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Elektrolytischer Kondensator Gegenstand vorliegender Erfindung ist
ein elektrolytischer Kondensator, der ein Elektrodenpaar aufweist, bei dem beide
Elektroden aus einem filmbildenden Metall bestehen und einen auf ihnen gebildeten
dielektrischen Film aufweisen, bei dem ferner ein durchlässiges dielektrisches Abstandsmaterial,
vorzugsweise aus Kraftpapier bestehend, zwischen besagten Elektroden angeordnet
ist, ein zwischen diesen Elektroden vorhandener Elektrolyt das Abstandsmaterial
durchdringt und der Elektrolyt auf NN-dimethylformamid-Basis mit einem anorganischen
Ionenbildner aufgebaut ist, welcher dadurch gekennzeichnet ist, daß der Elektrolyt
aus 89 bis 99 Gewichtsprozent NN-dimethylformamid, 0,01 bis
0,1 Gewichtsprozent Ammoniumoxalat und 0,10 bis 100/0 Oxalsäure sowie
bis zu 1 Gewichtsprozent aus Wasser besteht.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform enthält der Elektrolyt 0,012
bis 1 Gewichtsprozent Wasser. GegenüberdemnächstkommendenStandderTechnik
ist der Elektrolytkondensator gemäß vorliegender Erfindung aus mehreren Gründen
sprunghaft überlegen. Erstens kann eine besonders hohe Voltzahl erreicht werden,
zweitens besitzt der Elektrolytkondensator einen wesentlich verbesserten Verlustwinkel,
wodurch die praktische Brauchbarkeit sprunghaft gesteigert wird, da Widerstandswerte
von 1500 bis 2500 Ohm - cm bei 25'C erreicht werden, -und dlittens
besitzt der erfindungsgemäße Gegenstand wesentlich verbesserte Anwendungsweisen
im nichtpolaren Elektrolytgebiet.
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Ein besonderer Vorteil besteht ferner darin, daß der neue Elektrolytkondensator
innerhalb eines sehr weiten Temperaturbereichs, nämlich von -55 bis 125'C,
betriebssicher ist.
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Es ist also Aufgabe vorliegender Erfindung, einen elektrolytischen
Kondensator zu schaffen, der einen hohen Grad an Stabilität und eine verbesserte
Lebensdauer beim Betrieb mit hoher elektrischer Spannung und innerhalb eines weiten
Temperaturbereichs besitzt.
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Der neue Kondensator weist fortschrittlicherweise innerhalb des obengenannten
weiten Temperaturbereichs einen nur minimalen Wechsel seiner Kapazität und seines
Widerstandswertes auf und ist sowohl im nichtpolaren als auch im polaren Elektrolytgebiet
anwendbar.
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In der folgenden Tabelle wird an Hand von Versuchsergebnissen der
mit der Erfindung erzielte sprunghafte Effekt weiterhin dargelegt. Es ist in dieser
Tabelle ein Kondensator des nächstkommenden Standes der Technik mit einem Elektrolyten
aus 10/, Lithiumchlorid
+ 99 0/, NN-dimethylformamid, einem Kondensatoi gemäß
der Erfindung mit einem Elektrolyten aus 0,2
0/0
Amrnoniumoxalat
+ 1,00/, Oxalsäure
+ 98,80/, N,N-(Emethylformamid gegenübergestellt.
| Tabelle |
| Vor dem Gegenpotential Gegenpotential Nach dem Gegenpotential |
| Zeit 1 Temperalur E |
| C D (Stunde) (OC) |
| IL C D |
| Elektrolyt: 10/, Lithiumchlorid + 99 0/0
NN-dimethylformamid |
| 46 0,85 0,4 1 25 1400 |
| 4,3 |
| 160 0,90 1,8 |
| 45 0,87 0,5 1 25 800 4,6 370 0,90 2,9 |
| 48 0,87 0,5 1 25 100 4,8 640 0,90 2,9 |
| Elektrolyt: 0,20/,) # moni-v alat + 1,0
Oxalsäure + 98,8 % NN-dim - lf n rm 0 mid |
| 45 0,88 0,9 1 25 1400 11,0 47 0,86 0,3 |
| 45 0,89 0,5 1 25 800 12,5 48 0,86 1,0 |
| 51 0,86 0,7 1 25 100 18,0 46 0,86 0,4 |
In obiger Tabelle bedeutet
IL = Reststrom in Mikroampere,
C = Kapazität in Mikrofarad,
D = Verlustwinkel in Prozent.
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Wie aus der oben angegebenen Tabelle eindeutig hervorgeht, ist der
Reststrom bei dem Elektrolyten, die vorliegende Erfindung kennzeichnet, praktisch
unverändert, während der Reststrom bei dem Elektrolyten nach dem Stande der Technik,
nachdem er dem Gegenpotential ausgesetzt ist, 4- bis 14mal höher liegt.
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Der Gegenstand vorliegender Erfindung wird nunmehr im folgenden an
Hand der Zeichnungen im einzelnen erläutert.
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F i g. 1 zeigt eine Ausführungsforin vorliegender Erfindung;
F i g. 2 zeigt den Kondensator gemäß F i g. 1 in einem Gehäuse angeordnet.
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In den Zeichnungen und insbesondere in F i g. 1
ist ein Kondensatorwickel
von bekannter Konstruktion dargestellt, der ein Paar Elektrodenfolien
1 und 2 aufweist, von denen mindestens eine aus Tantal besteht oder aus einem
anderen filmbildenden Metall, welches vorzugsweise jedoch nicht unbedingt geätzt
ist und welches auf der Oberfläche einen dielektrischen Oxidfilm trägt, wobei die
Folien beim Betrieb des Kondensators eine entgegengesetzte Polarität aufweisen.
Beim Kondensator des polaren Typs weist normalerweise nur die Elektrode, die als
Anode dient, einen auf ihr gebildeten dielektrischen Oxidfilm auf. Beim nichtpolaren
Kondensator haben beide Elektrodenfolien auf ihnen gebildete dielektrische Oxidfilme.
Der dielektrische Oxidfilin kann durch Formieren auf an sich in der Technik der
elektrolytischen Kondensatoren bekannte Art und Weise hergestellt werden. Zwischen
den Folien 1 und 2 sind Blätter aus dielektrischem Abstandshaltematerial
3, 4, 5 und 6 angeordnet, die im allgemeinen aus Zellulosematerial,
wie Kraftpapier (Natronzellstoff), oder aus anderem geeignetem Material, welches
infolge des Vorhandenseins von durchlässigen Poren imprägnierbar ist, bestehen.
Elektrodenenden oder Anschlußstreifen 8 und 9 sind an den entsprechenden
Folien befestigt und erstrecken sich in entgegengesetzte Richtungen. Die Elektrodenfolien
und die dielektrischen Blätter sind zu einer kompakten Rolle 7 zusammengerollt,
bevor sie in ein Gehäuse eingesetzt werden, wie dies in F i g. 2 gezeigt
ist.
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F i g. 2 zeigt den rollenförmigen Kondensator 7,
der
in ein Metallgehäuse 10 eingeschlossen ist, wobei die Elektrodenenden
8 und 9 durch Pfropfen oder Scheibchen 11 und 12 aus Isoliermaterial
verlaufend heraussehauen; die Pfropfen 11 und 12 können beispielsweise aus
synthetischem Harz bestehen' wodurch ein flüssigkeitsdichter Verschluß des Gehäuses
erreicht wird. Der Elektrolyt 13 des Kondensators ist in das Gehäuse
10 eingefüllt und imprägniert das poröse Abstandshaltematerial; er wird weiter
unten im einzelnen beschrieben.
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Während hier ein elektrolytischer Kondensator gezeigt ist, der aus
gewickelten Folien besteht, können selbstverständlich auch andere Ausführungsformen
des elektrolytischen Kondensators den flüssigen Elektrolyten veiwenden, beispielsweise
Kondensatoren der Drahtform oder andere an sich bekannte Kondensatorformen.
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Der Elektrolytkondensator nach vorliegender Erfindung enthält einen
Elektrolyten, der aus NN-dimethylformamid -und darin aufgelösten, Ionen bildenden
Stoffen aus Ammoniumoxalat und Oxalsäure besteht. Die dissoziierenden Stoffe sind
in geringen Mengen anwesend; es wird das Ammoniumoxalat in einer solchen Menge verwendet,
daß bei -55'C keine Ausfällung erfolgt.
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Ein bevorzugter Elektrolyt ist im folgenden in Gewichtsprozent angegeben.
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N,N-dimethylformamid ........ 97,0 bis 98,95
Oxalsäure
.................... 1,0
Ammoniumoxalat ............ 0,048 bis
0,10
Wasser ................ bis zu 1
Der vorgenannte Elektrolyt
wird vorzugsweise dadurch hergestellt, daß ein Gewichtsprozent Oxalsäure in NN-dimethylformamid
aufgelöst wird, unter anschließender Zugabe von etwa 0,75 g Ammoniumkarbonat
pro Liter Dimethylformamid, so daß der Widerstand der Lösung ungefähr 2000 Ohm
- cm und der pH-Wert etwa 4 bis 5 beträgt.
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An Stelle der Zugabe von Ammoniumkarbonat kann eine genügende Menge
Ammoniakgas durch die Lösung durchgeleitet werden zum Zwecke der Herstellung der
gewünschten Menge Ammoniumoxalat durch Reaktion mit der Oxalsäure. In jedem Fall
spielt sich eine Reaktion zwischen der Oxalsäure und der Ammonium enthaltenden Komponente
ab unter Bildung von Ammoniumoxalat und von Wasser.
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Während die oben beschriebenen Anteile der Inhaltsstoffe bevorzugte
Mengen darstellen, können die verwendeten Mengen auch etwas variiert werden, wobei
dennoch befriedigende Ergebnisse erzielt werden. Im
allgemeinen wird das NN-dimethylformamid
in einem Bereich von etwa 89 bis 99 Gewichtsprozent, die Oxalsäure
in einem Bereich von etwa 0,1 bis 10 Gewichtsprozent -und das Ammoniumoxalat
in einem Bereich von etwa 0,01 bis 0,1 Gewichtsprozent vorhanden sein,
Während Überschußmengen des letzteren den Elektrolyten nicht unbrauchbar machen,
lösen sich Mengen. die oberhalb der angegebenen Grenze liegen, normalerweise nicht
in der Elektrolytlösung auf. Die Verwendung von Ammoniumoxalat von vornherein bei
der Heistellung der Lösung ist nicht so empfehlenswert, wie die Verwendung von Ammoniumkarbonat
oder Ammoniakgas, wie oben beschrieben, da sich Ammoniumoxalat nur sehr langsam
im Dimethylformamid auflöst.
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Der Elektrolyt ist gut geeignet als Füllelektrolyt für Tantalfolien-Kondensatoren
für hohe Spannungen, beispielsweise bei 350 Volt Gleichspannung bei 25'C
und 300 Volt Gleichspannung bei 125'C. Eine besonders kennzeichnende Eigenart
des Elektrolyten ist seine Eigenschaft, den gebildeten dielektrischen Oxidfilm auf
der Elektrodenfolie bei den Betriebsspannungen nicht zu beeinträchtigen, besonders
unter solchen Bedingungen, die einen gelegentlichen oder periodischen Wechsel der
Polung oder einen zeitweiligen oder ständigen Betrieb bei Wechselspannungen erfordern.
Der Elektrolyt ist daher für nichtpolare Kondensatoren ausgezeichnet geeignet.
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Darüber hinaus besitzt der beschriebene Elektrolyt eine ausgezeichnete
Verträglichkeit mit den dielektrischen Schichten und hat die Fähigkeit, Kraftpapier
oder anderes Kondensatorpapier oder andere Materialien, wie beispielsweise Glasgewebe,
zu imprägnieren. Außerdem ergibt seine geringe Viskosität und der relativ geringeWiderstandsanstieg
bei -55'C ausgezeichnete Kondensatoreigenschaften bei tiefen Temperatwen.
Es
wurde auch festgestellt, daß eine gute Stabilität des Elektrolyten und des Tantaloxidfilms,
der mit ersterem in Berührung steht, auch bei erhöhten Betriebstemperaturen bis
zu 125'C vorhanden ist.
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Ein weiterer Vorteil der Verwendung des beschriebenen Elektrolyten
besteht darin, daß die Oxalate vieler Metalle unlöslich sind, verglichen mit z.
B. den Nitraten der gleichen Metalle. Auf diese Weise werden Verunreinigungen, die
beispielsweise in Form solcher Metalle in den Elektrodenfolien vorhanden sein können,
ausgefällt und vom beschriebenen Elektrolyten entfernt; sie würden in löslicher
Form in den nitratenthaltenden Elektrolyten verbleiben.
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Bei Versuchen, die im Zusammenhang mit dieser Erfindung durchgeführt
wurden, wurde eine Folie aus reinem Tantal in dem bevorzugten Elektrolyten bei 480
Volt Gleichspannung formiert. Dieser Wert liegt ungefähr um 200 Volt höher als die
Formierspannung, die mit anderen Elektrolyten erzielt werden kann, beispielsweise
bei der Verwendung von Ammoniumformiat und Ammoniumnitrat in Dimethylformanüd. Der
hierdurch erzielte Vorteil liegt darin, daß die Kondensatoren gemäß vorliegender
Erfindung für höhere Betriebsspannungen geeignet sind, sowie darin, daß bei niederen
Spannungen die Beständigkeit des Dielektrikums im Elektrolyten besser ist als die
bei den bekannten Elektrolyten.
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Bei niederen Spannungen wurde gefunden, daß der Elektrolyt die einzigartige
Eigenschaft besitzt, den Strom, der von der periodischen Umkehr der Polarität herrührt,
herabzudrücken, und zwar auf einen Wert, welcher unter demjenigen liegt, der mit
anderen Elektrolyten, beispielsweise mit Ammoniumnitrat in Dimethylformamid, erzielt
werden kann.