DE2730038C2

DE2730038C2 - Selbstheilender elektrischer Kondensator

Info

Publication number: DE2730038C2
Application number: DE2730038A
Authority: DE
Inventors: Herbert Dipl.-Phys. 7064 Remshalden Förster
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Alcatel Lucent Deutschland AG
Priority date: 1977-07-02
Filing date: 1977-07-02
Publication date: 1983-12-29
Also published as: US4190878A; IT7825170A0; IT1096867B; JPS611884B2; EP0000210A1; DE2861777D1; JPS5413958A; EP0000210B1; DE2730038A1

Description

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Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem selbstheilenden ^3> elektrischen Kondensator, insbesondere einem Wechselspannungskondensator nach der Gattung des Hauptanspruches. Bei einem derartigen Kondensator, wie er beispielsweise aus der GB-PS 882 179 bekannt ist, besteht die ausbrennfähige Metallschicht eines Belags im wesentlichen aus Zink mit einer Beimengung von Aluminium. Der Aluminiumanteil wird vorzugsweise gleichzeitig mit dem Zink aufgebracht, so daß eine Legierung aus Zink und Aluminium auf dem Dielektrikum gebildet wird. Einen Hinweis auf die vorteilhafte Beimengung eines geringen Cu-Anteiles zu einer Aluminiumschicht zur Vermeidung des an sich bekannten kreisförmigen Belagabbaus enthält die Druckschrift nicht.

Aus der GB-PS 7 68 366 ist es bekannt, die Metallschicht eines Belags eines elektrischen Kondensators aus zwei verschiedenen Schichten herzustellen, wobei eine Kupferlage auf eine Dielektrikumsfolie aus Polytetrafluorethylen aufgebracht und mit einer weiteren MetaHage aus Zink, Kadmium, Aluminium oder Magnesium bedeckt wird. Die Verwendung einer Mischschicht aus Aluminium mit einem geringen, gleichmäßig verteilten Cu-Anteil ist der Druckschrift nicht zu entnehmen.

Bei dünnen auf die Oberfläche von Dielektrika als Kondensatorbeläge dienenden, aufmetallisierten Aluminiumschichten mit Flächenwiderständen je quadratischer Einheit, im folgenden als Quadratwiderstand bezeichnet, von etwa 3 Ohm ab setzt bei mittleren elektrischen Feldstärken im Dielektrikum oberhalb einer bestimmten Grenze ein kreisförmiger, mit der Belastungsdauer fortschreitender Abbau der Aluminiumschichten ein. der aufgrund der Beiagflächenverluste

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b5 zu entsprechend fortschreitender Kapazitätsabnahme führt. Bei einer Polypropylen-Folie als Dielektrikum beginnt der Schichtabbau bei einer Frequenz von 50 Hz bei einer Effektivfeldstärke von ca. 40 V/μΐη.

Um diesen unerwünschten Kapazitätsverlust zu vermeiden werden derzeit kleinere Feldstärken angewendet, als es das Dielektrikum ansonsten zulassen würde. Beispielsweise werden Leuchtstofflampen-Kondensatoren mit metallisierter Polypropylen-Folie als Dielektrikum für Nennspannungen von 220 bis 250 V (50 Hz) mit bekannten Aluminiumschichten der Beläge aus 8 μπι dicker Folie hergestellt, obgleich hierfür die Foliendicke von 6 μΐη bei hinreichend dünnen Aluminiumschichten mit einem Quadratwiderstand größer 3,5 Ohm ausreichend wäre. Die sich ergebende Feldstärke ist jedoch zu hoch, weil zumindest durch die vorgeschriebenen elektrischen Prüfspannungen, beispielsweise 1,25 χ Nennspannung ode>· höher, der genannte Schichtabbau auftritt Dieser Schichtabbau verursacht also höhere Kosten für den Kondensator und größere Volumen als an sich notwendig sind.

Der Erfindung üegi die Aufgabe zugrunde, bei einem selbstheilenden Kondensator nach dem Gattungsbegriff des Anspruchs 1 diesen Schichtabbau bis zu den höchsten, für das jeweilige Dielektrikum zulässigen Feldstärken, zumindest aber bei erhöhten mittleren Feldstärken zu verhindern oder auf ein praktisch unbeachtliches Maß zu reduzieren.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst. Die Erfindung ermöglicht betriebssichere einlagige Kondensatoren aus metallisierter Polypropylen- oder Polycarbonat-Folie zu schaffen für effektive Wechsel-Nennspannungen bis 320 V mit Foliendicken bis 6 μπι, für 400 bis 500 V mit einer Foliendicke von 8 μπι und für Spannungen über 500 V mit Foliendicken von 9 μπι oder darüber.

Der selbstheilende elektrische Kondensator mit den Merkmalen des Hauptanspruches besitzt den Vorteil, daß der feldstärkeabhängige Schichtabbau nicht mehr auftritt. Der mittlere Gewichtsanteil von Kupfer in einer Aluminiumschicht soll dabei vorzugsweise zwischen 2 und 5% liegen. Kupferanteile unter etwa 0,5% wie sie beispielsweise als Verunreinigungen bei der Herstellung der Schichtmetalle auftreten können, haben keinen Einfluß im Sinne der Erfindung, bei Gewichtsanteilen über 10% ist zu erwarten, daß in flächenartigen Niederschlägen des zugesetzten Kupfers die gleichen Abbauerscheinungen auftreten können wie in der Aluminiumschicht.

Als vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn die Belagschicht des Kondensators im Aufdampfverfahren hergestellt wird, weil hierbei mit relativ geringen Kosten Schichten in der gewünschten Art mit hoher Gleichmäßigkeit hergestellt werden können. Die Ausheileigenschaften des elektrischen Kondensators sind besonders günstig, wenn die Aluminiumschicht eines Belags eine mittlere Belegung kleiner als IC^g Aluminium pro cm² der Schichtfläche besitzt.

Als untere Grenze empfiehlt sich etwa 4 μg pro cm² der Schichtfläche, um je nach Aufdampfbedingung die Größe des Schichtwiderstands zu begrenzen.

Bei der Herstellung eines Ausführungsbeispiels eines Kondensators gemäß der Erfindung wurde durch thermische Aufdampfung im Vakuum 6 μπι dickes Polypropylen-Folienband einseitig mit einer Aluminiumschicht bedampft, die einen Gewichtsanteil von ca. 4% Kupfer enthielt und einen Quadratwiderstand von 5

bis 7 Ohm besaß. Als Verdampfungsmaterial wurde ein Legierungsdraht verwendet mit einem Kupfer-Iegierungsanteil, wobei die gesamte mittlere Flächenbelegung mit dem Verdampfungsmaterial ca. 7 μg pro cm² der Schichtfläche betrug. Aus einem Rollenpaar dieser > Bänder wurden Wickelkondensatoren hergestellt Unter sonst gleichen Bedingungen und gleichen Abmessungen wurden zum Vergleich mit der gleichen Polypropylen-Folie Kondensatoren hergestellt, deren Beläge jedoch in bekannter Weise aus Aluminiumschichten mit '" Quadratwiderständen von 2,5 bis 3 0hm bestanden. Verdampfungsmaterial war hierbei hochreiner Aluminiumdraht, die mittlere Flächenbelegung betrug ca. 9 μg pro cm² Schichtfläche.

Nach einer Dauerspannungsprüfung der beiden r> Kondensatortypen über 350 Stunden bei der Temperatur 85° C und bei einer Prüfspannung von 412 V/50 Hz, einer mittleren Effektivfeldstärke von ca. 70ν/μπι, wurde bei den bekannten Kondensatoren mit Metallschichten der Beläge aus reinem Aluminium ein -'" kreisförmiger Schic'Mabbau mit einem dadurch bedingten mittleren Kaparrtätsverlust von ca. 7% festgestellt Dieser Schichtabbau nimmt mit der Belastungsdauer zu. Die Kondensatoren gemäß der Erfindung wiesen dagegen keinen feststellbaren Schich tabbau auf. - >

Die Herstellung der Metallschichten der Beläge von Kondensatoren gemäß der Erfindung kann mit bekannten physikalischen oder chemischen Metallisierungsverfahren erfolgen, sofern in der Metallschicht eine ausreichend homogene Verteilung der Kupfer-Beimen- w gung im erforderlichen Ausmaß und die Fernhaltung von schädlichen Zusetzen gewährleistet ist Beispielsweise kann es zweckmäßig sein, die Schichten statt aus einem legierten AusgangsmaUirial aic zwei Ausgangsstoffen herzustellen, welche gegebenenfalls in zwei getrennten Tiegeln verdampft werde· Wenn unter gleichen Aufdampfbedingungen die Verdampfungsraten der verschiedenen Komponenten der Mehrstoffschicht unterschiedlich sind, müssen unter Umständen im Ausgangsstoff veränderte Legierungsbestandteile ^4I) verwendet werden oder beim Verdampfen aus getrennten Tiegeln entsprechende Regelungsvorrichtungen vorgesehen werden.

Bei Kondensatoren gemäß der Erfindung können auch dünne Mehrfachschichten auf ein Kondensatordielektrikum aufgebracht sein; beispielsweise kann eine Aluminiumschicht mit einem gleichmäßig verteilten Kupferanteil in Kombination mit einer aufmetallisierten Zn-Schicht als korrosionshemmende dünne Aluminiumschicht dienen, die infolge ihrer Oxidhaut gegen Umwelteinflüsse resistenter ist als eine Zn-Schicht.

Durch die Metallschichten der Beläge der Kondensatoren gemäß der Erfindung ist es möglich geworden, höhere Nennfeldstärken bei den Kondensatoren vorzusehen und somit die Kondensatoren kleiner und preiswerter herzustellen. Das Aufbringen der dort vorgesehenen Metallschichten erfordert insbesondere beim Aufdampfen praktisch keinen Mehraufwand und bringt erhebliche technische und wirtschaftliche Vorteile, Zwischenschichten oder Mehrschichtsysteme, wie sie bereits vorgeschlagen worden sind, sind nicht erforderlich. Bei der Kombination beispielsweise mit einer Zinkschicht könnte man jedoch aufgrund der höheren Leitfähigkeit von Aluminium und aufgrund der Schi izwirkung der Aluminium-Oxidhaut erreichen, daß der gesamte Auftrag für eine Schicht eines Belags reduziert wird.

Der Aufbau der Metallschichten von Kondensatoren gemäß der Erfindung hat weiterhin den Vorteil, daß elekirische Durchschläge im Dielektrikum, die durch betriebsbedingte Oberspannungsspitzen ausgelöst werden können, einwandfrei ausbrennen. Ferner sind höhere Prüfspannungen ohne Gefahr schlechter Ausbrände möglich, wodurch man bei Heraufsetzung der Prüfspannung mit einer kürzeren Prüfdauer auskommt. Schließlich ist es auch vorteilhaft, daß infolge der geringeren Schichtdicke kürzere Aufdampfzeiten und eine geringe thermische Belastung des Schichtträgers erreicht werden.

Die Metallschichten von Kondensatoren gemäß der Erfindung können sowohl bei imprägnierten wie bei nicht imprägnierten Kondensatoren vorteilhaft angewendet werden, denn auch bei imprägnierten Kondensatoren wird ab einer bestimmten mittleren Feldstärke ein Schichtabbau beobachtet Beispielsweise bei Kondensatoren aus beidseitig metallisierten, feldfreien Papierbändern und Polycarbonat-Folien als Dielektrikum wird mit einer reinen Aluminiumschicht ein Schichtabbau bei einer mittleren Feldstärke von ca. 80 νμίτι (50 Hz) beobachtet; bei Kondensatoren mit einem Mischdielektrikum aus 8 μτη dicken metallisiertem Papierband und 6 μπι Polypropylenfolie mit einem Quadratwiderstand der Aluminium-Schicht von ca 15 ist ein Schichtabbau feststellbar bei der Spannung 475 V/ 50Hz.

Die Selbstheilfähigkeit von Kondensatoren wird umso besser, je weniger Material in den ausbrennfähigen Metallschichten enthalten ist, weil beim Ausbrand die im Lichtbogen freigesetzte Energie dann umso geringer ist. Durch die Ausbildung der Metallschichten bei Kondensatoren gemäß der Erfindung können bei diesen Metallschichten die Materialmengen wesentlich reduziert werden; dabei ist selbstverständlich stets ein Teil des Aluminiums gebunden, insbesondere als Oxid oder Hydroxid. Eine solche Metallschicht aus Aluminium kann dabei eine mittlere Belegung von 4 bis
Aluminium pro cm² der Schichtfläche besitzen.

Claims

1 Patentansprüche:

1. Selbstheilender elektrischer Kondensator, insbesondere Wechselspannungskondensator, mit einem Dielektrikum und mit auf Oberflächen von Dielektrikumsschichten aufgetragenen Metallschichten der Beläge aus einer Mischung von Aluminium und wenigstens einem weiteren Metall, dadurch gekennzeichnet, daß ausheilfähig dünne Metallschichten der Beläge aus Aluminium zur Vermeidung eines feldstärkeabhängigen Schichtabbaus einen gleichmäßig verteilten Cu-Anteil, der einen mittleren Gewichts-Anteil am Gewicht der Metallschichten von 0,5 bis 10% besitzt, enthalten.

2. Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschichten der Beläge einen mittleren Gewichts-Anteil von 2 bis 5% Cu enthalten.

3. Kondensator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschichten aufgedampft sind.

4. Kondensator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Al-Schichten eine mittlere Al-Belegung von 4 bis 10 μg pro cm² der Schichtflächen besitzen.

5. Kondensator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschichten der Beläge auf Kunststoffolien aufgetragen sind.