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Polarer Elekt-oiyt-Eondensator
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Die Erfindung betrifft bipolare Elektrolyt-Eondensatoren mit mindestens
zwei mit elektrischen Stromanschlüssen versehenen formierten Elektrodenfolien aus
aufgerauhtem oder nichtaufgerauhtem Ventilmetall.
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Bekanntlich besteht bei Elektrolyt-Kondensatoren das Dieletrikun
aus einer durch anodische Oxidation in geeigneten Elektrolyten auf dem Elektroden-Metall,
einem sogenannten Ventilmetall, erzeugten Oxidschicht, die auch Ventilschicht genannt
wird, weil sie unterhalb der Sormierspannung den Strom sperrt, bei Umkehr der Polarität
jedoch leitet. Als Ventilmetalle sind vor allem Aluminium, T-;ntal iin Niob bekannt
Bei der anodischen Oxidation, der sogenannten Formierung oder Vorformierung, wächst
die Ventilsehicht, solange die auf sie einwirkende elektrische Feldstärke ausreichend
hoch ist, um den weiteren Ionentransport durch sie hindurch aufrecht zu erhalten.
Bei Aluminium als Ventilmetall beträgt diese Nindestfeldstärke etwa 10 y/cm. Sobald
die Ventilschicht soweit gewachsen ist, daß die Mindestfeldstärke nicht mehr üterschritten
wird, stagniert das Dickenwachstum und der zunächst hohe Formierstrom fällt auf
einen niedrigen Reststrom ab.
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Dieser Reststrom ist dadurch bedingt, daß die auch in reinstem Ventilmetall
noch vorhandenen Verunreinigungen im Bereich der Ventilschicht stromleitende FehlsteLlen
verursachen und daß die Oxidschicht im
Formier-Elektrolyten nicht
vollständig unlöslich ist.
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Lurch Inlösunggehen von Oxid, der sogenannten Deformation, steigt
die Feldstärke wieder über die Mindeste feldstärke an, und es kann neues Oxid nachformiert
werden.
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Eine Deformation tritt auch im fertigen Elektrolyt-Kondensator ein,
bei spannungsloser Lagerung vor allem bei erhöhten Temperaturen. Aber auch beim
Betrieb mit einer Betriebsspannung Ub tritt eine Deformation deshalb ein, weil die
Ventilschicht dann nur bis zu dieser Betriebsspannung Ub nachformiert wird, was
eine DeCormation von der Formierspannung Uf auf die Betriebsspannung Ub nicht verhindern
kann. Da sich mit der Deformation eine Verschlechterung der elektrischen Charakteristika
eines Elektrolyt-Kondensatcrs einstellt, ist es eine für den Entwickler wichtige
Aufgabe, Denormationsprozessen möglichst entgegenzuwirken.
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Aus dem eingangs beschriebenen Formierprozeß ergibt sich dem Fachmann
ohne weiteres die Möglichkeit festzustellen, auf welche Spannung die Ventilschicht
formiert worden ist. Hierzu ist es lediglich erforderlich, die fragliche Elektrode
oder ein Stück davon in einen geeigneten Formier-Elektrolyten zusammen mit einer
Stromzuführungs-Slektr;o29 einzuhängen, eine irüfgleichspannung anzulegen und diese
langsam hochzuregeln. Bei einer Spannung unterhalb der Formierspannung Uf ergibt
sich ein niedriger Reststrom, der bei deren Überschreiten in einen hohen Formierstrom
übergeht.
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Es ist bekannt, bei Elektrolyt-Kondensatoren eine Nennspannung und
eine Spitzenspannung anzugeben. Diese Spann-ungen sind definiert als derjenige Wert
einer Gleichspannung oder als der resultierende Scheitelwert Us einer diese überlagernden
Wechselspannung, womit der Kondensator dauernd betrieben werden (Nennspannung) oder
der nur kurzzeitig auftreten und niemals überschritten wurden darf (spitzenspannung).
Die Spitzenspannung ergibt sich aus der Beschriftung des Kondensators oder aus Hinweisen
des Eondensator-Herstellels
auf eigene oder fremde einschlägige
technische Vorschriften und beträgt oft das 1,1-1,3fache der Nenrspannung.
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Es ist bekannt, für eine gegebene Nenn- und Spitzenspannung Ventilschichten
als Dielektrikum zu verwenden, die bei einer Formierspannung Uf formiert sind, die
mindestens das 1,05fache der Spitzenspannung beträgt. Beispielswsise wird ein Elektrolyt-Kondensator
für 50/60 V mit mindestens 63 V, für 350/400 V mit mindestens 420 V und für 500/550
V mit 600 V vorformiert. Dadurch wird vermieden, daß bei Auftreten der S,itzenspannung
eine weitere Vorformierung und Oz-idbildung eintritt, was einen Kapazitätsverlust
and/oder die Zerstörung des Elektrolyt-Ecndensators zur Folge hätte. Der Sicherheitszuschlag
von 5 Prozent oder mehr berücksichtigt dabei die im Herstellungsablauf vorkommenden
Toleranzen.
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Durch diese Korrelation zwischen Nenn-/Spitzenspannung und Formierspannung
Uf ergibt sich der bekannte Vorteil, Elektrolyt-Kondensatoren für beliebige Nennspannungen
bis etwa 600 V optimieren zu können.
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Weil die Dicke der dielektrischen Ventilschicht der Formierspannung
Uf proportional ist, ergeben sich hohe Kapazitäten bei niedrigen Formierspannungen
und niedrigere Kapazitäten bei höheren Formierspannungen.
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Es ist bekannt, Elektrolyt-Kondensatoren als Wickelkondensatoren
herzustellen. Als Elektrodenfolien können aufgerauhte oder nichtaufgersuhte Folien
verwendet werden. Bekanntlich läßt sich durch Aufrauhen die spezifische Kapazität,
die Kapazität pro Blächeneini1eil; der Folie, auf ein Vielfaches steigem (und das
Kondensator-Volumen entsprechend verkleinern), weil sich die dielektrischen Ventilschichten
einer beliebigen Oberllächengeometrie anpassen.
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Ihrem Aufbau nach unterscheidet man zwischen polaren und bipolaren
Elektrolyt-Kondensatoren. Bei polaren Elektrolyt--Kondensatoren werden mindestens
je eine formierte und eine unformierte Elektrodenfolie, die beide mit einen elektrischen
Stromanschluß versehen sind, mit zwischenliegenden saugfähigen Abstandhaltern
zusammengewickelt.
Der so erhaltene Wickel wird mit einem geeigneten Elektrolyten imprägniert und in
ein Gehäuse luftdicht eingeschlossen. Das Gehäuse ist mit zwei voneinander isolierten
Stromanschlüssen versehen, mit denen die elektrischen Stromanschlüsse der Elektrodenfolien
verbunden sind.
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Für gewöhnlich ist auch die unformierte Elektrodenfolie aus Ventilmetall
und mit einer dünnen durch Oxidation an der Luft ertstandenen Oxidschicht, einer
Luftoxidschicht, bedeckt, die als Ventilschicht wirkt und deren Sperrspannung kleiner
als 5 Volt ist und oft bei 1-4 Vol.t liegt. Deshalb darf ein polarer Elektrolyt-Kondensator
nur mit reiner Gleichspannung oder mit einer eine Gleichspannung überlagernden Wechselspannung
nur so betrieben werden, daß der Scheitelwert der resultierenden Spannung die Nenn-
oder Spitzenspannung nicht übersteigt und daß auch keine Falschpolung um mehr als
ca. 4 Volt auftritt.
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Einen polaren Elektrolyt-Kondensator mit mehreren parallelen Teilkapazitäten
erhält man durch Zusammenwickeln mehrerer formierter Elektrodenfolien mit einer
gemeinsamen oder mit mehreren getrennten unformierten Elektrodenfolien. Jede dieser
Elektrodenfolien ist dai mit mindestens einem elektrischen Stromanschluß versehen.
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Sollen polare Elektrolyt-Kondensatoren für häuZ figes scnnelles Laden
und Entladen (zum Beispiel als Fotoblitzkondensatoren) geeignet sein, dann muß die
unformierte Elektrodenfolie so gewählt sein, daß ihre spezifische Kapazität Ck mit
dem Scheitelwiert U5 der Kondensator-Spitzenspannung und der spezifischen Kapazität
Cs der formierten Elektrodenfolie durch die Bedingung -UC<5 Volt verknüpft ist.
Nur dann ist Cs+Gk gewährleistet, daß die beim Entladen des Elektrolyt-Kondensators
über einen sehr kleinen äußeren Widerstand von der Anode auf die Kathode fließende
Ladung menge die unformierte Elektrodenfolie höchstens bis auf die ihrer Luftoxidschicht
entsprechenden Sperrspannung auflädt. Andernfalls würde die unformierte Elektrodenfolie
nach und nach auf eine höhere Spannung
formiert und ein Kapazitätsabfall
der aus der Reihenschaltung von Anoden-und Kathodenkapazität resultierenden Gesamtkapazität
des Elektrolyt-Kondensators die Folge sein. Je nachdem, ob diese Bedingung erSSlt
ist oder nicht, spricht man von schaltfesten oder nichtschaltfesten Elektrolyt-Kondensatoren.
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Für die Anwendung bei wechselnder Polarisation ist es bekannt, bipolare
Elektrolyt-Kondensatoren dadurch herzustellen, daß anstelle der unformierten Elektrodenfolie
in polaren Elektrolyt-Kondensatoren eine zweite formierte Elektrodenfolie verwendet
wird.
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Es werden dann zwei mit elektrischen Stromanschlüssen versehene formierte
Elektrodenfolien mit zwischenliegenden saugfähigen Abstandhaltern zusammengewickelt.
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Nach dem Imprägnieren kann jede der beiden formierten Elektrodenfolien
wahlweise als Anode oder Kathode dienen. In anodischer Polarisation sperrt die Ventilschicht,
in kathodischer leitet sie.
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Je nachdem, ob bei einem bipolaren Elektrolyt-Kondensator die Formierspannungen
der beiden formierten Elektrodenfolien gleich oder verschieden hoch sind, spricht
man von reversiblen oder semipolaren Elektrolyt-Kondensatoren. Reversible Elektrolyt-Eondensatoren
sind für wechselnde Gleichspannung und/odg Wechselspannung, semirolare für asymmetrische
Gleich-und/oder Wechselspannungen verwendbar.
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Elektrolyt-Kondensatoren für Wechselspannungsbetrieb erfreuen sich
einer weitverbreiteten Anwendung, zum Beispiel als Kondensatoren für Tonfrequenzweichen
(in Lautsprechersystemen) und als MotorbetriebskondeF satoren für Dauerbetrieb bis
etwa 100 Yeff Für höhere Wechselspannungen werden Elektrolyt-Eondensatoren vor allem
in intermittierendem Betrieb als Motoraulaßkondensatoren eingesetzt.
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Bei Elektrolyt-Kondensatoren für Wechselspan nungsbetrieb bezieht
sich die Angabe von Nenn- und Spitzenspannung. auf Effektivwerte. Dementsprechend
ist'es bei diesen Kondensatoren bekannt, die Ventilschichten bei einer BorRierspannung
pf zu formieren, die mindestens das 1,05fache des Scheitelwertes Us
der
Kondensator-Spitzenspannung beträgt.
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Verglichen mit statischen Kondensatoren zeichnen sich Elektrolyt-Kondensatoren
durch um Größenordnungen höhere Volumenkapazität und entsprechende Kostenvorteile
aus. Sie leiden jedoch unter dem Nachteil relativ hoher Verlustfaktoren, was ihre
Anwendung insbesondere im Wechselspannungsbetrieb außerordentlich behindert und
erschwert.
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Einen verlustbehafteten Kondensator kann man als Reihenschaltung
eines verlustfreien Kondensators der Kapazität C und eines ohmschen Widerstandes
R auffassen. Für den Verlustfaktor tan6 gilt dann tanb = Rs C.
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Bei Elektrolyt-Kondensatoren setzt sich der Widerstand R aus mehreren
Teilwiderständen zusammen und kann approximiert werden durch die Schreibweise R
= rd + ra + rp.
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Den Teilwiderständen entsprechen dann die Teilverluste, und zwar
rd die eigentlichen dielektrischen Verluste in der Ventilschicht, ra die Verluste
aus de.
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ohmschen Widerständen der mit Elektrolyt imprägnierten Abstandhalter
und rp bei aufgerauhter Elektrodenfolie die Verluste aus den mit Elektrolyt gefüllten
Ätzporenwiderständen.
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Der Entwickler ist daher ftnsbesondere bei bipolaren Elektrolyt-Kondensatoren
für Wechselspannungsbetrieb bemüht, gut saugfähige Abstandhalter mit hohem Porenvolumen
und hochleitfähige Elektrolyte sowie schwach aufgerauhte Elektrodenfolien mit weiten
Atzporen zur Verbesserung von ra und r einzusetzen und Ventilsohichten mit möglichst
niedrigen Verlusten zur Verbesserung von rd zu entwickeln.
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Dabei ist zu beachten, daß das Aufrauhen der Elektrodenfolien durch
chemisches oder elektrochemisches Ätzen in Säuren oder Salzlösungen erfolgt und
daß bei dem auf das Waschen folgenden Trocknen sich auf der Elektrodenfolie die
erwahnte Luftoxidschicht ausbildet. Verstärkt man diese Luftoxidschicht vor dem
Vorformieren durch Kochen in reinstem Wasser, so ergeben sich eine erhöhte spezifische
Kapazität und ein erheblich,
auf etwa 50 Prozent verminderter elekt~ris*cer
-Energieaufwand beim Vorformieren, aber auch erhöhte dielektrische Verluste der
Ventilschicht. Wegen dieser Kostensenkung werden Elektrodenfolien mit verstärkter
Oxidschicht als Anoden in Hochvolt-Elektrolyt-Kondensatoren (mit Spannungen über
100 Volt) für Gleichspannungsbetrieb und als Glättungskondensatoren verwendet, Elektrodenfolien
mit dünner Luftoxidschicht dagegen für Wiedervolt-Elektrolyt-Kondensatoren (mit
Spannungen unter 100 Volt).
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Bei der Anwendung solcher Elektrodenfolien in bipolaren Ele'ktrolyt
-Kondensatoren ergeben sich bei Wechselspannungsbetrieb, insbesondere bei höheren
Wechselspannungen, wie sie bei Motoranlaß-Elektroly;t-Kondensatoren auftreten, außerordentliche
Schwierigkeiten in Form von instabilier Kapazität, im Gebrauch rasch ansteigender
Verlustfaktoren, Überhitzung, Deformation, Durchschlägen und Explosionen. Besonders
augenfällig sind diese Schwierigkeiten bei der Anwendung von Elektrodenfolien mit
verstärkter Oxidschicht.
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Man hat daher versucht, die dielektrischen Verluste in der Ventilschicht
herabzusetzen durch Verwendung von Elektrodenfolien mit extrem dünnen Luftoxidschichten,
die man erhält, wenn man die Elektrodenfolie lrnmittelbar r ch dem sätzen und Waschen
und noch vor dem Trocknen mit phosphathaltigen Lösungen behandelt. So behandelte
Elektrodenfolien nennt man stabilisiert.
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Trotz dieses kostensteigernden Mehraufwandes durch Stabilisieren,
durch den Verzicht auf verstärkte Oxidschichten und durch die Beschränkung auf schwer
che Aufrauhung hat sich bei bipolaren Elektrolyt-Eondensatoren, insbesondere bei
Wechselspannungsbetrieb, wie zum Beispiel bei Motoranlaß-Elektrolyt-Eondensatoren
für höhere Spannungen, nur ein nicht nur wirtschaftlich sondern auch technisch unbefriedigender
Qualtitätsstandard entwickeln lassen.
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Die Erfindung löst die Aufgabe, durch die Verwirklichung einer neuen
technischen Konzeption einen in so hohem MaBe verbesserten bipolaren Elektrolyt-
Kondensator
anzugeben, daß selbst bei bipolaren Elektrolyt-Kondensatoren für Wechselspannungsbetrieb,
wie zum Beispiel bei Motoranlaß-Elektrolyt-Kondensatoren, und selbst bei höheren
Wechselspannungen die kostensenkende Verwendung hochaufgerauhter nichtstabilisien
ter Elektrodenfolien mit verstärkter Oxidschicht ohne technische Nachteile ermöglicht
wird.
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Dies wird dadurch erreicht, daß ein bipolarer Elektrolyt-Kondensator
it mindestens zwei mit elektrischen Stromanschlüssen versehenen formierten Elektrodenfolien
erfindungsgemäß mindestens eine weitere zwischen den fc mierten Elektrodenfolien
angeordnete und diese ganzflächig bedeckende und gegeneinander aS schirmende und
elektrolytisch zu einer Reihenschaltung formierte -unformierte -formierte Elektrodenfolie"
integrierende und im Potentialgefälle zwischen den formierten Elektrodenfolien elektrisch
freischwebende unformierte Elektrodenfolie aufweist.
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Die elektrolytische Reihenschaltung kann bei transversaler oder longitudinaler
Anordnung der formierten Elektrodenfolien zueinander erfolgen. Bei transversaler
Anordnung der formierten Elektrodenfolien liegen diese im wesentlichen übereinander
und werden durch zwei unformierte Elektrodenfolien sowie saugfähige Abstanhalt'r
ve eilander getrennt und gegeneinander abgeschirmt. Bei lo-ngitudinaler Anordnung
der formierten Elektrodenfolien sind diese nacheinander mit einer sich über die
gesamte Wickellänge erstreckenden unformierten Elektrodenfolie sowie saugfähigen
Abstandhaltern zusammengewickelt. Diese beiden AusfUhrullgsformen werden anhand
der Zeichnung später noch näher erläutert.
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Ausgangspunkt der Erfindung sind einerseits die Vermutung, daß die
bekannten Bemühungen um hochleitfähige Elektrolyte und stabilisierte Elektrodenfolien
und der kostensteigernde Verzicht auf hohe Aufrauhung und auf verstärkte Oxidschichten
nur die Symptome der technischen Schwierigkeiten abzuschwächen geeignet sind, und
andererseits die Besorgnis, daß kathodische Reaktionsvorgänge an der jeweils negativen
formierten
Elektrodenfolie bei bipolaren Elektrolyt-Eondensatoren
ein wichtige'Rolle spielen und die Bunktionstüchtigkeit der Ventilschicht nach und
nach bleibend beeinträchtigen, insbesondere bei hohen Betriebsspannungen und vor
allem bei Betrieb mit Wechselspannung und der dabei erzeugten Erwärmung.
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Beispielsweise können eine Rolle spielen - die Reduktion der Ventilschicht
durch an der Kathode entwickelten Wasserstoff in statu nascendi oder die reduzierende
Wirkung des in Imprägnier-Elektrolyten enthaltenen Ammoniaks, - eine Beeintreehtigung
der Ventilschicht durch den infolge Wasserstoffentzugs in den der Elektrodenfolie
benachbarten Elektrolyt-Grenzschichten nachteilig erhöhten pH-Wert des Elektrolyten,
- die Abscheidung kleinster im Elektrolyten stets vorhandener Schwermetallverunreinigungen,
die die Sperrwirkung der Ventilschicht aufheben, weil sie, als Elektronenleiter
auf die Ventilschicht aufgebracht, diese bekanntlich kurzschließen, sowie - andere
kathodische Reduktions- und Zersetzungsvorgänge der Elektrolyt-Bestandteile bei
hohen Betriebsspannungen und Erwärmung.
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Im Gleichspannungsbetrieb eines Elektrolyt-tondensators liegt das
Pc-tenticlgefälle zwischen den Elektrodenfolien fast ausschließlich über der Ventilschicht
der positiven formierten Elektrodenfolie, der Anode, entsprechend der Spannungsteilung
zwischen dem sehr hohen Isolationswiderstand der Ventilschicht und dem um viele
Größenordnungen niedrigeren Elektrolyt-Vorwiderstand. Die Potentialdifferenz zwischen
der negativen Elektrodenfolie, der Kathode, und den ihr benachbarten Elektrolyt-Grenzschichten
ist daher praktisch Null und kathodische Reaktionsvorgänge spiel len keine Rolle.
Beim Auf- und Entladen jedoch, und gleichermaßen beim Umpolen und bei Wechselspannungsbetrieb
bewirken die damit einhergehenden Ladungsverschiebungen bei ausreichend hohen Betriebsspsnnungen
ein ausreichend hohes Potentialgefälle über den Elektrolyt-Vorwiderstand und damit
auch zwischen der
negativen Elektrodenfolie und den ihr benachSarten
Elektrolyt-Grenzschichten, so daß kathodische Reaktionsvorgänge an der negativen
Elektrodenfolie wirksam werden und die Funktionstüchtigkeit ihrer Ventilschicht
nach und nach bleibend beeinträchtigen können.
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Dementsprechend besteht der Grundgedanke der Erfindung darin, in
bipolaren Elektrolyt-Kondensatoren die Potentialdifferenz zwischen der jeweils negativen
formierten Elektrodenfolie und den ihr benachbarten Elektrolyt-Grenzschichten auch
bei hohen Betriebsspannungen soweit zu vermindern, daß kathodische Rea!;tionsvorgänge
und eine Beeinträchtigung der Funktionstüchtigkeit der Ventilschicht der jeweils
negativen formierten Elektrodenfolie vermieden werden.
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Dies wird bei dem erfindungsgemäBen Elektrolyt-Kondensator durch
die elektrisch freischwebende unformierte Elektrodenfolie bewirkt. Besteht diese
aus einem Nichtventilmetall, dann hat sie keine Ventilschicht und kann daher in
bezug auf die jeweils negative formierte Elektrodenfolie nur ein der elektrolytischen
Polarisation entsprechendes niedriges positives Potential annehmen. Besteht sie
aus einem Ventilmetall, dann hat sie stets eine dünne als Ventilschicht wirkende
tuftoxidschicht, die beispielsweise bei Aluminium einer Scrmier pa mung von 1-4
Volt entspricht, und kann dann in bezug auf die jeweils negative formierte Elektrodenfolie
nur ein positives Potential von maximal 1-4 Volt -annehmen, sofern sie freischwebend,
d.h. elektrisch nicht angeschlossen ist. Die im Potentialgefälle zwischen den formierten
Elektrodenfolien elektrisch freischwebende unformierte Elektrodenfolie regelt sich
daher im Betrieb auf ein niedriges positives Potential, bezogen auf das Potential
der jeweils negativen formierten Elektrodenfolie, selbsttätig ein. Die sich hieraus
ergebende kleine Potentialdifferenz AU, beispielsweise = = 1 bis 4 Volt, zwischen
der erfindungsgemäßen elektrisch freischwebenden Elektrodenfolie unii der jeweils
negativen formieren Elektrodenfolie fuhrt im Wechselspannungsbetrieb zu einer sehr
kleinen Potentialdifferenz
dU< tU zwischen der negativen formierE
ten Elektrodenfolie und den ihr benachbarten Elektrolyt-Grenzschichten, wodurch
schädliche kathodische Reaktionsvorgänge und die damit einhergehende Beeinträchtigung
der Funktionstüchtigkeit ihrer Ventilschicht vermieden werden.
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Die kathodischen Reaktionsvorgänge vollziehen sich bei dem erfindungsgemäßen
Elektrolyt-Kondensator statt dessen an der unformierten Elektrodenfolie wie in polaren
Elektrolyt-Kondensatoren mit einer unformierten Elektrodenfolie. Eine Beeinträchtigung
der Funktionstüchtigkeit einer auf diesen vorhandenen Ventilschicht ist jedoch nicht
nur nicht nacht-eilig, sondern sogar vorteilhaft, weil sich dadurch die Schaltfestigkeit
der Reihenschaltung "formierte-unformierte Elektrodenfolie" verbessert und deren
Gesamtkapazität erhöht und im erfindungsgemäßen Elektrolyt-Eondensator außerdem
die Potentialdifferenzen AU und dU noch weiter vermindern, wodurch sich die von
der elektrisch freischwebenden unformierten Elektrodenfolie ausgehende Schutzwirkung
auf die Ventilschicht der negativen formierten Elektrodenfolie noch weiter erhöht.
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Ungeachtet der Relevanz dieser Überlegungen bestätigt die experentlle
rrüoung die Tragfähigkeit der erfinduisgemäßen Konzeption in überraschend hohem
Maße, wie die Ausführungsbeispiele noch zeigen werden.
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Um bei dem erfindungsgemäßen Elektrolyt-Eondensator eine Formierung
der unformierten Elektrodenfolie im Wechselspannungsbetrieb zu verhindern, muß,
falls sie aus einem Ventilmetall besteht, ihre spezifische Kapazität Ck mit dem
Scheitelwert U5 der Kondensator-Sp-tzenspannung und den spezifischen Kapazitäten
Cs' der formierten Elektrodenfolien durch die Bedingung U Ck < 10 Volt verknüpft
sein.
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In einer Ausführungsform der Erfindung besteht die unformierte Elektrodenfolie
aus schwer formierbarem Material mit einem Gehalt von weniger als 99,9 , vorzugsweise
weniger als 99,5 %, Ventilmetall. In die
sem Fall darf sie sich
wie b ei We bei Wechselspannungsbetrieb auf eine Spannung bis etwa 10 Volt einregeln,
ohne daß eine unerwünschte Formierung eintritt.
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Um eine vollständige Abschirmung der formierten Elektrodenfolien
durch die unformierte Elektrodenfolie auch bei dem beim Wickeln nicht immer vollkommen
vermeidbaren seitlichen Verlaufen der Folienbahnen zu gewährleisten, ist es vorteilhaft,
wenn die unformiem te Elektrodenfolie breiter ist als die formierten Elektrodenfolien.
Neben der vollständigen Abschirmung resultieren daraus außerdem eine verbesserte
Eapazitätsausbeute uni ein niedrigerer Vcrlustfaktor sowie verbesserte Ableitung
der Verlustwärme nach den Endflächen des Kondensator-Wickels.
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Da die elektrisch freischwebende unformierte Elektrodenfolie nicht
angeschlossen werden darf, ist es vorteilhaft, wenn sie mit keinem elektrischen
Stromanschluß versehen ist.
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Der erfindungsgemäße bipolare Elektrolyt-Kondensator ist nicht zu
verwechseln mit einem polaren Elektrolyt-Kondensator mit mehreren parallelen Teilkapazitäten
und einer gemeinsamen unformierten Elektrodenfolie, die der Stromzuführung dient
und deshalb einen elektrischen Stromanschluß auSweist und angeschlossen erden muß.
Demgegenüber liest bei dem erfindungsgemäßen Elektrolyt-Kondensator eine elektrolytische
Reihenschaltung mit einer im Potentialgefälle zwischen den formierten Elektrodenfolien
elektrisch freischwebenden unformierten Elektrodenfolie vor, die nicht angeschlossen
werden darf.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung besteht der Elektolyt-Kondensator
aus drei mit elektrischen Stromenschlüssen versehenen formierten Elektrodenfolien
und einer unformierten Elektrodenfolie ohne elektrischen Stromanschluß. Diese Ausführungsform
ermöglicht mehrere bipolare Teilkapazitäten im gleichen Kondensator, beispielsweise
in einem Motoranlaß -Elektrolyt -Kondensator für aussetzenden Betrieb noch eine
Teilkapazität als Motorbetriebs-Elektrolyt-Kondensator für Dauerbetrieb.
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In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung erfindungsgemäßer
Elektrolyt-Kondensatoren für Wechselspannungsbetrieb enthalt der Elektrolyt-Eondensator
mindestens eine formierte Elektrodenfolie, deren Formierspannung Uf, bezogen auf
den Scheitelwert U5 der Kondensator-Spitzenspannung, einen Wert Uf<i,05 Us, vorzugsweise
einen Wert im Bereich 0,5 Us< Uf < Us, aufweist.
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Überraschenderweise hat die experimentelle Prüfung ergeben, daß erfindungsgemäße
Elektrolyt-Kondensatoren nach dieser Weiterbildung der Erfindung mit mindestens
einer Elektrodenfolie, die auf eine Formierspannung Uf unterhalb des Scheitelwertes
U5 der Kondensator-Spitzenspannung formiert war, bei Wechselspannungsbetrieb mit
Spitzenspannung nicht, wie der Fachmann nach dem Stand der Technik zu erwarten hätte,
allmählich unter Verschlechterung ihrer elektrischen Charakteristika auf den Scheitelwert
Us der Kondensator-Spitzenspannung weiterformiert wurden.
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Zur Erklärung dieser überraschenden Beobachtung kann man davon ausgehen,
daß der für die anodische Oxidation erforderliche Ionentransport durch die Ventilschicht
mit feldstärke abhängiger endlicher Geschwindigkeit verläuft. Dann wird verständlich,
daß für ein zusätzliches Dickenwa-stum der Ventilschicht eine feldstärkeabhängige
Mindestzeitdauer erforderlich ist und daß kurzzeitige, begrenzte Spannungsspitzen
trotz häufiger Wiederholung keine auch nur allmähliche Weiterformierung verursachen
können. Wählt man beispiele weise eine Formierspannung Uf = 0,85 Us, dann ergibt
sich arcsin 0,85 = 58,2 °, und bei einer Frequenz von 50 Hz mit einer Periodendauer
von 20 ms wird die Formierspannung Uf dann jeweils nur für eine Zeitdauer von 3,53
ms überschritten, was für eine Weiterformierung nach den vorliegenden Versuchsergebnissen
nicht ausreichend ist. - Eine beim willkürlichen Abschalten der Wechselspannung
verbleibende zu hohe Gleichspannung ist durch geeignete Maßnahmen zu vermeiden oder
durch schnelles Absenken zum Beispiel mit einem Entladewiderstand zu neutralisieren.
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Überraschenderweise hat die experimentelle Prüfung außerdem ergeben,
daß Elektrolyt-Kondensatoren nach dieser Weiterbildung der Erfindung eine noch wei
ter verbesserte Stabilität im Dauerverhalten zeigen.
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Dies kann erklärt werden durch die Annahme, daß durch das Ab senken
der Formierspannung Uf auf oder unter den Scheitelwert Us der Betriebswechselspannung
der in der Einleitung erläuterten Deformation der Ventilschicht optimal entgegenDewirkt
wird.
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Elektrolyt-Kondensatoren nach dieser Weiterbildung der Erfindung
zeichnen sich daher durch den doppelten Vorteil aus, daß sowohl eine Beeinträchtigung
der Funktionstüchtigkeit der Ventilschicht der jeweils negativen Elektrodenfolie
als auch die nach dem Stand der Technik unvermeidliche Deformation der jeweils positiven
Elektrodenfolie vermieden werden. Neben den technischen ergeben sich erhebliche
wirtschaftliche Vorteile aus dieser Weiterbildung. Beispielsweise ergibt eine Absenkung
der Formierspannung Uf von 1,05 Us auf 0,85 U5 mit 19 ffi bei der Verwendung von
aufgerauhter Elektrodenfolie infolge der rorenstruktur einen Kapazitätsgewinn von
über 19 % , beispielsweise von ca. 25-30 %, und damit eine Einsparung von 25-30
% sowohl an Elektrodenfolie als auch an Abstandhalter und Imprägiwier-Elekt~olyt.
Da der beim Vorformieren erforderliche Energieaufwand mit steigender Formierspannung
stark progressiv ansteigt, ergeben sich für das genannte Beispiel außerdem eine
Ersparnis an elektrischer Energie von 35-50 % sowie entsprechende Einsparungen an
Chemikalien, Hilfsstoffen und Zeitaufwand bei der Formierung. Die erhöhte Eapazitätsausbeute
führt darüberhinaus nicht nur zu weiterer Zeitersparnis bei den verschiedenen Herstellungsschritten
sondern auch zu kleineren Abmessungen der Elektrolyt-Kondensatoren nach dieser Weiterbildung
der Erfindung.
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In einer semipolaren Ausführungsform dieser Weiterbildung der Erfindung
mit den Scheitelwerten U51 und U52 der Spitzenspanqungen eines bipolaren Elektrolyt-Eondensators
für Wechselspannungsbetrieb enthält
dieser formierte Elektrodenfolien
mit den Formierspannungen Uf1<1,05 Us1 und Uf2<1,05 U52.
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In einer letzten Ausführungsform der Erfindung enthält der Elektrolyt-Kondensator
mindestens eine formierte Elektrodenfolie, auf der vor dem Vorformieren in beliebiger
Weise, zum Beispiel durch Kochen in reinstem Wasser, eine verstärkte Oxidschicht
aufgebracht ist.
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Wie die experimentelle Prüfung ergeben hat, ist die von der unformierten
Elektrodenfolie auf die Ventilschichten,dr jeweils negativen formierten Elektrodenfolien
ausgeübte Schutzwirkung so weitgehend, daß selbst bei Motoranlaß-Elektrolyt-Kondensatoren
für höhere Spannungen auf die kostensteigernde Verwendung schwach aufgerauhter und
speziell stabilisierter Elektrodenfolien verzichtet werden kann zugunsten kostensenkender
hochaufgerauhter Elektrodenfolien mit verstärkten Oxidschichten.
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Bei Ausschöpfung der durch die Erfindung gebotenen und vorstehend
erläuterten Möglichkeiten resultiert bei bipolaren Elektrolyt-Kondensatoren für
WecS selspannungsbetrieb, wie zum Beispiel Motoranlaß-Elektrolyt-Kondensatoren,
durch Verwendung hochaufgerauhter Elektrode--1fol-en mit lrerstärkter Oxidschicht
und durch Absenken der FormJerspannung Uf trotz der zusätzlichen unformierten Elektrodenfolie
eine Kosten senkung von 50-70 %.
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Bei bipolaren Elektrolyt-Kondensatoren für Wechselspannungsbetrieb,
wie zum Beispiel Motoranlaß-Elektrolyt-Kondensatoren, können beim Ein- und Ausschalten
auftretende Einschwingvorgänge hohe Strom-und Spannungsspitzen ergeben und zu einer
nachteiligen uberbelasttng führen. Bei der durch die erfindungsgemäße unformierte
Elektrodenfolie sich ergebenden Reihenschaltung "formierte-unformierte-formierte
Elektrodenfolie" resultiert außer den bereits beschriebenen Vorteilen eine erhebliche
Impedanz-Erhöhung bei höheren Frequenzen. Bei 5 kHz gemessene bekannte Motoranlaß-Elektrolyt-Kondensatoren
hatten einen Verlustfaktor von 20-30 %, erfindungsgemäße jedoch
70
Sb, woraus eine vorteilhaft hohe Dämpfung von Eins chwingvorgängen resultiert.
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Die Erfindung sei nachstehend anhand der Fig.1-6 näher erläutert.
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Es betreffen die Fig.1, 2 und 7 den Wickelaufbau, die Fig.3 und 4
die Spannungsverhältnisse, die Fig.5 und 6 die Elektrolyt-Grenzschichten und Fig.8
einen Kondensatorwickel eines erfindungsgemäßen Elektrolyt-Kondensators.
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Fig.1 zeigt in schematischer Darstellung eine zur Erläuterung besonders
geeignete Ausführungsform des Wickelaufbaus eines erfindungsgemäßen Elektrolyt-Kondensators.
Die mit den elektrischen Stromanschlüssen 3 und 4 versehenen formierten Elektrodenfolien
1 und 2 sind transversal zueinander angeordnet und durch mehrere Lagen saugfähiger
Abstandhalter 5, 6 und 5', 6' von zwei unformierten Elektrodenfolien 7 und 7' getrennt.
Nach dem Zusammenwickeln in Pfeilrichtung und Imprägnieren des Wickels sind die
formierten Oeles trodenfolien 1 und 2 von den zwischen ihnen angeordneten unformierten
Elektrodenfolien 7 und 7'ganzflächig bedeckt und gegeneinander abgeschirmt und elektrolytisch
zu einer Reihenschaltung "formierte-unformierte-formierte Elektrodenfoliew integriert.
Die unformierten ElektrodenJolien 7 Ind 7' sind elektrisch nicht angeschlossen und
deshalb im rotentialgefälle zwischen den formierten Elektrodenfolien 1 und 2 elektrisch
freischwebend und regeln sich bei Wechselspannungsbetrieb auf ein niedriges positives
Potential kleiner als 10 Volt, in bezug auf das Potential der jeweils negativen
formierten Elektrodenfolie selbsttätig ein, beispielsweise auf 1-4 Volt.
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Fig.2 zeigt in schematischer Darstellung eine be vorzugte einfachere
Ausfuhrungsform des Wickelaufbaus eines erfindungsgemäßen Elektrolyt-Kondensators.
Die mit den elektrischen Stromanschlüssen 3 und 4 versehenen formierten Elektrodenfolien
1 und 2 sind longitudinal zueinander angeordnet und nach Zusammenwickeln in Pfeilrichtung
mit jeseiner oder mehreren Lagen sa fähiger Abstandhalter 5 und 6 und der unformierten
Elektrodenfolie
7 durch die dann zwischen ihnen angeordnete Elektrodenfolie 7 ganzflächig bedeckt
und gegeneinander abgeschirmt und nach Imprägnieren des Kofr densator-Wickels mit
einem geeigneten Elektrolyten elektrolytisch zu einer Reihenschaltung "formierteunformierte-formierte
Elektrodenfolie" integriert. Ite im Fotentialgefälle zwischen den formierten Elektrodenfolien
1 und 2 elektrisch freischwebende - weil nicht angeschlossene - unformierte Elektrodenfolie
7 regelt sich im Betrieb auf ein niedriges positives Potential kleiner als 10 Volt,
in bezug auf das Potential der jeweils negativen formierten Elektrodenfolie selbsttätig
ein.
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Die Fig.3 und 4 veranschaulichen das im Betrieb erfindungsgemäßer
Elektrolyt-Kondensatoren resultierenae Potentialgefälle zwischen den Elektrodenfolien.
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Das Potential der unformierten Elektrodenfolie 7 ist in den Darstellungen
gleich Null gesetzt.
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In Fig.3 sind der Stromanschluß 3 positiv, der Stromanschluß 4 negativ
angenommen. Die unformierte Elektrodenfolie 7 kann in bezug auf die negative formierte
Elektrodenfolie 2 nur ein niedriges positives potential kleiner als 10 Volt annehmen.
Die negative formierte Blektrolenfolie 2 nimmt daher in bezug auf die sie abschirmende
ruformier'Je Elektrodenfolie 7 nur ein dementsprechend niedriges negatives Potential
an und die kleine Potentialdifferenz tU zwischen den Elektrodenfolien 2 und 7 bewirkt
mit AU <10 Volt, daß keine die Funktionstüchtigkeit der Ventilschicht der negativen
formierten Elektrodenfolie 2 beeinträcS tigenden kathodischen Reaktionsvorgänge
an dieser auftreten können.
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Fig.4 veranschaulicht das Potentialgefälle bei umgekehrter Polarisation,
bei der die kleine Potentials differenz AU <10 Volt sich selbsttätig zwischen
den Elektrodenfolien 1 und 7 eingeregelt hat, so daß keine die Funktionstüchtigkeit
der Ventilschicht der negativen formierten Elektrodenfolie 1 beeinträchtigenden
kathodischenReaktionsvorgänge an dieser auftreten.
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Die Fig.5 und 6 veranschaulichen die im Betrieb
erfindungsgemäßer
Elektrolyt-Kondensatoren in den den Elektrodenfolien benachbarten Elektrolyt-Grenzschichten
auftretenden Anionen und Kationen.
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In Fig.5 sind die Elektrodenfolie 1 positiv, die Elektrodenfolie
2 negativ angenommen. Im Bereich 1-7 bewirkt das (entsprechend Fig.3) hohe Potentialgefalle
die erwünschte Nachformierung der positiven formierten Elektrodenfolie 1 (mode)
durch die in die Ventilschicht, wo erforderlich, eintretenden Anionen. An der in
diesem BereicH negativen Elektrodenfolie 7 (kathode) können kathodische Reaktionsvorgänge
nur die Funktionstüchtigkeit deren Ventilschicht beeinträchtigen, was nicht nur
nicht nachteilig ist, sondern die Schaltfestigkeit der Reihenschaltung 1-7 verbessert,
- Im Bereich 2-7 bewirkt die (entsprechend Fig.3) niedrige Potentialdifferenz SU
<10 Volt zwischen den Elektrodenfolien 2 und 7 eine sehr kleine Potentialdifferenz
dU< QU zwischen der negativen formierten Elektrodenfolie 2 und den ihr benachbarten
Elektrolyt-Grenzschichten, wodurch nachteilige kathodische Reaktionsvorgänge und
die damit einhergehende Beeinträchtigung der Funktionstüchtigkeit der Ventilschicht
der negativen formierten Elektrodenfolie 2 vermieden werden.
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An der im Bereich 2-7 positiven unformierten Elektrodenfolie 7 tritt
höchstens ein der elektrolytischen Polarisation oder der Sperrspannung ihrer Ventilschicht
entsprechendes niedriges positives Potential auf, durch das deren Ventilschicht
höchstens nachformiert aber nicht höherformiert werden kann.
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Fig.6 veranschaulicht die entsprechenden Verhält nisse bei umgekehrter
Polarisation, die nach den Ausführungen zu Fig.5 keiner weiteren Erläuterung bedürfen.
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Fig.7 zeigt in schematischer Darstellung eine Ausführungsform des
Wickelaufbaus eines erfindungsgemäßen Elektrolyt-Kondensators mit zwei Teilkapazitäten.
Die formierten Elektrodenfolien 1 2 und 8 sind mit den Stromanschlüssen 3, 4 und
9 versehen und werden mit den Abstandhaltern 5 und 6 und der unformierten Elektrodenfolie
7 in Pfeilrichtung zusammengewickelt und
nach dem Imprägnieren
von der dann zwischen ihnen angeordneten unformierten Elektrodenfolie 7 ganzflächig
bedeckt und gegeneinander abgeschirmt und zu Reihenschaltungen "formierte-unformierte-formierte
Elektrodenfolie" elektrolytisch integriert. Die Folien 1 und 2 haben beispielsweise
den gleichen Kapazitätswert und ihre Anschlüsse ergeben die erste Teilkapazität.
Die Folie 8 habe einen anderen Kapazitätswert, und die zweite Teilkapazität steht
dann zwischen den Anschlüssen 3 und 9 oder 4 und 9 zur Verfügung. Bei einem erfindungsgemäßen
bipolaren Elektrolyt-Kondensator für Wechselspannungbetrieb kann die erste Teilkapazität
zum Beispiel als Motoranlaßkondensator für aussetzenden Betrieb, die zweite Teilkapazität
als Motorbetriebskondensator dienen. Die in letzterem erzeugte Verlustwärme verteilt
sich bei dieser Anordnung gleich mäßig im gesamten Kondensatorwickel und kann ohne
Überhitzung über diesen und das gemeinsame Kondensatorgehäuse nach außen abgeleitet
werden.
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Fig.8 zeigt eine Ausführungsform des Wickels 10 eines erfindungsgemäßen
Elektrolyt-Kondensators. Die elektrischen Stromanschlüsse 3 und 4 führen an formierte
Elektrodenfolie 1 und 2 (von denen nur die letztere am Wickelende sichtbar ist),
die mit Abstandhaltern 5 und 6 und der unferm5.erten Elektrodenfolie 7 wie in Fig.2
beschrieben zusammengewickelt und zu einer Relhenschaltung integriert sind. Der
imprägniem te Wickel wird in ein nichtgezeigtes geeignetes Gehäuse luftdicht eingeschlossen,
und die Stromanschlüa se 3 und 4 sind mit entsprechenden äußeren Anschlüssen elektrisch
verbunden.
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Die Erfindung sei nachstehend anhand zweier Ausführungsbeispiele
veranschaulicht. Für die Beispiele sind bipolare Elektrolyt-Kondensatoren für Wechselspannungsbetrieb
gewählt, und zwar reversible Motoranlaß Elektroiyt-Kondensatoren, weil technische
Schwierigkeiten nach dem Stand der Technik vor allem bei diesen bestehen und die
sich aus der Erfindung er gebenden großen technischen und wirtschaftlichen Vorteile
vor allem an diesen überzeugend demonstriert
werden können.
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Beispiel 1 Für einen Motoranlaß-Elektrolyt-Kondensator 360 PF 110/140
Veff (Us = J2.140 = 198 V5) wurden zwei auf die Spannung Uf = 150 V = 0,76 Us formierte
Elektrodenfolien der Abmesswag 6.93 cm2 des Folientyps 2035 mit Stromanschlüssen
versehen und entsprechend Fig.2 mit Abstandhaltern und einer unformierten Elektrodenfolie
des Folientyps Kappa 204 zusammengewickelt.
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Zum Imprägnieren wurde ein Elektrolyt aus 100 ml Äthylenglykol 70
g Borsäure 20 ml 25-prozentigem Ammoniakwasser und 4 g Diammoniuinhydrogenphosphat
gemischt und erhitzt, bis sein spezifischer Widerstand 80 Ohm.cm bei 80 OC betrug.
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Nach dem Imprägnieren wurde der Kondensatorwicket in ein Gehäuse
von 36 mm Durchmesser und 80 mm Länge luftdicht eingebaut.
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Der Folientyp 2035 ist eine hochaufgerauhte Aluminium-Elektrodenfolie
des Herstellers ALWtIINIUM-WALZWERK INGEN, D-7700 Siegen am Hohentwiel (BRD), die
vor dem Vorformieren durch Kochen in reinstem Wasser mit einer verstärkten Oxidschicht
versehen ist.
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Nach dem Stand der Technik ist dieser Folientyp für die Herstellung
hochwertiger Motoranlaß-Elektrolyt-Kondensatoren bisher ungeeignet gewesen.
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Der Folientyp Kappa 204 ist eine aufgerauhte Alu minium-Elektrodenfolie
des Herstellers BECROMAL, I-20100 Milano(Italia), die als unformierte Elektrodenfolie
zur Stromzuführung in polaren Elektrolyt-Kondensatoren hergestellt wird.
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Durch die erfindungsgemäße im Potentialgefälle zwischen den formierten
Elektrodenfolien elektrisch freischwebende unformierte Elektrodenfolie werden nachteilige
kathodische Reaktionsvorgänge und die damit einhergehende Beeinträchtigung der Bunktionstüchtigkeit
der Ventilschicht der jeweils negativen formierten
Elektrodenfolie
vermieden. Dies ermöglicht die Anwendung an sich ungeeigneter hochaufgerauhter Elektrodenfolien
und die Absenkung der Formierspannung Uf auf 76 Prozent des Scheitelwertes Us der
Eondensatorspitzenspannung und die damit einhergehenden außerordentlich hohen wirtschaftlichen
Vorteile ohne technische Nachteile, wie die folgenden günstigen Ergebnisse des Schaltversuches
bei Spitzenspannung zeigen:
| Mittelwert von 10 Hondensatoren C µF tan# % |
| Anfangsmessung 363 2,8 |
| Nach 30.000 Schaltspielen mit |
| 1,2 sec 140 Veff und 1,2 min O V, 359 3,2 |
| entsprechend 1,7 % Einschaltdauer, |
| bei 55 oC Umgebungstemperatur |
Beispiel 2 Für einen Motoranlaß-Elektrolyt-Kondensator 80 PF 220/275 Veff (U5 =
E2.275 = 389 Vs) wurden zwei auf die Spannung Uf = 330 V = 0,85 U5 formierte Elektrodenfolien
der Abmessung 6 49 cm2 des Folientyps 2035 mit Stromanschlüssen versehen und wie
in Beispiel 1 mit Abstandhaltern und einer unformierten Elektrodenfolie Kappa 204
zusamrrLngew~ckzlt, imprägniert und eingebaut.
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Durch die erfindungsgemäße elektrisch freischwebende unformierte
Elektrodenfolie werden auch in diesem Beispiel die kostensenkende Anwendung an sich
ungeeigneter hochaufgerauhter Elektrodenfolie mit verstärkter Oxidschicht (mit einer
Energieersparnis beim Vorformieren von ca. 50 ) sowie eine Absenkung der Formierspannung
(die in diesem Beispiel mindestens 19 % gegenüber dem Stand der Technik beträgt)
ermöglicht und die nach dem Stand der Technik bisher unvermeidliche Deformation
einerseits und die kathodische Beeinträchtigung der Funktionstüchtigkeit der Ventilschichten
andererseits vermieden, wie die folgenden günstigen Ergebnisse des Sohaltversuches
bei 85 % der Spitzenspannung eindrucksvoll vor Augen fuhren
| Mittelwert von 25 Kondensatoren C PF tan# % |
| Anfangsmessung 80,7 2,8 |
| Nach 30.000 Schaltspielen mit |
| 1,2 sec 234 Veff und 1,2 min 0 V, |
| entsprechend 1,7 % Einschaltdauer, 78,8 3so |
| bei 55 °C Umgebungstemperatur |
Die Herstellung eines Kondensatorwickels nach diesem Beispiel ergab durch Verwendung
hochaufgerauhter Elektrodenfolie mit verstärkter Oxidschicht und durch Absenken
der ForLierspannung trotz des Mehraufwandes der zusätzlichen unformierten Elektrodenfolie
gegenüber einem Kondensatorwickel nach dem Stand der Technik eine Kostensenkung
von 63 %.