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Elektrolytkondensator mit verkleinertem Kapazitätsvolumen Im Rahmen
einer allgemein angestrebten Verkleinerung elektrischer Bauteile wurden schon vor
längerer Zeit auch für elektrolytische Einrichtungen, wie z. B. Elektrolytkondensatoren,
in dieser Richtung Fortschritte durch die Verwendung von Ventilmetallanoden mit
vergrößerter aktiver Oberfläche erzielt. Diese Oberflächenvergrößerung kann sowohl
durch entsprechenden Elektrodenaufbau als auch durch entsprechende Bearbeitungsmaßnahmen
(mechanisch, chemisch oder elektrochemisch) erreicht werden, wobei sich das elektrochemische
Ätzen am meisten durchgesetzt hat. Es wurde festgestellt, daß auch die Verwendung
einer rauhen, d. h. oberflächenvergrößerten Stromzuführungselektrode aus Ventilmetall
(allgemein - wenn auch nicht ganz korrekt -Kathode genannt) große Vorteile mit sich
bringt. Einerseits sind die mit rauher Stromzuführungselektrode gebauten Kondensatoren
bei großer Schaltbelastung durch die Verteilung des Stromes auf eine größere Oberfläche
und somit geringere spezifische Belastung kapazitätsstabiler. Andererseits kann
durch Vergrößerung der Oberfläche der Elektrolytstromzuführungselektrode und die
dadurch erzielte verringerte spezifische Strombelastung die unerwünschte Bildung,
besser Verstärkung einer bereits vorhandenen natürlichen Oxydschicht und damit der
kapazitätsmindernde Einfluß dieser Reihenkapazität auf die wirksame Kondensatorkapazität
weitgehend verringert bzw. klein gehalten werden. Besondere Bedeutung besitzt diese
Oberflächenvergrößerung bei den sogenannten Niedervoltelektrolytkondensatoren.
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Nun wird zwar mit der Oberflächenvergrößerung der Elektroden eine
entsprechende Kapazitätsvergrößerung (auf gleichem Raum) erzielt, aber in einem
mit solchen Elektroden aufgebauten Kondensator treten leider auch höhere Verluste
auf. Gerade solche Verluste an elektrischer Energie sind von je her das Sorgenkind
des Elektrotechnikers gewesen. Während jedoch in vielen Fällen elektrische Verluste
als in Wärme umgewandelte Energie wieder ausgenutzt werden kann, wirkt sich diese
Wärmemenge für den Kondensator mit wenigen Ausnahmen als ausgesprochener Nachteil
aus, der früher oder später zur Zerstörung führen muß. Das Bestreben ist also nach
wie vor, diese Verluste so klein wie möglich zu halten.
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Bei der Oberflächenvergrößerung durch besondere Ausbildung der Anode
(sternförmige Säule, übereinandergestapelte, zickzackartig übereinandergefaltete
oder mehr oder weniger zylinderartig [spiralförmig] aufgewickelte Schichten bzw.
Bänder usw.) konnte zwar die zunächst angestrebte Kapazitätsvergrößerung erzielt
werden, aber die Grenze war bald erreicht, als gleichzeitig die Verluste bzw. Erwärmung
unzulässig groß wurden. So blieb deshalb nur die Möglichkeit, eine Kapazitätsvergrößerung
auf gleichem Raum (d. h. bei gleichen Abmessungen) durch Steigerung des Aufrauhungsgrades
der Elektroden bzw. deren Oberflächen herbeizuführen. Während dieser Weg von der
mehr oder weniger glatten Oberfläche zur möglichst stark aufgerauhten führte, wobei
die Grenzen in der Beschaffenheit des Ausgangsmaterials und in der mechanischen
Festigkeit des nach der Aufrauhung noch vorhandenen Gefüges gezogen waren, wurde
auch der entgegengesetzte Weg beschritten, d. h. aus einzelnen Metallteilchen durch
Aufspritzen oder Aufstäuben auf entsprechend grobkörnige oder grobmaschige Gewebe
und anschließendes Zusammenschweißen eine zusammenhängende Elektrode hergestellt.
Ebenso ist es bekanntgeworden, die Metallteilchen in Form von Metallstaub oder -pulver
zusammenzupressen und bei entsprechend hohen Temperaturen zusammenzusintern. Nachdem
auch hier aus rein mechanischen Gründen bestimmte Grenzen nicht mehr überschritten
werden konnten, ist die Entwicklung zu immer dünneren dielektrischen Schichten übergegangen,
wobei die notwendige Spannungsfestigkeit durch entsprechende Auswahl und Behandlung
der (Ausgangs-) Werkstoffe gewährleistet werden soll.
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Die Erfindung hat im Gegensatz dazu an den Ausgangspunkt der Kapazitätsvergrößerung,
nämlich durch Vergrößerung der geometrischen Flächen, angeknüpft. Dabei ist man
den Gründen nachgegangen, weshalb die doch nahegelegene Anordnung von mehrschichtigen
(zusammengefalteten oder -gestapelten) Elektrodenfolien (Bändern) für Kondensatoren,
insbesondere
Elektrolytkondensatoren, nicht anwendbar war, und stellte fest, daß beim Betrieb
des Elektrolytkondensators auftretende elektrische Verluste durch den Widerstand
bestimmt werden, den der Strom auf seinem Wege von einem Spannungspol zum Gegenpol,
z. B. zwischen zwei Anoden oder zwischen Anode und Stromzuführungselektrode für
den die Kathode bildenden Elektrolyt, überwinden muß. Sieht man von der Leitung
im eigentlichen Dielektrikum (Ventilmetalloxydschichten) ab, so bleibt nur die Stromleitung
im Elektrolyt bzw. im elektrolytgetränkten Abstandhalter.
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Ob nun bei einer Vergrößerung der Elektrodenoberfläche auch von einer
Vergrößerung des Leitungsquerschnittes für den in die dielektrische Schicht eintretenden
bzw. aus dieser Schicht heraustretenden Strom gesprochen werden kann, mag dahingestellt
bleiben. Da jedoch die mit einer Querschnittsvergrößerung an der Oberfläche der
dielektrischen Schicht verbundene gleichzeitige Verlängerung der Stromwege im Elektrolyt
viel mehr ins Gewicht fällt, tritt praktisch keine Verringerung, sondern eher eine
Vergrößerung des Leitungswiderstandes und damit der elektrischen Verluste ein. Abgesehen
von der sehr begrenzten Möglichkeit, durch Verwendung eines Elektrolyten mit erhöhter
elektrischer Leitfähigkeit den Leitungswiderstand im Elektrolyt zu verringern, werden
die elektrischen Verluste im Elektrolyt bzw. in den mit Elektrolyt durchsetzten
Abstandshaltern zwischen den Elektroden in erster Linie von der Weglänge des über
den Elektrolyten fließenden Stromes bestimmt.
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Dieser Gesichtspunkt ist seinerzeit entweder gar nicht oder nicht
ausreichend berücksichtigt worden, so daß die bloße Verdoppelung oder Vervielfachung
der Anodenfolienlagen oder -windungen ohne Rücksicht auf die dadurch größer gewordenen
Stromwege zur Gegenelektrode zu immer größer werdenden Energieverlusten bzw. in
Wärme umgewandelten Energiemengen führen mußte.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe lautete also, einen Elektrolytkondensator
herzustellen, der neben einem möglichst kleinen Kapazitätsvolumen, d. h. einer Kapazität,
die in möglichst kleinem Raum untergebracht ist, möglichst kleine Verluste, d. h.
möglichst geringe Betriebswärme, erzeugt. Wenn nun die Kapazitätsvergrößerung mit
Hilfe der mehrschichtig übereinandergestapelten oder -gewickelten Anoden(-folien),
d. h. also ohne jeweilige Zwischenschaltung der Gegenelektrode, erreicht werden
sollte, mußten die Stromwege so klein sein, wie sie sich bei Verwendung nur eines
einzigen Elektrodenpaares als noch zulässig bewährt haben bzw. nach wie vor bewähren.
Praktisch bedeutet diese Forderung, daß der über den Elektrolyt fließende Strom
auf kürzestem Wege zur Gegenelektrode gelangen muß, d. h. nicht erst um die Nachbarfolie
herum in den Zwischenraum eindringen, um die dahinter befindliche Schicht dieser
Elektrode zu erreichen, sondern mehr oder weniger geradlinig die jeweils zunächstliegende
Schicht durchdringen muß. Mit anderen Worten, die einzelnen Schichten, mindestens
der mit dem Dielektrikum bedeckten Elektrode (Anode) mußten für den (Betriebs-)
Elektrolyt durchlässig sein. Diese Durchlässigkeit Iäßt sich auf verschiedene Art
und durch mehr oder weniger bekannte Verfahren erzielen, wobei allerdings Voraussetzung
ist, daß die mit der Mehrschichtigkeit angestrebte Oberflächenvergrößerung auch
nach der jeweiligen Behandlungsmethode in vollem Umfange erhalten und wirksam bleibt.
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Bei der Herstellung von geätzten Ventihnetallfohen ist man auch schon
so weit gegangen, diese Folien zur Erzielung einer möglichst hohen Oberflächenvergrößerung
völlig durchzuätzen, d. h. für Flüssigkeiten (und Gase) durchlässig zu machen. Unter
Ausnutzung dieser Eigenschaft kann gemäß der vorliegenden Erfindung der größte Teil
des bisher für einen bestimmten Kondensatortyp benötigten Abstandhalter- und Elektrolytmaterials
und bei gepolten Elektrolytkondensatoren auch der Stromzuführungsfolien eingespart
und somit das Kapazitätsvolumen stark verkleinert werden. Die Erfindung bezieht
sich auf einen Elektrolytkondensator mit mindestens einer Elektrode, die sowohl
für den Formierelektrolyt als auch für das Betriebselektrolyt durchlässig ist und
die an den mit der elektrolytischen Flüssigkeit in Berührung kommenden Stellen mit
Ventilmetalloxydschichten überzogen ist. Die Erfindung besteht darin, daß mindestens
eine Elektrode aus mehreren Schichten besteht, die derart flächengleich übereinandergestapelt,
-geschichtet oder -gewickelt sind, daß die dielektrischen Schichten auf der Elektrode
mit dem Elektrolyten bedeckt sind.
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Da die Kontaktierung und Formierung der Elektroden nicht Gegenstand
der Erfindung ist, genügt hier der Hinweis, daß dem Fachmann geeignete Verfahren
zur Verfügung stehen bzw. stehen werden, um unter der erfindungsgemäßen Verwendung
und Anordnung von elektrolytdurchlässigen Elektroden, z. B. durchgeätzten Folien,
technisch und wirtschaftlich brauchbare Kondensatoren herstellen zu können.
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Soweit gegenpolige Anodenfolien oder auf Elektrolytpotential liegende
Stromzuführungselektroden mit im gemeinsamen Wickel oder Stapel untergebracht sind,
werden die vorher oder beim Aufbau des Kondensators mehrschichtig aufeinanderliegenden
Anodenfolien durch die gleichzeitig mitgewickelten oder gestapelten porösen Abstandhalterschichten
oder -folien von je einer Außenseite her mit Elektrolytflüssigkeit versorgt. Trotzdem
ist, wie entsprechende Versuche ergeben haben, insbesondere bei starker thermischer
Belastung des Kondensators, im Inneren der unmittelbar aufeinanderliegenden Anodenfolien
eine gewisse Verarmung an Elektrolyt zu verzeichnen, die unter besonders ungünstigen
Bedingungen bei völliger Unterbrechung der Elektrolytzufuhr durch die Folien hindurch
zu einem starken Kapazitätsabfall führen muß. Um diesen Nachteil zu vermeiden, wird
vorgeschlagen, auch zwischen den auf gleichem Potential befindlichen Einzelfolien
der Anodenelektrode als Elektrolytspeicher oder -zuleitung dienende poröse Schichten
anzuordnen. Dazu können saugfähige, verhältnismäßig dünne Papierschichten oder -folien
und/oder an sich als Schutzschichten für das Dielektrikum bekannte amorphe Oberflächenschichten,
z. B. besonders aufgebaute Oxydschichten, der Anodenfolien verwendet werden. Auf
diese Weise können Elektrolytkondensatoren bei gleichen qualitativen Eigenschaften
mit einem gegenüber bisherigen Bauformen erheblich verkleinerten Volumen aufgebaut
werden.
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Obgleich der erfindungsgemäße Kondensator außer der (den) mit den
dielektrisch zu beanspruchenden Ventilmetalloxydschichten bedeckten und elektrolytdurchlässigen
Mehrschichtenelektrode(n)
auch eine oder mehrere einschichtige, als bloße Elektrolytstromzuführung dienende
Gegenelektrode mit glatter, rauher elektrolytdurchlässiger Oberfläche enthalten
kann, so läßt sich durch Verwendung einer mehrschichtigen, aus einzelnen elektrolytdurchlässigen
Folien od. dgl. bestehenden Stromzuführungselektrode infolge der dadurch erzielten
Oberflächenvergrößerung die Schaltfestigkeit stark belasteter Kondensatoren derart
verbessern, daß auch bei größter Schalthäufigkeit praktisch kein Kapazitätsabfall
entsteht. Außerdem kann auf diese Weise das Kapazitätsvolumen, insbesondere bei
Niedervoltelektrolytkondensatoren, noch weiter verkleinert werden, weil der Einfluß
der (infolge der auf der »Kathoden«-Folie befindlichen natürlichen Oxydschicht bedingten,
als Reihenkapazität zu der infolge des auf der Anodenfolie befindlichen Formierschicht
erzielten »Anoden«-Kapazität) an sich unerwünschten »Kathoden«-Kapazität durch die
Parallelschaltung von mehreren einzelnen »Kathoden«-Folien entsprechend geringer
wird. Aber auch hier ist der Erfolg von der vollständigen Benetzung der aktiven
Elektrodenoberflächen durch den Elektrolyt abhängig.
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Im vorstehenden ist hauptsächlich ein aus Folien aufgebauter Kondensator
näher beschrieben, weil diese Kondensatorart als die heute allgemein übliche am
meisten Verwendung findet. Das schließt jedoch nicht aus, daß die Erfindung sich
ebenso auch auf anders geformte, mehr oder weniger bekannte Elektroden, wie durch
Aufspritzen, Aufstäuben od. dgl. hergestellte Schichten und Bänder oder durch Pressen
und Sintern hergestellte, mehr oder weniger starre Körper anwenden läßt.