DE2421717A1

DE2421717A1 - Elektrolytischer folienkondensator mit mehreren abschnitten

Info

Publication number: DE2421717A1
Application number: DE19742421717
Authority: DE
Inventors: Mark Markarian; Henry Francis Puppolo
Original assignee: Sprague Electric Co
Current assignee: Sprague Electric Co
Priority date: 1973-05-07
Filing date: 1974-05-04
Publication date: 1974-11-28
Also published as: CA992625A; IT1010320B; DE2421717C2; JPS5352035Y2; JPS51125245U; FR2229126B3; FR2229126A1; JPS5015057A

Description

PATENTANWALT DIPL- ING.

HELMUT GÖRTZ 0/01717

6 Frankfurt am Main 70 IkL I / I /

Schneckenhofstr. 27 - Tel. 61707«

2. Mai 1974 Gze/mü

SPRAGUE ELECTRIC COMPANY, North Adams, Massachusetts 01247,

U.S.A.

Elektrolytischer Folienkondensator mit mehreren Abschnitten

Die vorliegende Erfindung betrifft elektrolytische Folienkondensatoren; insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung Folienkondensatoren mit mehreren Abschnitten, wobei verschiedene kapazitive Abschnitte parallel geschaltet sind.

Elektrolytische Folienkondensatoren werden häufig in Filter-, schaltkreisen für die Gleichstromversorgung verwendet, wo sie hauptsächlich dazu dienen, Welligkeit und andere niederfrequente Signale aus der zugeführten Gleichstromspannung zu entfernen. Wenn aus einer solchen Stromversorgung rasch wechselnder Strom abgenommen wird, wie es besonders bei Computer-Schaltkreisen der Fall ist,' so wird es trotzdem angestrebt, dass die Stromquelle auch bei diesen rasch wechselnden Strömen eine konstante Spannung beibehält. Die Kondensatoren in den Filterschaltkrelsen müssen deshalb in einem weiten Frequenzbereich eine geringe Impedanz aufweisen. Es sind elektrolytische Folienkondensatoren hergestellt und verwendet worden, die in einem Frequenzbereich der von wenigen Hertz bis in den Megahertz-Bereich reicht, eine niedrige Impedanz aufweisen. So wird z.B. in dem US-Patent 3 611 051 eine buchförmige Ausgestaltung eines Kondensators be-

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schrieben, der einen Bandleiter aufweist, an ecm abwechselnd aufejnandergestapelt elektrolytische Folien und Abstandshalter aus Papier angebracht sind. Ferner wird in dem US-Patent" 5 65'¹- 524 ein elektrolytischer Kondensator beschrieben, der -Abschnitte mit'herausragenden-Folien aufweist, welche an einem Bandleiter angebracht sind. Bei diesen und anderen bekannten Ausführungsformen macht der Abschnitt der Folie, der aus dem Körper der Kondensatorabschnitte herausragt, um den elektrischen Anschluss zu gewährleisten, einen hohen Prozentsatz des Gesamtanteils der Folie an dem Kondensator aus. Diese herausragende Folie trägt.nur sehr "wenig zu der Gesamtkapazität bei, im wesentlichen dient sie lediglich zum Anschluss der· Abschnitte. Ferner ist es üblich, eine herausragende Folie aus einem gewickelten und abgeflachten Abschnitt typischerweise abzuschneiden und zu verwerfen. Die herausrag'ende Folie bei den bekannten Ausführungsformen ist eigentlich unwirksam und stellt somit einen unnötigen Bestandteil dar.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen elektrolytischen Folienkondensator bereitzustellen, der über einen weiten Frequenzbereich niedrige Impedanz auf v/eist, und wenig kostet.

Weitere Aufgaben und Besonderheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen, den Zeichnungen und den Ansprüchen.

Der erfindungsgemäße, elektrolyt!sehe Folienkondensator weist zwei oder mehr abgeflachte Kondensatorabschnitte auf, ferner einen Bandleiter aus zwei Metallstreifen, welche durch eine isolierende Schicht getrennt sind. Die abgeflachten Abschnitte

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auf beiden Seiten des Bandleiters aufgeschichtet, und die Folienenden jedes Abschnittes' sind teilweise abgewickelt. Ein Folienonde ist für jed.en Abschnitt mit einen Streifen des Bandleitern verbunden, und das andere Folienende ist an dem anderen Streifen befestigt. Auf diese Weise sind die Abschnitte elektrj sch .parallel geschaltet, und es sind, für ,jodci Abschnitt Iec'ifiich sv/ei Folienstücke erforderlich, in Vorgleich zu vielen Folienstücken, wie sie typischerweine bei bekannten .Ausführungen erforderlich sind.

Die Figur 1 zeigt in perspektivischer Darstellung einen Abschnitt eines aufgerollten, elektrolytischon Folienkor^ensators, r^er teilweise abgewickelt ist,' dan.it die einzelnen Schichten besser zu erkennen sind.

Die Figur 2 zeigt die Seitenansicht des aufgerollten, elektro-1-^tischen Foiienkondensators aus Figur 1.

Die Figur 3 zeigt die Seitonansicht des aiif gerollten Fo'llcnkonrs nach Fi/"Ur 2, nachdem dieser abgeflacht v/ordon ist.

Die Figur h zeigt in einer Seitenansicht eine Anordnunp, die nun abgeflachten Kondensato?^abschnitton, welche an ^on Bandleiter befestigt rond, bestoht.

"0i.o Figur {) zeigt von unten gesehen die Anordnung nacli Figui^ h

^.wv Herstellung des erfindungsgemäßen, elektrolytir.ohen Folien kondensators werden zuerst v/eiiigstens zwei Folien aus Ventilmetall mit einer dielektrischen Zwischenschicht aufgerollt, VO "urch naoh gut bekannten Verfahren die Abschnitte (¹^a, elek—

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trolytischen Folienkondensators erhalten v/erden. Ein Kondonsatorabschnitt 10, wie er zur Verwendung nach einer ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufgewickelt -wurde, ist in Figur 1 gezeigt. Eine Aluminiumfolie 12, die geätzt sein kann oder nicht, liegt benachbart an einer Zwischenschicht 13 aus Papier an, und dient als Kathoden-Elektrode. Eine zweite Aluminiumfolie 14 dient als Anoden-Elektrode, welche geätzt worden ist und auf allen ihren Oberflächen einen Oxidfilra aufweist; diose zweite Aluminiumfolie 14 liegt zwischen der Papi-erschicht 13 und einer zweiten Papierschicht 15. JcIe Zwischenschicht kann aus einer oder mehreren Papierlagen bestehen. Daraus folgt, in dem aufgerollten Abschnitt 10 sind die beiden Folien 12 und 14 voneinander durch Papier-Zwischenschichten 13 und 15 getrennt, und die Zwischenschichten bzw. Abstandshalter sind breiter als die Folien, so dass ein Rand gebildet wird, welcher einen Spannungsdurchschlag des Kondensators in den Bereichen hoher Spannungsbeanspruchung nahe den Folienkanten verhindert.

In Figur 2 ist der Kondensatorabschnitt 10 aus Figur 1 in einer Seitenansicht gezeigt. Die Folien 12 und 14 sind teilweise abgewickelt, und ihre Enden zeigen in entgegengesetzte Richtungen. Die Enden der Zwischenschichten 13 und 15 aus Papier sind teilweise abgeschnitten.

In Figur 3 ist in einer Seitenansicht der gewickelte Abschnitt 20 aus Figur 2 gezeigt, nachdem dieser abgewickelt worden ist-» Die Enden der Folien 12 und 14 zeigen in entgegengesetzte Richtungen, und die Papier-Zwischenschichten 13 und 15 gewährleisten, dass die beiden Folien überall voneinander getrennt sind.

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In Figur 4 ist eine Anordnung von vier Abschnitten 20 gezeigt, (wobei bei dieser Betrachtung nur einer zu sehen ist) v/elche mit einem Bandleiter verbunden sind.

In Figur 5 wird von unten gesehen die Anordnung nach Figur 4 gezeigt. Der Bandleiter besteht aus zwei Metallstreifen 32.und 34, v/elche durch eine dünne isolierende Schicht 33 voneinander getrennt und an diese gebunden sind. Die Zeichnungen sind vergrößert dargestellt, damit die Ausführung besser zu erkennen ist. Zwei Abschnitte 20 sind mit einem Band 35 aneinander gewickelt und auf Jeder Seite des Bandleiters aufgeschichtet. Die Enden der Kathodenfolie sind an einen herausragenden Abschnitt des Streifens 32 des Bandleiters angeschweißt, und die Enden der Anodenfolie sind an einen herausragenden Abschnitt des Streifens 34 des Bandleiters angeschv/eißt. Diese Schweißstellen sind entsprechend mit 36 und 38 bezeichnet. Die obersten Abschnitte der Streifen 32 und 34 des Bandleiters sind, wie in Figur 4 dargestellt, weiterhin mit (nicht abgebildeten) Anschlüssen verbunden. Die Anordnung nach Figur 4 ist mit einem Standard-Elektrolyten imprägniert und in einer (nicht abgebildeten) Aluminiumdose befestigt. Obwohl in den Abbildungen der ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vier Kondensatorabschnitte gezeigt sind, ist es einleuchtend, dass allgemeinere Ausführungen zwei oder mehr Abschnitte aufweisen können, um in gleicher Weise die Vorteile dieser Ausführungsform zu realisieren.

Die Abbildungen in den Figuren 1 bis 5 sind ebenfalls repräsentativ für einen Kondensator nach der zweiten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei beide Folien aus

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geätztem Aluminium bestehen und beide Pollen auf ihren penant.cn Oberflächen einen Oxidfilm aufweisen. Die beiden Folienenr'en sind ebenfalls jeweils mit den entsprechenden Streifen des Bandleiters verbunden, so dass alle Kondensatorabschnitte elektrisch parallel geschaltet mit dem Bandleiter verbunden sind. Bei dieser zweiten bevorzugten Ausführungsform sind die Abschnitte vom nicht-gepolten Typ, genauso wie die gesamte Anordnung.

Nach der Ausgestaltung der ersten bevorzugten Ausführungsforni wurden eine Reihe von Kondensatoren hergestellt. Verschiedene dieser Kondensatoren wiesen sechs Abschnitte, acht Abschnitte und zehn Abschnitte auf, ferner wiesen alle diese Versuchskon-^ densatoren innerhalb einer Genauigkeit von 20% eine Kapazität von 90 000 Mikrofarad auf und wurden mit einer Nennspannung von 5 Volt Gleichstrom betrieben.

Die Anoden- und Kathodenfolien 12 und 14 aus Aluminium wurden geätzt und wiesen eine Dicke von ungefähr 0,07? mm auf .^ Die isolierenden Zwischenschichten 13 und 15 bestanden aus Kraft-Papier mit einer Dicke von 0,050 mm, was für elektrol"<?tlsche Kondensatoren typisch ist. Das Band 35 zur Befestigung der Abschnitte bestand aus einer Mylar-Folie (ein Handelsname für eine- Poly/fcerepnxhalat-Folie der Firma DuPont, welche von der Minnesota Mining and Manufacturing Co. unter der Bezeichnung tape number 5 vertrieben wird) und wies eine Dicke von 0,063 mm auf. Die isolierende Schicht 33 innerhalb des Bandleitern bestand aus einer 0,625 mm dicken Mylar-Folie, und die Streifen 32 und 34 des Bandleiters bestanden aus 1,524 mm dicker Aluminiumfolie. Die Folienenden waren mittels einem hierzu gut bekannten Verfahren, wie es zum Schweißen von Wolfram unter

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inertem Gas (TIG) angewandt wird, angeschweißt worden. Der Elektrolyt bestand aus Äthanolamin-Triflnoracetat.

An den Versuchskondensatoren wurden elektrische Untersuchungen durchgeführt, und diese Versuchskondensatoren mit einer Gruppe von Kontrolleinheiten verglichen, welche übliche herausragende. und eingeschnittene Folienabschnitte aufwiesen, die an einem Bandleiter befestigt waren, ansonsten wiesen diese Kontrolleinheiten jedoch die gleiche Kapazität und Nennspannung auf. Bei ^rlen Messungen wurde die Kapazität (cap.), der äquivalente Reihenwiderstand (ESR), der Gleich-Leckstrom (DCl,) die v/irksame Reiheninduktivität (ESL) und die Impedanz (2) bei verschiedenen Frequenzen bestimmt. Eine Zusammenfassung dieser Messergebnisse für Kontrolleinheiten und eine Gruppe dor Versuchnkondensatoren mit sechs Abschnitten bringt die fol^ondo Zusammenstellung:

	Kontroll	Prototyp mit
	einheiten	6 Abschnitten
Cap(^uF)	81.120	82.710
ESR(Ohm)	0,00105	0,0022
DCL(^uA) ^	^ 292
- ESL(n H) ^	- ' 1,07	2,14
" Z(Ohm)
bei 100 Hz	20,0	19,5
bei 1 KHz	2,2	2,8
bei 10 KHz	•^I%% 0,6	1,5
bei 100 KHz	1,2	2,9
bei 1 ΙΊΗζ	5,9	8,9

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Die folgende Tabelle bringt einen Vergleich der Messernebnisse an Versuchskondensatoren, welche eine unterschiedliche Anr.ahl von Kondensatorabschnitten, jedoch jeweils den gleichen p;esamten v/irksamen anodischen Folienbereich aufweisen:

	Abschnitte
Cap(/uF)	104.440
ESR(Ohm)	0,0023
DCL (/uA)	370
ESL(n H) *~	1,74
Z(Ohm)
bei 100 Hz	15,4
bei 1 KHz	2,4
bei 10 KHz	1,5
bei 100 IvHz	3,3
bei 1 MHz	8,9

8	10
Abschnitte	Abschnitte
101 .550	106.390
0,0016	0,0013
378	360
1,67	1,57
• 16,2	15,3
2,2	1,9
1,2	1,0
2,6	2,5
8,6	8.·, 1

Es ist zii beachten, dass mit zunehmender Anzahl von Abschnitten sowohl der äquivalente Reihenwiderstand ESR win die Impedanz Z bei höheren Frequenzen abnehmen. Dies war voraussagbar, da i^;^r Fachmann weiß, dass für Anschlüsse, welche aus aufgerollten Endabschlüssen bestehen, der äquivalante Reihenwiderstand ESR zunimmt, wenn die Folienlänge zunimmt, da der Folienw:'derstand ain meisten zu den äquLvaleiteri Reihenwiderstan* beitragt. Ferner

*h ρ* Ic ώ τι T"i"i"
i~t im Falle von Anschlüssen/ weXcne aus aufgerollten Folienandabschnitten bestehen und auf übliche Weise über Vorsprünge verbunden sind, dass in dem Ausmaß, in dem die Anzahl der WIn-

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düngen zunimmt, ebenfalls die wirksame Reiheninduktivität zunimmt. Daraus folgt _f die Impedanz der Abschnitte bei hoher Frequenz wird überwiegend bestimmt durch die Kapazität von ungefähr d.er ersten Wicklung, der Aussenseite.

Hauptsächlich aus den ausgeführten Gründen besteht der Anschluss' zu einem aufgerollten Abschnitt üblicherweise aus einer Vielzahl eingesetzter Vorsprünge oder durch Mittel zur Verbindung der Folie oder Mittel zur Verbindung der Elektrodenkante, wie etwa die eingangs genannten,herausragenden Folienabschnitte, so dass die Abhängigkeit der wirksamen Reiheninduktivität ESL, und des äquivalenten Reihenwiderstandes ESR von der Folienlänge und der Anzahl der Wicklungen verringert wird. Daher sind aufgerollte Abschnitte, welche über ihre Enden verbunden sind, nahezu vollständig aus dem Markt verschwunden."

Die obengenannten Beziehung zwischen der Leistungsfähigkeit und der Struktur ergeben sich aus den aufgeführten Versuchsergobnissen und waren vorhersagbar. Trotzdem v/eisen die vier Gruppen von Versuchskondensatoren mit über Enden verbundenen Abschnitten Werte für die Impedanz Z und den äquivalenten Reihen-' widerstand auf, die erstaunlich nahe bei den Werten der Vergleichskondensatoren liegen. Die Vergleichskondensatoren weisen 312 herausragende Folienabschnitte auf, verglichen mit 20 über ^r"as Ende verbundenen Folien in der Gruppe von Versuchskondensatoren' mit zehn Abschnitten. Es ist einleuchtend, dass die Ver-Wendung des Bandleiters in Kombination mit den über das' Ende, verbundenen Abschnitten zu hochwirksamen Anschlüssen führt. Darüber hinaus wird mit der erfindungsgemäßen Kombination eine Ausführung -'orgcschlagen, bei der lediglich geringe oder gar

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keine Folienabfälle auftreten, und eine vergleichsweise einfache Anordnung vorherrscht. Die nit der Herstellung der· erfindungsgemäßen Anordnung verbundenen Kosten sind ~aher merklich geringer als die Kosten zur Herstellung der bekannten
Gegenstücke.

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Claims

Patentansprüche

1.)Elektrolytischer Folienkondensator mit zwei oder mehr ge-. wickelten Kondensatorabschnitten, wobei diese Abschnitte teilweise abgewickelt und. abgeflacht sind, mit einem Bandleiter, der aus zwei Metallstreifen besteht, welche durch eine isolierende Schicht getrennt sind, und die abgeflachten Abschnitte an diesem Bandleiter aufgeschichtet sind, wobei ein erstes Folienende jedes Abschnittes an einem Metallstreifen und dan zweite Folienende jedes Abschnittes an dem anderen Metallstreifen befestigt ist; so das-s zwei oder mehr Kond.ensatorabschnitte elektrisch parallel geschaltet, verbunden sind.

2. Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Folie jedes Abschnittes auf all ihren Oberflächen einen Oxidfilm aufweist, diese Folie als Anoden-F.lektro^e dient; die andere Folie jedes Abschnittes als Kathoden-Elektrode dient; jede Anocen-Folie jeweils ein erstes Folienende aufweist und jede Kathoden-Folie jeweils ein zweites Folienende aufweist, so dass ein gepolter Kondensator vorliegt.

3. Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass alle Folien jedes Abschnittes auf all ihren Oberflächen einen Oxidfilm aufweisen, so dass ein nicht-gepolter Kondensator vorliegt.

h. Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Folienenden an den Metallstreifen nach einem Verfahren angeschweißt sind, wie es "zum Schweißen von Wolfram unter inertem Gas (tungsten inert gas welding) verwendet wird.

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Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschnitte zwischen den Folien aufgerollte Zwischenschichten aufweisen, wobei die Zwischenschichten breiter als die Folien sind und über die Folienkanten hinausragen.

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