół częstotliwości rezonansowej, zanim dotrze do ograniczającego wkładu ESR. Tutaj reaktancja spada jeszcze szybciej niż zgodnie z krzywą początkową ze względu na przeciwdziałającą reaktancję indukcyjną.
wierzchołek krzywej impedancji na rysunku C2-33 jest w większym powiększeniu nie tak ostry, że jest wskazany na diagramie. Patrz przykład na rysunku C2-43.
(w kondensatorach o dość dużych stratach, np. elektrolitycznych krzywe reaktancji osiągają wkład ESR przy częstotliwościach odległych od częstotliwości rezonansowej. Tutaj produkuje dipolową zależną pojemność spadek odchylenie w górę od początkowej krzywej reaktancji, jak pokazano na rysunkach C1-17 i 20).
c 2.2.5 tryby awarii
przenikanie wilgoci stanowi największe zagrożenie dla kondensatorów papierowych, ponieważ papier pochłania wilgoć, która z kolei wpływa na podczerwień i uszkadza dielektryk. W odniesieniu do elementów hermetycznych zob. C 2.1.9. W kondensatorach foliowych wewnętrzne, swobodnie zawieszone przewody zaciskowe narażone są na drgania i zakłócenia.
tabela pomiarów
podobnie jak w przypadku rezystorów, każdą grupę materiałową kończymy tabelą pomiarów. Występują dwie konstrukcje elektrod: metalizowana i foliowana. Kiedy w nagłówkach piszemy folię lub met, odnosi się to zatem do rodzaju elektrody.
ABC CLR: Rozdział C Kondensatory
Kondensatory papierowe
:
EPCI European Passive Components Institute experts original articles
CLR passive Components Handbook by P-O. fagerholt*