Elektrostatischer Kondensator. Die l.)urchschlagsfestigkeit eines Kon- densators wird im allgemeinen bestimmt durch die schwächste Stelle des Dielektri- kums. An dieser Stelle erfolgt bei steigen der Spannung der Durchschlag.
Die Erfin dung geht aus von der Tatsache, dass bei einem Durchschlag an einer schwachen Stelle des Dielektrikums die metallische Belegung um die Durchschlagsstelle herum unter dem Einfluss des entstehenden Funkens gelegent lich verschwindet. flacht man die Folien stärke nicht allzu dick, so schmilzt oder ver dampft der Metallbelag in einem Umkreis um die Durchschlagsstelle herum, der grösser ist als die Zone, in welcher das Dielektrikum zerstört wird.
Die Durchschlagsstelle ist in folgedessen nach dem Durchschlag durch das noch vorhandene Dielektrikum isoliert, so dass ein erneuter Durchschlag nicht stattfin den muss. Der Kondensator heilt sich ge wissermassen bei dem Durchschlag an der schlechten Stelle von selbst aus. Die Vor schläge zur Herstellung von auf dieser Er- kenntnis aufgebauten Kondensatoren haben jedoch noch zu keiner allgemeinen Einfüh rung solcher Kondensatoren geführt, da die vervc-endeten Aletallbeläge noch nicht die richtige Dicke besassen.
Gemäss der Erfindung sollen zur Herstel lung der Kondensatoren metallische Beläge verwendet werden, deren Dicke kleiner ist als 0,002 mm. Hierdurch wird erreicht, dass man zum Ausheilen der schlechten Stellen geringere Energiemengen benötigt als bei den früheren Versuchen. Die Verringerung der Energiemenge zum Ausheilen bei einem Durchschlag ist deshalb von Wichtigkeit, weil sonst bei Kondensatoren kleinerer Ka pazität die eigene Kapazität dieser Konden satoren nicht mehr ausreicht, um beim Durchschlag eine solche Strommenge zu liefern, wie sie erforderlich ist, um die me tallische Belegung um die schlechte Stelle herum wegzubrennen.
Man musste deshalb seither zum Ausbrennen stets einen beson deren Kondensator parallel schalten, der die Energie lieferte. Die Folge davon war, dass man zwar Kondensatorfolien vor der be triebsmässigen Verwendung mittels Parallel kondensatoren an den schlechten Stellen aus brennen konnte; bei der betriebsmässigen Verwendung des Kondensators zum Beispiel in irgend einer Schaltung, bei der nicht ein besonderer Kondensator als Energielieferant parallel geschaltet war, fand jedoch eine Selbstausheilung nicht statt.
Durch die Verringerung der zum Aus heilen erforderlichen Energiemenge, wie sie durch die Erfindung erreicht wird, erhält man ausserdem noch den sehr wichtigen Vor teil, dass die beim Wegbrennen der Belegun gen an der Durchschlagsstelle entstehenden Wärme- und Gasmengen sehr klein werden. Dies ist von besonderer Wichtigkeit, damit beim Durchschlag in einem fertigen Konden- satorwickel nicht durch die entstehenden Wärme- und Gasmengen Druckspannungen hervorgerufen \werden, welche den Konden sator aufreissen, so dass er durch diese rein mechanische Zerstörung unbrauchbar wird.
Um die zum Ausheilen an einer Durch schlagsstelle erforderliche Energiemenge mög lichst klein zu halten, ist es zweckmässig, mit der Stärke der metallischen Beläge soweit als möglich unter den Wert von 0,002 mm herunterzugehen. Es haben sich gute Ver hältnisse ergeben bei Belägen von einer Dicke von etwa 0,001 mm. Sehr gute Ergeb nisse wurden auch erzielt bei Belägen von einer Dicke von 0,0001 mm und darunter.
Gemäss der Erfindung hergestellte Kon densatoren haben ferner noch den Vorteil, dass man mit einer einzigen Papierzwischen- lage zwischen den Metallbelegungen aus kommen kann. Bei den normalen Konden satoren werden dagegen immer mehrere Pa- pierzwischenlagen verwendet, damit sich die schlechten Stellen des Papiers gegenseitig abdecken. Dieses Abdecken ist bei Konden satoren gemäss der Erfindung nicht erforder lich, da durch das Wegbrennen der Metall- belegung um die schlechten Stellen herum diese schlechten Stellen des Papiers durch schlagsicher gemacht werden.
Wenn auch der Kondensator sich wäh rend des normalen Betriebes bei einem Durchschlag selbst ausheilt, so ist es doch zweckmässig, bereits unmittelbar im An schluss an die Herstellung die Durchschläge vorzunehmen. Der Kondensator wird dann so lange an eine erhöhte Spannung gelegt, bis an sämtlichen schwachen Stellen Durch schläge stattgefunden haben und um die Durchschlagsstellen herum das Metall der Belegung verschwunden ist. Vorteilhaft wird dieses Durchschlagen vor dem Tränken des Dielektrikums vorgenommen, so dass das Trä nlungsmittel die Durchschlagsstellen voll ausfüllen kann.
Unter Umständen kann das Tränken auch ganz in Wegfall kommen, da, nachdem die Durchschläge stattgefunden haben, die schwachen Stellen des Dielektri- kums nicht mehr gefährlich sind.
Das Ausheilen des Kondensators kann dadurch gefördert werden, dass als Material für die Beläge ein Metall mit einem niedri gen Schmelzpunkt verwendet wird. Beson ders zweckmässig ist es, reine Metalle zu ver wenden, das heisst Metalle ohne nichtmetal lische Einschlüsse, da diese im flüssigen Zu stande grosse Oberflächenkräfte besitzen. Die Folge davon ist, dass wenn an der Durch schlagsstelle die Beläge zum Schmelzen kommen, sich die geschmolzenen Teilchen zusammenziehen und die metallische Ver bindung mit der noch festen. Metallschicht unterbrechen.
Da bei der genannten geringen Stärke des i@Ietallbelages selbständige Metallfolien nur eine geringe Zerreissfestigkeit besitzen, ist es zweckmässig, bei der Herstellung der Kondensatoren nicht selbständige Metall folien unter Zwischenlage eines Papierban des zusammenzuwickeln, sondern das Papier band als Träger der Metallschicht zu ver wenden.
Die Metallschicht wird dann vor oder während des Wickelns oder Legens des Kondensators auf dem Dielektrikumstreifen, beispielsweise durch das unter der Bezeich nung "gathodenzerstäubung" bekannte Ver fahren oder durch Metallverdampfung auf gebracht. Das rein thermische Verdampfen von Metall geschieht entweder im Vakuum oder unter Schutzgas.
Um das Papier beim Aufdampfen nicht zu beschädigen und um rascher arbeiten zu können, -werden zweck mässig Metalle mit verhältnismässig niedri gem Verdampfungspunkt, wie zum Beispiel Kadmium oder Zink, verwendet. Unter Um ständen ist es vorteilhaft, für die Beläge Edelmetalle zu verwenden, da. dann bei den dünnen Metallschichten die Gefahr einer Oxydation vermieden ist.
Da die Metallschicht des Kondensators einen sehr hohen spezifischen Widerstand besitzt, müssen Vorkehrungen getroffen werden, damit an der Anschlussstelle der Zu führungen keine zu starke Erwärmung auf tritt. Verwendet man zur Stromzuführung eingelegte metallische Streifen, so müssen diese in sehr grosser Anzahl vorhanden sein. Einen wesentlich besseren Anschluss erhält man dadurch, dass die Metallbeläge stirn- seitig herausgeführt und durch aufgespritz tes Metall miteinander verbunden werden.
Zwei Ausführungsbeispiele des Erfin dungsgegenstandes sind in den Abbildungen dargestellt. Hierbei ist der Massstab hinsicht lich der Dicke der Schichten stark vergrössert.
In Fig. 1 bedeutet a denjenigen Papier streifen, auf dem sich der eine Belag befin det und b den Papierstreifen mit dem an dern Belag. c und d sind die Beläge, die so dünn aufgetragen sind, dass sie bei einem Durchschlag um die Durchschlagstelle herum verschwinden.<I>f</I> und<I>g</I> sind Papierzwischen-- lagen ohne Metallschicht. Unter Umständen ist es zweckmässig, auch diese Papierlagen an denjenigen Stellen zu metallisieren, an denen sie mit der Nachbarmetallschicht in Berührung stehen. Auf diese Weise werden etwa vorhandene Luftzwischenräume elek trisch überbrückt.
Diese elektrische Über brückung der Luftzwischenräume lässt sich noch -weiter verbessern durch Verwendung von doppelseitig metallisiertem Papier.
Die Metallschicht c ragt auf der einen Seite mit ihrem Papierträger a ins Freie und die Metallschicht d mit ihrem Träger b auf der andern Seite. Durch Ausfüllen der Zwischenräume an den beiden Stirnseiten mit einem leitenden Körper werden sämt liche Ränder des gleichen Metallbelages mit einander verbunden, so da.ss für den Strom eintritt in die Belegung eine grosse Fläche zur Verfügung steht und unzulässige Er wärmungen nicht auftreten können.
Das Ausfüllen mit einem leitenden Körper kann durch Aufgiessen, Aufspritzen oder Auf stäuben von Metall geschehen, das in den Abbildungen durch Punktierung dargestellt ist.
Die Stirnseiten werden für den Stroman- schluss zweckmässig nicht ganz, sondern nur Nilweise mit dem leitenden Körper aus gefüllt, damit nachher beim Tränken das Tränkungsmittel noch gut in den Konden- satorkörper eindringen kann.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 sind bei gleicher Schichtbreite etwas schmä lere Papierbreiten verwendet, so dass mehr Raum für den Anschlusskörper an den Stirn seiten zur Verfügung steht.
Bei dem beschriebenen Verfahren lassen sich sehr gut nichtfaserige Isolierstoffe als Dielektrikum verwenden. Diese Isolierstoffe, die aus Zellulosederivaten oder aus bei höhe rer Temperatur schmelzbaren, härtbaren oder nicht härtbaren Stoffen, wie zum Beispiel polymeren Vinylverbindungen bestehen kön nen, haben durch den Fortfall der Faser struktur den Vorteil, dass sie keine Trän kung erfordern.
Anderseits besitzen diese Stoffe bei der Herstellung in dünnen Schich ten sehr viele schwache Stellen. Verwendet man diese Stoffe nun bei Kondensatoren gemäss der Erfindung, so schaden diese schwachen Stellen nichts, da bei dem ersten Durchschlag an diesen Stellen die Metall belegung verschwindet.
Electrostatic capacitor. The first dielectric strength of a capacitor is generally determined by the weakest point of the dielectric. At this point, the breakdown occurs when the voltage increases.
The inven tion is based on the fact that in the event of a breakdown at a weak point in the dielectric, the metallic coating around the breakdown point occasionally disappears under the influence of the spark produced. If the foil is not flattened too thickly, the metal coating melts or evaporates in a perimeter around the point of breakdown that is larger than the zone in which the dielectric is destroyed.
As a result, the breakdown point is isolated after the breakdown by the dielectric that is still present, so that another breakdown does not have to take place. The capacitor heals itself to a certain extent in the event of the breakdown at the bad point. However, the proposals for the production of capacitors based on this knowledge have not yet led to a general introduction of such capacitors, since the metal coverings that had been used were not yet of the correct thickness.
According to the invention, metallic coatings are to be used for the manufacture of the capacitors, the thickness of which is less than 0.002 mm. This means that less energy is required to heal the bad spots than in previous attempts. The reduction in the amount of energy needed to heal in the event of a breakdown is important because otherwise the capacitance of these capacitors is no longer sufficient in the case of capacitors with a smaller capacity to deliver such an amount of current during the breakdown as is necessary for the metallic occupancy to burn away the bad spot.
Since then, you have always had to connect a special capacitor in parallel for burning out, which supplied the energy. The consequence of this was that capacitor foils could indeed be burned out in the bad places by means of parallel capacitors before they could be used for operational purposes; However, when the capacitor was used for operational purposes, for example in any circuit in which a special capacitor was not connected in parallel as an energy supplier, self-healing did not take place.
By reducing the amount of energy required to heal from, as achieved by the invention, you also get the very important part before that the heat and gas quantities resulting from burning away the occupancy conditions at the breakdown point are very small. This is of particular importance so that when a breakdown occurs in a finished capacitor winding, compressive stresses are not caused by the amounts of heat and gas that arise, which tear the capacitor open so that it becomes unusable as a result of this purely mechanical destruction.
In order to keep the amount of energy required for healing at a breakdown point as small as possible, it is advisable to reduce the thickness of the metallic coverings as much as possible below the value of 0.002 mm. There have been good ratios Ver with coverings of a thickness of about 0.001 mm. Very good results were also achieved with coverings with a thickness of 0.0001 mm and less.
Capacitors produced according to the invention also have the advantage that a single paper intermediate layer between the metal coverings can be used. With normal capacitors, on the other hand, several paper interlayers are always used so that the bad parts of the paper cover each other. This covering is not necessary with capacitors according to the invention, since the burning away of the metal coating around the bad spots makes these bad spots of the paper safe from impact.
Even if the capacitor heals itself in the event of a breakdown during normal operation, it is advisable to make the breakdowns immediately after manufacture. The capacitor is then connected to an increased voltage until breakdowns have taken place at all weak points and the metal of the coating has disappeared around the breakdown points. This penetration is advantageously carried out before the dielectric is impregnated, so that the impregnating agent can completely fill the penetration points.
Under certain circumstances, the impregnation can also be omitted entirely, since after the breakdowns have taken place the weak points of the dielectric are no longer dangerous.
The healing of the capacitor can be promoted by using a metal with a low melting point as the material for the coverings. It is particularly useful to use pure metals, that is, metals without non-metallic inclusions, as these have great surface forces in the liquid state. The consequence of this is that when the deposits melt at the point of breakdown, the melted particles contract and the metallic bond with the still solid one. Interrupt the metal layer.
Since independent metal foils have only a low tensile strength with the aforementioned low thickness of the metal coating, it is advisable not to wind independent metal foils together with the interposition of a paper band in the manufacture of the capacitors, but to use the paper band as a carrier for the metal layer.
The metal layer is then applied before or during the winding or laying of the capacitor on the dielectric strip, for example by the method known under the designation "cathode sputtering" or by metal evaporation. The purely thermal evaporation of metal takes place either in a vacuum or under protective gas.
In order not to damage the paper during vapor deposition and in order to be able to work more quickly, metals with a relatively low vapor point, such as cadmium or zinc, are expediently used. It may be advantageous to use precious metals for the coverings, there. then with the thin metal layers the risk of oxidation is avoided.
Since the metal layer of the capacitor has a very high specific resistance, precautions must be taken so that no excessive heating occurs at the connection point of the feeds. If inserted metallic strips are used to supply power, they must be available in very large numbers. A much better connection is obtained when the metal coverings are led out at the front and connected to one another by sprayed-on metal.
Two embodiments of the subject invention are shown in the figures. Here, the scale with regard to the thickness of the layers is greatly enlarged.
In Fig. 1, a denotes the paper strip on which the one covering is located and b the paper strip with the other covering. c and d are the coatings that are applied so thinly that they disappear around the point of breakdown in the event of a breakdown. <I> f </I> and <I> g </I> are paper interlayers without a metal layer. Under certain circumstances it is useful to also metallize these paper layers at those points where they are in contact with the neighboring metal layer. In this way, any existing air gaps are electrically bridged.
This electrical bridging of the air gaps can be further improved by using paper that is metallized on both sides.
The metal layer c protrudes with its paper carrier a into the open on one side and the metal layer d with its carrier b on the other side. By filling the gaps on the two end faces with a conductive body, all the edges of the same metal coating are connected to one another, so that a large area is available for the current to enter the coating and impermissible heating cannot occur.
Filling with a conductive body can be done by pouring, spraying or dusting on metal, which is shown in the figures by dots.
For the power connection, the end faces are expediently not completely filled with the conductive body, but only by the nile, so that afterwards the impregnating agent can still penetrate the condenser body well during the soaking.
In the embodiment according to FIG. 2, somewhat narrower paper widths are used for the same layer width, so that more space is available for the connection body on the end faces.
In the method described, non-fibrous insulating materials can be used very well as the dielectric. These insulating materials, which can consist of cellulose derivatives or of curable or non-curable materials that melt at higher temperatures, such as polymeric vinyl compounds, have the advantage that they do not require impregnation due to the lack of fiber structure.
On the other hand, these substances have many weak points when they are produced in thin layers. If these substances are used in capacitors according to the invention, these weak points do no harm, since the metal coating disappears at these points when the first breakdown occurs.