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Elektrischer Kondensator aus metallisierten Dielektrikumsbändern Elektrische
Kondensatoren aus metallisierten Dielektrikumsbändern werden bekanntlich aus einseitig
Metallbelag tragenden Isolierstoffbändern, z. B. Papier, gefertigt. Man stellt aus
mehreren solchen Bändern, oft unter Einlegen von nichtmetallisierten Zwischenlagebändern,
einen sogenannten Wickel her. Um eine hohe Kapazität zu erhalten, preßt man diese
Wickel, damit die Dielektrikumsschicht zwischen den Belegungen möglichst dünn wird,
und überdies ersetzt man die noch im Dielektrikum vorhandene Luft durch ein Zusatzdielektrikum,
d-essen Dielektrizitätskonstante über derjenigen der Luft liegt, indem man die Wickel
nach dem Pressen mit geeigneten flüssigen oder vorteilhaft nur in der Wärme flüssigen,
aber bei gewöhnlicher Temperatur festen Stoffen, z. B. Paraffin, tränkt. Zur restlosen
Austreibung der Luft wird diese Tränkung im Vakuum vorgenommen.
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In der Praxis hat sich gezeigt, daß alle notwendigen Arbeitsgänge
mit äußerster Sorgfalt durchgeführt sein müssen und daß aus oft nicht ersichtlichen
Ursachen Lufteinschlüsse im Dielektrikum verbleiben, die natürlich wegen ihrer im
Vergleich zum Dielektrikum geringen Dicke und ihrer niedrigen Dielektrizitätskonstante
einer starken Belastung im elektrischen Feld ausgesetzt sind. Man kann nun an den
Stellen, wo diese schädlichen
Lafteinschlüsse am ehesten auftreten,
nämlich an den Berührungsflächen der nichtmetalli,sierten Seiten derDielektrikumsbänder
mitdenMetallbelägen, insbesondere an den Schmalseiten der Wickel, wo sich regelrechte
Knickstellen durch die starke Zugbeanspruchung bilden können, einer durch die Lufteinschlüsse
verursachten verhängnisvollen Belastung durch das elektrische Feld vorbeugen, wenn
man auch die an sich keinen Metallbela,- tragende Gegenseite des Dielektrikumsbandes
metaIlisiert. Damit sind die beim Pressen und Tränken oft unvermeidl#ichen Lufteinschlüsse
zwischen den Dielektrikumsbändern unschädlich gemacht, weil sie nunmehr außerhalb
der elektrischen Felder liegen. Da beide Metallbeläge in innige Berührung miteinander
kommen, ist es nicht notwendig, daß beide Belegungen nach außen elektrisch angeschlossen
sind, es genügt, wenn nur jeweils einer von ihnen wie bisher an der Stirnseite Kontakt
mit der Stromzuführung hat.
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In dieser Art metallisierte Dielektrikumsbänder haben aber noch einen
weiteren Vorteil bei ihrer Verwen,dunginden sogenannten selbstausheilenden Kondensatoren.
Wenn man ihre Metallbelegungen sehr dünn ausführt, so brennt beim Durchschlag durch
eine elektrisch leitende Fehlstelle im Dielektrikum der Metallbelag um diese Fehlstelle
herum in einem gewissen Umkreis aus, d. h. er schmilzt und verdampft, so
daß diese Stelle von der weiteren Stromzuführung abgetrennt wird. Der Kondensator
bleibt dauernd betriebsfähig. In der Praxis zeigt sich nun, daß meist bei der Inbetriebnahme
von aus metallisierten Papieren aufgebauten Kondensatorensehr viele elektrisch leitende
Fehlstellen durch Ausbrennen zu besei-bigen sind. Damit der Kondensator nachher
im Betrieb einwandfrei arbeitet, belastet man ihn vor der eigentlichen Inbetriebnahine
im Rahmen einer Vorprüfung mit höheren Spannungen als denjenigen, bei denen er später
im Betrieb arbeiten soll. Die Ausbrennenergien sind in vielen Fällen also so groß,
daß es angeraten erscheint, die metaIlisierten Dielektrikumsbänder, insbesondere
die immer elektrisch' leitende Einschlüsse und Poren enthaltenden Papiere, vor der
Wickelherstellung bereits von ihren FehlstellenAurch Ausbrennen zu befreien. Bei
den bisher meist verwendeten einseitig metallisierten Papierbändern macht es aber
Schwierigkeiten, die nichtmetallisierte Seite in die notwendige sehr gute Berührung
mit elektrischen Kontakten, z. B. Walzen oder aufgelegten Hilfsfolien,
zu bringen, zurna,1 die Dielfektrikumsbänder in schnellem Lauf diesen Arbeitsgang
passieren sollen. Für dieses sogenannte Vorausb#rennen sind nun verständlicherweise
doppelseitig metallisierte Di,elektrikumsbänder besonders gut geeignet, denn einmal
ist die Zuleitung elektrischer Energie auch zu einer sehr dünnen Metallfläche nicht
allzu schwierig, und zum zweiten liegt die auiszubrennende Dielektrikumsschicht
immer sehr eng an ihren Metallbelegungen an, die sie ja selbst auf ihren Oberflächen
trägt. Dadurch werden auch die leitenden Fehlstellen beim Ausbrennen erfaßt, die
durch Einschlüsse im Papier verursacht werden und die nicht unmittelbar an der Oberfläche
liegen, die aber bei der betriebsmäßigen Dauerbelastung im Ko#ndensator später noch
störend in Erscheinung treten können.
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Es wurden nun weitere überraschende Wirkungen an Kondensatoren mit
ausbrennfähigen Metallbelegungen gefunden, bei dienen mindestens eine Belegung gleicher
Polarität aus zwei slich berührenden Metallschichten besteht, die auf einander benachbarten
Dielektrikumsbändern aufgebracht sind, wenn erfindungsgemäß eine dieser beiden Metallschichten
(Gegenschicht) eine mindestens um die Hälfte geringere Metallmenge je Flächeneinheit
enthält als die andere. KondensatoTen mit solchen erfindungsgemäßen Dielektrikumsbändern
geben beim Ausbrennen der Fehlstellen überraschend saubere Ausbrennflecke.
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Beim Ausbrennen der Fehlostellen in den Dielektrikumsbändern schmilzt
und verdampft das Metall der Belegung um die Durchschlagstelle herum. Das verdampfte
Metall kondensiert aber leicht wieder und setzt sich auf der metallfreien Seite
des Dielektrikumsbandes ab, wenn dieses nur einse,itig metallisiert ist und im Kondensator
eine metallisierte Seite eines Dielektrikumsbandes auf einer nichtmetallisierten
Seite eines benachbarten Dielektrikurnsbandes liegt. Offenbar wiird das Niederschlagen
des Metalldampfes auf dem nichtmetallisierten Dielektrikumsband dadurch begünstigt,
daß diese Seite des Dielektrikums kälte#r als die metallieierte Seite ist, die ja
vorn Lichtbogen beim Durchschlag berührt wird. Ist aber auch die dem Ausbrennfleck
gegenüberliegende Seite des benachbarten Bandes gleichfalls metallisiert, so wird
durch den Ausbrennlichtbogen nunmehr auch diese Seite in der Nähe des Ausbrennflecks
erwärmt, denn der Fußpunkt des Lichtbogens wird sich auch auf ihr ausbilden. Die
Metallschicht dieser Seite wird ebenfalls ausgebrannt werden, d. h. schmelzen
und verdampfen, der Metalldampf kann aber an dieser Stelle nicht mehr kondensieren,
und es entsteht daher eine saubere Isolation um die Fehlstelle herum.
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Diesem Vorteil stand aber ein schwerwiegender Nachteil entgegen: Die
Metallschicht auf dem benachbarten Dielektrikumsband bedeutet eine Vergrößerung,
beispielsweise eine Verdoppelun g der Metallbelagdicke; infolgedessen wird
zum Ausbrennen der durch diese beiden Schichten gebildeten Metallbelegung auch eine
Ausbrennenergie von ungefähr dem doppelten Betrage als normal be-
nötigt.
Hohe Ausbrennenergien haben aber eine sehr starke mechanische Belastung des als
Dielektrikum z. B. verwendeten sehr dünnen Papiers zur Folge und vermögen das Papierban.d,
zu zerreißen. Besonders schädlich kann sich die hohe Ausbrennenergie aber an den
Stellen auswirken, wo durch das Pressen des Wickels ohnehin schon die Dielektrikumsbänder
mechanisch übermäßig beansprucht wurden und: unter starker Spannung stehen, das
sind die Schmalseiten der Wickel, die Knickstellen. Dieser Nachteil wiegt so schwer,
daß man bisher
metallisierte Dielektrikumsbänder in der geschilderten
Art in Kondensatoren nicht verwendet hat.
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Der Erfindung, die Gegenschicht aus einer wesentlich geringeren Metallmenge
zu fertigen als die normale Belegung, liegt eine neue Erkenntnis zugrunde. Versuche
ergaben nämlich, daß z. B. dünne Zinkschichten als Gegenschichten mit einem Flächenwiderstand
von 5o Ohm auf i cm2 saubere Ausbrennflecke auf dem als Dielektrikum ve-rwendeten
Papierband ergeben, ohne daß eine nennenswerte Erhöhung der Ausbrennenergie nötig
war.
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Mit Rücksicht auf die Vermeidung unerwünschter Energiezuführ ist es
auch vorteilhaft, die erfindungsgemäßen Gegenschichten nicht als zusammenhängende
Schicht axifzubringen, sondern als durch von m#etallfreie Streifen getrennte Teilschichten.
Diese Teilschichten hängen im Gegensatz zu den in Kondensatoren schon verwendeten
sogenannten entkoppelten -Mustern nicht unte.reinander zusammen, haben also keine
elektrisch leitende Verbindung miteinander. Die metallfreiell Streifen dieser Teilbeläge
der Gegenschicht sind zweckmäßig so breit zu halten, daß sie nicht breiter, aber
nur wenig schmaler als die Atisbrennflecke sind. Schon bei der Ausführung solcher
Teilschichten in normaler Stärle liegt die Ausbrennenergie nahe an den Werten, die
man ohne die Gegensehicht aufwenden muß. Versuche zeigten, daß auch bei Teilgegenschichten
die Ausbrennflecke sauber sind.
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Es wurde bereits vorgeschlagen, die nichtmetallisierte Gegenseite
von einseitig metallisierten Dielektrikurnsbändern mit geeigneten Lacken, z. B.
Nitrozelluloselacken, zu lackieren, denn man hatte gefunden, daß sich das von den
ausbrennenden Fehlstellen verdampfende Metall nicht gern an lackierten Flächen niederschlägt.
Diese Wirkung läßt sich mit der erfindungsgemäßen verbinden, wenn man in weiterer
Ausgestaltung der Erfindung die Dielektrikurnsbänder in der vorgeschlagenen Weise
lackiert.
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Weiterhin wurde vorgeschlagen, Papiere, die zu Dielektrikumsbändern
verarbeitet werden sollen, mindestens auf der Seite, die die normale Belegung trägt,
vor dem Lackieren zu glätten, Das kann z. B. dadurch geschehen, daß man Papier in
feuchtern Zustand gegen hochpolierte Flächen (Walzen) drückt und auf diesen Flächen
auftrocknen läßt. Die Oberfläche nimmt dan-a die Glätte der Fläche an, gegen die
es unter Druck auftrocknet. Auch diese Maßnahme ist geeignet, die Ausbrennflecke
sauber zu gestalten, und man kann sie in Verbindung mit der Erfindung vorteilhaft
anwenden.
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Ein weiterer Vorzug des erfindungsgemäßen Kondensators besteht darin,
daß man bei der Wahl des zusätzlichen Dielektrikums (Tränkmittels) nun auch solche
Stoffe heranziehen kann, die bisher wegen ihrer an sich schlechten Ausbrenneigenschaften
noch keine oder nur sehr beschränkte Anwendung gefunden haben, trotzdem man sich
von ihnen wegen ihrer höheren Dielektrizitätskonstante Vor-teile versprechen konnte.
Solche Stoffe, z. B. das sogenannte Nibrenwachs, hinterlassen beim Ausbrennen elektrisch
leitende Rückstände, die sich nach dem Verdampfen auf der Gegenseite bei einseitig
metallisierten Dielektrikumsbändern niederschlagen. Die Gefahr ihrer Kondensation
ist aber bei den erfindungsgemäßen Kondensatoren wesentlich geringer, so daß die
Anwendung dieser Stoffe mit vorteilhaft hoher Dielektrizitätskonstante ebenfalls
in Betracht gezogen werden kann.
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Schließlich sei nochmals auf die eingangs erwähnte Erscheinung eingegangen,
wonach die beim Aneinanderlegen der verschiedenen Dielektrikumsbänder zwischen diesen
auch trotz Pressens verbleibenden Lufteinschlüsse bei doppelt metallisierten Bändern
in einem feldfreien Raum zu liegen kommen. Es ist schon erwähnt, daß die Durchschlagsfestigkeit
hierdurch erheblich verbessert werden kann. Als weiterer Vorteil kommt nun hinzu,
daß der Verlustfaktor des Kondensators mit steigender Spannung bei weitem nicht
in dem Maße ansteigt wie in Kondensatoren mit normalen, einseitig metallisierten
Dielektrikumsbändern. Dieser Vorteil wird durch die Kombination der Erfindung mit
den genannten schon vorgeschlagenen Maßnahmen, z. B. Lackierung oder Glättung der
dielektrischen Bänder, noch vermehrt.
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Der erfindungsgemäße Kondensator vereinigt in weitem Maße die bekannten
Vorteile der Kondensatoren aus einseitig metallisierten Dielektrikumsbändern mit
den Vorteilen deirer aus doppelseitig metallisierten Dielektrikumsbändern, ohne
aber Nachteile aufzuweisen, die seine Verwendung irgendwie beschränken könnten.,
N#immt man zur Herstellung erfindungsgemäßer Kondensatoren doppelseitig metallisierte
Dielektrikumsbänder, so kann man sogenannte Einlagenkondensatoren fertigen, die
sich sowohl durch hohe spezifische Kapazität als auch gleichzeitig infolge der Sauberkeit
der Ausbrände durch vorzügliche Isola,tion auszeichnen.
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Die Abbildung zeigt als Ausführungsbeispiel einen Teil auseinern Querschnitt
eines sogenannten Einlagenkonden,sa,tors, der aus nur zwei doppelseitig metallisierten
Dielektrikumsbändern i und 3
gewickelt ist. Das Band i trägt die Metallschicht
2 ebenso wie das Band 3 die Schicht 4 als normal ausgeführte ausbrennfähige
Belegungen. Die anderen Seiten der beiden Dielektrikumsbänder sind mit wesentlich
dünneren metallischen Gegenschichten 5
bzw. 6 versehen. Die Belegungen
werden aIso von den Schichten :2 und 6 einerseits und 4 und 5
andererseits
gebildet.