Die Erfindung betrifft einen zylindrischen Kondensator der
im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art.
Ein derartiger Kondensator ist aus der US-PS 32 33 028 be
kannt. Die Metallkappen dieses bekannten Kondensators sind
in Axialrichtung mehrfach geschlitzt, um einen federnden
Anschluß der Metallkappen an das dielektrische Rohr zu ge
währleisten. Dadurch wird erreicht, daß sich die Anschluß
kappen an die Rohrgestalt des Grundkörpers anpassen können.
Ein derartiger federnder Anschluß läßt jedoch bezüglich
mechanischer und elektrischer Verbindung stark zu wünschen
übrig. Eine gewisse mechanische Stabilität erhält dieser
bekannte Kondensator erst durch das den Kondensator voll
ständig umgebende isolierende Plastikgehäuse, das in seinen
Innenabmessungen an die Kondensatorkontur angepaßt ist. Die
elektrische Verbindung zwischen den Elektroden und den An
schlußkappen wird dadurch jedoch zumindest nicht dauerhaft
verbessert. Dieses Plastikgehäuse dient außerdem dem dichten
Abschluß des Kondensators gegenüber der äußeren Atmosphäre.
Im praktischen Einsatz ist die Gefahr relativ groß, daß das
Plastikgehäuse beschädigt wird. In diesem Fall dringt die
äußere Atmosphäre in den Kondensator ein, so daß der elek
trische Wert des Kondensators nicht mehr gewährleistet ist.
Ein weiterer rohrförmiger Kondensator mit einem kappenför
migen Anschluß am einen Kondensatorende ist aus der DE-PS
11 30 878 bekannt. Diese Anschlußkappe ist mit der entspre
chenden Elektrode am Grundkörper des Kondensators verlötet,
wobei die Lötschicht hier auch dazu dient, den Kondensator
nach außen hin abzudichten. Gegen diese kombinierte Löt-
Abdichtungsmaßnahme ist einzuwenden, daß das Lot aufgrund der
vollflächigen Beschichtung der Elektroden mit demselben sehr
leicht in den Innenraum des Kondensators fließen und dort
Kurzschlüsse zwischen den Elektroden herbeiführen kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kondensator
der eingangs genannten Art bezüglich seiner Standzeit und
seiner Zuverlässigkeit zu verbessern.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale
des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfin
dungsgemäßen Kondensators sind in den Unteransprüchen ange
geben.
Die elektrische Zuverlässigkeit des erfindungsgemäßen Kon
densators beruht demnach zu einem wesentlichen Teil auf der
Lötverbindung der Elektroden mit den Anschlußmetallkappen.
Diese Lötverbindung trägt auch entscheidend zur mechanischen
Stabilität dieses Kondensators bei. Der erfindungsgemäße
Kondensator ist aber auch dauerhaft abgedichtet durch flexi
bles, isolierendes Material, mit dem der nach der Verlötung
der Elektroden mit den Metallkappen zwischen den Elektroden
und den Metallkappen verbleibende Zwischenraum versiegelt
ist.
Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Versiegelung besteht
darin, daß der äußere Kondensatorüberzug so dünn wie möglich
gehalten werden kann, da er nicht mehr zur Gewährleistung
einer mechanischen Festigkeit oder zur Abdichtung wie beim
Stand der Technik beitragen muß. Mit anderen Worten sind die
Abmessungen des erfindungsgemäßen Kondenstors im wesent
lichen durch den Rohrgrundkörper des Kondensators gegeben,
so daß sich der erfindungsgemäße Kondensator auch durch eine
ausgesprochen gedrängte Bauweise auszeichnet, die ihn für
einen Einsatz innerhalb von Miniaturschaltungen besonders
geeignet macht.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen
erläutert; in diesen zeigt
Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erste Aus
führungsform des erfindungsgemäßen
Kondensators;
Fig. 2 eine Seitenansicht einer der Metallkappen
des Kondensators nach Fig. 1;
Fig. 3 eine Aufsicht auf die Stirnseite
der Metallkappe nach Fig. 2;
Fig. 4 einen Längsschnitt durch die Metallkappe
nach Fig. 2 und 3;
Fig. 5 eine vergrößerte Darstellung im Axial
schnitt des Kondensators nach Fig. 1,
der besonders die Verbindung zwischen
einem nach innen gerichteten Vorsprung
der Metallkappe und einer der Elektroden
auf dem keramischen Rohr erkennen läßt;
Fig. 6 einen Längsschnitt durch eine zweite
Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Kondensators;
Fig. 7 eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt,
des Kondensators nach Fig. 6 im auf einer
Schaltkarte eingebauten Zustand;
Fig. 8 einen Längsschnitt durch eine dritte
Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Kondenstors im auf einer Schaltkarte
eingebauten Zustand;
Fig. 9 eine Seitenansicht einer modifizierten
Ausführungsform einer Metallkappe zur
Verwendung beim erfindungsgemäßen
Kondensator;
Fig. 10 eine Ansicht der Metallkappe von Fig. 9
von rechts, und
Fig. 11 einen Längsschnitt durch die Metallkappe
nach Fig. 10 längs der Linie 14-14.
Der rohrförmige Kondensator nach Fig. 1 besteht aus einem
Rohr 20 aus keramischem dielektrischem Material, einer
inneren Elektrode 21, die eine Fortsetzung 23 auf der Außenfläche des Rohres 20 aufweist, und einer äußeren Elektrode 22, die an
dem keramischen Rohr 20 angebracht sind. Zwischen der nach außen um das Rohrende herumgezogenen Fortsetzung 23 der inneren Elektrode 21 und der äußeren Elektrode 22 ist im isolierenden Bereich 25 auf dem keramischen Rohr freigelassen. Auf die Enden des
keramischen Rohrs 20 ist in mechanischem und elektrischem
Kontakt mit den Elektroden 21 und 22 je eine Metallkappe 26
aufgepreßt. Zwischen der Elektroden und den Metallkappen
sind hermetisch dichtende Siegel 37 angebracht. Ein äußerer
Überzug 38 aus einer Phenolharzschicht 39 und einer Epoxy
harzschicht 40 schließen den Kondensator ein.
Typische Abmessungen für das keramische Rohr 20 und die
daran angebrachten Elektroden 21 und 22 sollen nachfolgend
angegeben werden: Das keramische Rohr 20
weist eine Axiallänge von 7 mm auf, einen Außendurchmesser
von 1,78 mm und einen Innendurchmesser von 1,0 mm. Die
innere Elektrode 21 und die äußere Elektrode 22 weisen
jeweils eine Dicke von 10 µm auf. Der unbeschichtete innere
Bereich 24 weist eine Breite von 0,3 mm auf. Die Verrundung
an den Kanten des keramischen Rohres 20, die durch Abschlei
fen hergestellt wurde, weist einen Radius von etwa 0,25 mm
auf. Diese verrundeten Enden des keramischen Rohrs 20 dienen
dem glatten und sanften Einführen der Enden des keramischen
Rohrs 20 in die Metallkappen 26 bei der Herstellung des Konden
sators.
Die Fig. 2 bis 4 zeigen eine der Metallkappen 26, die
einen hohlzylindrischen Abschnitt 28 und eine geschlossene
Stirnseite 29 aufweisen. Der zylindrische Abschnitt 28 weist
mehrere, im dargestellten Beispiel vier, sich axial vom
offenen Ende erstreckende Schlitze 30 auf, die kurz vor der
geschlossenen Stirnseite 29 enden. Diese Schlitze 30 sind in
gleichmäßigem Abstand auf dem Umfang der Kappe verteilt und
bilden vier Greiffinger 31, die sich in Anlage mit den Elek
troden 21, 22 befinden.
Jeder der Greiffinger 31 weist einen nach innen gerichteten
Vorsprung 32 auf. Diese Vorsprünge 32 sind durch Eindrücken
von außen her ausgebildet und liegen an den Elektroden 21
und 22 an oder sind in diese eingebettet. Die vier hier
vorgesehenen Vorsprünge 32 sind in ungefähr gleichmäßigen
Umfangsabständen an dem zylindrischen Kappenabschnitt 28
ausgebildet. Vorzugsweise ist jeder Vorsprung 32 entweder
halbkugelförmig oder kegelstumpfförmig ausgebildet, so daß
die Metallkappen 26 sicher auf den Elektroden aufgepreßt
sind, deren Außendurchmesser, wie durch die strichpunk
tierten Linien in der Fig. 3 angedeutet, geringfügig größer
ist als der eines gedachten Kreises, der die Spitzen der
vier nach innen stehenden Vorsprünge 32 tangiert.
Typische Abmessungen der Metallkappen 26 sind folgende. Jede
Metallkappe weist eine Wandstärke von 0,15 mm auf. Ihr
zylindrischer Abschnitt weist einen Innendurchmesser von
1,85 mm und einen Außendurchmesser von 2,15 mm auf. Der
gedachte, die Spitzen der nach innen ragenden Vorsprünge 32
tangierende Kreis weist einen Durchmesser von 1,75 mm auf.
Jeder Vorsprung 32 hat daher eine Höhe von 0,05 mm. Die
Metallkappe 26 weist eine Tiefe (d. h. eine axiale Länge
zwischen ihrem offenen Ende und der Innenseite seiner Stirn
wand 29) von 1,4 mm auf. Die Schlitze 30 weisen eine Breite
von 0,05 mm auf und erstrecken sich vom offenen Ende der
Kappe gegen das geschlossene Ende auf etwa ²/₃ der Kappen
tiefe. Der Durchmesser des gedachten Kreises, der die
Spitzen der vier Vorsprünge 32 tangiert, liegt im Bereich
von 93,8 bis 99,8% des Außendurchmessers der Außenelektrode
22 und der Fortsetzung 23 der Innenelektrode 21. Bevorzugt
ist jedoch ein Bereich von 97,1 bis 97,6%.
Sollte der Durchmesser des erwähnten gedachten Tangential
kreises größer sein als der angegebene Maximalwert, dann
würde die Metallkappe 26 mehr oder weniger lose auf den
Elektroden sitzen und nur einen schwachen mechanischen und
elektrischen Kontakt zwischen sich und der betreffenden
Elektrode erzeugen. Der Verlustfaktor des vollständigen
Kondensators würde dann entsprechend hoch sein. Wenn der
Durchmesser des gedachten Tangentialkreises hingegen kleiner
als der angegebene Minialwert ist, besteht die Gefahr, daß
das Keramikrohr 20 Haarrisse oder andere Beschädigungen
erleidet, wenn die Metallkappe 26 auf das Rohr aufgepreßt
wird. Dann hätte auch der fertige Kondensator nicht die
gewünschten Werte hinsichtlich Kapazität, Verlustfaktor und
Isolationswiderstand. Die Höhe jedes Vorsprungs 32 an der
Metallkappe 26 liegt im Bereich zwischen 0,03 und 0,05%,
vorzugsweise zwischen 0,03 und 0,04%, des Außendurchmessers
(im vorliegenden Fall 1,8 mm) der Außenelektrode 22 und der
Fortsetzung 23 der Innenelektrode 21.
Wie aus Fig. 5 hervorgeht, ist jede Metallkappe 26 mit einem
galvanischen Kupferüberzug 34 und einer galvanischen Lötschicht 35
auf der Stahlunterlage 33 versehen. Die Kuperschicht 34 hat
eine Stärke von 1 µm und bedeckt sowohl die
Innenseite als auch die Außenseite der Stahlunterlage 33.
Auf der Kupferschicht 34 liegt die Lötschicht 35, die aus 8
bis 12 Gew.-%, vorzugsweise 10 Gew.-%, Blei und 88 bis 92
Gew.-%, vorzugsweise 90 Gew.-%, Zinn besteht.
Die Lötschicht 35 ist zur Herstellng von Lötverbindungen
zwischen den Elektroden 21 und 22 und den Vorsprüngen 32 der
Metallkappen vorgesehen, nicht jedoch zur Ausbildung herme
tischer Dichtungen zwischen den Elektroden und den Metall
kappen 26. Die Dicke der Lötschicht 35 braucht daher nur
etwa 3 bis 5 µm zu betragen. Obgleich in Fig. 5 die Löt
schicht 35 als die ganze Oberfläche der Metallkappe be
deckend dargestellt ist, braucht die Lötschicht nur auf den
nach innen ragenden Vorsprüngen 32 angebracht zu sein, bei
spielsweise durch Aufstreichen, weil dies für den beschrie
benen Zweck völlig ausreicht. Durch einen Kolophoniumfilm 27
wird die Herstellung der Lötverbindungen begünstigt.
Wie aus den Fig. 2 bis 4 hervorgeht, ist jede Metallkappe 26
mit einem Anschlußdraht 36 versehen, der in der Mitte des
verschlossenen Abschnitts 29 beispielsweise durch elek
trisches Schweißen angebracht ist und mit dem der Anschluß
zu einem äußeren elektrischen Schaltkreis hergestellt werden
soll.
Zwischen den Elektroden 22 und 23 und den Metallkappen 26
sind flexible, hermetisch dichtende Siegel 37 aus elektrisch
isolierendem Material vorgesehen. Diese Versiegelungen 37
müssen solche Eigenschaften aufweisen, daß sie gegenüber
großen Temperaturschwankungen unempfindlich sind, eine vor
gegebene Haltekraft aufweisen, gegen Feuchtigkeit unempfind
lich sind und elektrisch isolierend sind. Alle diese Erfor
dernisse werden durch eine Siegelmasse erfüllt, bei der zu
Epoxyharz ungefähr 31,5 Gew.-% Füllmittel aus Talk
[Mg3Si4010(OH)2], Kalziumkarbonat (CaCO3) und Quarz (SiO2)
hinzugefügt werden sowie ein Härter aus einem Säureanhydrid.
Es wurde gefunden, daß bei einer Viskosität von 48 Pa's die
Isolierfarbe nach der oben genannten Zusammensetzung Dich
tungseigenschaften aufweist, die Temperaturen im Bereich
zwischen 208 und etwa 400 K widerstehen, wobei das Siegel
selbst eine Shore-Härte von etwa 65 aufweist. Das Wasserauf
nahmevermögen der Siegel 37 nach Kochen für mehr als eine
Stunde war kleiner als 0,1%. Die Haftfestigkeit zwischen
den Elektroden und den Metallkappen beträgt 1000 N/cm2. Der
elektrische Widerstand der Siegel 37 ist 2,7 × 1014 Ω · cm.
Die Dichtungseigenschaften der Siegel sind ebenfalls hervor
ragend, da keinerlei Blasen erzeugt werden, wenn man den
Artikel nach Fig. 4 in eine Testlösung eintauchte, die auf
eine Temperatur von 398 K aufgeheizt war.
Die Siegel 37 weisen eine Shore-Härte
zwischen 50 und 80, am besten 65, auf, um Tempera
turen zwischenn 200 K und etwa 400 K zu widerstehen. Siegel
der gewünschten Härte erreicht man durch Vermischung von
Expoxyharz vom Bisphenol-A-Typ mit 25 bis 35 Gew.-% Füll
stoff. Neben der schon erwähnten Mischung aus Mg3Si4(OH)2,
CaCO3 und SiO2 kommt als Füllstoff auch nur eine oder zwei
der erwähnten Komponenten in Frage, wobei auch andere Füll
stoffe eingesetzt werden können.
Obgleich die erwähnte Siegelmasse als Harz grundsätzlich ein
Epoxyharz vom Bisphenol-A-Typ beschrieben wurde, kann hir
für auch ein Polybutadienharz, ein Polyurethanharz, ein
Silikonelastomer oder ein andersartiges Epoxyharz verwendet
werden, dem der gewünschte Füllstoff beigemischt ist. In
manchen Fällen kann man auf einen Füllstoff auch verzichten.
Die äußere Umhüllung 38 kann so dünn wie irgend möglich
sein, da sie nichts zur mechanischen und elektrischen Festigkeit
zwischen den Elektroden 21 und 22 und den Metallkappen 26
beiträgt. Der gewünschte Kontakt zwischen den Elektroden und
den Metallkappen wird durch die Metallkappen selbst auf
rechterhalten, die unter Druck auf das keramische Rohr ge
preßt sind und deren nach innen ragende Vorsprünge 32
weiterhin mit den Elektroden verlötet sind. Weiterhin tragen
die Siegel 37 zur Festigkeit bei.
Der fertige, tubusförmige kreamische Kondensator nach Fig. 1
kann dann mit den entsprechenden Farbmarkierungen im be
kannten Farbcode versehen werden. Der Kondensator kann mit
den Anschlußleitungen 36 an den zugehörigen elektrischen
Schaltkreis angeschlossen werden.
Zu den Vorteilen, die die Erfindung mit sich bringt, lassen
sich folgende zählen:
- 1. Die Siegel 37 sind halbflexibel und widerstehen Tempera
turen zwischen 208 und 400 K.
- 2. Die Siegel 37 weisen genügend Adhäsivkraft und Feuchtig
keitsfestigkeit auf, um den Innenraum des keramischen
Rohres 20 gegen die Umwelt abzudichten.
- 3. Jede Metallkappe 26 weist eine galvanisch aufgebrachte
Lötmittelschicht 35 auf, die unmittelbar an den Vorsprün
gen 32 eine Lötverbindung mit den Elektroden herstellt
und den mechanischen und elektrischen Kontakt zwischen
Elektroden und Metallkappe verstärkt.
- 4. Der äußere Überzug 38 kann so dünn wie möglich sein, weil
die Metallkappen 26 fest mit den Elektroden 21 und 22
verbunden sind, die Abdichtung des Kondensatorhohlraums
nach außen durch die Siegel erfolgt und daher der äußere
Überzug zur Festigkeit und Abdichtung nicht beizutragen
braucht.
Fig. 6 zeigt eine zweite Ausführungsform des erfindungsge
mäßen Kondensators. Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugs
zeichen wie beim zuerst beschriebenen Ausführungsbeispiel
versehen.
Auf die Enden des keramischen Rohrs 20 sind zwei Metall
kappen aufgepreßt. Sie sind hier mit den Bezugszeichen 26 a
versehen, da sie von den Metallkappen 26 des erstbeschriebe
nen Beispiels insofern abweichen, als sie in der Mitte der
Stirnwand 29 a mit einer Eindrückung 50 versehen sind. Die
Anschlußdrähte 36 sind in der Mitte dieser Eindrückung 50 an
den Stirnseiten 29 a der Metallkappen 26 a befestigt. Die
anderen Details dieser Metallkappen 26 a sind gleich denen
der schon beim ersten Beispiel beschriebenen Metallkappen
26.
Die Siegel 37 und eine Brücke 51 sind nicht nur dazu
bestimmt, die Verbindung zwischen den Elektroden und den
Metallkappen hermetisch abzudichten, sondern auch dazu, das
keramische Rohr 20 feuchtigkeitsfest zu verschließen. Da die
Siegel 37 mit der Brücke 51 dem zusätzlichen Zweck der
Feuchtigkeitsabdichtung des keramischen Rohrs 20 dienen,
braucht der äußere Überzug 38 a dieser Ausführungsform der
Erfindung nur eine einzige Epoxyharzschicht 40 a zu sein.
Die Eindrückungen 50 in den Stirnseiten 29 a dienen einer
Zentrierung der Anschlußdrähte 36 bei deren Befestigung an
den Metallkappen. Bei elektrischen Verbinden des Kondensa
tors an Leiterbahnen 52 einer elektrischen Schaltkarte
53 durch Biegen der Anschlußdrähte 36, wie in Fig. 7 gezeigt
ist, können die Knickpunkte 54 der Anschlußdrähte wegen der
Eindrückungen 50 sehr dicht an den Enden des Bauelements
liegen. Der Abstand zwischen den beiden Knickpunkten 54 der
Anschlußdrähte 36 kann daher minimal gemacht werden, was zu
einer Verringerung des Platzbedarfs für den Kondensator auf
der Schaltkarte 53 führt.
Im Hinblick auf die genannten Funktionen und Vorteile der
Eindrückungen 50 in den Metallkappen sind diese mit einer
Tiefe von 0,1 bis 0,4 mm zu wählen, vorausgesetzt, daß die
Metallkappe 26 a im übrigen die gleichen Abmessungen aufweist
wie jene beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1. Der Durch
messer jeder Eindrückung 50 sollte geringfügig größer sein
als der des Anschlußdrahts 36. Bei einem Anschlußdrahtdurch
messer von 0,6 mm sollte daher die Eindrückung ungefähr 0,8
mm Durchmesser aufweisen.
Zusätzlich zu den für den Kondensator nach Fig. 1 beschrie
benen Vorteilen weist der in Fig. 6 dargestellte Kondensator
noch die durch die Gestaltung der Metallkappen hervorgerufe
nen Vorteile auf.
Fig. 8 zeigt eine dritte Ausführungsform des erfindungsge
mäßen Kondensators, bei welcher gleiche Bauteile wieder mit
den schon bei den ersten Ausführungsformen verwende
ten Bezugszeichen versehen sind. Die Metallkappen 26 a weisen
wiederum Vertiefungen 50 in der Mitte ihrer Stirnseiten 29 a
auf, sind jedoch nicht mit Anschlußdrähten versehen.
Auf der Siegelschicht ist eine einzelne Schicht 40 b
aus Epoxyharz aufgebracht, die jedoch bestimmte
Bereiche 55 der zylindrischen Metallkappenfläche freiläßt.
Anstelle mit Anschlußdrähten 36 nach den Fig. 1 und 6 ist
dieser Kondensator an den freigelassenen Bereichen 55 der
Metallkappen 26 a mit den Leitern 56 auf einer elektrischen
Schaltkarte 57 verbunden.
Die Fig. 9 bis 11 zeigen eine modifizierte Metallkappe 26 b
zur Verwendung bei den verschiedenen Rohrkondensatoren nach
der Erfindung. Diese modifizierte Metallkappe 26 b weist eine
Vielzahl, im dargestellten Ausführungsbeispiel vier Kerben
30 a auf, die am freien Rand des zylindrischen Abschnitts 28
anstelle der Schlitze 30 der ersten Ausführungsformen ausge
bildet sind. Bei der Metallkappe 26 b hat bei ansonsten un
veränderten Abmessungen gegenüber den erstgenannten Ausfüh
rungsformen jede Kerbe 30 a am Rand eine Breite von 0,2 mm.
Ihre Tiefe beträgt in Axialrichtung gemessen 0,28 mm. Diese
ist etwa ¹/₅ der Länge des zylindrischen Abschnitts 28 der
Metallkappe 26 b.
Jeder nach innen gerichtete Vorsprung 32 der Metallkappe 26 b
ist nahe der Spitze dieser Kerben 30 a angeordnet. Die Vor
sprünge 32 haben die gleiche Höhe wie bei den ersten Bei
spielen. Auch diese Ausführungsform der Erfindung ist, wie
Fig. 11 zeigt, mit einer Eindrückung 50 in der Stirnwand
versehen, in deren Mitte ein Anschlußdraht 36 befestigt ist.
Es ist jedoch auch möglich, diesbezüglich zu der Ausfüh
rungsart zu greifen, die in Fig. 8 dargestellt ist, und auf
Anschlußdrähte zu verzichten.