DE3036429C2

DE3036429C2 - Keramischer Kondensator

Info

Publication number: DE3036429C2
Application number: DE3036429A
Authority: DE
Inventors: Yasuro Katsuta Hori; Rikizo Ibaraki Ishikawa; Yuzuru Hitachi Kamata; Jun Hitachi Ozawa; Tokio Yamagiwa
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1979-09-27
Filing date: 1980-09-26
Publication date: 1985-06-05
Also published as: JPS639367B2; DE3036429A1; US4306274A; JPS5648124A

Description

0,?<Γ,/Γ<0.4

gilt

2. Keramischer Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Verstärkungsplatte (7,8) im äußeren Randbereich dünner ist als im mittleren Bereich.

3. Keramischer Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Verstärkungsplatte in mehrere konzentrische Teilstücke (9Λ, 9B, 9C) unterteilt ist.

4. Keramischer Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mit dem Elektrodenbelag (2) in Kontakt zu bringende Oberfläche der metallischen Verstärkungsplatte (10, 11) aufgerauht und/oder mit Nuten (12) versehen ist, und daß die metallische Verstärkungsplatte (10,11) an der aufgerauhten oder mit Nuten versehenen Oberfläche auf den Elektrodenbelag (2) gelötet ist.

5. Keramischer Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der auf den Elektrodenbelag (2) gelöteten metallischen Verstärkungsplatte (13) mehrere Durchgangslöcher (14) ausgebildet sind.

6. Keramischer Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des äußeren Randes der metallischen Verstärkungsplatie (15) auf der mit dem Elektrodenbelag (2) zu verlötenden Seite so abgeschrägt ist, daß die metallische Verstärkungsplatte (15) in Radialrichtung nach außen dünner wird.

Die Erfindung bezieht sich auf keramische Kondensatoren mit einem zylindrischen Keramikkörper der Dikke Γ und des Durchmessers D, auf dessen Stirnflächen Elektrodenbeläge und wenigstens auf einem Elektrodenbelag in engem Kontakt eine weitere Metallschicht mit der Dicke T, und dem Durchmesser D, angebracht sind, wobei 77D<0,5 und D,/D>0,6 ist. Ein solcher Kondensator ist aus dem DE-GM 75 25 064 bekannt.

Die Keramikkörper dieser Kondensatoren bestehen im allgemeinen aus einer ferroelektrischen Substanz, z. B. Bariumtitanat. Diese Substanzen sind piezoelektrisch, d. h. beim Anlegen einer elektrischen Spannung entsteht im Inneren des Keramikkörpers aufgrund des umgekehrten piezoelektrischen Effekts eine mechanische Spannung. Übersteigt die mechanische Spannung die Festigkeit des Keramikkörpers, tritt ein mechanischer Bruch auf und in der Folge auch ein elektrischer Durchbruch.

Die mechanische Beanspruchung des Keramikkörpers ist besonders groß, wenn am Kondensator kurzzeitig eine hohe Impulsspannung anliegt, beispielsweise eine solche, wie sie bei einem Blitzschlag auftritt. Die Spannungs-Zeit-Kennlinie des keramischen Kondensators verläuft im Gegensatz zu de: Kennlinie der meisten herkömmlichen Isolatoren so, daß die elektrische Durchbruch-Feldstärke innerhalb kleiner Zeiten vom Anlegen der Impulsspannung ebenfalls klein ist Dieser Kennlinienverlauf ist besonders nachteilig, wenn der keramische Kondensator in Hochspannungs-Leistungsaniagen verwendet werden soll.

Bei dem Kondensator gemäß DE-GM 75 25 064 dient die weitere Metallschicht dazu, die elektrischen Verluste an der Übergangsstelle Kondensator-Zuleitung besonders bei hohen Frequenzen zu verringern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen keramischen Kondensator zu schaffen, der gegen den die elektrische Durchschlagsfestigkeit begrenzenden mechanischen Bruch beim Anlegen einer Stoßwellen-Impulsspannung geschützt ist.

Diese Aufgabe wird bei einem keramischen Kondensator der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die weitere Metallschicht als Verstärkungsplatte ausgebildet ist, wobei für die Dicke T des Keramikkörpers und der Dicke 7", der Metallschicht die Beziehung

0,2 <T,/T< 0,4

gilt.

Vorzugsweise ist die metallische Verstärkungsplatte im äußeren Randbereich dünner als im mittleren Bereich. Des weiteren kann die metallische Verstärkungsplatte in mehrere konzentrische Teilstücke unterteilt sein.

Die mechanische Verbindung zwischen Elektrodenbelag und Verstärkungsplatte wird verbessert, wenn die Verstärkungsplatte eine aufgerauhte und/oder mit Nuten versehene Oberfläche aufweist und mit dieser Oberfläche auf die Elektrodenbeläge gelötet wird.

Das Entstehen einer ganzflächigen Lötverbindung

zwischen Verstärkungsplatte und Elektrodenbelag wird durch durchgehende Löcher in der Verstärkungsplatte und/oder eine Abschrägung des den Elektrodenbelägen zugewandten äußeren Randes erleichtert.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigt

F i g. 1 im Diagramm die beim Anlegen einer Vollwellen-Impulsspannung in einem Keramikkörper entstehenden mechanischen Spannungen,

F i g. 2 im Diagramm die beim Anlegen einer abgeschnittenen Stoßwellen-Impulsspannung im Keramikkörper entstehenden Spannungen oder Deformationen, Fig.3 im Diagramm die dielektrische Durchbruchfeldstärke in Abhängigkeit vom Verhältnis T/D bei einem keramischen Kondensator,

F i g. 4 und 5 perspektivische Darstellung eines Keramikkörpers zur Erläuterung der auftretenden mechanischen Brüche,

Fig.6 den Vertikalschnitt eines keramischen Kondensators,

F i g. 7 und 8 im Diagramm die dielektrische Durchbruchfeldstärke beim Anlegen einer abgeschnittenen Stoßwelle in Abhängigkeit von den geometrischen Abmessungen des keramischen Kondensators,

F i g. 9,10 und 11 Vertikalschnitte von verschiedenen Ausführungsformen des beschriebenen keramischen Kondensators,

Fi g. !2 den Schnitt XII-XIl der Fi g. 11,

Fig. 13,14,15 und 16Teilschnilte verschiedener weiterer Ausführungsformen der keramischen Kondensatoren,

Fig. 17 die Schnittansicht XVII-XVII der F i g. Ί4,

F i g. 18 die Schnittansicht XVIII-XVIII der F i g. 15.

Ein keramischer Kondensator besteht im allgemeinen aus einem Keramikkörper 1 (F i g. 4,5) mit Elektroden 2 an den Stirnflächen. Der Keramikkörper besteht aus einer ferroelektrischen Substanz, die zur Gruppe der piezoelektrischen Materialien gehört Entsprechend wird beim Anlegen einer elektrischen Spannung im Keramikkörper eine mechanische Spannung erzeugt. Die Größe dieses umgekehrten piezoelektrischen Effekts hängt im allgemeinen vom elektromechanischen Kopplungsfaktor (mechanische Energie/elektrische Energie) ab und ist von der Zusammensetzung der Keramik abhängig. Bei herkömmlichen Keramiken liegt er in der Größenordnung von einigen °/o bis einigen 10%.

Keramische Materialien haben allgemein eine verhältnismäßig hohe Druckfestigkeit in der Größenordnung von einigen Tonnen pro cm², während die Zugfestigkeit nur in der Größenordnung von 200 bis 500 kg/ cm² liegt Es ist daher trotz eines kleinen elektromechanischen Kopplungsfaktors möglich, daß der Keramikkörper eines Kondensators infolge des umgekehrten piezoelektrischen Effekts mechanisch zu Bruch geht, bevor ein dielektrischer Durchbruch eintritt.

Der Grund, warum ein keramischer Kondensator die eingangs genannte Spannungs-Zeitkennlinie aufweist, kann hypothetisch folgendermaßen erklärt werden. Gemäß Fig. 1 und 2, die die Belastungen zeigen, die beim Anlegen einer abgeschnittenen Stoßwellen-Impulsspannung bzw. einer Vollwellen-Impulsspannung im Keramikkörper auftreten, wird in Abhängigkeit von der angelegten Spannung eine Belastung erzeugt, die durch eine Kurve Q dargestellt ist. Hierdurch zeigt der Keramikkörper ein transientes Ansprechverhalten, wie es durch die Deformationskurve C2 wiedergegeben ist. Es sei angenommen, daß die Belastung Ci auf der Grundlage des gleichen Prinzips wie bei der thermischen Ausdehnung einer festen Masse beim Anlegen der Spannung keine inneren Belastungen hervorruft Infolgedessen trägt nur die durch die schraffierten Bereiche Cs dargestellte Belastung zur Erzeugung der inneren mechanischen Spannungen bei. Die maximale mechanische Spannung ist proportional zur maximalen Belastung (Deformation) δ\ oder O2. die zur Erzeugung der inneren Zugspannung beiträgt. Wenn die beim Ariegen der Vollwellen-Impulsspannung erzeugte maximale mechanische Spannung mit F\ und die beim Anlegen der abgeschnittenen Stoßwellen-Impulsspannung entstehende maximale Spannung mit Fi bezeichnet wird, ist die Spannung Fi üblicherweise größer als Fi. Die beim Anlegen einer abgeschnittenen Stoßwellenspannung entstehenden Belastungen des Kondensatorkörpers sind daher größer. In diesem Zusammenhang sei erwähnt, daß die maximale Spannung F2 beim Anlegen der abgeschnittenen Stoßwellen-Impulsspannung pbhängig ist von der Abreißzeit t_a zu der die angelegte Spannung abgeschnitten wird, und von der mechanischen charakteristischen Frequenz des Keramikkörpers. Entsprechend variiert die dielektrische Durchbruch-Feldstärke, die beim Anlegen der abgeschnittenen Stoßwellenspannung entsteht und zum Durchbruch und Bruch des Keramikkörpers führt, in Abhängigkeit von der Abreißoder Abschneidzeit te.
Weiter variiert die dielektrische Durchbruch-Feldstärke in Abhängigkeit von der Form und den Abmessungen des Keramikkörpers. F i g. 3 zeigt im Diagramm die Ergebnisse von Versuchen, bei denen die minimale dielektrische Durchbruch-Feldstärke Vamra für Keramikkörper mit unterschiedlicher Dicke T und Durchmesser D bestimmt wurde. Wie aus der Verteilung der in F i g. 3 schwarz gezeichneten Punkte ersichtlich ist erreicht die minimale dielektrische Durchbruch-Feldsxärke bei einem Verhältnis von T/D von etwa 0,5 ein Maximum. Dies läßt sich dadurch erklären, daß die charakteristische Frequenz und Schwingungsari des Keramikkörpers Änderungen unterworfen sind, die von Form und Abmessungen des Keramikkörpers abhängen.

Versuche haben gezeigt, daß beim Anlegen einer abgeschnittenen Stoßwellenspannung zweierlei Arten mechanischer Brüche oder Risse eintreten (Fig.4, 5). Fig.4 zeigt einen Längsbruch infolge einer Biegeschwingung, wie sie rechts in F i g. 4 gezeigt ist. F i g. 5 zeigt einen Querbruch infolge einer axialen Schwingung eines zylindrischen Keramikkörpers 1. In F i g. 4 und 5 ist mit 2 ein Elektrodenbelag und mit 4 ein Bruch bezeichnet Die Biegeschwingung (F i g. 4) und die axiale Schwingung (F i g. 5) können durch folgende Gleichungen beschrieben werden:

^/(1) ~ D² I p '

Darin sind /Ji) und fo die charakteristische Frequenz, E der Young'schen Modul und ρ die Dichte des Keramikkörpers. In Fig.3 entspricht die Kurve a der Gleichung (I) und die Kurve b der Gleichung (2). Die tatsächlich erhaltenen Versuchsergebnisse, wie sie in F i g. 3 durch die schwarzen Punkte gezeigt sind, dürften also durch die vorherrschende Schwingungsart (a) bzw. (^bestimmt sein.

Es sei erwähnt, daß beim Anlegen einer Vollwellen-Impulsspannung nur ein dielektrischer Durchbruch und kein mechanischer Bruch entsteht. Dies liegt daran, daß die im Keramikkörper entstehenden mechanischen Spannungen dabei verhältnismäßig gering sind.

Gemäß F i g. 4 und 5 unterliegt der Keramikkörper je nach seiner Dicke und seinem Durchmesser unterschiedlichen Brüchen.

Um den Keramikkörper vor einem Querbruch gemäß Fig.5 zu schützen, kann er an seinen beiden Stirnflächen einer Druckkraft ausgesetzt werden, deren Größe der Bruchspannung entspricht. Alternativ kann die Seitenwand des Keramikkörpers mit einer Verstärkung versehen werden. Die Verwendung einer Verstärkung ist jedoch unpraktisch, da sie wegen der erforderlichen Zugfestigkeit aus Metall bestehen sollte, andererseits dadurch die dielektrische Durchschlagsfestigkeit jedoch drastisch reduziert wird. Dagegen läßt sich ein Längsriß infolge Biegeschwingung (Fig.4) erfolgreich verhindern, wenn an den Stirnflächen des Keramikkörpers eine metallische Verstärkung befestigt wird. Hierdurch wird die dielektrische Festigkeit nicht nachteilig beeinflußt, da die maximale mechanische Spannung an den Ebenen der auf den Stirnflächen des Keramikkörpers angebrachten Elektrodenbeläge auftritt. Mit anderen Worten, um mit Hilfe der zusätzlichen Verstärkung den Riß zu verhindern, darf der KeramikkörDer nur einem

Längsbruch ausgesetzt werden (Fig.4). Hierzu sind Dicke 7"und Durchmesser D des Keramikkörpers so zu wählen, daß das Verhältnis T/D nicht größer als etwa 0,5 ist (F ig. 3).

Fig.6 zeigt einen keramischen Kondensator mit einem zylindrischen Keramikkörper 1 mit der Dicke T und dem Durchmesser D, auf dessen beiden Stirnflächen je ein Elektrodenbelag 2 aus Silber angebracht ist. Eine metallische Verstärkungsplatte 5 zur Verhinderung eines mechanischen Bruches, die ebenfalls als Anschluß dient, ist über Lötschichten 6 fest und gleichmäßig an jeder Silberelektrode 2 befestigt. Die metallische Verstärkungsplatte 5 hat einen Durchmesser D, und eine Dicke T, und kann aus Eisen, Kupfer oder Messing bestehen.

Der keramische Kondensator mit dem beschriebenen Aufbau hat bei Biegebeanspruchung eine bedeutend verbesserte Bruchfestigkeit.

Da jedoch auch die charakteristische mechannische Frequenz /einen wesentlichen Einfluß auf die Bruchfestigkett des keramischen Kondensators ausübt und diese von der Form der Verstärkungsplatte abhängig ist, weil in die rechte Seite der Gleichungen 1 und 2 die Maße des Keramikkörpers 1 und der metallenen Verstärkungsplatte 5 eingehen, ist es möglich, daß die Widerstandsfähigkeit gegen Zugspannung verschlechtert wird.

F i g. 7 und 8 zeigen im Diagramm die Ergebnisse von Versuchen, wie die metallische Verstärkungsplatte 5 die Bruchfestigkeit des keramischen Kondensators beeinflußt.

F i g. 7 zeigt im Diagramm die ermittelte Abhängigkeit der minimalen dielektrischen Durchbruch-Feldstärke Vemin einer abgeschnittenen Stoßwellenspannung am keramischen Kondensator in Abhängigkeit von dem Verhältnis D₁ID. Wie ersichtlich, kann bei einem Verhältnis D₁ID von etwa 0,6 eine bedeutende Verbesserung erzielt werden. Ein stabilisierter Bereich, in dem keine Längsrisse auftreten, wird erreicht, wenn DJD nicht kleiner als etwa 0,7 ist.

F i g. 8 zeigt im Diagramm die Ergebnisse eines Versuches, bei dem die minimale dielektrische Durchbruch-Feldstärke Vßmw einer abgeschnittenen Stoßwellenspsnnung am keramischen Kondensator bei veränderlichem Verhältnis TJ T zwischen der Dicke der Verstärkungsplatte 5 und des Keramikkörpers gemessen wurde. Es wurde festgestellt, daß im Keramikkörper 1 ein Querriß entsteht, wenn T,/T größer als 0,4 ist Daher wird zur Verbesserung der Bruchfestigkeit des keramischen Kondensators und zum Schutz des Keramikkörpers vor Längs- und Querbrüchen Jas Verhältnis TJ T im Bereich 0,2 < TJT< OA gewählt.

Werden also der Keramikkörper und die metallische Verstärkungsplatte so gewählt, daß die oben beschriebenen Bedingungen erfüllt sind, so läßt sich die minimale dielektrische Durchbruch-Feldstärke der an den keramischen Kondensator angelegten Stoßwellenspannung erhöhen, beispielsweise auf eine Höhe, die gleich ist der dielektrischen Durchbruch-Feldstärke einer Vollwellenspanmmg entsprechender Größe. Dies wiederum bedeutet daß das Volumen eines in Leistungsanlagen einzubauenden keramischen Kondensators bedeutend vermindert werden kann, während gleichzeitig die Isolationseigenschaften verbessert werden können.

Fi g. 9 und 10 zeigen Ausführungsbeispiele des keramischen Kondensators, bei denen die metallischen Verstärkungsplatten 7 und 8 radial nach außen fortschreitend dünner ausgeführt sind, um eine Konzentration der mechanischen Spannungen an denjenigen Teilen der Silber-Elektrodenbeläge 2 und des Keramikkörpers 1 zu vermeiden, die in der Nähe des Randes der metallischen Verstärkungsplatten 7 und 8 liegen. Im Falle des keramischen Kondensators der Fig.9 ist die metallische Verstärkungsplatte 7 radial nach außen gerade abgeschrägt, während die Verstärkungsplatte 8 der Fi g. 10 mit einer gewissen Krümmung radial nach außen abgeschrägt ist. Bei diesen Profilen der metallischen Verstärkungsplatten 7 bzw. 8 kann eine Konzentration der mechanischen Spannungen am Umfang der metallischen Verstärkungsplatte 7 bzw. 8 unterdrückt werden, während die dielektrische Durchbruch-Feldstärke erhöht werden kann.

Fig. 11 und 12 zeigen ein Ausführungsbeispiel des keramischen Kondensators, bei dem mehrere metallische Verstärkungsplattenteile 9/4,9ß und 9Ckoaxial auf jeder Stirnfläche des Keramikkörpers 1 angebracht sind. Bei dieser Ausführung der metallischen Verstärkungsplatten kann nicht nur die Durchbruchfestigkeit des keramischen Kondensators erhöht werden, sondern man erhält auch eine gewisse Freiheit in der Anordnung der Verstärkungen am Keramikkörper, wodurch eine große Deformation in radialer Richtung ermöglicht wird.

Bei dem in F i g. 13 gezeigten Ausführungsbeispiel des keramischen Kondensators ist die auf den Elektrodenbelag 2 zu lötende Oberfläche der metallischen Verstärkungsplatte 10 aufgerauht und damit die wirksame Lötfläche vergrößert. Dieser Aufbau ist insofern vorteilhaft, als die metallische Verstärkungsplatte 10 mit erhöhter Steifigkeit am keramischen Element befestigt werden kann.

Bei der in den F i g. 14 und 17 gezeigten Ausführungsform des keramischen Kondensators ist die aufzulötende Oberfläche der metallischen Verstärkungsplatte 11 mit radialen und koaxialen Nuten 12 versehen, wodurch die Ausbreitung des geschmolzenen Lots über die Verstärkungsplatte erleichtert wird.

Bei dem in F i g. 15 und 18 gezeigten Ausführungsbeispiel sind in den metallischen Verstärkungsplatten 13 Durchgangslöcher 14 vorgesehen, damit in der Lotschicht 6 keine Blasen zurückbleiben können.

Fig. 16 zeigt als letztes Ausführungsbeispiel einen keramischen Kondensator, bei dem der an Rand liegende Bereich 16 der aufzulötenden Oberfläche der metallischen Verstärkungsplatte 15 nach außen abgeschrägt ist, so daß das geschmolzene Lot 6 leicht zur Mitte der Verstärkungsplatte 15 fließen kann.

Bei den Kondensatoren der Fig. 14 bis 16 läßt sich eine besonders gute Lötung erzielen, so daß die metallischen Verstärkungsplatten 11, 13 und 15 mit erhöhter Festigkeit an den Keramikkörpern befestigt sind. Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 16 wird vermieden, daß Lot auf den Rand des Keramikkörpers gerät, was hinsichtlich der Qualität vorteilhaft ist

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Keramischer Kondensator mit einem zylindrischen Keramikkörper (1) der Dicke Γ und des Durchmessers D, auf dessen Stirnflächen Elektrodenbeläge (2) und wenigstens auf einem Elektrodenbelag in engem Kontakt eine weitere Metallschicht mit der Dicke T, und dem Durchmesser D, angebracht sind, wobei T/D<0J5 und D,/D>0,6 ist, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Metallschicht als Verstärkungsplatte (5,7 bis 11,13,15) ausgebildet ist, wobei die Beziehung