DE2900742A1

DE2900742A1 - Rauscharmer elektrolytkondensator

Info

Publication number: DE2900742A1
Application number: DE19792900742
Authority: DE
Inventors: Hideo Kurose
Original assignee: KUWADA MOMOYO
Current assignee: KUWADA MOMOYO
Priority date: 1978-12-16
Filing date: 1979-01-10
Publication date: 1980-07-03
Also published as: DE2900742C2; JPS6130726B2; JPS5582432A; US4345302A

Description

HOFFMANN · EITM & PARM¹NiSR

DR. ING. E. HOFFMANN (19301976) · DIPL-I NG. W.EITLE · D R. RER. NAT. K. HOFFMANN · D I PL.-ING. W: LEH N

DIPL.-ING. K. FOCHSLE · DR. RER. NAT. ü. HANSEN ARABELLASTRASSE 4 (STERN HAUS) · D-OOOO MDN CH EN 81 . TELEFO N (089) 911087 . TELEX 05-29619 (PATH E)

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MOMOYÜ KUWADA
Tokyo / Japan

Rauscharmer Elektrolytka^al^a^ Λ/6.-. Π

Die Erfindung betrifft einen rauscharmen Elektrolytkondensator, der in Signalübertragungsschaltungen und in Niederfrequenzkreisen verwendet werden kann.

Bekanntlich bestehen Elektrolytkondensatoren in Niederfrequenz vori-ichtungen und dergleichen aus einer Anodenfolie, deren eine Oberfläche angeätzt ist und dadurch rauh ist, und mit einem Oxydfilm behaftet ist, einem Abstandhalter aus einem niedrigdichten Kondensatorpapier und einer Kathodenfolie, die zusammen laminiert sind und zu einer Rolle aufgewickelt sind. Das Konderfsatorpapier wirkt als Isolator und isoliert die Anodenfolie und die Kathodenfolie voneinander und ist mit einem Elektrolyten imprägniert.

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Wird ein solcher Elektrolytkondensator z.B. in einer Niederfrequenzvorrichtung verwendet, so wirkt der Oxyd·- film der Anode als ein Dielektrikum und ergibt dadurch eine große elektrostatische Kapazität, während der Elektrolyt mit der Kathodenfoiie als eine Art eines Elektrodenleiters wirkt. Infolgedessen formen der Elektrolyt und der Abstandhalter,der zwischen der Anodenfolie und der Kathodenfolie ist, einen Teil eines Strompfeides für ein Niederfrequenzsignal oder dergleichen, um verschiedene Einflüsse zu vermitteln, wenn ein Signal hindurchläuft. Die Widerstandskomponente des Elektrolyten steht in direkter Beziehung zu der Impedanzcharakter.istik und der Tangens 0 -Charakteristik des Kondensators. Theoretisch ist es erwünscht, einen Elektrolyten zu verwenden, der eine hohe Elektroleitfähigkeit hat, aber solche Elektrolyten neigen dazu, den Elektrodenfilm , der z.B. aus Aluminium hergestellt wurde, zu korrodieren. Deshalb wird in der Praxis ein Elektrolyt verwendet, der aus einer Lösung aus Ammoniumborat besteht und der eine Leitfähigkeit von ungefähr mehreren hundert Ohm/cm hat. Die elektrische Ladung wandert durch einen solchen Elektrolyten, so daß, wenn ein alternierendes Stromsignal hindurchläuft, der Elektrolyt die nachfolgend gezeigte Problematik aufweist.

Der Abstandhalter, der sich zwischen dem an der Oberfläche der anodischen Elektrode gebildeten Oxydfilm und der kathodischen Elektrode befindet, enthält den Elektrolyten und manifestiert die Widerstandskomponente, und der Widerstand des Abstandhalters variiert nicht linear in Abhängigkeit von der Entfernung zwischen der Elektrodenoberfläche und der angelegten Spannung. Das heißt, daß die Potentialver-

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teilung sich nicht immer, v.'ie bei einem üblichen Widerstand r linear verändert. Infolgedessen hat der Abstandhalter einen nichtlinearen Einfluß auf die Bewegung im Inneren des Kondensators und daher werden viele höhere Harmonisehe-Komponenten in dem Signal induziert. Die nicht™ lineare Charakteristik, die sich zwischen dem Oxydfilm und dem Elektrolyten bildet, kann man nicht ignorieren und die Nichtlinearität wird durch die vorerwähnte Charakteristik des Elektrolyten verstärkt.

Es ist ein Ziel der Erfindung, einen verbesserten rauscharmen Elektrolytkondensator zu zeigen, der die vorher erwähnten Probleme nicht auf v/eist.

Erfindungsgemäß wird eine elektroleitfähige Zwischenschicht, welche elektroleitfähige feine Teilchen feinverteilt enthält, zwischen ein Paar Elektrodenfolien gelegt, d.h. Anoden- und Kathodenfolien, wobei die Zwischenschicht ein Zwischenpotentiai in bezug auf beide Elektroden aufrechthält, und dadurch wird die Nichtlinearität des Elektrolyten verbessert, iind die höheren Harmonischen-Komponenten, die z.B. in einem Niederfrequenzsignal· erzeugt werden, nehmen ab, und passieren durch den Kondensator und dadurch wird ein rauscharmer Elektrolytkondensator geschaffen, der für High-Fidelity-Verstärker und dergleichen geeignet ist.

Als Abstcindhalter wird im allgemeinen ein Kondensatorpapier und zwar Kraft-Papier, Manila-Papier und dergleichen verwendet. Da ionisierbare Komponenten oder leitfähige feine Teilchen aus Eisen und dergleichen, die in diesen Papieren zurückgeblieben sind, in hohem Maße die Qualität der Elektrolytkondensatoren beeinflussen, ist es erforderlich gewesen, diese Verunreinigungen soweit wie möglich zu entfernen.

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Es wurden nun aufgrund von Forschungen die folgenden Tatsachen festgestellt. Die elektroleitfähigen feinen Teilchen beeinflussen zu einem erheblichen Maße nicht das Verhalten des Elektrolytkondensators. Vielmehr wird,-wenn die elektroleitfähigen feinen Teilchen in der Nähe der Anodenoberfläche abgeschieden sind, ein unnormales Potential an einen Trennfilm, der aus einem halbleitenden Oxydfilm an der Oberfläche einer Anodenelektrode sich befindet, aufgebaut, und sich in den Elektrolyten erstreckt und dadurch wird der Potentialgradient in der Nähe des Trennfilmes außerordentlich erhöht und zerreißt den isolierenden Oxydfilm. Dagegen bewirken elektroleitfähige feine Teilchen,die in geeigneter Weise nicht in Berührung mit der anodischen Elektrode sind,nicht das Verhalten des Elektrolytkondensators sondern bewirken vielmehr eine erhebliche Verminderung der Rauschkomponenten, die durch inhärente nichtlinearen Chariikteristiken des Elektrolyten verursacht werden.

In der Zeichnung bedeuten;

Fig. 1 eine Aufsicht auf einen zum Teil aufgewickelten Elektrolytkondensator gemäß der Erfindung;

Fig. 2 einen Aufblick auf eine aufgewickelte Zwischenschicht, die in einem Kondensator gemäß Fig. 1 verwendet wird;

Fig. 3 eine grapische Darstellung, in welcher die Beziehung zwischen der Frequenz und der Impedanz bei Kondensatoren des Standes der Technik und den erfindungsgemäßen Elektrolytkondensatoren gezeigt wird;

Fig. 4 eine graphische Darstellung_r in v/elcher die dritte nichtlineare verzerrung (Klirrverzerrung) bei einem Niederfrequenzsignal· verglichen wird;

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Fig. 5 zeigt die rechteckige Wellenform, in welcher die AusSendungscharakteristik einer rechtwinkligen Welle verglichen wird, und

Fig. 6 zeigt einen Querschnitt für ein anderes Beispiel einer Zwischenschicht.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird anhand der Figuren gezeigt. Bei einem Elektrolytkondensator gemäß Fig. 1 befindet sich ein Oxydfilm 10 an der inneren Oberfläche einer Anodenfolie 11 aus Aluminium und dergleichen. An der Oberfläche des Oxydfilmes 10 der Anodenfolie 11 ist eine Zwischenschicht 12 aufgelegt aus einem niedrigdichten Kondensatorpapier, die als Abstandhalter wirkt, und eine metallische Kathodenfoiie 13 int auf die Zwischenschicht laminiert. Bleidrähte 14 und 15 sind an die Anodenfolie 11 und die Kathodenfolie 13 angelötet. Die laminierten Anoden- und Kathodenfolien 11 und 13 und die Zwischenschicht 12 werden zu einer Rolle aufgewickelt, und die Rolle wird mit einem Elektrolyten imprägniert und bildet so den Elektrolytkondensator.

Die Zwischenschicht 12 befindet sich zwischen der Anodenfolie 11 und der Kathodenfolie 13 und enthält elektroioitfähige feine Teilchen darin verteilt. Im allgemeinen hat ein Kondensatorpapier,das als Abstandhalter verwendet wird, eine Dicke von etwa 30 bis 60 ,um und die elektroleitfähigen

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feinen Teilchen sind so darin verteilt, daß sie nicht an der Oberfläche des Oxydfilmes 10 der Anodenfolie 11 freiliegen .

Fig. 2 zeigt ein Beispiel für die Ausbildung der Zwischenschicht 12. Wie gezeigt, befindet sich ein elektroleit-

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fähiges Papier 19, das elektroleitfähige feine Pulver 18, wie beispielsweise Graphitpulver oder Kohlenstoffpulver (vorzugsweise Graphitpulver) enthält, als zwischenschicht zwischen Blättern aus Papier 16 und 17 und diese Blätter sind in einer Papierherstellungsvorrichtung miteinander verbunden. Auf diese Weise ist die Zwischenschicht 12 mit hochisolierenderi Oberflächen ausgerüstet, die an dem Oxydfilm 10 an der Anodenfolie 11 und der Kathodenfolie 13 anliegen, und die Mittelschicht 19 ist hochleitfähig.

Die Zwischenschicht 12 befindet sich zwischen der Anodenfolie 11 und der Kathodenfolie 13 und das Laminat wird zu einer Rolle aufgewickelt. Anschließend wird ein Elektolyt in die Papierblätter 16 und 17 der Zwischenschicht imprägniert und dadurch wird der Elektrolytkondensator gebildet. Der Kondensator wird in geeigneter Weise gealtert und entgast.

Es ist wesentlich, daß das elektroleitfähige Papierblatt 19 nicht in Berührung mit dem Oxydfilm 10 der Anodenfolie 11 ist. Ist der Gehalt an elektroleitfähigen feinen Teilchen 18 klein und ist der Kontaktwiderstand zwischen dem elektroleitfähigen Papierblatt 19 und der Kathodenfolie 13 klein, so daß dadurch nur ein geringer Spannungsabfall erfolgt, so kann das Papier 17 fortgelassen werden, so daß eine direkte Berührung zwischen dem elektroleitfähigen Papier 19 und der Kathodenfolie 13 möglich ist. In der Praxis ist es aber vorteilhaft, die Kathodenfolie 13 und das elektroleitfähige Papier 19 durch einen Abstand zu trennen, der größer als- ein vorbe st inunter Wert ist, um dadurch dazwischen eine große Potentialdifferenz zu bewirken. Deshalb wird eine Zwischenschicht 12 mit einem Isolierpapier 17 an der Oberfläche, das sich gegenüber der Kathodenfolie 13 befindet, bevorzugt»

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BAD ORIGINAL

TABELLE

Probe Nr.	GraphitJs.onzentrat.ion (%) vor und nach der Papierherstellung	nach der Papierherstellung
1	vor der Papierherstellung	5,8
2	20	9,7
3	40	14,2
4	60	17,8
5	80	23,1
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Tabelle 1 zeigt einige Beispiele für die Graphitkonzentration vor und nach der Papierherstellung bei der Zubereitung eines Kondensatorpapiers, indem man granuläres Graphit mit einer Korngröße von ungefähr

um zu Manila-

.hanfpulpe zugibt. Die Graphitkonzentration nimmt von Probe 1 zur Probe Nr. 5 zu. Probe Nr. 6 (Fig. 3), die in dieser Tabelle nicht gezeigt wird, enthält keine Graphitteilchen.

Fig. 3 zeigt die Impedanz-Charakteristik von 50 Volt, 33 uF Elektrolytkondensatoren, bei denen eine Zwischenschicht 12 verwendet wird, die durch Laminieren von leitfähigen Papieren, bei denen Graphitpulver verteilt sind, wie in Tabelle 1 gezeigt, mit gewöhnlichen Papierblättern erhalten wurden, wie dies in Fig. 2 gezeigt wird. In Fig, wird in der Probe Nr. 6 eine Zwischenschicht verwendet aus gewöhnlichem Papier, welches kein Graphit enthält, während Proben Nr. 1 und 5 ein Papier verwenden der Proben 1 und 5 von Tabelle 1. Wie aus Fig. 3 hervorgeht, haben die Proben 1 bis 5 im wesentlichen die gleichen Impedanzeigenschaften, wie die. Probe Nr. 6.-Berücksichtigt man

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die anderen Charakteristika, so ist festzustellen, daß mit zunehmendem Graphitgehalt die Leitfähigkeit ansteigt, während Spannungsabfall und -verlust nur wenig zunehmen.

Die Rauscheigenschaften des Elektrolytkondensators wurden untersucht, indem man ein Niederfrequenzsignal in einem Niederfrequenzband, wie bei einem Niederfrequenzkreis, durchlaufen ließ. Fig. 4 zeigt die Beziehung zwischen der Graphitkonzentration und der Verteilung.der dritten Harmonie. Wie gezeigt, nimmt mit zunehmender Konzentration an Graphit,das in dem leitfähigen Papier 19 enthalten ist und die Zwischenschicht 12 darstellt, die Menge der dritten Harmonie, die durch Kreuzmodulierungsverzerrung verursacht wird, stark ab. Dabei ist besonders festzustellen, daß die Rauschabnahmecharakteristik viel steiler als bei einer hohen Ladungscharakteristik (0,3 V) ist als bei einer niedrigen Ladungscharakteristik. Diese Tendenz steht im Gegensatz zu den Charakteristiken von Elektrolytkondensatoren des Standes der Technik, bei denen das Rauschen erheblich mit einem Ansteigen der Beladung zunimmt .

Ein Elektrolytkondensator mit einer Zwischenschicht zeigt somit bei hoher Beladung ein vermindertes Rauschen und dies bedeutet, daß ein solcher Kondensator außerordentlich gut für Verstärkerschaltungen bei Niederfrequenzvorrichtungen und dergleichen geeignet ist. Verwendet man einen Elektrolytkondensator gemäß der Erfindung in Verstärkerschaltungen, so ist es möglich, daß Rauschniveau um mehrere bis 10 dB im Vergleich zur Verwendung von üblichen Elektrolytkondensatoren zu vermindern. Aus diesem Grund kann man das interne Rauschen bei Niederfrequenzvorrichtungen erheblich vermindern und auch die Kreuzmodulierungsverzerrung bei

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NiederfrequenzSignalen und man reproduziert Niederfrequenzsignale hoher Tontreue.

Aus der vorhergehenden Beschreibung geht hervor, daß der erfindungsgemäße Elektrolytkondensator, der mit einer elektroleitfähigen Zwischenschicht 12 ausgerüstet ist, nicht nur das Rauschen in einem Hochfrequenzband eines Niederfrequenzsignales vermindert, sondern daß auch die lonenmobilitatseigenschaften zwischen den Elektroden verbessert werden.

Wie aus dem Stand der Technik bekannt ist, nimmt die Ionenmobilitäts-Cbarakteristik im Inneren eines Elektrolytkondensators mit dem Abnehmen der Betriebsfrequenz ab, so daß ein Elektrolytkondensator in niedrigen Frequenzbereichen nicht befriedigend arbeiten kann. Deshalb vermindert ein Elektrolytkondensator, der in einer Niederfrequenzschaltung verwendet wird, die übertragungscharakteristik von Niederfrequenzsignalen in niedrigem Frequenzbereich.

Fig. 5 zeigt das Ergebnis einer oszilloskopischen Beobachtung des Outputs eines 50 V, 33 ,iiF Elektrolytkondensator s des Standes der Technik, der nicht mit einer Zwischenschicht ausgerüstet ist, und bei einem Elektrolytkondensator gemäß der Erfindung, der eine elektroleitfähige Zwischenschicht anwendet, und zwar bei Anlegen einer 1 Volt rechteckigen Welle mit einer Repetierperiode von 20 Hz.

.In Fig. 5 zeigen die durchgehenden Linien die "Ausgangswellenform bei einem Elektrolytkondensator des Standes der Technik an, wogegen die gestrichelten Linien b diejenigen eines erfindungsgemäßen Elektrolytkondensators

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zeigen. Wie die Beobachtungen zeigen, ergibt sich aus den durchgehenden Linien a, daß die Neigungen beim Aufbau und beim Abbau der rechtwinkligen Welle nicht so steil sind, während die gestrichelte Linie b zeigt, daß die Neigung des Aufbaues und des Abbaus verbessert wird, und dadurch werden die übertragungscharakteristik^ von Niedrigfrequenzsignalen bei einem Kondensator gemäß der Erfindung verbessert.

Da die Mobilität der Ionen zwischen den Elektroden bei einem Elektrolytkondensator mit der Betriebsfrequenz abnimmt, wird die Rauschcharakteristik des Elektrolytkondensators in Hochfrequenzbändern nicht durch die Größe der Beladung beeinflußt.

Bei der vorhergehenden Ausführungsform wurden ganz reine Papiere und ein leitfähiges Papier laminiert, wie dies in Fig. 2 gezeigt wird, um wenigstens eine Oberfläche des leitfähigen Papiers nicht in Kontakt mit der Anodenfolie zu halten. Die Zwischenschicht 12, die zur Lösung" der erfindungsgemäßen Aufgabe verwendet wird, kann auch durch Beschichten oder Imprägnieren mit einer graphitenthaltenden Flüssigkeit einer der Oberfläche 21 eines Kondensatorpapiers 20 vorgenommen werden, wie dies in Fig. 6 gezeigt wird. In diesem Fall muß man darauf achten, daß die graphitenthaltende Flüssigkeit nicht die gegenüberliegende Oberfläche des Kondensatorpapiers 20 erreicht.

Wenn die elektroleitfähige Schicht der Zwischenschicht in direktem Kontakt mit der Kathodenfolge 13 steht und dadurch eine geringe Potentialdifferenz zwischen der Oberfläche der Kathodenfolge 13, die der Zwischenschicht 12 gegenüberliegt, erzeugt wird, bei einer niedrigen Spannung von weniger als 10 V formationsverarbeitet, wird, so ist

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es möglich, eine geringe Potentialdifferenz zwischen der Kathodenelektrode und der Zwischenschicht zu erzeugen, selbst wenn die Zwischenschicht 12 eine niedrige Impedanz hat, und dadurch wird das innere Rauschen von Niederfrequenz Signalen bei Niederfrequenzvorrichtungen aufgrund von Kreuzinodulationsverzerrung vermindert.

Obwohl die bisherige Beschreibung einen Elektrolytkondensator für die Verwendung bei Gleichstrom gezeigt hat, kann man die vorteilhaften Wirkungen auch erzielen mit einem bipolaren Elektrolytkondensator, der bei Wechselstrom verwendet wird.

Bei einem bipolaren Elektrolytkondensator wirken sowohl die Elektroldenfolien 11 und 13 in Fig. 1 als Anodenelektroden und ihre Oberflächen, welche an der Zwischenschicht 12 anliegen, sind mit Oxydfilmen ausgerüstet. In diesem Fall soll die Zwischenschicht 12 eine Isolierschicht auf den gegenüberliegenden Seiten haben, wie in Fig. 2 gezeigt wird, um die Leitfähigkeitspapierschicht 12 als Potentialzwischenschicht für die Potentiale der beiden Folienelektroden auszubilden.

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Claims

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DR. ING. E. HOFFMANN (1930-1976) . Dl PL.-ING. W.f-!TLI: · [> R. RFR. NAt. K. HO FFMAN N · Dl PL.-l N O. W. LEK H

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. 31 644 o/fi

MOMOYO KÜWÄDA Tokyo / Japan

Rauscharmer Elektrolytkondensator

Patentanspruch :

Rauscharmer Elektrolytkondensator aus einem Paar Elektrodenfolien und einer zwischen den Elektrcdenfolien befindlichen isolierenden Zwischenschicht, die mit einem Elektrolyten imprägniert ist, dadurch gekennzeichnet , daß die Zwischenschicht durch einen Isolator in Nichtberührung mit wenigstens einer der Elektrodenfolien gehalten wird.

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