DE853187C - Kondensator mit keramischem Dielektrikum - Google Patents

Description

• Kondensator mit keramischem Dielektrikum Die 1aektro<len der Kondensatoren mit keraniiscliein Dielektrikuin «-erden durch einen metallischen Niederschlag Hergestellt, dessen Mikrostruktur in elektrischer Hinsicht in keiner Weise derjenigen des reinen Metalls verglcichliar ist.
• Insbesondere wächst derlViderstand dieser Elektroden 1>ei Wechselströmen sehr schnell mit der Frequenz, und es ergibt sich, daß bei hochwertigen Keramiken und je nach der Form der Kondensatoren die dielektrischen Verluste sowie die Verluste durch Joulesche Wärme in den Elektroden bei Frequenzen zwischen 5 und io MHz gleich sind.
• Über diese 1, requeiizen hinaus wird das für die Kondensatoren -zulässige Maximum an Blindleistung ausschließlich durch die Erwärmung der Elektroden begrenzt, wodurch die Verwendungsmöglichkeiten der Kondensatoren mit keramischem Dielektrikum bei sehr hohen Frequenzen stark vermindert werden.
• Außerdem durchfließt bei den hohen Frequenzen infolge der Hautwirkung derStrom nicht die Materialstärke der Elektrode, sondern umgeht sie, indem er nacheinander auf ihren inneren und äußeren Flächen verläuft, um die Abgangsverbindung zu erreichen. Daraus folgt, daß die Lage der Abgangslötstellen an den Elektroden große Bedeutung besitzt.
• Die Erfindung bezweckt, die jouleschen Verluste der Kondensatoren mit keramischem Dielektrikum zu vermindern und so ihre Leistungsfähigkeit bei sehr hohen Frequenzen erheblich zu steigern. Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß man die Lagen der Lötstellen der E1@1:-trodernabgä nge in zweckmäßiger Weise wählt, wobei man in gewissen Fällen Elektrodenformen v-rwendet, die für die normalen Kondensatoren vort:ilhaft sind, oder unter Verwendung von tteu,at Anordnungen von Elektroden und Sammelabgängen.
• @`'eit.ere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen an Hand der Zeichnung.
• Abb. r zeigt einen Kondensator der Topfbauart nach dem bisherigen Stande der Technik; Abb. 2 und 3 zeigen die Verteilung der Ströme längs des inneren und äußeren Belages; Abb. ;4 zeigt einen zylindrischen Kondensator gemäß der Erfindung; Abb. 5 zeigt drei Kondensatoren der Tellerbauart gemäß der Erfindung; Abb. 6 zeigt einen zylindrischen Kondensator gemäß der Erfindung; Abb. j zeigt zwei Kondensatoren d: r Tellerbauart gemäß der Erfindung.
• Es sei beispielsweise ein Kondensator der Topfbauart betrachtet, von welcher Abb. r eine Ansicht im Schnitt darstellt. In dieser Abbildung sind die Elektroden, die in Form von auf die Keramik aufgebrachten Metallniederschlägen hergestellt sind, mit starken Strichen wiedergegeben. Es soll untersucht werden, wie die Ströme, deren Bahnen offenbar in Längsrichtung verlaufen, in den Elektroden sich auf ihrer Bahn verändern.
• In der inneren Elektrode gellt der Strom von Null an dem Boden des Topfes bei a aus, wächst linear his zu b und steigt dann langsamer von b bis c nach einer ,gewissen Kurve, welche sich als Folge der Inhomogenität der resultierenden Stärke des Dielektrikums in diesem Bereiche ergibt. Die Änderung des Stromes in Abhängigkeit von der Länge der Bahn ist in Abb. 2 wiedergegeben, in welcher auf den Abszissen der Abstand und auf den Ordinaten die Stromstärke aufgetragen ist.
• In der äußeren Elektrode geht der Strom ebenfalls von Null an dem Boden des Topfes bei d aus, steigt linear bis zu e an und wächst dann infolge der geringen Zunahme, die von den wenigen außerhall> des Topfes verlaufenden Kraftlinien herriihrt, in sehr geringem Maße bis zu der Ausgangsklemme f. Die Änderung des Stromes in Abhängigkeit von der Länge der Bahn ist in Abb. 3 wiedergegeben, wo als Abszisse der Abstand und' als Ordinaten die Stromstärke aufgetragen wurde.
• Die Betrachtung der Kurven der Abb. 2 und 3 zeigt, daß die Anbringung des Abganges der inneren Elektrode richtig gewählt ist, da sie zu den kleinsten Verlusten durch Joulesche Wärme führt.
• Die Anbringung des Abganges der äußeren Elektrode ist hingegen so schlecht wie möglich gewählt, was offensichtlich erkennbar ist, wenn man beachtet, daß die Bahn ef des Stromes an der Außenseite der Elektrode eine maximale Bahn bei maximalem Strom ist. Da die innere Bahn de und die äußere Bahn ef annähernd gleich sind, ist das Verhältnis der Verluste der äußeren Bahn zu denjenigen der inneren Bahn annähernd gleich 3. Dies läßt sich leicht zeigen.
• Es sei xi die gemeinsame Länge der inneren und der äußeren Strombahn an der äußeren Elektrode, r der Oberflächenwiderstand je Längeneinheit der Elektrode bei der betrachteten Frequenz, Il der maximale Strom, i der Wert des Stromes in einem Punkt der Elektrode, der sich im Abstand x von dem Anfang befindet, welcher dem Strom Null entspricht. Es ergibt sich dann Die Verluste in einem Element d.r der Elektrode sind gleich Die Gesamtverluste für die innere Bahn sind demnach während für die äußere Bahn. längs welcher i annähernd konstant und gleich h ist, die Verluste sind: P, = rT1 li , woraus folgt: Pe/Pi = 3.
• Anders ausgedrückt, werden dadurch, daß der Abgang der äußeren Elektrode bei f anstatt bei e durch eine Schelle vorgesehen ist, die Verluste in der äußeren Elektrode vervierfacht. In Wirklichkeit ist der Koeffizient nicht ganz gleich .4, da zu berücksichtigen ist, @daß die die Abgangsklemme tragende Rundung einen geringeren Widerstand aufweist als der entsprechende Teil der Elektrode. Der Übergang des Stromes auf die Außenseite der Elektroden muß daher soweit wie möglich vermieden werden.
• Es sei jetzt der zylindrische Kondensator nach Abb. d betrachtet. Wenn zwei Abgänge möglichst nahe an den Enden der Elektroden angeordnet werden, wobei sie in der Nähe der gleichen Grundfläche des Zylinders (z. B. A und B oder C und D) oder auch entgegengesetzt (z. h. A und C oder B und D) liegen 'können, sind die Verluste dann die gleichen wie in dem Falle des Kondensators der Topfbauart mit benachbarten Abgängen. Wenn man hingegen zwei Paare von etttgegengeset@zten Abgängen, A und D einerseits, B und C andererseits anordnet, werden die Strombahnen um die Hälfte vermindert, der Strom Null befindet sich dann in dem mittleren Teil XY der Elektroden, und die Verluste sind' viermal kleiner. Es ist daher bei sehr hohen Frequenzen wichtig, zylindrische Kondensatoren mit zwei Paaren von Abgängen, vorzugsweise bei den Kondensatoren der Topfbauart, zu verwenden. Die beiden Paare von Abgängen besitzen außerdem den Vorteil, daß die Selbstinduktion der Verbindungen vermindert wird.

  Abb. ; zeigt dt-(#i Tellerkondensatoren der Bau-

  art ohne Mittelloch (_11>1). ;a und ;b) und der Bau-

  art mit -Mittelloch (_V>b. 5c1. Die Bauart ohne

  '\fittcllocli ist dein Kondensator der Topfbauart

  darin @-crwandt, dal.l si: nur eiiieti Rand bei jeder

  1?lektr@de aufc@cist. @@:ihren<l der Kondensator mit

  Jlittelloch, der z\\ei Rinder an jeder Elektrode be-

  sitzt, dein zvlitirlt-isch@#n Kondensator verwandt ist.

  Bei den Kondensatoren der ersten Bauart ist es

  aus (leti gleiche#tt Gründen wie bei dein Konden-

  sator der Topfhatiart wichtig, daß zur Vermin-

  derung clcr jotilesclic#n Verluste die Abgänge mög-

  lichst nahe all dctli kund der U.lektroden und auf

  dein ganzen L'tntang angelötet -,werden, um die

  13<tliticil mit maximalem Stroin auf der äußeren

  Fläche der ciltelt oder der anderen Elektrode zu

  vernicitleii. lies \\iri1 -,cinäß der 1_rfindung er-

  reicht. iticlem inati als _@l>@@änge zwei kreisförmig:

  Ringe G und Il @-erwendet, die an dein Umfang des

  metallischen \iedcrschlages. N\elclier die eine bzw.

  die andere h:lehtr@xl: des Kotidetisators bildet, an-

  geliitet sitt@l (.\l)1t. 5a!. Die Stromzuführungs-

  leitungen können tlanti durch metallische Binder E

  und h ;-ebildet werden, die an den Ringen G bzw. H

  angeln-acht sind. Man kann als Abnehmer- und Zu-

  fiiliritrigslcitting auch zwei Schalen ähnlich den-

  jenigen @-er@@enden, die in Abb.51 ]>ei I und I

  dargestellt sind. 1)1e Verwendung eines Altgangs,

  der in der Mitte der Elektrode auf einer Fläche an-

  gelötet ist, die z. B, ein Hundertstel der Elektroden-

  fläche beträgt, würde die jotilesclien Verluste, die

  bei der vorgeschla@@enen Lösung erzielt werden,

  verzehnfachen.

  Bei den hfindcn>;itoreti der -zweiten Bauart, -%vie

  sie in .11i1>. @c ini Schnitt dargestellt ist, ist es aus

  den gleichen Griiti(ICn wie lxi den zylindrischen

  Kondensatoren wichtig. !1a13 der Stroin am Urifang

  an den lxi;leii IZ:iiiclerti ieder Elektrode z. B. mittels

  ringf@irmigcr Schalen K und I. aligenoininell oder

  zugefiilii-t wird. \fan erzeugt so irgendwo auf der

  Innenfläche jetlet- l:lel<trocle eilte kreisförmige Linie

  der Strointeilting oder Knotenlinie, längs welcher

  der Strom -Null ist. Dadurch erhält man Bahnen

  von geringerem \\'iderstand, weil sie kürzer sind,

  die von geringeren Ström.-n durchflossen werden,

  und daraus ergibt sich ein erheblicher Gewinn hin-

  sichtlich der fotilesclien Verloste.

  Es ist schwierig, die gcnatle Lage der Knoten-

  linie ztt lwstininieli. die an einer solchen Stelle ge-

  ist, dali tli,# Spannungsabfä lle in den zu-

  sainnienstrelxnden und auscinanderstrebenden

  Bahnen bis zu dem @-ei-bindungspunkt des inneren

  und des äußeren Ab-an-es gleich sind. Diese

  Spannuligsabfälle hän-en nicht nur von dem

  Widerstand der 1?lektroclen, sondern auch von ihrer

  Reaktanz und von derjenigen der Abgänge ab. Es

  wäre täuschend, wenn inan die Lage der Knoten-

  linie durch Rechnung bestimmen würde, weil man

  Elem;tite einführen müßte, die nur unzureichend

  laekatint sind. _\ußerdein muß diese Lage sich mit

  der Frequenz ändern. -Man kann daher nicht den

  Gewinn vorherbestimmen, clz2r in diesem Falle mit

  der @üsung der l,:i-fitidung erlialteti wird, jedoch ist

  es physikalisch gewiß, daß er in der gleichen

  Größenordnung liegt wie derjenige, der sich auf

  den zvlindrisclieti Kondensator mit zwei Paaren

  von Abgängen bezieht.

  Die ausgehauchten Umdrehungsteile, die als

  Stroniabnehrner hei den Kondensatoren der Abb. 5

  vorgesehen sind, werden vorzugsweise durch-

  brochen, um den Wärmeaustausch zu erleichtern.

  lm folgenden werden neue Anordnungen von

  laektrodeti und Abgängen beschrieben, die be-

  sonders geeignet sind, um die Jouleschen Verluste

  noch «-eiter zu vermindern. Die Erfindung ist ins-

  1>esonclere bei zylindrischen Kondensatoren und bei

  Kondensatoren der Tellerbauart anwendbar. Sie

  besteht itn wesentlichen darin, daß nian in den

  Elektroden dünne Schlitze anbringt und der Strom

  längs dieser Schlitze abgenommen oder zugeführt

  wird. Indem man die Anzahl der Schlitze und der

  Abnehmerverbindungen vervielfacht, kann man die

  Stromdichte und die Länge der Bahnen an den

  Elektroden praktisch beliebig vermindern und so

  die Verluste herabsetzen. Im folgenden wird nach-

  einander die Anwendung der Erfindung bei zylin-

  drischen Kondensatoren und bei Tellerkonden-

  satoren behandelt, um ihren Grundgedanken näher

  zu erläutern.

  Abb.6a zeigt inderDraufsichteinenzylindrischen

  Kondensator, der in Abb. 6b und 6c in zwei senk-

  rechten Schnitten dargestellt ist. In -den Elektroden

  dieses Kondensators werden beispielsweise vier

  Längsschlitze g angebracht, welche jede Elektrode

  in vier gleiche Teilelektroden unterteilen. Diese

  Schlitze befinden sich vorzugsweise an den beiden

  Elektroden einander gegenüber und haben eine

  Breite, die höchstens z. B. l/. der Stärke des Dielek-

  trikums beträgt, damit der Potentialgradient an

  den Rändern des Schlitzes nicht merklich größer

  ist als derjenige zwischen den Elektroden außer-

  hall> der Schlitze. Jeder zwischen zwei aufeinander-

  folgenden Schlitzen gelegenen Teilelektrode ent-

  spricht ein Stromabnehmer 1a aus Kupfer, dessen

  Ränder in Längsrichtung an die entsprechenden

  Ränder der Teilelektrode gelötet sind. Die Strom-

  abnehmer der inneren Elektrode stehen über die

  Grundflächen des Zylinders hervor und sind

  parallel durch die angelöteten Schellen i verbunden,

  welche Laschen oder Klemmen tragen. Die Strom-

  abnehmer der äußeren Elektrode sind parallel

  durch eilte gelötete mittlere Schelle j verbunden,

  welche ebenfalls Laschen oder Klemmen trägt. Bei

  einer solchen Anordnung der Elektroden und Ver-

  bindungen verlaufen die Ströme an der Innenfläche

  der Elektroden in der Breite. Aus Symmetrie-

  gründen liegt die Knotenlinie des Stromes auf der

  13rzetigenden des Zylinders in der Mitte jeder Teil-

  elektrode. -Man erzeugt so auf jeder Elektrode acht

  Strombahnen, deren Länge 1/8 ,des Elektrodenquer-

  schnitts beträgt. Auf der Außenfläche der Elek-

  troden fließt kein Strom.

  Im folgenden soll das Verhältnis der Jouleschen

  Verluste in den Elektroden eines normalen zylin-

  drischen Kondensators mit einem Paar von Ab-

  gängen zu den gleichen Verlusten eines gemäß der

  Erfindung ausgebildeten Kondensators von gleichen Abmessungen berechnet werden. Dieses Verhältnis wird als Gewinn bezeichnet.
• Es sei l die Länge der Elektrode (Höhe des Zylinders), 0 ihr Durchmesser, y der spezifische Oberflächenwiderstand in Ohm-Zentimeter pro Zentimeter bei der betrachteten Frequenz, n die Anzahl von Schlitzen oder Teilelektroden bei ein und derselben Elektrode. 1 der den Kondensator durchfließende Gesatntstrom. Bei dein normalen Kondensator sind die Jouleschen Verluste in einer Elektrode Bei dem gemäß der Erfindung ausgebildeten Kondensator ist der an dem Rand einer Teilelektrode (Kante des Schlitzes) abgenommene Gesamtstrom gleich 1 , und die Verluste in einer 2n Teilelektrode sind, unter Berücksichtigung des Umstandes, daß die Ströme in der Breite gerichtet sind und die Knotenlinie des Stromes in Längsrichtung in der Mitte der Teilelektrode liegt: Die Verluste in einer Elektrode betragen das n-fache der Verluste in einer Teilelektrode, nämlich Daraus ergibt sich das Verhältnis Bei einem Kondensator mit dem üblichen ist dieses Verhältnis demnach annähernd gleich 3,6 n2.
• Die folgende Tabelle ergibt den Wert des Gewinnes in Abhängigkeit von .der Anzahl der Teilelektroden bei einem Verhältnis von Länge zu Durchmesser gleich 3.

  n I 2 3 4 5 6

  PI/P2 3,6 14,4 32,4 57,6 90 129,6

  Offenbar ist es unnötig, die Anzahl der Schlitze stark zu erhöhen, da, wenn die Jouleschen Verluste gegen die dielektrischen Verluste vernadhlässigbar werden, die für den Kondensator zulässige Höchstleistung durch .diese letzteren bestimmt wird. Zweckmäßig wird man die Anzahl der Schlitze auf 3 oder 4 festlegen, da der Gewinn dann schon erheblich ist, ohne daß der Aufbau ,des Kondensator: zu kompliziert wird.
• lin folgenden wird durch ein Beispiel dargelegt, in welchen Grenzen die Leistung eines gegebenen Kondensators durch die Erfindung erhöht werden kann. Es sei daran erinnert, daß die für den Kondensator zulässige maximale Erwärmung die zulässigen Gesamtverluste P bestimmt, welche die Stimme der dielektrischen Verluste Pd und <fier Jouleschen Verluste 7'" in den Elektroden sind. U'enn b der Verltistwiiilcel des Dielektrikutns ist. beträgt die zulässige I31in<lleistung für denKondensator Pd cotg d. Bei einem normalen Kondensator und einer gegebenen Frequenz sei die Verteilung der Verluste die folgen@l@: Pd -- 0,2 P P, o,8 P Es sei angettonlinen, daß dieser gleiche Kondensator mit vier Schlitzen pro Elektrode ausgeführt wird, die nach der vorstehenden Tabelle einen Gewinn von 57,6 der Verluste in den Elektroden ergeben. Bei demselben Durchgangsstrom wie in dem vorhergehenden Falle, werden die Verluste P'd = 0,2 P P', = 0,0139 P P' = 0,2139 P Da von dem Kondensator die Leistung P verbrauoht werden kann, müssen die verbrauchtenTeilleistungen multipliziert werden finit 1/0,2r39, woraus sich ergibt: P"d --, 0,935 1' P", - 0,o65 P P" -- P Die Scheinleistung, die dein Kondensator zugeführt werden kann, wird demnach ebenfalls mit 1/0,2r39, d. b. etwa 4,68, multipliziert. Wenn man die Anzahl der Schlitze bis unendlich vervielfachen würde, ergäbe sich eine asymptotische Annäherung an den Koeffizient 5, d. lt. an die folgende Verteilung der Verluste: P"d'-P P"e' = 0 P" , - P

  Wie ersichtlich, ist die durch die Zunahme der

  Schlitzzahl fit verursachte Komplikation von einem

  gewissen Wert von n ab nicht mehr gerechtfertigt.

  Itn folgenden wird die :@nweildullg der Erfin-

  dung bei Kondensatoren der Tellerbauart erläutert.

  Bei diesen kann man in den 1-,-lektrodeli entweder

  radiale Schlitze oder kreisförmige Schlitze an-

  bringen. Bei radialen Schlitzen ist aus Symmetrie-

  gründen die Lage der Knot,etllinie des Stromes

  sicher, die radial in der Mitte jeder Teilelektrode

  liegt, und der Gewinn kann leicht berechnet werden.

  Damit dieser Gelvinir einen vorteilhaften Wert er-

  reicht, müssen pro Elektrode wenigstens vier Schlitze

  angebracht «erden, und die Ausführung der ganzen

  Anordnung wird kompliziert. Bei kreisförmigen

  Schlitzen kann man. wie oben erwähnt, die Lage

  der Knotenlinien des Stromes nicht genau vorher-

  bestimmen und folglich auch nicht die optimale

  Lage der Schlitze daraus ableiten und den Gewinn

  berechnen. Wenn man nur einen einzigen kreis-

  förmigen Schlitz anbringt, werden die Strom-

  1>ahnen etwa auf t/3 vermindert, und gleichzeitig

  verkleinert man die Stromdichte in dem größeren

  Bereich der Elektrode, woraus sich ein gewisser

  Gewinn ergibt. Außerdem führt diese Lösung zu einer leichteren Herstellung, und aus diesem Grunde wird sie gemäß der Erfindung bevorzugt. Mangels einer genauen Lagebestimmung wird der kreisförmige Schlitz bei Tellerkondensatoren ohne Loch auf dem dritten Teil des Radius vom Mittelpunkt au-s und bei Kondensatoren mit Loch auf der Hälfte der radialen Abmessung der Elektrode angeordnet.
• Abh. 7 a zeigt eine geschnittene Ansicht eines Tellerkondensators ohne Mittelloch gemäß der Erfindung mit einem einzigen kreisförmigen Schlitz k. Die durchbrochenen Stromabnehmer l sind am Umfang an dem Rand oder den Rändern der Teilelektroden angelötet. Diese Stromabnehmer sind durch Rippen m mit der Scheibe oder dem Ring n verbunden, welcher die Ausgangsklemme der Elektrode oder ein allgelötetes Anschlußband trägt.
• Abb.71> zeigt im Schnitt eine Ansicht eines Tellerkondensators mit N-fittelloch gemäß der Erfindung mit einem einzigen kreisförmigen Schlitz o. Man erkennt in der Abbildung die Stromabnehmer p, welche durch die Rippen q mit den Ausgangselektroden r verbunden sind.
• 13,i allen durch die Erfindung vorgeschlagenen Lösungen werden die äußeren Oberflächen der Elektroden nicht mehr von dem Strom durchflossen. llan kann daher vorteilhafterweise ohne die Gefahr einer Erhöhung der Verluste ihre Oberfläche mittels eines aufgeschleuderten Metallniederschlag-es körnig ausbilden oder sie mit einem Lack überziehen, der vorzugsweise schwarz ist, um die Wärmestrahlung der Oberfläche der Elektrode zu erhöhen. Der Gewinn hinsichtlich der Erwärmung ist dann etwa io Prozent. Man kann auch zu dem gleichen Zweck dieselbe Maßnahme an den inneren Flächen der Stromabnehmerteile anwenden.

Claims (3)

1. PATENTANSPRÜCHE: i. Kondensator mit keramischem Diele'ktrikum, insbesondere zur Verwendung bei Hochfrequenz, dadurch gekennzeichnet, daß jede Elektrode mit Hilfe von Schlitzen, die beispielsweise .durch Ausschleifen des die Elektrode bildenden Metallniederschlages hergestellt sind, in eine gewisse Anzahl von Teilelektroden unterteilt ist, um durch Verminderung der Länge der Strombahnen an derOberfläche jeder Elektrode den Ohmschen Widerstand herabzus.,tzen.
2. 2. Kondensator nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung zwischen jeder Elektrode und der Stromzuführungsleitung an einem solchen Punkt vorgesehen ist, daß dieAußenfläche jeder Elektrode von keinem Strom durchflossen wird.
3. 3. Kondensator nach Anspruch i und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die thermische Strahlung jeder Elektrode durch einen körnigen Metallüberzug oder einen Lacküberzug auf ihrer stromlosen Außenfläche erhöht ist.