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Schichtkondensator Die Erfindung betrifft einen Schichtkondensator,
insbesondere einen metallbeschichteten Kunststoffschichtkondensator.
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Übliche Kunststoffolien haben eine nur mässige Wärmebeständigkeit.
Diese mässige Wärmebeständigkeit macht sich insbesondere beim Bedampfen der Folien
mit Metall im Vakuum störend bemerkbar. Der erzielbare Wirkungsgrad der Aufdampfung
ist gering. Zusätzlich wirken thermische Dimensionsveränderungen der Folien, in
der Regel Wärmeschrumpfungen, nachteilig auf die Qualität der Produkte. Aufgrund
seiner günstigen Kenndaten wird für bekannte Kunststoffschichtkondensatoren Propylen
bevorzugt. Polypropylen hat jedoch einen relativ niedrigen Schmelzpunkt, der im
Bereich von 160 OC liegt. Bei der Vakuumbedampfung von Polypropylenfolien werden
dementsprechend ausserordentlich geringe Wirkungsgrade erzielt. Zur Herstellung
metallbeschichteter Polypropylenfolien sind dementsprechend viele wiederholte Beschichtungsprozesse
erforderlich Durch den zusätzlich geringen Wärme
widerstand des
Polypropylens sind Polypropylenfolien insbesondere dann aus thermischen Gründen
besonders ungeeignet, wenn sie beidseitig mit Metall kontaktiert werden sollen.
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Die beidseitige Metallbeschichtung erfolgt dabei in der Regel durch
Auf sprühen von feinverteiltem geschmolzenem Metall. Dieses Verfahren ist das heute
üblichste Verfahren zur Herstellung beidseitig mit Metall beschichteter Folien für
die Kondensatorherstellung.
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Im Gegensatz zum Polypropylen weist Polyäthylenterephthalat einen
relativ hohen Schmelzpunkt von 260 °C auf. Polyäthylenterephthalatfolien sind dementsprechend
relativ zu den übrigen Kunststoffolien relativ wärmebeständig. Es ist seit langem
bekannt, Polyäthylenterephthalatfolien mit Metallen zu beschichten und zu Schichtkondensatoren
zu verarbeiten. Gegenüber den Polypropylenfolien wird für die Polyäthylenterephthalatfolien
eine hohe Aufdampfausbeute je Aufdampfstufe, wird also ein hoher Wirkungsgrad der
Aufdampfung, erzielt. Entsprechend sind nur eine geringere Anzahl von Aufdampfungen
erforderlich.
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Gegenüber den anderen Kunststoffolien weist die Polyäthylenterephthalatfolie
jedoch ungünstigere elektrische Eigenschaften als Kondensatormaterial auf Insbesondere
der dielektrische Verlust tan g ist ungünstig. Im Gegensatz dazu weisen jedoch Polypropylenfolien
insbesondere im Hinblick auf den dielektrischen Verlust wesentlich günstigere Werte
auf. So ist der dielektrische Verlust von Polypropylenfolien im Gegensatz zum dielektrischen
Verlust der Polyäthylenterephthalatfolien nicht nur deutlich geringer, sondern vor
allem auch praktisch im gesamten Einsatztemperatur-Bereich temperaturunabhängig.
, Aufgrund dieser Eigenschaft hat sich Polypropylen trotz seiner schlechten Wärmebeständigkeit
und der beim Beschichten mit Metall in Kauf zu nehmenden Nachteile als Material
für die Herstellung von
Kunststoffschichttransistoren durchgesetzt.
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Die geringe Wärmebeständigkeit von aus Polypropylenfolien hergestellten
Kondensatoren, insbesondere von Kondensatoren aus mit Metall beschichteten Polypropylenfolien
führt auch zu erheblichen Schwierigkeiten bei der Herstellung von Anschlüssen bzw.
Elektroden. Das Aufsprühen von zerstäubtem geschmolzenem Metall auf Polypropylenfolien
führt aus den zuvor beschriebenen Gründen der schlechten Wärmebeständigkeit des
Polypropylens zu schlechten Ergebnissen. Die Polypropylenfolien neigen zum Durchschmelzen,
schrumpfen und anderen thermischen Verformungen. Die Anschlüsse für Schichtkondensatoren
auf der Basis-metallbeschichteter Polypropylenfolien können daher nur mit relativ
hoher Ausschussrate hergestellt werden. Die vom Material her möglichen günstigen
dielektrischen Verlustfaktoren gehen zum grossen Teil verloren.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Kunststoffschichtkondensatoren
zu schaffen, die die günstigen elektrischen Kenndaten der Polypropylenschichtkondensatoren
aufweisen, gleichzeitig aber deren ungünstige mechanische Eigenschaften, insbesondere
thermische Eigenschaften, wesentlich verbessern.
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Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, Schichtkondensatoren
dieser Art so auszubilden, dass ihre Isolationsleistung bei gleichzeitig wirtschaftlicherer
Herstellung verbessert werden kann.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein metallbeschichteter Schichtkondensator
vorgeschlagen, der erfindungsgemäss gekennzeichnet ist durch eine beidseitig metallbeschichtete
Polyäthylenterephthalatfolie und eine nicht mit Metall beschichtete Polypropylenfolie,
die übereinanderliegend gemeinsam aufgewickelt sind.
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Nach einer bevorz-ugten Ausbildung der Erfindung beträgt die
Dicke
der Polypropylenfolie 70 - 90 % der Dicke der Polyäthylenterephthalatfolie Die Erfindung
ist nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen
näher beschrieben.
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Es zeigen: Fig. 1 in graphischer Darstellung den dielektrischen Verlust
als Funktion der Temperatur für eine Polyäthylenterephthalatfolie (A) und eine Polypropylenfolie
(B) Fig. 2 im Querschnitt die Folien des Kondensators der Erfindung im nicht aufgewickelten
Zustand; Fig. 3 in graphischer Darstellung die Randspannung oder Hüllspannung (skirt
voltage") einer V-T-Charakteristik dividiert durch die Dicke der Polypropylenfolie
als Funktion der Dicke einer Polyäthylenterephthalatfolie des in Fig. 2 gezeigten
Widerstandes bei einer Dicke der Polypropylenfolie von 100; und Fig. 4 die Rand-
oder Hüllspannung einer V-T-Charakteristik dividiert durch die Dicke der Polyäthylenterephthalatfolie
als Funktion der Dicke der Polypropylenfolie des in Fig. 2 gezeigten Kondensators
bei einer Dicke der Polyäthylenterephthalatfolie von 100.
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In der Fig. 2 ist der Kondensator der Erfindung im nichtaufgewickelten
Zustand dargestellt. Die Polyäthylenterephthalat
folie 1 ist auf
beiden Seiten metallisch beschichtet. Vorzugsweise ist die Breite der Polypropylenfolie
2 geringer als die Breite der Polyäthylenterephthalatfolie, und zwar insbesondere
vorzugsweise um 1 mm oder mehr.
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In dem in Fig. 2 gezeigten Schichtkondensator ist zur Herstellung
der Elektroden der Polyäthylenterephthalatfilm beidseitig metallisch beschichtet.
Die Beschichtung wird vorzugsweise durch Aufsprühen von feinverteiltem geschmolzenem
Metall erzeugt. Durch die relativ gute Wärmebeständigkeit der Polyäthylenterephthalatfolie
kann diese Beschichtung vergleichsweise einfach und mit relativ hohem Wirkungsgrad
durchgeführt werden. Durch das gemeinsame Aufwickeln mit einer unbeschichteten Polypropylenfolie
wird ein Schichtkondensator erhalten, der in einfacher und wirtschaftlicher Weise
wie ein Polyäthylenterephthalatkondensator hergestellt werden kann und die elektrischen
Kenndaten eines Polypropylenkondensators aufweist. Die Anzahl der zur Herstellung
dieser Kondensatoren erforderlichen Verfahrensschritte kann gegenüber dem Polypropylenkondensator
herkömmlicher Art wesentlich verringert werden.
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Aufgrund der unterschiedlichen dielektrischen Festigkeit der beiden
verschiedenen Kunststoffolien werden diese vorzugsweise in unterschiedlichen Dicken
zur Erzielung gleicher Isolationsfaktoren eingesetzt.
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Als Charakteristikum der dielektrischen Festigkeit der Folie dient
die sogenannte Randspannung (skirt voltage") der Durchbruchspannung. Im Rahmen der
charakteristischen Zeitspanne vom Anlegen der Spannung an den Prüfling bis zum Durchschlag
als Funktion der angelegten Durchschlagspannung ist die Randspannung jene Spannung,
bei der auch nach sehr langer Zeit gerade noch kein Durchschlag eintritt.
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Zur Kennzeichnung der Kondensatorfolien im Rahmen dieser Beschreibung
wird die auf die Dicke der Folie bezogene
Randspannung verwendet.
Für eine Polyäthylenterephthalatfolie beträgt die relative Randspannung 42 V//um,
während sie für eine Polypropylenfolie 76 V//um beträgt.
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In der Fig. 3 ist für Kondensatoren der in Fig. 2 gezeigten Art die
relative Randspannung einer Polypropylenfolie als Funktion der relativen Dicke der
Polyäthylenterephthalatfolie dargestellt. Die auf der Abszisse aufgetragene Dicke
der Polyäthylenterephthalatfolie ist in Prozent der konstant gehaltenen Dicke der
Polypropylenfolie angegeben. Die in der Figur gezeigten Ergebnisse lassen erkennen,
dass mit zunehmender Dicke der Polyäthylenterephthalatfolie die relative Randspannung
der Polypropylenfolie bis zu einem Grenzwert stetig zunimmt und dann angenähert
konstant bleibt.
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Der Sättigungswert liegt bei einer Schichtdicke der Polyäthylenterephthalatfolie
von etwa 120 °S der Schichtdicke der Polypropylenfolie.
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In der Fig. 4 ist die entsprechende Funktion mit vertauschtem Folienmaterial
aufgetragen. Auf der Ordinate ist die relative Randspannung der Polyäthylenterephthalatfolie
des in Fig. 2 gezeigten Kondensators aufgetragen, während auf der Abszisse die prozentuale
Dicke der Polypropylenfolie aufgetragen ist.
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Ab einer Schichtdicke der Polypropylenfolie von etwa 70 % der Dicke
der Polyathylenterephthalatfolie wird die zunächst angenähert lineare Zunahme der
relativen Randspannung der Polyäthylenterephthalatfolie zunehmend sublinear. Die
relative Randspannung der Polyäthylenterephthalatfolie bleibt bei einer Schichtdicke
der Polypropylenfolie von über 90 % ir Schichtdicke der Polyäthylenterephthalatfolie
praktisch konstant und unabhängig von der Schichtdicke der Polypropylenfolie.
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Der angenähert linear ansteigende Ast der relativen Randspannung der
in Fig. 3 gezeigten Kurve kann durch den in der Polyäthylenterephthalatfolie erfolgenden
Durchbruch erklärt
werden. Der konstante Kurvenabschnitt der in
Fig.3 gezeigten relativen Randspannung gibt den Bereich des Durchbruchs in der Polypropylenfolie
wieder.
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In entsprechender Umkehrung der Verhältnisse ist in der in Fig. 4
gezeigten Kurve der lineare Anstieg offensichtlich auf den in der Polypropylenfolie
erfolgenden Durchschlag und der horizontale Kurvenverlauf auf den in der Polyäthylenterephthalatfolie
zurückzuführen.
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Aufgrund dieser Verhältnisse wird nach einer bevorzugten Ausgestaltung
der Erfindung vorgeschlagen, die Schichtdicken der Polyäthylenterephthalatfolie
und der Polypropylenfolie relativ zueinander so zu wählen, dass das prozentuale
Verhältnis der Schichtdicken im Übergangsbereich vom linearen in den horizontalen
Ast der in den Figuren 3 und 4 gezeigten Funktionen liegt. In diesem Bereich wird
eine optimale Abstimmung der Isolationseigenschaften beider Folien des Kondensators
auf einander erzielt.
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Weiter oben sind die relativen Randspannungen einer Polyäthylenterephthalatfolie
und einer Polypropylenterephthalatfolie angegeben. Nach diesen Daten beträgt also
die relative Randspannung der Polyäthylenterephthalatfolie lediglich 55 % der relativen
Randspannung der Polypropylenfolie. Der in Fig. 4 dargestellten Kurve ist jedoch
zu entnehmen, dass im Kondensatorverbund dieser Wert über dem für die Einzelfolien
gemessenen Verhältnis von 55 % liegt. Diese Erscheinung kann wie folgt erklärt werden:
Aufgrund des relativ hohen dielektrischen Verlustfaktors tan K der Polyäthylenterephthalatfolie
erwärmt sich der Schichtkondensator unter Last. Dabei wird die Durchschlagfestigkeit
der Polypropylenfolie stärker erniedrigt als die Durchschlagfestigkeit der Polyäthylenterephthalatfolie.
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Aus den genannten Gründen beträgt die Dicke der Polypropylenfolie
im Kondensator der Erfindung vorzugsweise 70 - 90 % der Dicke der Polyäthylenterephthalatfolie.
Dadurch wird nicht nur eine optimale Isolationsabstimmung im Kondensator erzielt,
sondern ist auch ein Kriterium für die besonders wirtschaftliche Herstellung solcher
Kondensatoren gegeben.
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Als besonders einfache und wirtschaftliche bevorzugte Ausführungsform
des Kondensators der Erfindung wird die in Fig. 2 im Querschnitt quer zur Folienlängsrichtung
dargestellte Bauweise bevorzugt. Die Polypropylenfolie 2 ist vorzugsweise um mindestens
1 mm schmaler als die beschichtete Polyäthylenterephthalatfolie 1. Die metallischen
Beschichtungen auf den Oberflächen der Polyäthylenterephthalatfolie 1 lassen parallel
zu je einer Kante der Folie einen Randstreifen der Folie frei.
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Die freien Randstreifen der Oberfolie und der Unterfolie verlaufen
an gegeneinander gegenüberliegenden Kanten. Beim Aufwickeln gemeinsam mit der schmaleren
Pqlypropylenfolie steht daher zu jeder Seite der Polypropylenfolie je eine der Beschichtungen
der Polyäthylenterephthalatfolie über.