DE2829809C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Keramik-Durchgangskondensator der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.

Ein derartiger, beispielsweise aus der US-PS 32 35 939 bekannter Keramik-Durchgangskondensator weist eine gün­ stigere Einfügungsverlust-Charakteristik auf als andere herkömmliche Durchgangskondensatoren. So ist beispiels­ weise die Frequenzkurve des Eingangsverlustes eines Kera­ mik-Durchgangskondensators der idealen Kondensatorkurve am stärksten angenähert und weist Resonanzabfälle erst bei relativ hohen Frequenzen auf. Wegen der beträcht­ lichen Amplituden der Resonanzabfälle im Hochfrequenz­ bereich ist dieser Keramik-Durchgangskondensator für den Einsatz in einer für Hochfrequenz vorgesehenen Anordnung weniger geeignet.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen eingangs genannten Keramik-Durchgangskondensator zu schaffen, der für einen Einsatz in Hochfrequenzanordnungen geeignet ist.

Gelöst wird diese Aufgabe in Übereinstimmung mit dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1. Vorteilhafte Aus­ gestaltungen des erfindungsgemäßen Keramik-Durchgangs­ kondensators sind in den Unteransprüchen angegeben.

Der erfindungsgemäße Aufbau des Keramik-Durchgangskonden­ sators aus zwei in Reihe zueinander geschalteten scheiben­ förmigen Keramik-Kondensatoren ist der Resonanzeinfügungs­ verlust im Vergleich zu dem Keramik-Durchgangskondensator nach dem Stand der Technik so weit reduziert, daß er sich für einen bestimmungsgemäßen Einsatz in Hochfrequenzan­ ordnungen eignet. Es wird angenommen, daß die Reduzierung in der Amplitude des Resonanzabfalls auf der Vergrößerung des Reihenwiderstands des Kondensatorersatzschaltbildes zurückzuführen ist, der den Resonanzabfall weitgehend unterdrückt.

Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Keramik-Durchgangs­ kondensators besteht darin, daß das Ausfallrisiko dieses Kondensators mit zwei in Reihe geschalteten scheibenförmi­ gen Kondensatoren im Vergleich zu dem lediglich einen Kondensator umfassenden Keramik-Durchgangskondensators nach dem Stand der Technik wesentlich vermindert ist, da der Ausfall eines der beiden Kondensatoren durch das Vorhandensein eines zweiten Kondensators kompensiert wird. Dadurch ist der erfindungsgemäße Keramik-Durchgangskon­ densator vor allem für einen Einsatz in elektronischen Systemen geeignet, die nicht so ohne weiteres gewartet werden können und beispielsweise in Flugkörpern, Satelliten und Raumsonden verwendet werden. Der erfindungsgemäße Aufbau des Keramik-Durchgangskondensators ist derart ge­ wählt, daß beim Ausfall von einem der beiden damit kurz­ geschlossenen scheibenförmigen Keramik-Durchgangskondensatoren eine bessere Dämpfung des Kondensators aufgrund des Kapa­ zitätsanstiegs sowie eine damit steigende Rauschfilter­ wirksamkeit erreicht wird.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Keramik- Durchgangskondensators besteht in seiner unerwartet hohen Abschirmintegrität. Zudem ist er im Nebenschließen von Rauschen effektiver als der Keramik-Durchgangskondensator nach dem Stand der Technik.

Ein Durchgangskondensator mit in Reihe geschalteten Kondensa­ toren ist daher im Nebenschließen von Rauschen effektiver als ein herkömmlicher Durchgangskondensator mit einem einzigen Kondensator.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden im Zusammenhang mit den Figuren beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 einen Querschnitt einer vergrößerten Seitenan­ sicht eines scheibenförmigen Keramik-Durchgangs­ kondensators nach der Erfindung,

Fig. 2 eine Aufsicht des Durchgangskondensators nach der Fig. 1,

Fig. 3 einen vergrößerten Querschnitt eines Tiefpaß­ filters mit einem Durchgangskondensator nach der Fig. 1 und

Fig. 4 eine Darstellung des Einfügungsverlusts als Funktion der Frequenz für einen idealen Kondensator, einen Durchgangskondensator mit einem einzigen Kondensator und einen Durchgangskondensator mit zwei in Reihe geschalteten Kondensatoren.

Ein Reihendurchgangskondensator 10 ist in der Fig. 1 in einem vergrößerten Querschnitt dargestellt. Er ist in einem zylindrischen Metall­ gehäuse 12 angeordnet und enthält ein Paar von übereinander angeordneten scheibenförmigen monolithischen Keramik-Kondensatoren 14 und 16, die zusammengelötet sind und einen zentralen Leiter 18 aufweisen, der sich axial durch zentrale Öffnungen 24, 36 in jedem der Kondensatoren 14 und 16 er­ streckt.

Der Kondensator 14 hat eine im wesentlichen zylindrische oder scheibenförmige Form und enthält die zentrale axiale Öffnung 24 zur Aufnahme des Leiters 18. Der kreisförmige äußere Umfang des scheibenförmigen Kondensators 14 ist von einem elektrisch lei­ tenden Außenanschlußband 26, das aus Silber oder einem anderen gewöhnlich benützten elektrisch gut leitenden Metall oder Metall­ verbindung besteht, umgeben. Der Umfang der zentralen Öffnung 24 trägt in ähnlicher Weise ein inneres Anschlußband 28, das ebenso aus Silber oder anderen leitenden Materialien besteht. Das Außenanschlußband 26 ist in der Fig. 1 mit einem Teil, das den Außenumfang des Kondensators 14 um­ gibt, und mit überlappenden Eckteilen, die von Teilen der ebenen Flächen des Kondensators gestützt werden, dargestellt. Der Kondensator 14 enthält auch wenigstens ein Paar paralleler, getrennter übereinander angeordneter verschachtelter Elektroden­ schichten 30 a und 30 b, wobei die Elektrodenschichten 30a und 30b gegenseitig durch ein keramisches dielektrisches Material, wie beispielsweise gebranntes Bariumtitanat, getrennt sind. Die ebenen Elektrodenschichten 30 a sind mit dem Innenanschluß­ band 28 und die abwechselnden Elektrodenschichten 30 b mit dem äußeren Außenanschlußband 26 elektrisch verbunden.

Der scheibenförmige Kondensator 16 enthält wie der Kondensator 14 an seinem Umfang ein äußeres Anschlußband 32 und ein inneres Anschlußband 34, das die zentrale Öffnung 36 umgibt.

Das innere Anschlußband 34 weist neben einem Teil, der die Öffnung 36 umgibt, überlappende Eckteile auf, die durch die ebenen Flächen des Kondensators 16 gestützt werden. Der scheibenförmige Kondensator 16 enthält auch verschachtelte Elektrodenschichten 38 a und 38 b, die gegenseitig durch keramisches dielektrisches Material getrennt sind, wobei die Elektrodenschichten 38 a mit dem Inneren Anschlußband 34 und die Elektrodenschichten 38 b mit dem äußeren Anschlußband 32 elektrisch verbunden sind.

Die beiden Kondensatoren 14 und 16 sind dadurch in Reihe ver­ bunden, daß sie axial übereinanderliegend so angeordnet sind, daß eine überlappende Ecke des am Umfang des Kondensators 14 mit dem kleineren Durchmesser angeordneten Außenanschlußbands 26 auf einem überlappenden Ende des Innenanschlußbandes 34 des scheibenförmigen Kondensators 16 mit dem größeren Durchmesser an geordnet und mit diesem direkt elektrisch verbunden ist. Die Anschlußbänder 26 und 34 sind miteinander durch ein Lötmittel 35 verbunden, wobei das Lötmittel 35 eine völlige Verbindung zwischen den beiden scheibenförmigen Kondensatoren 14 und 16 bewirkt und die Kondensatoren in Reihe verbindet. Der Leiter 18 erstreckt sich axial durch jede der zentralen Öffnungen 24 und 36 in den scheibenförmigen Kondensatoren und ist durch ein Löt­ mittel 37 mit dem inneren Anschlußband 28 des scheibenförmigen Kondensators 14 verbunden. Das äußere Anschlußband 32 des Kondensators 16 ist durch ein Lötmittel 39 mit dem umgebenden Metallgehäuse 12 verbunden, das z. B., wie in der Fig. 3 dargestellt, einen metallischen Abschirmbecher eines Tiefpaßfilters enthalten kann. Eine gleichmäßige Verteilung der Ladungen auf den beiden Kondensatoren 14 und 16 erfordert, daß die Kondensatoren im wesentlichen gleiche Kapazitäts- und Isolationswiderstandswerte aufweisen.

Die Fig. 3 der Zeichnung zeigt den erfindungsgemäßen Reihen- Durchgangskondensator 10, der in einem Tiefpaß­ filter 40 angeordnet ist. Das Tiefpaßfilter besteht im wesent­ lichen aus einem elektrisch leitenden metallischen Abschirm­ becher oder Gehäuse 42 mit einem Hohlraum 43 zur Aufnahme des Durchgangskondensators 10. Der metallische Abschirmbecher 42 weist eine untere Endwand 41 und einen daran in der Mitte ange­ ordneten, mit einem Außengewinde versehenen Stiel 46 auf, der nach unten von der Endwand 41 aus vorspringt. Der mit einem Außengewinde versehene Stiel 46 enthält eine zylindrische, mit dem Hohlraum 43 in Verbindung stehende Bohrung 45. Der vor­ springende, mit einem Außengewinde versehene Stiel 46 kann von einer mit einem Gewinde versehenen Bohrung, die in einer lei­ tenden Wand oder in einem Stützsubstrat angeordnet ist, ver­ schraubt werden, wodurch das Tiefpaßfilter 40 gestützt werden kann. Das Gehäuse 42 enthält auch eine kreisförmige Enddichtungs­ platte 48, die das Ende des metallischen Abschirmbechers 42, das der Endwand 41 gegenüberliegt, hermetisch abdichtet und ent­ lang ihres Umfangs mit dem metallischen Abschirmbecher 42 ver­ lötet ist. Die Enddichtungsplatte 48 weist eine Mittelbohrung 50 zur Aufnahme eines elektrisch leitenden Anschlusses 52 auf, wo­ bei der Anschluß 52 in der Bohrung 50 durch eine luftdicht verschließende Glasdichtung 53 gestützt wird. Das obere Ende des Mittelleiters 18 des Durchgangskondensators 10 ist an seinem oberen Ende mit dem Anschluß 52 verlötet und sein unteres Ende erstreckt sich durch eine zentrische axiale Bohrung 54 eines im wesentlichen zylindrischen Induktors (bead inductor) 56, der innerhalb der zylindrischen Bohrung 45 des Gewindestiels 46 angeordnet ist. Das untere Ende des Mittel­ leiters 18 ist mit einem unteren Endanschluß 58 verlötet, der durch eine luftdichte Glasdichtung 60 gehalten wird, die das Ende der Bohrung 45 in dem Gewindestiel 46 abdichtet.

Der Durchgangskondensator 10 ist mit einem Abstand zwischen der Endwand 41 des Gehäuses und der Enddichtungsplatte 48 ange­ ordnet. Das äußere Anschlußband 32 des Reihen-Durchgangs­ kondensators ist durch das Lötmittel 39 mit der inneren Ober­ fläche 44 des Gehäuses 42 verbunden. Die Kondensatoren 14 und 16 sind in einem Epoxidharz 63 eingegossen, das den Hohlraum 43 des Gehäuses ausfüllt.

Der Reihen-Durchgangskondensator 10 funktioniert tatsächlich wie zwei Kondensatoren, die zwischem dem Mittelleiter 18 und dem Metallgehäuse 42 in Reihe geschaltet sind, da der Mittel­ leiter 18 mit dem inneren Anschluß 28 des oberen Kondensators 14 und der äußere Anschluß 32 des unteren Kondensators 16 mit dem Gehäuse 42 verlötet ist.

Wie zuvor schon festgestellt wurde, wirkt sich eine Verbindung von zwei Kondensatoren in Reihe so aus, daß die Zuverlässig­ keit des Durchgangskondensators wesentlich gesteigert wird, da der Ausfall eines der Kondensatoren durch den verbleibenden funktionierenden Kondensator kompensiert wird. Monolithische scheibenförmige Kondensatoren vom obigen Typ können eine Zu­ verlässigkeit aufweisen, die z. B. in dem Bereich von einem Ausfall 6 · 10⁵ Stunden liegt. Die Wahrscheinlichkeit von zwei in Serie verbundenen defekten Kondensatoren in derselben Einheit wird zu:

Es ist ersichtlich, daß die vorliegende Erfindung durch die Verbindung scheibenförmiger keramischer Kondensatoren in Reihe einen Durchgangskondensator mit einem deutlich größeren Zuver­ lässigkeitsfaktor liefert.

Angenommen, daß einer der monolithischen Kondensatoren während des Betriebs versagt, wird die an den Reihen- Durchgangskondensator anliegende Spannung voll an den nicht kurzgeschlossenen Kondensator angelegt und die Nettokapazität des Reihen-Durchgangskondensators steigt auf den Wert des nicht kurzgeschlossenen Kondensators. Diese Steigerung des Kapazitätswertes hat den Vorteil, daß der Einfügungsverlust des Durchgangskondensators gesteigert wird und daß die Resonanzfrequenz, bei der der Einfügungsverlustabfall eintritt, zu einer kleineren Frequenz verschoben wird. Die Funktion des Durchgangskondensators wird auf diese Weise trotz des Ver­ sagens eines der darin enthaltenen Kondensatoren aufrechter­ halten.

Ein in Reihe geschalteter Durchgangskondensator vom in der Fig. 1 dargestellten Typ wurde konstruiert, wobei jeder der Kondensatoren 14 und 16 einen Kapazitätswert von 0,75 Mikro­ farad aufwies. Der sich ergebende in Reihe geschaltete Durch­ gangskondensator wurde unter Verwendung eines herkömmlichen Spektrumanalysators gemessen, um die Einfügungsverlust­ charakteristiken des Reihen-Durchgangskondensators bei einem Test in einem 50Ω-System bei einer Dauerfrequenz von 0 bis 100 MHz zu bestimmen. Die Fig. 4 zeigt als Ausgangssignal des Spektral­ analysators eine Kurve (gepunktete Linie), die die Einfügungs­ verlustcharakteristik des in Reihe geschalteten Durchgangs­ kondensators in Dezibel als Funktion der an den Durchgangs­ kondensator angelegten Frequenz darstellt (gestrichelte Linie). Die strich-punk­ tierte Linie zeigt ähnliche Einfügungsverlustcharakteristiken des theoretisch "idealen" Durchgangskondensators. Die durchgehende Linie zeigt die Kurve der Ein­ füngungsverlustcharakteristik als eine Funktion der Frequenz für einen Durchgangskondensator mit einem einzigen monolithischen scheibenförmigen Keramik-Kondensator.

Keramische monolithische Kondensatoren haben gegenüber anderen bekannten Kondensatortypen, die als Durchgangskondensatoren be­ nützt werden, charakteristische Vorteile, wobei der Einfügungs­ verlust gegenüber den von solchen Kondensatoren abgeleiteten Frequenzkurven sich am nähesten der idealen Kondensatorkurve (Fig. 4) nähert. Es ist jedoch aus der Fig. 4 ersichtlich, daß der Durchgangskondensator mit in Reihe geschalteten mono­ lithischen scheibenförmigen Kondensatoren einen Einfügungsver­ lust gegenüber der Frequenzkurve noch näher an die Kurve des idealen Kondensators annähert als der Durchgangskondensator, der nur einen monolithischen scheibenförmigen Keramik-Kondensator enthält, obgleich der resultierende Kapazitätswert von zwei in Reihe geschalteten Kondensatoren von je 0,75 µF (0,3645 µF) im wesentlichen gleich ist der Kapazität (0,3572 µF) des Durch­ gangskondensators mit einem einzigen Kondensator.

Der Reihen-Durchgangskondensator nach der Erfindung stellt gegenüber dem Durchgangskondensator mit einem Kondensator eine Verbesserung dar, weil die Amplitude der Resonanz­ frequenzabfälle des Einfügungsverlustwerts wesentlich kleiner sind. Bei Frequenzen zwischen 20 bis 30 MHz zeigte der Durch­ gangskondensator mit einem Kondensator einen beträchtlichen Abfall des Einfügungsverlustes, wie in der Fig. 4 darge­ stellt ist. Der in Reihe geschaltete Durchgangskondensator nach der Erfindung vermindert diesen Einfügungsverlustabfall je­ doch wesentlich. Diese Reduzierung in der Amplitude des Abfalls des Resonanzeinfügungsverlusts scheint auf die Vergrößerung des Reihenwiderstands des Kondensatorersatzschaltbildes zurück­ zuführen zu sein. Dieser Reihenwiderstand vermindert den Q-Faktor des abgestimmten Kreises, wodurch er den Resonanzabfall unter­ drückt.

Claims (7)

1. Keramik-Durchgangskondensator mit mindestens einem scheibenförmigen Keramik-Kondensator, wobei der minde­ stens eine Keramik-Kondensator eine Mittelöffnung, an deren Umfang ein innerer Anschluß befestigt ist, einen äußeren Umfangsteil mit einem daran befestigten äußeren Anschluß und wenigstens ein Paar parallele, senkrecht zur Mittelöffnung angeordnete, gegenseitig getrennte Elektroden aufweist, die einander über­ lappen und durch keramisches Material voneinander getrennt sind, wobei jeweils mindestens eine der Elektroden des bzw. jedes Paares elektrisch mit dem zugeordneten äußeren Anschluß und jeweils die andere der Elektroden des bzw. jedes Paares elektrisch mit dem zugeordneten inneren Anschluß verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchgangskondensator (10) aus einem ersten und einem zweiten scheibenförmigen Keramik-Kondensator (14, 16) besteht, daß der zweite scheibenförmige Keramik-Kondensator (14) an dem ersten scheibenförmigen Keramik-Kondensator (16) befestigt ist und daß der äußere Anschluß (26) des zweiten Keramik-Kondensators (14) elektrisch mit dem inneren Anschluß (34) des ersten Keramik-Kondensators (16) verbunden ist.

2. Durchgangskondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Kondensatoren (14, 16) eine Mittelachse auf­ weist, daß der erste und der zweite Kondensator koaxial und parallel übereinander gestapelt sind, daß der zweite Kondensator (14) einen Umfang aufweist, der kleiner ist als der Umfang des ersten scheibenförmigen Keramik-Kondensators (16) und größer als der Umfang der Mittelöffnung (36) des ersten Kondensators (16), und daß sich der äußere Anschluß (26) des zweiten Kondensators (14) auf dem inneren Anschluß (34) des ersten Kondensators (16) konzentrisch stützt.

3. Durchgangskondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Leiter (18) innerhalb der Mittelöffnung (24) des zweiten Kondensators (14) angeordnet ist und daß der Leiter elektrisch mit dem inneren Anschluß (28) des zweiten Kondensators (14) verbunden ist.

4. Durchgangskondensator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein elektrisch leitender Zylinder (12) vorgesehen ist, der den ersten und den zweiten Kondensator (14, 16) umgibt daß dieser Zylinder (12) eine innere Seitenwand aufweist und daß der äußere Anschluß (32) des ersten Kondensators (16) elektrisch mit dieser Seitenwand des Zylinders verbunden ist.

5. Durchgangskondensator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Leiter innerhalb der Öffnung in den zweiten Kondensator (14) vorgesehen ist und daß der Leiter elektrisch mit dem inneren Anschluß (28) des zweiten Kondensators (14) verbunden ist.

6. Durchgangskondensator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein elektrisch leitender Zylinder den ersten und den zweiten Kondensator (14, 16) umgibt, daß dieser Zylinder eine innere Seitenwand aufweist und daß der äußere Anschluß (32) des ersten Kondensators (16) elektrisch mit dieser Seiten­ wand des Zylinders verbunden ist.

7. Durchgangskondensator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse im wesentlichen zylindrisch ist, eine Mittel­ achse aufweist und einen abgeschlossenen Hohlraum bildet, daß der erste und der zweite Kondensator (14, 16) im wesent­ lichen koaxial zu dieser Mittelachse angeordnet sind, daß der Leiter (18) gegenüberliegende Enden aufweist und ent­ lang der Mittelachse angeordnet ist und daß die gegenüber­ liegenden Enden des Leiters (18) sich aus dem Gehäuse heraus­ erstrecken.