C 2.2 PAPPERSKONDENSATORER
Under denna rubrik handlar vi främst om rena papper dielektrikum. Samtidigt borde vi säga att kombinationer av papper och plast, dvs. blandade dielektrikum, är ganska vanliga.
C 2.2.1 papper/folie
historien om den kommersiella kondensatorn började med pappersfolie dielektrikum och elektroder av aluminiumfolier. Eftersom papper är poröst måste det impregneras för att förhindra koronaeffekter och flash-overs. Det görs genom användning av smält vax eller olika typer av oljor, bland annat mineral-och silikonoljor. Oljorna ökar spänningsstabiliteten men minskar i viss utsträckning er. Fiberpapper har en er 6.6 och mineraloljan 2.3 vilket ger den impregnerade lindningen en er som varierar mellan 3.1 och 4.5. Skillnaderna beror framför allt på lindningstrycket som produceras av dragkraften under lindningen.
tidigare användes minst två impregnerade pappersfolier på grund av papperets karaktär. Idag används blandade dielektrikum ofta där papperet kombineras med plastfolier, vanligtvis polyester (PET) eller polypropen.
eftersom sammanfattningstabellerna som följer varje presenterad materialtyp inte behandlar impregneringsmedlen och blandade dielektrikum separat nämner vi några av deras egenskaper i följande tabell C2-2.
tabell C2-2. Tan, 1 kHz, och er för vissa blandade dielektrikum.
Oljeimpregnerat papper används framför allt i kraft, elnät och i vissa genomströmningskondensatorer. I denna handbok begränsar vi oss till de mindre typer som tillhör de elektroniska komponenterna. De utgör en blekande komponentkategori som mer och mer ersätts med plastdielektrikum.
i vanliga nät-och inmatningskondensatorer avsedda för konsumentändamål innehåller höljena endast en svag mängd olja. Det mesta finns i pappersfolierna. Impregneringen utförs i vakuum på den färdiga lindningen efter det att papperet först har torkats försiktigt i en ugn.
C 2.2.2 MP (metalliserat papper)
den första metalliserade filmkondensatorn byggdes med metalliserat papper. MP-folien ser i princip ut som den i Figur C2-18.
figur C2-18. Tvärsnitt genom en MP-folie.
som impregneringsmedel är fasta ämnen som epoxi dominerande men vegetabiliska oljor kan förekomma i vissa typer. Impregneringen skyddar också zinkmetalliseringen mot vattenhaltig korrosion och oxidation. Eftersom papperet är poröst och i vissa punkter kan innehålla vissa föroreningar eller svagheter måste man i professionella applikationer använda mönster med minst två lager pappersfolier. Risken för att en svag punkt i en folie ska landa mitt emot en annan i nästa lager minimeras. I stället för en extra pappersfolie används numera blandade dielektrikum allt oftare med en polyester-eller polypropenfilm tillsammans med den metalliserade pappersfolien. Också förekommande är varianter med en metalliserad plastfilm och en impregnerad pappersfolie.
den äkta MP-kondensatorn föll en gång ur bruk men samtidigt med erfarenheter från plastfilmerna har den bevittnat en väl motiverad renässans. Framför allt har det att göra med behovet av övergående skyddskondensatorer i nätapplikationer. Enligt tabell C2 – 1 är kolavsättningen från självläkningar som produceras under tillverkningen-så kallade clearings – unikt låg för cellulosamaterial samtidigt som den nödvändiga energifrisättningen stannar vid helt ofarliga nivåer (Baccarat -10 mV… -1 V). Se Figur C2-24.
förutom MP-kondensatorn har en annan fördel vid pulsapplikationer. Pulser betyder branta spänningshöjningstider och höga laddnings-och urladdningsströmmar. Den vanliga zinkmetalliseringen tillsammans med en slutspraymetall bestående av en zinkförening (shoopingmetall) ger just den låga ESR i kontaktgränssnittet som är nödvändig för att undvika lokal uppvärmning. Repetitiva kurser av pulshändelser kan å andra sidan skapa intern uppvärmning på grund av de dielektriska förlusterna. Om kondensatorn används som en energilagringspulssändare kommer en del av energin att gå förlorad i det dielektriska förlustmotståndet Rd. Spänningen Vc hos den laddade kondensatorn kommer vid urladdningen att vara spänning uppdelad i Vd och VL (figur C2-19).
figur C2-19. Energiförlust i dielektrikum vid en pulsbelastning.
C 2.2.3 Transient suppression / X-och Y-kondensatorer
i gruppen av RFI – kondensatorer som ska skydda mot radiofrekvensinterferens så kallade X-och Y-kondensatorer ingår. De är anslutna till elnätet enligt figur C2-20. Där tjänar de också ett annat viktigt syfte. Transienter slår nämligen varje levande elnätet relativt ofta. De kan komma från ”utsidan” men kan också genereras av vår egen utrustning.
mellan 80 och 90% av alla transienter från elnätet varar mellan 1 och 10 OC, är högre än 1000 V, har spänningshöjningstider på 200 till 2000 V/OC och förekommer minst 10 gånger om dagen. Vi inser att deras skador måste elimineras. Det görs av X-kondensatorerna som sålunda är anslutna mellan ledningarna i elnätet.
Y-kondensatorerna representerar en annan typ av övergående undertryckning. De är anslutna mellan någon av kraftledningarna och det jordade locket på elektrisk utrustning. Här kräver vi en extra hög säkerhet mot kortslutningar för att förhindra att utrustningen sätts under spänning och därmed orsaka allvarliga personskador. Dessutom ska y-kondensatorn ha en begränsad kapacitans för att inte åstadkomma skadligt höga strömmar genom människokroppen vid en eventuell öppen krets i jordledningen (se figur C2-20).
figur C2-20. Anslutning av X-och Y-kondensatorer.
för att verifiera att X-och Y-kondensatorerna verkligen tål förekommande transienter måste de klara följande tre tester utan anmärkningar.
- livstest enligt IEC 384-14, 1000 timmar vid Tuc och 1,25 xVR + 1000 VRM varje timme för 0,1 s.
figur C2-21. Livstest av X-och Y-kondensatorer.
- Överspänningstest enligt 384-14. Tre pulser av Vp = 2,5 till 5 kV beroende på kondensatortyp.
figur C2-22. Överspänningstest av X-och Y-kondensatorer.
- laddnings-och urladdningstest enligt IEC 384-14. 10 000 pulser vid 100 V / S och 2xvr.
figur C2-23. Laddnings-och urladdningstest av X-och Y-kondensatorer.
X-och Y-kondensatorer måste ha ett godkännande av nationella kontrollmyndigheter för att kunna användas i respektive land. I manufaturers kataloger kan det skrivas ”godkänd av SEMKO” (Sverige), av DEMKO (Danmark), av VDE (Tyskland), av UL (USA), av BSI (Storbritannien) etc. Nu samlas alla europeiska kontrollrutiner i en standard, EN 13 24 00. USA-standarderna samlas in under UL och kanadensaren under CSA.
MP eller MK?
i X – och Y-kondensatortillämpningar måste vi räkna med självläkande nedbrytningar. Spänningsfallet som orsakas av en självläkning beror på den energi som förbrukas för att förånga dielektrisk och metalliserande. Här har MPs med sin zinkmetallisering varit överlägsen plastfilmkondensatorer som traditionellt har haft en Al-metallisering vars förångningsprocess kräver flera gånger högre energi än Zn. Numera släpps emellertid plastfilmkondensatorer (MK) ut på marknaden med metalliseringslegeringar baserade på zinkens fördelaktiga egenskaper men utan dess tendens till vattenhaltig korrosion.
vidare finns det speciella konstruktioner av metalliserade plastfilmer där en segmenterad metallisering används, ibland kallad strukturmetallisering. Ytan är uppdelad i ömsesidigt avgränsade element som ligger inom räckhåll för laddningsströmmen via smala grindar. Vid en självläkande överspänningsströmmen bränner dem. Se exempel i Figur C2-25 och -26 nedan. Ytelementet är isolerat och urladdningsströmmen från andra element är avskuren såväl som början spänningsfall. Man får ungefär samma energibegränsning som genom en självläkning i en MP-kondensator, speciellt om strukturmetalliseringen kombineras med val av moderna metalliserande legeringar. Följande figur C2-24 visar typiska självläkande effekter på spänningsfallet över en kondensator.
figur C 2-24. Typiska spänningsfall DVC vid en självläkande (SH) i en MP och en MK kondensator under spänning. SHMP ” SHMK-struktur.
de metalliserade plastfilmerna (MK) som hittills har använts är polyester (MKT) och polypropen (MKP). Den senare behöver inte struktur metalliseras på grund av dess utmärkta självläkande Kemi. Kombinerat med mycket tunn znal metallisering designen får samma egenskaper som struktur metalliserad MK. Dessutom är dess högfrekvensegenskaper överlägsna de hos andra filmer.
figur C 2-25. Exempel på en struktur metalliserad folie och självläkande ström.
metalliseringen i strukturerade ytelement ställer stora krav på designen. Även om kostnadseffektiva metoder utvecklas innebär de en viss prisökning. Den förenklade segmenterade metalliseringen i Figur C2 – 25 består faktiskt av ett rutmönster som fördelas över hela ytan.
figur C2-26. Grid-liknande metalliseringsmönster.
en annan, och mycket intressant, struktur metallisering består av metalliserade cirkulära ytor ovanpå en tunn, hög ytresistivitet metallisering som täcker den totala ytan. De svaga cirkulära lederna tjänar tillsammans med den tunna underliggande metalliseringen som smältningselement. Fusing-funktionen gynnas av en metallisering av zink eller lågenergilegering.
figur C2-27. Schematisk av segmenterad metallisering.
varje självläkning minskar kapacitansen motsvarande ytreduktionen. Författarens uppfattning är att MP kondensatorn fortfarande är överlägsen struktur metalliserade MK typer. Men naturligtvis uppfyller båda typerna nuvarande standarder och säkerhetskrav.
C 2.2.4 temperatur-och frekvensberoende
Följande diagram visar några typiska diagram för papperskondensatorernas temperatur-och frekvensberoende.
figur C2-28. Kapacitans C kontra temperatur T för MP och oljeimpregnerade papperskondensatorer.
figur C2-29. Typiskt frekvensberoende av kapacitansen för papperskondensatorer.
figur C2-30. Typiskt temperaturberoende av spridningsfaktorn för en MP-kondensator.
figur C2-31. Typiskt frekvensberoende av spridningsfaktorn för en MP-kondensator.
figur C2-32. Typisk kurva område för temperaturberoende av IR för MP kondensatorer.
figur C2-33. Exempel på impedans kontra frekvens för MP kondensatorer med olika kapacitans och bly utrymme.
i Figur C1 – 17 kan vi se hur impedanskurvan berör botten av ESR-förluster som en smidig kurva långt innan den kapacitiva grenen skär den induktiva. I Figur C2-33 vänder emellertid impedanskurvan ner i en skarp punkt runt resonansfrekvensen. Skillnaderna har att göra med förlusterna. I lågförlustkomponenter som filmkondensatorer når den minskande kapacitiva reaktanskurvan områden runt resonansfrekvensen innan den når det begränsande ESR-bidraget. Här sjunker reaktansen ännu snabbare än enligt den ursprungliga kurvan på grund av den motverkande induktiva reaktansen.
spetsen på impedanskurvan i Figur C2 – 33 är i en större förstoring inte så skarp som anges i diagrammet. Se exempel i Figur C2-43.
(i kondensatorer med ganska höga förluster som till exempel elektrolytik når reaktanskurvorna ESR-bidraget vid frekvenser långt ifrån resonansfrekvensen. Här producerar dipolberoende kapacitans minska en avvikelse uppåt från den initiala reaktanskurvan, såsom visas i figurerna C1-17 och 20).
C 2.2.5 fellägen
penetrerande fukt utgör det största hotet mot papperskondensatorer eftersom papperet absorberar fukt som i sin tur påverkar IR och skadar dielektriska. Beträffande hermetiska komponenter, Se C 2.1.9. I foliekondensatorer inre, fritt upphängda terminaltrådar riskerar att vibrera till störningar.
undersökningstabell
precis som när det gäller motstånd avslutar vi varje materialgrupp med en undersökningstabell. Två elektrodkonstruktioner förekommer: metalliserad och folie. När vi i rubrikerna skriver folie eller träffade det hänvisar således till elektrodtypen.
ABC för CLR: kapitel C kondensatorer
Papperskondensatorer
EPCI licensierat innehåll av:
EPCI Europeiska passiva komponenter Institute experter originalartiklar
CLR passiva komponenter handbok av P-O. Fagerholt *