WO2019185652A1 - Kondensator und verfahren zur herstellung eines kondensators - Google Patents

Kondensator und verfahren zur herstellung eines kondensators Download PDF

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WO2019185652A1
WO2019185652A1 PCT/EP2019/057625 EP2019057625W WO2019185652A1 WO 2019185652 A1 WO2019185652 A1 WO 2019185652A1 EP 2019057625 W EP2019057625 W EP 2019057625W WO 2019185652 A1 WO2019185652 A1 WO 2019185652A1
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foil
anode
capacitor
cathode foil
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Norbert Will
Fabio Augusto BUENO DE CAMARGO MELLO
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TDK Electronics AG
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    • H01G9/145—Liquid electrolytic capacitors

Definitions

  • the present invention relates to a capacitor
  • the capacitor has a winding of an anode foil, cathode foil and separators.
  • Such a capacitor is
  • the capacitor can be used, for example, as an electrolytic capacitor only with a liquid electrolyte, as a polymer electrolytic capacitor with a solid polymer electrolyte or as a hybrid polymer electrolytic capacitor with a solid polymer electrolyte and a liquid
  • specific embodiments of the invention may have a reduced ESR and / or ESL (equivalent series inductance) equivalent series inductance or equivalent series inductance.
  • a capacitor comprises a winding of cathode foil, anode foil and separators arranged therebetween.
  • the winding has at a front end on a supernatant region in which the cathode foil protrudes beyond the anode foil.
  • the supernatant region several layers of the cathode foil are arranged in a bundle and there directly electrically
  • the cathode foil In the supernatant region, the cathode foil also protrudes over the separators, so that no other foil is arranged between adjacent layers of the cathode foil.
  • the cathode foil has, for example, an aluminum foil which is provided with a coating.
  • Coating is in particular a dielectric.
  • Coating is for example a
  • Alumina, titania or carbon layer The
  • Cathode film may have the coating over its entire surface.
  • the coating is in particular formed homogeneously over the entire surface.
  • the cathode foil has
  • the anode foil may comprise an aluminum foil.
  • the anode foil may also have a coating.
  • the direct connection of layers of the cathode foil provides an abbreviated path for the current.
  • the stream in the bundle can flow radially so that the stream does not travel the long helical path along the
  • Sheet resistance of the cathode foil can be reduced, resulting in particular for capacitors with a large diameter to a significant reduction in losses.
  • the ESR can be reduced and the AC load capacity can be increased.
  • the bundled layers of the cathode foil are in particular welded together, for example by laser welding or electric spot welding.
  • the electrical connection can also be effected by mechanical processing, for example squeezing of the layers.
  • the electrical connection of the layers is present, for example, at a contact point in the bundle.
  • This contact point is in particular a local area in which a current flow between a plurality of layers in the radial direction can take place.
  • the current path can thus be significantly shortened by a layer which is far away from a cathode connection along the wound cathode film.
  • the current flow can take place in the radial direction over several layers to a layer in the bundle, which has the shortest path to the cathode connection.
  • an abbreviated current path for an outer layer in the winding can be provided.
  • the winding has an incision in the cathode foil in the projection region.
  • the incision extends through a plurality of radially adjacent layers of the cathode foil.
  • the incision extends through all the layers that are part of the bundle. The incision runs, for example, perpendicular to the winding axis.
  • the incision increases the mechanical flexibility of the regions to be bundled so that deformation of these regions does not lead to deformation of the active region of the coil.
  • the portions of the cathode foil in the bundle are partially mechanically decoupled from the remainder of the cathode foil. For example, due to the
  • each layer of the cathode foil i. from the outermost layer to the innermost layer on the
  • Winding center arranged in a bundle and directly electrically connected. But it may also be sufficient to arrange only a portion of the layers to the bundle and connect directly to each other electrically. For example, only the outer layers are present in the bundle.
  • the protrusion region has a plurality of such bundles.
  • a bundle is included
  • the condenser with bundled cathode layers is advantageous for a variety of designs.
  • the capacitor has, in particular, a housing which may be formed in a cup shape.
  • the housing west has a housing bottom, a housing wall and a housing opening.
  • the housing opening is closed, for example by a lid.
  • a cathode connection for contacting the cathode foil and an anode connection for contacting the anode foil are guided through the lid.
  • This design is also referred to as a radial design.
  • the cathode foil is connected to the cathode connection via the housing.
  • Cathode terminal may be formed as a wire which is arranged vertically and centrally in the cup bottom. This design is also referred to as axial design.
  • cathode connection for example, a so-called soldering star or insertion star in question, which is connected to the side of the housing opening with the housing.
  • connections can be formed, for example, in the form of so-called “paddle tabs", in which the connection leads from the outside through the cover directly into the winding and contacts the corresponding film.
  • the connections can also be connected, for example, inside the housing with separate contacts.
  • the contacts are for example strip-shaped and lead into the winding for contacting the corresponding film.
  • the contacts may have a curved shape between the coil and the connection to the terminal. This may be, in particular, a solderable terminal connection (“snap-in”) or “solder claw capacitor” or a screw connection, and it is also possible for a plurality of such contacts to be connected to a terminal, which is also referred to as "multi-tab" contacting.
  • the bundle of cathode foil is electrically connected to the housing.
  • the bundle of cathode foil is electrically connected to the housing.
  • connection via a connector which is electrically connected directly to the bundle and is electrically connected to the housing, in particular the housing bottom.
  • the electrical connection may be made by welding.
  • no cathode contact for contacting the cathode foil is arranged in the winding.
  • a cathode contact welded to the cathode foil inside the coil is meant.
  • the electrical contacting takes place only over the bundle of cathode foils. This can contribute to a further increase in the switching strength.
  • the capacitor has a plurality
  • anode connections which protrude from the lid of the housing.
  • the anode terminals are formed as so-called pins.
  • a pin In particular, a
  • connection for contacting the Kathodenfolie be converted as another anode connection.
  • connections in the form of paddle tabs are, for example, connections in the form of paddle tabs.
  • the cathode connection can be made in this case, for example via the housing.
  • Anode connections can be the rail resistance (ESR) of the
  • Anode foil can be significantly reduced.
  • the magnetic field density and thus the inductance (ESL) can be reduced. This also allows a meaningful use of
  • Capacitors with a larger diameter are Capacitors with a larger diameter.
  • a cathode contact is not placed laterally centered on the cathode foil when viewed on a rolled cathode foil.
  • Placement of the cathode contact within the coil is for example possible to arrange the cathode contact in the vicinity of a lateral edge of the cathode foil, so that it is arranged in the winding far outside or far inside. It is not necessary to place further cathode contacts in a central region of the coil in order to reduce the web resistance.
  • the cathode contact is placed so that it is at least twice as far from a lateral edge as from the other lateral edge of the
  • a plurality of cathode terminals protrude from a lid of the housing.
  • Cathode terminals for example, connected to cathode contacts, which are connected within the coil with the cathode foil.
  • the cathode contact can also be arranged radially far out in the winding, since the bundling of the cathode film reduces the
  • a capacitor comprises a winding of cathode foil, anode foil and separators arranged therebetween.
  • the winding has an overlap-free area in which the
  • Cathodic foil is not overlapped with the anode foil.
  • the cathode film when looking at the unrolled films, in the overlap-free region, the cathode film is not covered by the anode film or does not cover the anode film.
  • the overlap-free region adjoins an overlapping region in the lateral direction, in which the cathode foil overlaps with the anode foil.
  • the lateral direction is a direction along a rolled-out film perpendicular to the winding axis.
  • the capacitor according to the further aspect can all have
  • Capacitor according to the further aspect without forming a bundling of the cathode foil in the supernatant region.
  • the capacitor has a cathode contact for contacting the cathode foil, which is arranged in the overlap-free region.
  • the cathode contact is arranged only in the overlap-free region on the cathode foil. In this way, the education of potential
  • the overlap-free region is disposed at a lateral edge of the cathode foil. It can be about the edge, in the winding to
  • Winding center is adjacent, or is arranged on the side surface of the roll.
  • Cathode film requires little additional effort. There may also be overlap-free regions on both lateral edges and contact elements arranged thereon.
  • Such an embodiment is particularly advantageous in a bundling of the cathode films in the supernatant region, since by the bundling even with an arrangement of the Cathodic contact at the lateral edge of the web resistance can be kept low.
  • the overlap-free region is arranged in the lateral direction between two overlapping regions.
  • the supervision is on the
  • Overlap-free region may in particular be a laterally central region of the cathode foil.
  • the cathode contact is centered and the resistance of the web is not increased.
  • the anode foil can be divided into two separate subregions, between which the overlap-free region lies. Since the sections are separated from each other, it is
  • the anode foil may also have only one recess which does not represent a separation of the anode foil.
  • the recess does not extend from an end face to the opposite end face of the roll. In this case, a single anode contact is sufficient for contacting the anode foil.
  • Railway resistance can also have multiple anode contacts
  • Capacitor act According to the method, a coil having a
  • Anode foil indicated a cathode foil and separators arranged therebetween.
  • the winding has a
  • Projection region in which the cathode film protrudes beyond the anode foil is a frontal region of the coil.
  • the incision can run perpendicular to the winding axis.
  • the incision can run through several layers of the cathode foil. Subsequently, several layers of the cathode foil in the region between the incision and the end face of the coil
  • this is a pair of pliers or another
  • a direct electrical connection is produced in a contact point, so that a current flow can take place, for example, in the radial direction between the layers.
  • Figure 1 shows an embodiment of a capacitor in
  • FIG. 2 shows a further embodiment of a capacitor in a lateral perspective view
  • FIGS. 3A and 3B show a cathode foil of the capacitor
  • FIG. 1 in an unwound form and with a schematically illustrated current flow
  • FIGS. 4A to 4C process steps in the production
  • FIGS. 5A, 5B and 5C show a further embodiment of a
  • FIG. 6 shows a detail of a further embodiment of a
  • FIG. 7 shows a further embodiment of a condenser in a lateral view with schematically represented current flow
  • FIG. 8 shows a detail of a capacitor in cross section
  • FIG. 9 shows a detail of a further capacitor in FIG.
  • Figures 11A and 11B show another embodiment of a
  • Figures 12A, 12B and 12C unrolled films another
  • FIG. 13 shows unrolled foils of a further embodiment of a capacitor in a perspective view
  • Figures 14A and 14B show another embodiment of a
  • FIGS. 15A and 15B show a further embodiment of a
  • FIG. 1 shows an embodiment of a capacitor 1 comprising a winding 2 made of cathode foils 3, anode foils 4 and separators 5 arranged between them (see FIG. 5A).
  • the capacitor 1 can be, for example, an electrolytic capacitor, for example an aluminum electrolytic capacitor.
  • the separators 5 are impregnated with an electrolyte. It may also be, for example, a polymer electrolytic capacitor or a
  • Hybrid polymer electrolytic capacitor act.
  • the cathode foils 3, anode foils 4 and separators 5 are arranged such that between the cathode foil 3 and the anode foil 4 a separator 5 is present on both sides as a spacer.
  • a winding hole 51 In the middle of the roll 2 is a winding hole 51 around which the films 3, 4, 5 are wound.
  • the roll 2 has a projection region 6 in which the cathode foil 3 projects beyond the anode foil 4 and the separators 5. In the supernatant region 6 is thus only the cathode foil 3.
  • the Uberstands Scheme 6 is located at a front end of the coil. 1
  • connection 7 is a connection 7 to
  • Front side of the capacitor 1 is arranged.
  • At least one incision 10 is present in the cathode foil 3. It also can
  • incisions 10, 11 may be introduced, for example, an incision 11 on an opposite side of the coil 2, as shown here.
  • the incisions 10, 11 each extend through one or more adjacent layers 9 of the cathode foil 3.
  • the layers 9 are not completely separated from the rest of the cathode film 3, since the incision 10 is not all around the winding 2. For example, the extends
  • the incision is about 1 mm away from the end face winding end.
  • the incision can be made by a knife or other cutting tool.
  • Subregions of the layers 9 mechanically flexible.
  • flexible strips 12, 13 are produced in the individual layers 9. This makes it possible, the layers 9 without further
  • the strips 12, 13 are also electrically connected directly to one another at the respective contact point 14, 15.
  • the contact point 14, 15 forms a "bypass", so that the
  • Cathode contact 30 can take place.
  • the contact points 14, 15 thus each represent a central contacting of a plurality of layers 9 and are hereinafter also referred to as central
  • permeability of the contact In this case, more than two incisions 10, 11 may be useful.
  • the incision 10, 11 in the present case does not pass through all the layers 9 of the cathode foil 3, but extends from the outermost layer 16 through further layers 9, but not up to the innermost layer 17.
  • the innermost layer 17 is the position that is closest to the winding axis 100.
  • the contact points 12, 13 connect only the provided with the incisions 10, 11 layers.
  • the electrical connection at the contact points 14, 15 may be, for example, a welded connection.
  • a welded connection In particular, laser welding and electric spot welding are considered here. Due to the fact that the welded connection takes place in the projection region 6, which is thermally well separated from the sensitive separator region by the recess 10, 11, the thermal load during the welding process does not damage the separators
  • Connection can alternatively or additionally also by
  • FIG. 2 shows a further embodiment of a capacitor 1 with directly electrically connected layers 9 of the cathode foil 3 in the projection region 6.
  • the incisions 10, 11 lead here in each case through all the layers 9, in particular from the outermost layer 16 to the innermost layer 17. Likewise, all the layers 9 are in the contact points 14, 15
  • a plurality of cathode contacts 30 and anode contacts 36 are formed, which are electrically connected in the winding to the cathode foil 3 or anode foil 4.
  • the cathode contacts 30 and anode contacts 36 are as
  • the cathode contacts 30 are connected to a common cathode terminal (not shown here) and the anode contacts 36 with a common
  • FIG. 3A shows the cathode foil 3 of the capacitor 1 from FIG. 1 in unwound or unrolled form.
  • FIG. 3B shows a schematic representation of the flow of current 18 from the outermost layer 16 to the connection 7.
  • the first cuts 10 are present in alternating sequence with the second cuts 11.
  • the contact points 14, 15 alternate.
  • the current flow 18 is from the outermost layer 16 to the position at which the
  • Cathode contact 30 is arranged. Thus flows AC, after it has flowed far away from the winding center through the winding, low impedance over the
  • the incisions 10, 11 and the contact points 14, 15 do not reach into the innermost layer 17.
  • the innermost layer 17 is the position that is closest to the winding center. Since the cathode contact 30 is not laterally arranged centrally on the cathode foil 3, but closer to the edge of the winding center edge than at the opposite edge of the
  • Cathode sheet 3 is achieved due to the long current paths the greatest effect in reducing the ESR by the bypasses of the outermost layer 16 and adjacent thereto layers.
  • the non-central arrangement of the cathode contact 30 may be advantageous in capacitors 1 with radial design in order to place a position of the terminal 7 at a sufficient distance to a housing of the capacitor can.
  • the cathode contacts 30 When contacting by means of a plurality of cathode contacts 30 according to Figure 2, the cathode contacts 30 are arranged at different positions of the cathode film 3 union.
  • a cathode contact 30 is arranged in the middle of the individual bundle.
  • FIGS. 4A to 4C show process steps in the production of a capacitor 1, for example the capacitor 1 from FIG. 1.
  • the winding 2 has a
  • Capacitor 1 has terminals 7, 8 for electrical
  • Incision 10 inserted into the supernatant region 6.
  • the incision 10 is introduced by means of a cutting tool 19, for example a knife.
  • the incision 10 leads through partial regions of several adjacent layers 9 of the cathode foil 3.
  • the bundling is done, for example, with a pair of pliers 20. In the same
  • the layers 9 can be electrically connected to each other in the bundle 40.
  • a point welding process using the forceps 20 performed.
  • Bundling and electrical contact can be inserted one or more further cuts and contact points, for example, as shown in Figure 1, an incision 11 and a contact point 15 on an opposite side of the coil. 2
  • FIG. 5A shows a further embodiment of a
  • Capacitor 1 A winding 2 of a capacitor 1 is shown, which is designed as shown in FIG.
  • the capacitor 1 is shown in longitudinal section, wherein the winding 2 is rotated in comparison to Figure 1 by 90 ° about the winding axis 100.
  • the housing 21 in which the winding 2 is arranged.
  • the housing 21 is designed in particular as a cup with a bottom 23 and a housing opening 28.
  • the housing opening 28 is closed by a cover 29. This may be a rubber stopper and a rubber stopper
  • the cathode foil 3 is not contacted via cathode contact 30, which within the coil 2 with the
  • Cathode sheet 3 is contacted. Instead, they are
  • Housing 21 is guided. This allows a low-inductive current flow and thus causes a reduction of the ESL).
  • the bundles 40, 41 of the cathode foil 3 are connected to a connecting piece 24 and the
  • Connector 24 electrically connected to the bottom 23 of the housing.
  • the connecting piece 24 encloses, for example as a bracket 25, each bundle 40, 41 and connects the bundles 40, 41 via a web 26.
  • the brackets 25 are electrically connected to the bundles 40, 41, in particular welded.
  • the web 26 is electrically connected to the bottom 23 of the housing 21, in particular welded.
  • the bottom 23 has an inwardly facing elevation 27.
  • the connecting piece 24 is strip-shaped, for example.
  • the connecting piece 24 has, for example, a metal, in particular aluminum.
  • the connection to the bottom 23 can be generated, for example, by means of a welding electrode which is guided through the housing opening and the central winding hole.
  • the bundles 40, 41 with the contact points 14, 15 not only serve for the internal electrical connection of the layers 9 the cathode foil 3, but also for electrical connection to the bottom 23 via the connecting piece 24th
  • connection 7 is electrically connected to the housing 21 from the outside. This may in particular be a
  • the Plate which is attached to the outside of the housing. It may also be a so-called “starter”, which is fastened inside the housing 21, in particular at the flange 15.
  • the inserter can be welded to the housing 21.
  • terminals 8 are in relation to the
  • the terminals 8 may have different distances to the winding axis 100.
  • one of the connections for contacting a region of the anode foil 4 closer to the winding axis 100 can be used and the further connection for contacting a further away from the winding axis 100
  • FIG. 5B schematically shows the current flow 18 in the capacitor 1 from FIG. 5A.
  • FIG. 5C schematically shows the flow of current 18 from the bundles 40, 41 via the connecting piece 24 to the bottom 23 of the housing 21.
  • the coil 2 is asymmetrically installed so that the anode contacts 36 are located at different radial positions.
  • the asymmetric installation requires a larger housing 21.
  • suitable measures such as an asymmetric cover 29 and asymmetrical connections 8, the winding 2 can also be arranged symmetrically in the housing 21, so that no enlarged housing 21 is necessary.
  • connection 7 for contacting the cathode foil 3 and two connections 8 for contacting the anode foil 4 are arranged on the same front side of the capacitor 1.
  • Anode connections 8 pass through into the opening 28 of the
  • capacitors 1 shown in radial design due to the increased space requirements in the normal case.
  • the cathode terminal 7 does not lead into the housing 21 through the opening 28, the space for a further terminal 8 of the anode foil 4 can be used.
  • two regular terminals, for example in the form of paddle tabs, can be used for a double contacting of the anode foil 4.
  • the double plus contact makes it possible in particular
  • Diameters for example, diameters of 18 mm and more to use for applications with large alternating current. Due to the double plus contact, the resistance of the rail can Anode foil can be significantly reduced. This leads to a reduction of the ESR. For example dominated by
  • FIG. 6 shows an alternative embodiment of the invention
  • Connecting piece 24 for contacting the arranged in the bundle 40, 42 strips 12, 13 with the bottom 23 of the housing 21.
  • the connector 24 no brackets 25, but is in each case only on one side of the bundles 40, 42 attached.
  • FIG. 7 shows a further embodiment of a capacitor 1 with a schematically illustrated current flow 18.
  • anode terminal 8 In contrast to the capacitor of FIGS. 5A to 5C, a design with strip-shaped anode contacts 36 is shown here, wherein in each case a plurality of anode contacts 36 are formed for connection to an anode terminal 8. For example, it is a Lötkrallen- or screw.
  • three anode contacts 36 are connected to one terminal, so that a total of six
  • FIG. 1 is an electrolytic capacitor. A detail of a capacitor 1 is shown in cross-section. The capacitor 1 has
  • it is the capacitor 1 of Figure 1.
  • the capacitor 1 can not the
  • Capacitor 1 for example, formed according to Figure 4A.
  • Cathode contact 30 is disposed between the cathode foil 3 and a separator 5.
  • the cathode contact 30 is
  • Anodenfolie 4 and another separator 5 are for example made of paper and are impregnated with a liquid electrolyte 32.
  • the cathode contact 30 and the cathode foil 3 have a curvature 34, so that below the cathode contact 30, a gap 33 is formed in the form of a tunnel.
  • the curvature arises for example by cold welding of the
  • the capacitor 1 is present in two different
  • the capacitor 1 is in a new state shown in which sufficient electrolyte 32 is present to fill the gaps 33 sufficiently. This is a large area of the separator 5 in electrical contact with
  • the capacitor 1 is already older and the gaps 33 are not sufficiently filled with the electrolyte 32.
  • a cavity between the cathode foil 3 or cathode contact 30 and separator 5 is formed here. These critical areas are marked by crosses. In particular, in the tunnel-like gap 33 below the cathode contact 30 are such places.
  • the cathode contact 30 Since the cathode contact 30 is not roughened, it has only a small specific surface capacitance and thus has only a small influence on the separator or electrolyte potential compared to the anode foil 4. Thus, the cathode contact 30 can hold the electrolyte 32 at the cathode potential only to a limited extent. This will be the
  • Cathode film 3 are, an almost constant potential. These potential differences generate equalizing currents, which can change the capacitor 1 in some dangerous way.
  • the capacitors 1 can burst, corrode or it can form deposits that lead to short circuits.
  • the cavities under the Cathode sheet 3 Cu crystals in the separator 5 form.
  • gaps 33 may also increase the ESR at low temperatures.
  • Figure 9 shows a detail of a capacitor 1 with a
  • the two cathode foils 3, 35 can be galvanically connected. However, a dynamic coupling via surface oxide layers may also be sufficient in order to keep both cathode foils 3, 35 at the same potential.
  • the condenser 1 in new and in the right part of the picture, the condenser 1 is shown in an older state. With a new capacitor 1 is sufficient
  • a large area of the separator 5 is in direct electrical contact with the cathode foil 3, so that the potential differences are reduced.
  • the upper separator 5 is also partially dominated by the anode foil 4 here. It thus remain through a
  • electrochemical changes in the electrolyte 32 or the surfaces can be reduced.
  • no breakdown would occur.
  • Double cathode foils is to use a cathode contact 30 with an artificially raised surface
  • Cathode contact 30 may then better stabilize the separator 5 or nearby electrolyte 32 at cathode potential.
  • FIGS. 10A and 10B show an embodiment of a capacitor 1 in a side view on unrolled films and in a perspective view on the unrolled films.
  • the capacitor 1 has, for example, the contact points in the overlap region according to FIG. However, the capacitor 1 may also be formed without such contact points, such as the capacitor of Figure 4A.
  • Foil assembly 10 is a winding mandrel 50 and there the Winding direction of the winding mandrel 50 shown. Thus, the leftmost in the figure area of the
  • Foil assembly 10 to lie in the vicinity of the winding hole.
  • the rightmost region in the figure forms the radially outer edge of the roll 2.
  • the anode foil 4 is arranged at the top in order to better position it
  • the capacitor 1 has anode contacts 36, which are arranged at different positions on the anode foil 4.
  • the anode contacts 36 are strip-shaped.
  • the anode contacts 36 are here as
  • the film arrangement 10 has an overlap-free region 37, in which the cathode film 3 is not covered by the anode film 5. In other words, in supervision in the
  • the overlap-free region 37 laterally adjoins a region 38 in which the cathode foil 3 and the anode foil 5 overlap.
  • the lateral direction is horizontal in the figure.
  • the separators 5 and the cathode foil 3 are present.
  • the cathode contact 30 is arranged in the overlap-free region 37. In this way, the formation of critical points as in connection with Figures 2 and 3
  • the cathode contact 30 is thus not disposed at a position where the cathode foil 3 overlaps with the anode foil 4. This can be a training local
  • Electrolyte areas are prevented with other potential. This is especially in rapid reloading or
  • Such a capacitor 1 can be permanently exposed to alternating voltages up to the rated voltage, if in this case the
  • the capacitor 1 also has anode contacts 36, which are arranged at different positions on the anode foil 4.
  • the anode contacts 36 are strip-shaped.
  • the anode contacts 36 are formed here as Mehrfachrome réelle the anode, as seen for example in Figure 2 for three anode contacts 36.
  • the overlap-free region 37 extends from an end edge of the cathode foil 3 along the winding axis 100 to the opposite end edge of the cathode foil 3.
  • the overlap-free region 37 does not extend to the opposite edge.
  • the overlap-free region 37 is in a lateral
  • Overlap-free area 37 extends in the lateral direction over more than one turn in the winding 2. In this case, the problem of splitting in both radial directions can be avoided. Alternatively, the overlap-free region 37 can only exceed a maximum of one turn in the winding 2
  • the overlap-free region 37 can lie in the winding 2 in a radially outer region of the capacitor 1 or in a central region of the capacitor 1, depending on which lateral edge the region 37 is formed.
  • the radial direction runs in the winding 2 perpendicular to the winding axis 100.
  • the lateral direction runs in the winding 2 spirally along a film.
  • the sheet resistance of the cathode foil 3 increases in relation to an arrangement centrally on the
  • Capacitor 1 is so small that the track resistance is negligible.
  • Figure IOC shows the film assembly of Figures 4A and 4B in a wound form in cross section. It is shown here only an outer region of the coil 2.
  • the anode contacts 36 are not shown here.
  • Anode foil 4 (also referred to as anode layers 31)
  • the term "layer” refers to the region of a film which is arranged within a winding.
  • Different layers are regions of a cathode foil or anode foil or of the separators which are arranged one above the other in the radial direction.
  • the two separators are not considered separately, so that two separator layers to one of the separators or to
  • the cathode contact 30 is from the outside of only one
  • the overlap-free region 37 extends over more than one winding. In other words, the stretches
  • overlap-free region 37 over more than one cathode layer 9.
  • the overlap-free region 37 is present in mutually closest cathode layers 9a, 9b.
  • no anode foil 4 is present between two nearest separator layers 6a, 6b.
  • the separator layer 6a adjacent to the separator layer 6a, the
  • Cathode contact 30 is in a direction radially inward closest, no anode foil 4 at.
  • Cathode contact 30 as follows: separator layer 42 - cathode contact 30 - cathode layer 9a - separator layer 42a separator layer 42b - cathode layer 9b - separator layer 42 - anode layer 31, and so on.
  • separators 5 in such a way, for example, to provide recesses that not two separator layers 42a, 42b adjoin one another, but only one separator 5 between the two adjacent ones
  • Cathode layers 9a, 9b is located.
  • the anode foil 4 is adjacent to the separator layer 42a, which is closest to the cathode contact 30 in a radially inward direction.
  • the gap problem is corrected only in a radial direction, in particular radially outward. This may already be sufficient for certain cases.
  • FIG. 11A shows a further embodiment of a capacitor 1, in which the embodiments with bundle 40 and contact point 14 in a projection region 6 are combined with the embodiment of the cathode contact 30 in the non-overlapping region 37.
  • Figure 11B shows this
  • Embodiment with schematically drawn current flow Embodiment with schematically drawn current flow.
  • the overlap-free area 37 is at the edge of the capacitor
  • the overlap-free area 37 is in the winding
  • Anodenfolie 4 is adjacent - with a separation by
  • the cathode contact 30 leads out at the other front end of the coil 2 than the anode contacts 36.
  • the cathode contact 30 is bent outside of the coil 2 in the direction of the winding center.
  • the cathode contact 30 is to an elevation 27 in a central region in the bottom 23 of the
  • the capacitor 1 is designed in particular as an axial capacitor. Furthermore, in contrast to the capacitor from FIG. 1C, in the formation of the coil 2 the winding mandrel 50 is arranged above the foil arrangement 10 according to FIG. 10A.
  • Cathode contact 30 the sheet resistance of the cathode foil 3 low.
  • the sheet resistance of the anode foil 4 is achieved by a double contacting by means of two anode contacts 36
  • the capacitor 1 thus has a high degree of homogeneity with a low resistance to the web.
  • FIG. 11B shows schematically the current flow 18 at
  • FIGS. 12A and 12B show a further embodiment of a capacitor illustrated by a foil arrangement 10 of the unrolled foils in a lateral view and
  • overlap-free area 37 join overlapping areas 38, in which the anode foil 4 with the
  • Cathodic foil 3 overlaps.
  • the overlap-free region 37 also extends here from an end-side edge of the foils to the
  • the anode foil 4 is in two sub-films 4a, 4b
  • the track resistance (ESR) is only slightly changed in this structure.
  • the overlap-free area 37 extends from
  • FIG. 12C shows the films in wound form in FIG.
  • the cathode contact 30 is arranged in both lateral directions between a multiplicity of separator layers 42, cathode layers 9, and anode layers 31. Furthermore, here is in the
  • Foil assembly 10 is located.
  • the winding with a winding mandrel is the winding with a winding mandrel
  • Cathode layer 9a on which the cathode contact 30 is applied, and the closest to the outside and inward
  • two separator layers 42a, 42b and 42c, 42d lie directly against each other. Specifically, adjacent to the cathode contact 30 in the radially inward direction, that is, as seen in the winding hole 51, two separator layers 42a, 42b are directly adjacent to each other so that neither a cathode layer 9 nor an anode layer 31 is interposed therebetween. Also seen in the radial direction to the outside, the closest to the cathode contact 30 separator layers 42c, 42d are directly adjacent to each other.
  • the overlap-free region 37 may be narrow at the location of the cathode contact 30 and another overlap-free region 37 may be provided at a position which is below or below the winding 2.
  • FIG. 13 shows a further embodiment of a
  • the overlap-free region 37 is not completely formed by a first end-side edge to the opposite end-side edge, but only leads a short distance from the first end-side edge in the direction of the
  • the overlap-free region 37 is thus formed by a recess in a contiguous anode foil 4.
  • the cathode contact 30 is here shortened compared to the cathode contact 30 of Figure 12A, so that he does not in the
  • overlapping area 38 extends.
  • Reduction of the sheet resistance can be provided 36 more anode contacts 36 here.
  • the capacitor 1 can also be several overlap-free
  • Have areas 37 for example, a combination of overlap-free areas 37 at the lateral edge, for example according to Figure 10A, and in the central position, for example according to the figures 12A or 13th Figs. 14A and 14B show another embodiment of a capacitor 1, which is similar to Fig. 11A.
  • Projection region 6 into two bundles 50, 51 bundled with central contact points 50, 51.
  • anode contacts 36 which are connected to two anode terminals 8.
  • the anode terminals 8 are connected via bushings through the lid 29 with the anode contacts 36.
  • Anode connections 8 can, for example, with a
  • the cathode contact 30 is arranged analogously to FIG. 11A in an overlap-free region 37, which, however, does not lie entirely at the lateral edge of the cathode foil 3 here.
  • Cathode contact 30 is also here with the housing 21st
  • the cathode terminals 7 are formed by a solder star.
  • FIG. 15B schematically shows the current flow 18 in the capacitor 1 from FIG. 15A.
  • this capacitor 1 has only about half
  • FIGS. 16A and 16B show a further embodiment of a capacitor 1 with at least one central one
  • the cathode foil 3 is contacted by two cathode contacts 30 in the winding 2.
  • the cathode contacts 30 are located
  • the cathode contacts 30 are arranged far outward in the radial direction. These can be relatively broad and long stripes.
  • the cathode contacts 30 may, but need not, be disposed in an overlap-free area. Due to the central contact point 14, a low ESR can be achieved despite the decentralized arrangement of the cathode contacts 30 in the vicinity of the side surface.
  • the cathode contacts 30 are each formed for connection to a cathode terminal 7 (negative connection).
  • Cathode connections 7 are presently designed as screw terminals and have tabs 39 for contacting the
  • Cathode contact 30 is not yet connected to the cathode terminal 7.
  • the anode terminal 8 (positive connection) is formed for example by a regular screw terminal. There may also be two such anode terminals 8, the
  • the anode terminal 8 is connected to a plurality of anode contacts 36.
  • the anode contacts 36 are for example in an angular position relative to the winding axis by +/- 90 ° relative to the cathode contacts 30 are arranged.
  • the anode contacts 36 are connected to the anode terminal 8, as shown in FIG. 16A. Thereafter, the lid 29 is rotated to the winding 2 and the cathode contacts 30 are connected to the tabs 39 of the cathode terminals 7, as shown in Figure 16B.
  • This halved inductance for the interior of the capacitor 1 can also be continued outside the circuit, for example, by a low-inductance contact with three rails, which may be formed approximately coaxially.
  • This embodiment is particularly useful, for example
  • Electrolytic capacitor batteries from large eran gleich- electrolytic capacitors advantageous. With such batteries, less is due to the size of the capacitors
  • Bundling 40, 41 of the cathode foil 3 in a supernatant region 6 and / or the arrangement of the cathode contact 30 in an overlap-free region 37 of the cathode foil 3 may be used individually or in combination at different
  • Capacitors 1 are used.
  • such embodiments are in the case of capacitors 1 in the axial design.
  • the cathode foil 3 is electrically connected to the housing 21.
  • other types e.g. Designs based on the axial design, e.g. the designs with vertical or horizontal soldering star, horizontal pressfit or SMD can be carried out in this way.
  • Particularly advantageous embodiments of this type can also be present in high-voltage capacitor batteries.
  • Such capacitors are usually snap-in or
  • Screw-type electrolytic capacitors constructed. Due to the low capacitance of the high-voltage capacitors, they are also exposed to high alternating voltages at high alternating currents and typical frequency components of 50 to 300 Hz, which can lead to asymmetry problems caused by the

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Abstract

Ein Kondensator weist einen Wickel (2) aufweisend eine Kathodenfolie (3), eine Anodenfolie (4) und dazwischen angeordnete Separatoren (5) auf. In einem Überstandsbereich (6), in dem die Kathodenfolie (3) über die Anodenfolie (4) übersteht, sind mehrere Lagen (9) der Kathodenfolie (3) zu einem Bündel (40, 41) angeordnet und direkt elektrisch miteinander verbunden.

Description

Beschreibung
Kondensator und Verfahren zur Herstellung eines Kondensators
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kondensator,
insbesondere einen Elektrolytkondensator. Der Kondensator weist einen Wickel aus einer Anodenfolie, Kathodenfolie und Separatoren auf. Ein derartiger Kondensator ist
beispielsweise in der Patentschrift EP 2169695 B beschrieben. Der Kondensator kann beispielsweise als Elektrolytkondensator nur mit einem flüssigen Elektrolyten, als Polymer- Elektrolytkondensator mit einem festen Polymer-Elektrolyten oder auch als Hybrid-Polymer-Elektrolytkondensator mit einem festen Polymer-Elektrolyten als auch einem flüssigen
Elektrolyten ausgebildet sein.
Bei Kondensatoren mit großen Durchmessern und daher langen Elektrodenbahnen kann es bei Wechselströmen zu nennenswerten elektrischen Verlusten in den Elektrodenbahnen kommen.
Insbesondere eine dünne Kathodenfolie hat einen großen Anteil an diesen Verlusten. Dabei kann der ESR („equivalent series resistance" - äquivalenter Serienwiderstand oder
Ersatzserienwiderstand) der Kathodenfolie den gesamten ESR des Kondensators dominieren und die Wechselstrombelastbarkeit limitieren. Beispielsweise kann dies bei Hybrid-Polymer- Kondensatoren bei Durchmessern schon ab 12 mm und bei
Niedervolt-Elektrolytkondensatoren in radialer Bauform ab 18 mm ein limitierender Faktor sein.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen
verbesserten Kondensator und ein Verfahren zur Herstellung eines Kondensators anzugeben. Insbesondere können spezifische Ausführungsformen der Erfindung einen reduzierten ESR und/oder ESL („equivalent series inductance" - äquivalente Serieninduktivität oder Ersatzserieninduktivität) aufweisen.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung weist ein Kondensator einen Wickel aus Kathodenfolie, Anodenfolie und dazwischen angeordnete Separatoren auf. Der Wickel weist an einem stirnseitigen Ende einen Überstandsbereich auf, in dem die Kathodenfolie über die Anodenfolie übersteht. Im Überstandsbereich sind mehrere Lagen der Kathodenfolie zu einem Bündel angeordnet und dort direkt elektrisch
miteinander verbunden. Als Lagen werden dabei Bereiche der jeweiligen Folie bezeichnet, die in radialer Richtung
übereinander angeordnet sind. Im Überstandsbereich steht die Kathodenfolie insbesondere auch über die Separatoren über, so dass hier keine anderweitige Folie zwischen benachbarten Lagen der Kathodenfolie angeordnet ist.
Die Kathodenfolie weist beispielsweise eine Aluminiumfolie auf, die mit einer Beschichtung versehen ist. Die
Beschichtung ist insbesondere ein Dielektrikum. Bei der
Beschichtung handelt es sich beispielsweise um eine
Aluminiumoxid, Titanoxid- oder KohlenstoffSchicht . Die
Kathodenfolie kann über ihre gesamte Fläche die Beschichtung aufweisen. Die Beschichtung ist insbesondere homogen über die gesamte Fläche ausgebildet. Die Kathodenfolie weist
insbesondere keine Bereiche auf, die nicht mit der
Beschichtung versehen sind. Es können dabei lediglich
Schnittkanten, die beim Zuschneiden der Folie entstehen, frei von der Beschichtung sein. Ebenso kann die Anodenfolie eine Aluminiumfolie aufweisen. Auch die Anodenfolie kann eine Beschichtung aufweisen. Durch die direkte Verbindung von Lagen der Kathodenfolie wird ein abgekürzter Weg für den Strom zur Verfügung gestellt. Insbesondere kann der Strom im Bündel radial fließen, so dass der Strom nicht den langen helikalen Weg entlang der
gewickelten Folie nehmen muss. Somit kann der wirksame
Bahnwiderstand der Kathodenfolie reduziert werden, was insbesondere für Kondensatoren mit großem Durchmesser zu einer deutlichen Reduzierung von Verlusten führt. Somit kann der ESR reduziert und die Wechselstrombelastbarkeit erhöht werden .
Die gebündelten Lagen der Kathodenfolie sind insbesondere miteinander verschweißt, beispielsweise durch Laser-Schweißen oder Elektro-Punktschweißen . Alternativ kann die elektrische Verbindung auch durch mechanische Bearbeitung beispielsweise Quetschen der Lagen erfolgen.
Die elektrische Verbindung der Lagen ist beispielsweise an einem Kontaktpunkt im Bündel vorhanden. Dieser Kontaktpunkt ist insbesondere ein lokaler Bereich, in dem ein Stromfluss zwischen einer Vielzahl von Lagen in radialer Richtung erfolgen kann. Insbesondere kann somit der Strompfad von einer Lage, die entlang der gewickelten Kathodenfolie weit von einem Kathodenanschluss entfernt ist deutlich verkürzt werden. Der Stromfluss kann dabei in radialer Richtung über mehrere Lagen zu einer Lage im Bündel erfolgen, die den kürzesten Weg zum Kathodenanschluss aufweist. Abhängig von der Kontaktierungsart der Kathodenfolie kann beispielsweise ein abgekürzter Strompfad für eine äußere Lage im Wickel bereitgestellt werden.
Um die Bildung des Bündels der Lagen der Kathodenfolie zu erleichtern, ist es vorteilhaft, die mechanische Flexibilität der Lagen der Kathodenfolie im Überstandsbereich zu erhöhen. Somit kann bei der Bündelung eine Beschädigung des restlichen Wickels durch mechanische Deformation verhindert werden. In einer Ausführungsform weist der Wickel im Überstandsbereich einen Einschnitt in der Kathodenfolie auf. Der Einschnitt verläuft dabei durch mehrere radial benachbarte Lagen der Kathodenfolie. Insbesondere erstreckt sich der Einschnitt durch alle Lagen, die Teil des Bündels sind. Der Einschnitt verläuft beispielsweise senkrecht zur Wickelachse.
Durch den Einschnitt wird die mechanische Flexibilität der zu bündelnden Bereiche erhöht, so dass eine Verformung dieser Bereiche nicht zu einer Verformung des aktiven Bereichs des Wickels führt. Somit sind die im Bündel befindlichen Bereiche der Kathodenfolie vom Rest der Kathodenfolie teilweise mechanisch entkoppelt. Beispielsweise sind aufgrund des
Einschnitts flexible Streifen in der Kathodenfolie vorhanden, die in Wickelrichtung vom Rest der Kathodenfolie getrennt, jedoch an ihren lateralen Enden mit dem Rest der
Kathodenfolie verbunden sind.
In einer Ausführungsform ist jede Lage der Kathodenfolie, d.h. von der äußersten Lage bis zur innersten Lage am
Wickelzentrum im Bündel angeordnet und direkt elektrisch miteinander verbunden. Es kann aber auch ausreichend sein, nur einen Teil der Lagen zum Bündel anzuordnen und direkt miteinander elektrisch zu verbinden. Beispielsweise sind nur die äußeren Lagen im Bündel vorhanden.
In einer Ausführungsform weist der Überstandsbereich mehrere derartige Bündel auf. Beispielsweise ist ein Bündel bei
Aufsicht auf die Wickelachse auf einer Seite bezüglich des Wickelzentrums angeordnet und ein weiteres Bündel auf der gegenüberliegenden Seite bezüglich des Wickelzentrums. Es können auch mehrere Bündel auf einer gemeinsamen Seite bezüglich des Wickelzentrums vorhanden sein. Dies kann für Kondensatoren mit großem Durchmesser vorteilhaft sein. Zudem kann durch die Ausbildung mehrerer Bündel Redundanz in der Verbindung geschaffen und die Zuverlässigkeit erhöht werden.
Der Kondensator mit gebündelten Kathodenlagen ist für eine Vielzahl von Bauformen vorteilhaft. Der Kondensator weist insbesondere ein Gehäuse auf, das in Becherform ausgebildet sein kann. Das Gehäuse west dabei einen Gehäuseboden, eine Gehäusewand und eine Gehäuseöffnung auf. Die Gehäuseöffnung ist beispielsweise durch einen Deckel verschlossen.
In einer Ausführungsform sind ein Kathodenanschluss zur Kontaktierung der Kathodenfolie und ein Anodenanschluss zur Kontaktierung der Anodenfolie durch den Deckel geführt. Diese Bauform wird auch als radiale Bauform bezeichnet.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Kathodenfolie über das Gehäuse mit dem Kathodenanschluss verbunden. Der
Kathodenanschluss kann als Draht ausgebildet sein, der senkrecht und mittig im Becherboden angeordnet ist. Diese Bauform wird auch als axiale Bauform bezeichnet. Als
zusätzlicher oder alternativer Kathodenanschluss kommen beispielsweise ein sogenannter Lötstern oder Einlegestern in Frage, der an der Seite der Gehäuseöffnung mit dem Gehäuse verbunden ist.
Die Anschlüsse können beispielsweise in Form von sogenannten „paddle tabs" ausgebildet sein, bei denen der Anschluss von außen durch den Deckel direkt in den Wickel führt und die entsprechende Folie kontaktiert. Die Anschlüsse können beispielsweise auch im Inneren des Gehäuses mit separaten Kontakten verbunden sein. Die Kontakte sind beispielsweise streifenförmig ausgebildet und führen in den Wickel zur Kontaktierung der entsprechenden Folie. Die Kontakte können eine gebogene Form zwischen dem Wickel und der Verbindung mit dem Anschluss aufweisen. Es kann sich hier insbesondere um einen lötbaren Klemmanschluss (snap-in) oder „Lötkrallenkondensator" oder um eine Schraubanschluss handeln. Es können hier auch mehrere derartige Kontakte mit einem Anschluss verbunden sein, was auch als „Multi-Tab"- Kontaktierung bezeichnet wird.
In einer Ausführungsform ist das Bündel der Kathodenfolie mit dem Gehäuse elektrisch verbunden. Insbesondere kann die
Verbindung über ein Verbindungsstück erfolgen, das direkt mit dem Bündel elektrisch verbunden ist und mit dem Gehäuse, insbesondere dem Gehäuseboden elektrisch verbunden ist.
Beispielweise kann die elektrische Verbindung durch Schweißen hergestellt sein.
In einer Ausführungsform ist im Wickel kein Kathodenkontakt zur Kontaktierung der Kathodenfolie angeordnet. Dabei ist insbesondere ein innerhalb des Wickels mit der Kathodenfolie verschweißter Kathodenkontakt gemeint. Beispielsweise erfolgt die elektrische Kontaktierung lediglich über das Bündel der Kathodenfolien. Dies kann zu einer weiteren Erhöhung der Schaltfestigkeit beitragen.
In einer Ausführungsform weist der Kondensator mehrere
Anodenanschlüsse auf, die aus dem Deckel des Gehäuses herausragen. Beispielsweise sind die Anodenanschlüsse als sogenannte Pins ausgebildet. Insbesondere kann ein
üblicherweise vorliegender Anschluss zur Kontaktierung der Kathodenfolie als weiterer Anodenanschluss umfunktioniert werden. Dabei handelt es sich beispielsweise um Anschlüsse in Form von Paddle Tabs.
Der Kathodenanschluss kann in diesem Fall beispielsweise über das Gehäuse erfolgen. Durch den Einsatz mehrerer
Anodenanschlüsse kann der Bahnwiderstand (ESR) der
Anodenfolie deutlich reduziert werden. Darüber hinaus kann durch die Aufteilung des Stromes die Magnetfelddichte und damit auch die Induktivität (ESL) reduziert werden. Dies ermöglicht insbesondere auch eine sinnvolle Nutzung von
Kondensatoren mit größerem Durchmesser.
In einer Ausführungsform ist ein Kathodenkontakt bei Aufsicht auf eine abgerollte Kathodenfolie nicht lateral mittig auf der Kathodenfolie platziert. Üblicherweise wird der
Kathodenkontakt mittig platziert, um den Bahnwiderstand gering zu halten. Durch die Bündelung der Kathodenfolien im Überstandsbereich erhöht sich der Freiheitsgrad in der
Platzierung des Kathodenkontakts innerhalb des Wickels. Somit ist es beispielsweise möglich, den Kathodenkontakt in der Nähe eines seitlichen Randes der Kathodenfolie anzuordnen, so dass er im Wickel weit außen oder weit innen angeordnet ist. Dabei ist es nicht notwendig, weitere Kathodenkontakte in einem mittigeren Bereich des Wickels zu platzieren, um den Bahnwiderstand zu reduzieren.
Beispielsweise ist der Kathodenkontakt derart platziert, dass er von einem lateralen Rand mindestens doppelt so weit entfernt ist wie von dem anderen lateralen Rand der
abgerollten Kathodenfolie. Insbesondere ist dann auch kein weiterer Kathodenkontakt vorhanden, der dem anderen radialen Rand näher liegt. Somit sind alle Kathodenkontakte
beispielsweise mindestens doppelt so weit entfernt von dem einen lateralen Rand als von dem anderen lateralen Rand der Kathodenfolie .
In einer Ausführungsform ragen mehrere Kathodenanschlüsse aus einem Deckel des Gehäuses heraus. Dabei sind die
Kathodenanschlüsse beispielsweise mit Kathodenkontakten verbunden, die innerhalb des Wickels mit der Kathodenfolie verbunden sind. Insbesondere kann der Kathodenkontakt auch radial weit außen im Wickel angeordnet sein, da durch die Bündelung der Kathodenfolie eine Reduzierung des
Bahnwiderstandes erfolgt. Somit ist es möglich, insgesamt mehr als zwei Anschlüsse auszubilden, die aus dem Deckel des Gehäuses herausragen. Dies ermöglicht eine Aufteilung der Ströme und eine Reduzierung der Induktivität.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Kondensator einen Wickel aus Kathodenfolie, Anodenfolie und dazwischen angeordnete Separatoren auf. Der Wickel weist einen überlappungsfreien Bereich auf, in dem die
Kathodenfolie nicht mit der Anodenfolie überlappt. In anderen Worten ist bei einer Sicht auf die abgerollten Folien, im überlappungsfreien Bereich die Kathodenfolie nicht von der Anodenfolie bedeckt bzw. bedeckt nicht die Anodenfolie. Der überlappungsfreie Bereich grenzt in lateraler Richtung an einen überlappenden Bereich an, in dem die Kathodenfolie mit der Anodenfolie überlappt. Die laterale Richtung ist dabei eine Richtung entlang einer abgerollten Folie senkrecht zur Wickelachse .
Der Kondensator gemäß dem weiteren Aspekt kann alle
funktionellen und strukturellen Eigenschaften des vorgehend beschriebenen Kondensators mit Bündelung der Kathodenfolie im Überstandsbereich aufweisen. Es ist aber auch denkbar, den Kondensator gemäß dem weiteren Aspekt ohne eine Bündelung der Kathodenfolie im Überstandsbereich auszubilden.
Der Kondensator weist einen Kathodenkontakt zur Kontaktierung der Kathodenfolie auf, der im überlappungsfreien Bereich angeordnet ist. Insbesondere ist der Kathodenkontakt nur im überlappungsfreien Bereich an der Kathodenfolie angeordnet. Auf diese Weise kann die Ausbildung von Potential
unterschieden und dadurch entstehenden Ausgleichsströmen verhindert oder reduziert werden. Derartige
Potentialunterschiede entstehen oftmals durch Spalte, die sich unter anderem unterhalb des Kathodenkontakts ausbilden können. Liegt unterhalb des Kathodenkontakts ein Bereich des Separators und grenzt an den Separator die Anodenfolie an, kann es dazu kommen, dass das lokale Elektrolytpotential des Separators von der Anodenfolie dominiert wird und es dadurch bei Spannungsänderungen zu unerwünschten
Potentialunterschieden kommt.
In einer Ausführungsform ist der überlappungsfreie Bereich an einem lateralen Rand der Kathodenfolie angeordnet. Es kann sich dabei um den Rand handeln, der im Wickel zum
Wickelzentrum benachbart ist, oder an der Seitenfläche des Wickels angeordnet ist. Eine Ausbildung des
überlappungsfreien Bereichs an einem lateralen Rand der
Kathodenfolie erfordert nur geringen zusätzlichen Aufwand. Es können auch überlappungsfreie Bereiche an beiden lateralen Rändern und darauf angeordnete Kontaktelemente vorhanden sein .
Eine derartige Ausführungsform ist besonders vorteilhaft bei einer Bündelung der Kathodenfolien im Überstandsbereich, da durch die Bündelung auch bei einer Anordnung des Kathodenkontakts am lateralen Rand der Bahnwiderstand gering gehalten werden kann.
In einer Ausführungsform ist der überlappungsfreie Bereich in lateraler Richtung zwischen zwei überlappenden Bereichen angeordnet. Somit befindet sich bei Aufsicht auf die
Kathodenfolie zu beiden Seiten des überlappungsfreien
Bereichs wenigstens ein überlappender Bereich. Der
überlappungsfreie Bereich kann insbesondere ein lateral mittiger Bereich der Kathodenfolie sein. Somit ist auch der Kathodenkontakt mittig angeordnet und der Bahnwiderstand wird nicht erhöht.
Die Anodenfolie kann in zwei separate Teilbereiche zerlegt sein, zwischen denen der überlappungsfreie Bereich liegt. Da die Teilbereiche voneinander separiert sind, ist es
notwendig, beide Teilbereiche separat, beispielsweise durch jeweils einen Anodenkontakt elektrisch zu kontaktieren.
Die Anodenfolie kann auch nur eine Ausnehmung aufweisen, die keine Separierung der Anodenfolie darstellt. Insbesondere reicht die Ausnehmung nicht von einem stirnseitigen Ende bis zum gegenüberliegenden stirnseitigen Ende des Wickels. In diesem Fall ist ein einziger Anodenkontakt zur Kontaktierung der Anodenfolie ausreichend. Zur Reduzierung des
Bahnwiderstandes können auch mehrere Anodenkontakte
vorgesehen sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Kondensators angegeben.
Es kann sich dabei insbesondere um den oben beschriebenen
Kondensator handeln. Gemäß dem Verfahren wird ein Wickel aufweisend eine
Anodenfolie eine Kathodenfolie und dazwischen angeordnete Separatoren angegeben. Der Wickel weist einen
Überstandsbereich auf, in dem die Kathodenfolie über die Anodenfolie übersteht. Insbesondere handelt es sich dabei um einen stirnseitigen Bereich des Wickels.
Es wird im Wickel im Überstandsbereich ein Einschnitt in die Kathodenfolie eingebracht. Der Einschnitt erfolgt
beispielsweise mit einem Messer oder einem ähnlichen
Schneidewerkzeug. Insbesondere kann der Einschnitt senkrecht zur Wickelachse verlaufen. Der Einschnitt kann dabei durch mehrere Lagen der Kathodenfolie verlaufen. Anschließend werden mehrere Lagen der Kathodenfolie im Bereich zwischen dem Einschnitt und der Stirnseite des Wickels
zusammengeführt. Insbesondere wird ein Bündel gebildet.
Beispielsweise wird hierzu eine Zange oder ein anderes
Klemmwerkzeug verwendet. Aufgrund des Einschnitts ist die mechanische Flexibilität der Lagen der Kathodenfolie in diesem Bereich erhöht, so dass eine Deformation ohne Gefahr einer Beschädigung des funktionellen Bereichs des Wickels erfolgen kann.
Es wird ein elektrischer Kontakt zwischen den
zusammengeführten Lagen hergestellt. Dies erfolgt
beispielsweise durch ein Schweißverfahren oder ein
mechanisches Verfahren. Insbesondere wird dabei eine direkte elektrische Verbindung in einem Kontaktpunkt hergestellt, so dass ein Stromfluss beispielsweise in radialer Richtung zwischen den Lagen erfolgen kann.
Weitere Ausführungsformen des Verfahrens sind im Zusammenhang mit dem oben beschriebenen Kondensator offenbart. Insbesondere sind alle Eigenschaften des vorgehend beschriebenen Kondensators als Eigenschaften des Verfahrens Aspekt offenbart. Weiterhin kann der Kondensator durch das oben beschriebene Verfahren hergestellt sein und alle strukturellen und funktionalen Eigenschaften aufweisen, die im Zusammenhang mit dem Verfahren beschrieben wurden.
Die Beschreibung der hier angegebenen Gegenstände ist nicht auf die einzelnen speziellen Ausführungsformen beschränkt. Vielmehr können die Merkmale der einzelnen Ausführungsformen - soweit technisch sinnvoll - miteinander kombiniert werden.
Im Folgenden werden die hier beschriebenen Gegenstände anhand von schematischen Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 eine Ausführungsform eines Kondensators in
seitlicher perspektivischer Ansicht,
Figur 2 eine weitere Ausführungsform eines Kondensators in seitlicher perspektivischer Ansicht,
Figuren 3A und 3B eine Kathodenfolie des Kondensators aus
Figur 1 in abgewickelter Form und mit schematisch dargestelltem Stromfluss,
Figuren 4A bis 4C Verfahrensschritte bei der Herstellung
eines Kondensators,
Figuren 5A, 5B und 5C eine weitere Ausführungsform eines
Kondensators im Längsschnitt, mit schematisch dargestelltem Stromfluss und in einem Detail im Längsschnitt ,
Figur 6 ein Detail einer weiteren Ausführungsform eines
Kondensators im Längsschnitt,
Figur 7 eine weitere Ausführungsform eines Kondensators in seitlicher Ansicht mit schematisch dargestelltem Stromfluss ,
Figur 8 ein Detail eines Kondensators im Querschnitt,
Figur 9 ein Detail eines weiteren Kondensators im
Querschnitt ,
Figuren 10A, 10B und IOC Folien einer weiteren
Ausführungsform eines Kondensators in abgerollter seitlicher Ansicht, abgerollter perspektivischer Ansicht und in gewickelter Form im Querschnitt,
Figuren 11A und 11B eine weitere Ausführungsform eines
Kondensators im Längsschnitt und mit schematisch dargestelltem Stromfluss,
Figuren 12A, 12B und 12C abgerollte Folien einer weiteren
Ausführungsform eines Kondensators in seitlicher Ansicht und perspektivischer Ansicht und in gewickelter Form im Querschnitt,
Figur 13 abgerollte Folien einer weiteren Ausführungsform eines Kondensators in perspektivischer Ansicht, Figuren 14A und 14B eine weitere Ausführungsform eines
Kondensators im Längsschnitt und mit schematisch dargestelltem Stromfluss,
Figuren 15A und 15B eine weitere Ausführungsform eines
Kondensators in seitlicher Ansicht vor und nach Anschluss eines Kathodenkontakts.
Vorzugsweise verweisen in den folgenden Figuren gleiche
Bezugszeichen auf funktionell oder strukturell entsprechende Teile der verschiedenen Ausführungsformen.
Figur 1 zeigt eine Ausführungsform eines Kondensators 1 aufweisend einen Wickel 2 aus Kathodenfolien 3, Anodenfolien 4 und dazwischen angeordneten Separatoren 5 (siehe Figur 5A) .
Bei dem Kondensator 1 kann es sich beispielsweise um einen Elektrolytkondensator, beispielsweise um einen Aluminium- Elektrolytkondensator handeln. Die Separatoren 5 sind dabei mit einem Elektrolyt getränkt. Es kann sich beispielsweise auch um einen Polymer-Elektrolytkondensator oder einen
Hybrid-Polymer-Elektrolytkondensator handeln .
Die Kathodenfolien 3, Anodenfolien 4 und Separatoren 5 sind derart angeordnet, das zwischen der Kathodenfolie 3 und der Anodenfolie 4 beidseitig ein Separator 5 als Abstandshalter vorhanden ist. In der Mitte des Wickels 2 befindet sich ein Wickelloch 51, um das die Folien 3, 4, 5 gewickelt sind.
Der Wickel 2 weist einen Überstandsbereich 6 auf, in dem die Kathodenfolie 3 über die Anodenfolie 4 und die Separatoren 5 übersteht. Im Überstandsbereich 6 befindet sich somit lediglich die Kathodenfolie 3. Der Uberstandsbereich 6 befindet sich an einem stirnseitigen Ende des Wickels 1.
Am gegenüberliegenden Ende ist ein Anschluss 7 zum
elektrischen Anschluss der Kathodenfolie 3 und ein weiterer Anschluss 8 zum elektrischen Anschluss der Anodenfolie vorgesehen. Vorliegend handelt es sich um sogenannte „paddle tabs", bei denen die äußeren Anschlüsse 7, 8 in den Wickel 2 hineinführen und dort als Kathoden- bzw. Anodenkontakte 30,
36 elektrisch mit der Kathoden- bzw. Anodenfolie 3, 4
verbunden sind. Die Anschlüsse 7, 8 sind hier an derselben
Stirnseite des Kondensators 1 angeordnet.
Im Überstandsbereich 6 ist wenigstens ein Einschnitt 10 in der Kathodenfolie 3 vorhanden. Es können auch an
verschiedenen Positionen Einschnitte 10, 11 eingebracht sein, beispielsweise ein Einschnitt 11 an einer gegenüberliegenden Seite des Wickels 2, wie hier gezeigt. Die Einschnitte 10, 11 verlaufen jeweils durch ein oder mehrere benachbarte Lagen 9 der Kathodenfolie 3.
Die Lagen 9 werden nicht vollständig vom Rest der Kathoden folie 3 abgetrennt, da der Einschnitt 10 nicht rundum um den Wickel 2 verläuft. Beispielsweise erstreckt sich der
Einschnitt 10, 11 in einem Winkelbereich relativ zur
Wickelachse 14 zwischen 60° und 140°, insbesondere um die 100°. Beispielsweise liegt der Einschnitt ca. 1 mm vom stirnseiteigen Wickelende entfernt. Der Einschnitt kann durch ein Messer oder anderes Schneidwerkzeug eingebracht werden.
Durch den Einschnitt 10, 11 sind die abgetrennten
Teilbereiche der Lagen 9 mechanisch flexibel. Insbesondere entstehen flexible Streifen 12, 13 in den einzelnen Lagen 9. Dadurch wird es ermöglicht, die Lagen 9 ohne weitere
mechanische Beschädigung des funktionellen Bereichs des Wickels 2 derart zu Bündeln 40, 41 zusammenzuführen, dass sie an Kontaktpunkten 14 bzw. 15 aneinander anliegen.
Die Streifen 12, 13 sind am jeweiligen Kontaktpunkt 14, 15 auch elektrisch direkt miteinander verbunden. Somit bildet der Kontaktpunkt 14, 15 einen „Bypass", so dass der
Stromfluss von einer radial außen gelegenen Lage 16 nicht in Windungsrichtung über die Windungen des Wickels 2 erfolgt, sondern ein Stromfluss direkt in radialer Richtung zum
Kathodenkontakt 30 erfolgen kann. Die Kontaktpunkte 14, 15 stellen somit jeweils eine zentrale Kontaktierung mehrerer Lagen 9 dar und werden im Folgenden auch als zentrale
Kontaktpunkte bezeichnet. Es kann hier ein Kontaktpunkt 14 pro Lage 9 ausreichend sein. Zwei Kontaktpunkte führen zu einer erhöhten Zuverlässigkeit.
Auf diese Weise wird der Bahnwiderstand der Kathodenfolie 3 und damit der ESR stark reduziert. Somit ist es möglich, Kondensatoren mit größeren Durchmessern, beispielsweise mit 50% größeren Durchmessern als für die jeweilige Bauform üblich, sinnvoll zu nutzen.
Der größte Effekt wird bereits bei einem einzigen Einschnitt 10 pro Windung der Kathodenfolie 3 erreicht. Ein oder mehrere weitere Einschnitte 11 führen zur Erhöhung der Zuver
lässigkeit des Kontakts. Hierbei können auch mehr als zwei Einschnitte 10, 11 sinnvoll sein.
Der Einschnitt 10, 11 führt vorliegend nicht durch alle Lagen 9 der Kathodenfolie 3, sondern erstreckt sich von der äußersten Lage 16 durch weitere Lagen 9, jedoch nicht bis zur innersten Lage 17. Die innerste Lage 17 ist dabei die Lage, die am nächsten zur Wickelachse 100 liegt. Die Kontaktpunkte 12, 13 verbinden lediglich die mit den Einschnitten 10, 11 versehenen Lagen 9.
Die elektrische Verbindung an den Kontaktpunkten 14, 15 kann beispielsweise eine Schweißverbindung sein. Es kommen hier insbesondere als Technologien Laser-Schweißen und Elektro- Punktschweißen in Frage. Dadurch, dass die Schweißverbindung im Überstandsbereich 6 erfolgt, der durch den Einschnitt 10, 11 thermisch gut vom sensiblen Separatorenbereich getrennt ist, führt die thermische Belastung beim Schweißvorgang nicht zur Beschädigung der Separatoren 5. Die elektrische
Verbindung kann alternativ oder zusätzlich auch durch
mechanische Bearbeitung, beispielsweise Verformung oder radiales Quetschen erfolgen.
Figur 2 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Kondensators 1 mit direkt elektrisch verbundenen Lagen 9 der Kathodenfolie 3 im Überstandsbereich 6.
Im Unterschied zur Ausführungsform aus Figur 1 führen die Einschnitte 10, 11 vorliegend jeweils durch alle Lagen 9, insbesondere von der äußersten Lage 16 zur innersten Lage 17. Ebenso sind alle Lagen 9 in den Kontaktpunkten 14, 15
elektrisch direkt miteinander verbunden sein.
Es ist auch möglich, dass der Einschnitt 10, 11 nicht durch alle Lagen 9 führt, jedoch der Kontaktpunkt 14, 15 alle Lagen 9 betrifft, falls zur Bündelung der Lagen 9 eine Flexibilität in einigen Lagen 9, insbesondere in den äußeren Lagen, ausreichend ist. Ein weiterer Unterschied zu Figur 1 ist die
Kontaktierungsform. Es sind hier mehrere Kathodenkontakte 30 und Anodenkontakte 36 ausgebildet, die im Wickel mit der Kathodenfolie 3 bzw. Anodenfolie 4 elektrisch verbunden sind. Die Kathodenkontakte 30 und Anodenkontakte 36 sind als
Streifen ausgebildet. Die Kathodenkontakte 30 werden mit einem gemeinsamen Kathodenanschluss (hier nicht dargestellt) und die Anodenkontakte 36 mit einem gemeinsamen
Anodenanschluss (hier nicht dargestellt) verbunden.
Die Ausführungsformen der Figuren 1 und 2 weisen eine
sogenannte radiale Bauform auf, bei der die Anschlüsse 7, 8 an der gleichen Seite des Wickels 2 angeordnet sind. Bei Kondensatoren 1 in dieser Bauform mit der Hybrid-Polymer- Technik mit hochleitfähigen festen Elektrolyten dominiert der Kathodenfolienwiderstand schon bei Durchmessern von 10 bis 12 mm, so dass schon in diesem Größenbereich durch die direkte Verbindung der Kathodenlagen in Kontaktpunkten eine deutliche Reduzierung des ESR erreicht werden kann.
Figur 3A zeigt die Kathodenfolie 3 des Kondensators 1 aus Figur 1 in abgewickelter bzw. abgerollter Form. Figur 3B zeigt in schematischer Darstellung den Stromfluss 18 von der äußersten Lage 16 zum Anschluss 7. Die ersten Einschnitte 10 sind in abwechselnder Folge mit den zweiten Einschnitten 11 vorhanden. Ebenso wechseln sich die Kontaktpunkte 14, 15 ab.
Durch die direkte Verbindung der Lagen über die Kontaktpunkte 14, 15 werden niederohmige Stromwege erzeugt, so dass der Stromfluss 18 über die Kontaktpunkte 14, 15 direkt radial nach innen erfolgen kann. Insbesondere erfolgt der Stromfluss 18 von der äußersten Lage 16 zu der Lage, an der der
Kathodenkontakt 30 angeordnet ist. Somit fließt ein Wechselstrom, nachdem er weit entfernt vom Wickelzentrum durch den Wickel geflossen ist, niederohmig über die
„Bypässe" zum Anschluss 7 zurück.
Die Einschnitte 10, 11 und die Kontaktpunkte 14, 15 reichen nicht bis in die innerste Lage 17 hinein. Die innerste Lage 17 ist dabei die Lage, die am nächsten zum Wickelzentrum liegt. Da der Kathodenkontakt 30 lateral nicht mittig an der Kathodenfolie 3 angeordnet ist, sondern näher am Rand des Wickelzentrums Rand als am gegenüberliegenden Rand der
Kathodenfolie 3, wird aufgrund der langen Strompfade der größte Effekt bei der Reduzierung des ESR durch die Bypässe der äußersten Lage 16 und dazu benachbarter Lagen erzielt.
Die nicht-mittige Anordnung des Kathodenkontakts 30 kann bei Kondensatoren 1 mit radialer Bauform vorteilhaft sein, um eine Position des Anschlusses 7 in ausreichendem Abstand zu einem Gehäuse des Kondensators platzieren zu können.
Es kann somit ausreichend sein, nur die äußeren Lagen 9 der Kathodenfolie 3 miteinander durch die Kontaktpunkte 14, 15 verbunden sind. Beispielsweise kann dies für Kondensatoren mit Durchmessern zwischen 18 und 20mm ausreichend sein. Bei Kondensatoren mit großem Durchmesser, beispielsweise einem Durchmesser von mehr als 20 mm kann es vorteilhaft sein, alle Lagen 9 mittels wenigstens eines Kontaktpunktes 14, 15 zu verbinden .
Bei einer Kontaktierung mittels mehrerer Kathodenkontakte 30 gemäß Figur 2 sind die Kathodenkontakte 30 an unterschied lichen Positionen der Kathodenfolie 3 angeordnet.
Beispielsweise sind die Kathodenkontakte 30 im Wickel 2 an derselben Seite bezüglich des Wickelzentrums an einer einheitlichen Winkelposition und an unterschiedlichen radialen Positionen angeordnet. In diesem Fall kann es sinnvoll sein, mehrere Einzelbündel aus Lagen 9 zu bilden, die jeweils einem Kathodenkontakt am nächsten liegen.
Beispielsweise ist bei jedem Einzelbündel ein Kathodenkontakt 30 in der Mitte des Einzelbündels angeordnet. Somit kann es für jeden Kathodenkontakt ein Kathodenbündel geben. Dies kann insbesondere für sehr dicke Wickel von Vorteil sein.
In den Figuren 4A bis 4C werden Verfahrensschritte bei der Herstellung eines Kondensators 1 gezeigt, beispielsweise des Kondensators 1 aus Figur 1.
Gemäß Figur 4A wird ein Wickel 2 aufweisend eine
Kathodenfolie 3, eine Anodenfolie 4 (siehe Figur 5A) und Separatoren 5 bereitgestellt. Der Wickel 2 weist einen
Überstandsbereich 6 auf, in dem die Kathodenfolie 3 über die Anodenfolie 4 und die Separatoren 5 übersteht. Der
Kondensator 1 weist Anschlüsse 7, 8 zum elektrischen
Anschluss auf.
In den Kondensator 1 wird gemäß Figur 4B von außen ein
Einschnitt 10 in den Überstandsbereich 6 eingefügt. Der Einschnitt 10 wird mittels eines Schneidwerkzeugs 19, beispielsweise eines Messers eingebracht. Der Einschnitt 10 führt durch Teilbereiche mehrerer benachbarter Lagen 9 der Kathodenfolie 3.
Dann werden wie in Figur 4C schematisch dargestellt, die mit Einschnitten 10 versehenen Lagen 9 in einem Punkt
zuammengedrückt und somit gebündelt. Die Bündelung erfolgt beispielsweise mit einer Zange 20. Im selben
Verfahrensschritt können die Lagen 9 auch im Bündel 40 elektrisch miteinander verbunden werden. Beispielsweise wird hier ein PunktSchweißvorgang mithilfe der Zange 20 durchgeführt .
Es kommen hier auch andere Verfahren zur direkten
elektrischen Verbindung in Frage, beispielsweise andere
Schweißverfahren oder auch eine Kontaktierung durch
mechanische Verformung.
Anschließend oder auch vor dem Verfahrensschritt der
Bündelung und elektrischen Kontaktierung können ein oder mehrere weitere Einschnitte und Kontaktpunkte eingefügt werden, beispielweise wie in Figur 1 gezeigt, ein Einschnitt 11 und ein Kontaktpunkt 15 auf einer gegenüberliegenden Seite des Wickels 2.
Figur 5A zeigt eine weitere Ausführungsform eines
Kondensators 1. Es ist ein Wickel 2 eines Kondensators 1 abgebildet, der wie in Figur 1 gezeigt ausgeführt ist. Der Kondensator 1 ist im Längsschnitt gezeigt, wobei der Wickel 2 im Vergleich zu Figur 1 um 90° um die Wickelachse 100 gedreht ist .
Es ist hier das Gehäuse 21 dargestellt, in dem der Wickel 2 angeordnet ist. Das Gehäuse 21 ist insbesondere als Becher mit einem Boden 23 und einer Gehäuseöffnung 28 ausgebildet. Die Gehäuseöffnung 28 ist durch einen Deckel 29 verschlossen. Es kann sich hier um einen Gummistopfen und eine
Hartpapierscheibe handeln.
Im Überstandsbereich 6 sind auf gegenüber liegenden Seiten Einschnitte 10, 11 in die Lagen 9 der Kathodenfolie 3
eingebracht. Die dadurch gebildeten beweglichen Streifen 12, 13 sind gebündelt und in zwei Kontaktpunkten 14, 15
elektrisch verbunden.
Im Unterschied zu den Kondensatoren 1 der Figuren 1 und 2 ist vorliegend die Kathodenfolie 3 nicht über Kathodenkontakt 30 kontaktiert, das innerhalb des Wickels 2 mit der
Kathodenfolie 3 kontaktiert ist. Stattdessen sind die
Kontaktpunkte 14, 15 der Bündels 40, 41 mit dem Boden 23 des Gehäuses 21 elektrisch verbunden, so dass der Strom zum
Gehäuse 21 geführt wird. Dies ermöglicht eine niederinduktive Führung des Stroms und bewirkt somit eine Reduzierung des ESL) .
Beispielsweise werden die Bündel 40, 41 der Kathodenfolie 3 mit einem Verbindungsstück 24 verbunden und das
Verbindungsstück 24 mit dem Boden 23 des Gehäuses elektrisch verbunden. Das Verbindungsstück 24 umschließt beispielsweise als Klammer 25 jeden Bündel 40, 41 und verbindet die Bündel 40, 41 über einen Steg 26.
Die Klammern 25 sind mit den Bündeln 40, 41 elektrisch verbunden, insbesondere verschweißt. Der Steg 26 ist mit dem Boden 23 des Gehäuses 21 elektrisch verbunden, insbesondere verschweißt. Dazu weist der Boden 23 eine nach innen zeigende Erhöhung 27 auf. Das Verbindungsstück 24 ist beispielsweise streifenförmig. Das Verbindungsstück 24 weist beispielsweise ein Metall, insbesondere Aluminium auf. Die Verbindung zum Boden 23 kann beispielsweise mittels einer Schweißelektrode, die durch die Gehäuseöffnung und das zentrale Wickelloch geführt wird, erzeugt werden.
Somit dienen die Bündel 40, 41 mit den Kontaktpunkten 14, 15 nicht nur zur internen elektrischen Verbindung der Lagen 9 der Kathodenfolie 3, sondern auch zur elektrischen Verbindung mit dem Boden 23 über das Verbindungsstück 24.
Der Strom wird somit von der Kathodenfolie 3 über das Gehäuse 21 geleitet. Zum elektrischen Anschluss ist beispielsweise von außen ein Anschluss 7 mit dem Gehäuse 21 elektrisch verbunden. Dabei kann es sich insbesondere um einen
sogenannten „Lötstern" handeln, d.h., eine ringförmige
Platte, die außen am Gehäuse befestigt ist. Es kann ich auch um einen sogenannten „Einlegestern" handeln, der innerhalb des Gehäuses 21, insbesondere an der Bördelung befestigt ist. Der Einlegestern kann am Gehäuse 21 angeschweißt sein.
Auf diese Weise wird es ermöglicht, zwei Anschlüsse 8, die an verschiedenen Positionen aus der Gehäuseöffnung 28
herausragen und durch den Deckel 29 geführt sind, zur
elektrischen Kontaktierung der Anodenfolie 4 zu nutzen.
Beispielsweise liegen die Anschlüsse 8 in Bezug auf das
Wickelzentrum aneinander gegenüber. Die Anschlüsse 8 können unterschiedliche Abstände zur Wickelachse 100 aufweisen.
Somit kann einer der Anschlüsse zur Kontaktierung eines näher zur Wickelachse 100 gelegenen Bereichs der Anodenfolie 4 genutzt werden und der weitere Anschluss zur Kontaktierung eines weiter von der Wickelachse 100 entfernt gelegenen
Bereichs der Anodenfolie 4 genutzt werden. Die Anschlüsse 7,
8 können mit einer Leiterplatte verbunden werden.
Figur 5B zeigt schematisch den Stromfluss 18 im Kondensator 1 aus Figur 5A. Figur 5C zeigt schematisch den Stromfluss 18 von den Bündeln 40, 41 über das Verbindungsstück 24 zum Boden 23 des Gehäuses 21. Wie in den Figuren 5A und 5B zu sehen, ist der Wickel 2 asymmetrisch eingebaut, so dass die Anodenkontakte 36 an unterschiedlichen radialen Positionen angeordnet sind. Der asymmetrische Einbau erfordert ein größeres Gehäuse 21. Durch geeignete Maßnahmen wie beispielsweise ein asymmetrischer Deckel 29 und asymmetrische Anschlüsse 8 kann der Wickel 2 auch symmetrisch im Gehäuse 21 angeordnet werden, so dass kein vergrößertes Gehäuse 21 notwendig ist.
Bei dem in den Figuren 5A bis 5C gezeigten Kondensator 1 sind ein Anschluss 7 zur Kontaktierung der Kathodenfolie 3 und zwei Anschlüsse 8 zur Kontaktierung der Anodenfolie 4 an derselben Stirnseite des Kondensators 1 angeordnet. Die
Anodenanschlüsse 8 reichen durch in die Öffnung 28 des
Gehäuses 21 hinein und sind innerhalb des Wickels 2 mit der Anodenfolie 4 verbunden. Damit ist eine Doppel- Pluskontaktierung des Kondensators 1 vorhanden.
Dies ist für Kondensatoren 1 in gezeigten radialen Design aufgrund des erhöhten Platzbedarfs im Normalfall nicht möglich. Da allerdings bei dem hier gezeigte Kondensator 1 der Kathodenanschluss 7 nicht durch die Öffnung 28 in das Gehäuse 21 hineinführt, kann der Platz für einen weiteren Anschluss 8 der Anodenfolie 4 genutzt werden. Insbesondere können zwei reguläre Terminals, beispielsweise in Form von Paddle-tabs, für eine Doppelkontaktierung der Anodenfolie 4 genutzt werden.
Die Doppel-Pluskontaktierung ermöglicht es insbesondere
Kondensatoren 1 mit radialem Design auch bei großen
Durchmessern, beispielsweise Durchmessern von 18 mm und mehr, für Anwendungen mit großem Wechselstrom einzusetzen. Durch die Doppel-Pluskontaktierung kann der Bahnwiderstand der Anodenfolie deutlich reduziert werden. Dies führt zu einer Reduzierung des ESR. Beispielsweise dominiert bei
Kondensatoren mit Durchmessern > 25 mm der Bahnwiderstand der Kathoden- und Anodenfolie den ESR. Wenn durch die
Kontaktpunkte 14, 15 der Bahnwiderstand der Kathodenfolie reduziert wurde, dominiert nur noch der Bahnwiderstand der Anodenfolie, so dass durch eine Doppel-Pluskontaktierung hier ein großer Effekt erzielt werden kann. Beispielsweise kann durch die Verdoppelung der Anzahl von Anodenanschlüssen 8 der Bahnwiderstand auf ein Viertel reduziert werden.
Figur 6 zeigt eine alternative Ausführungsform des
Verbindungsstücks 24 zur Kontaktierung der im Bündel 40, 42 angeordneten Streifen 12, 13 mit dem Boden 23 des Gehäuses 21. Hier weist das Verbindungsstück 24 keine Klammern 25 auf, sondern ist jeweils nur an einer Seite der Bündel 40, 42 befestigt .
Figur 7 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Kondensators 1 mit schematisch dargestelltem Stromfluss 18.
Im Unterschied zum Kondensator der Figuren 5A bis 5C ist hier eine Bauform mit streifenförmigen Anodenkontakten 36 gezeigt, wobei hier jeweils mehrere Anodenkontakte 36 zur Verbindung mit einem Anodenanschluss 8 ausgebildet sind. Beispielsweise handelt es sich um einen Lötkrallen- oder Schraubanschluss.
Beispielsweise werden jeweils drei Anodenkontakte 36 mit einem Anschluss verbunden, so dass insgesamt sechs
Anodenkontakte 36 zur Kontaktierung der Anodenfolie 4
ausgebildet sind. Die Kontaktierung der Kathodenfolie 3
(Minuskontaktierung) erfolgt auch hier über den Boden eines Gehäuses . Anhand von Figur 8 wird eine weitere Problemstellung bei einem Kondensator 1 erläutert. Es handelt sich dabei um einen Elektrolyt-Kondensator. Es ist ein Detail eines Kondensators 1 im Querschnitt abgebildet. Der Kondensator 1 weist
beispielsweise die vorgehend beschriebenen Kontaktpunkte 14, 15 auf. Beispielsweise handelt es sich um den Kondensator 1 aus Figur 1. Der Kondensator 1 kann auch nicht die
Kontaktpunkte 14, 15 aufweisen. In diesem Fall ist der
Kondensator 1 beispielsweise gemäß Figur 4A ausgebildet.
Gezeigt ist hier die Anordnung eines Kathodenkontakts 30 zur elektrischen Kontaktierung der Kathodenfolie 3. Der
Kathodenkontakt 30 ist zwischen der Kathodenfolie 3 und einem Separator 5 angeordnet. Der Kathodenkontakt 30 ist
insbesondere streifenförmig, insbesondere als Metallstreifen ausgebildet. Abgebildet sind zudem zwei Lagen 31 der
Anodenfolie 4 und ein weiterer Separator 5. Die Separatoren 5 sind beispielsweise aus Papier und sind mit einem flüssigen Elektrolyten 32 getränkt.
Der Kathodenkontakt 30 und die Kathodenfolie 3 weisen eine Wölbung 34 auf, so dass unterhalb des Kathodenkontakts 30 ein Spalt 33 in Form eines Tunnels gebildet ist. Die Wölbung entsteht beispielsweise durch Kaltschweißung des
Kathodenkontakts 30. Zudem können weitere Spalte 33 zwischen Separator 5 und Kathodenfolie 3 bzw. zwischen Separator 5 und Kathodenkontakt 30 vorhanden sein. Die Anodenfolie 4 liegt dagegen weitgehend an den Separatoren 5 an.
Der Kondensator 1 ist vorliegend in zwei verschiedenen
Alterungszuständen gezeigt. Links von der gestrichelten
Mittenlinie ist der Kondensator 1 in einem neuen Zustand gezeigt, in dem ausreichend Elektrolyt 32 vorhanden ist, um die Spalte 33 hinreichend zu füllen. Damit ist ein großer Bereich des Separators 5 im elektrischen Kontakt zur
Kathodenfolie 3.
Rechts von der gestrichelten Linie ist der Kondensator 1 schon älter und die Spalte 33 sind nicht hinreichend mit dem Elektrolyten 32 gefüllt. Somit ist hier ein Hohlraum zwischen Kathodenfolie 3 bzw. Kathodenkontakt 30 und Separator 5 ausgebildet. Diese kritischen Stellen sind durch Kreuze markiert. Insbesondere im tunnelartigen Spalt 33 unterhalb des Kathodenkontakts 30 liegen derartige Stellen.
Da der Kathodenkontakt 30 nicht aufgeraut ist, hat dieser nur eine geringe spezifische Oberflächen-Kapazität und hat damit im Vergleich zur Anodenfolie 4 nur einen geringen Einfluss auf das Separator- bzw. Elektrolyt-Potential. Somit kann der Kathodenkontakt 30 den Elektrolyten 32 nur in beschränktem Umfang auf dem Kathodenpotential halten. Damit wird der
Bereich des Separators 5 unter der Wölbung des
Kathodenkontakts 30 von der Anodenfolie 4 dominiert. Bei schnellen und starken Spannungsänderungen ändert sich auch das Elektrolytpotential dieser Bereiche des Separators 5. Im Gegensatz zu den von der Anodenfolie 4 dominierten Bereichen haben die Elektrolytbereiche, die in Kontakt mit der
Kathodenfolie 3 stehen, ein fast konstantes Potential. Diese Potentialunterschiede erzeugen Ausgleichsströme, die den Kondensator 1 zum Teil gefährlich verändern können.
Insbesondere bei hohen Schalt-Belastungen in der Anwendung können die Kondensatoren 1 platzen, korrodieren oder es können sich Ablagerungen bilden, die zu Kurzschlüssen führen. Insbesondere können sich in den Hohlräumen unter der Kathodenfolie 3 Cu-Kristalle im Separator 5 bilden.
Zusätzlich dazu können die Spalte 33 auch zu einer Erhöhung des ESR bei tiefen Temperaturen führen.
Figur 9 zeigt ein Detail eines Kondensators 1 mit einer
Maßnahme zur Lösung des vorgehend beschriebenen Problems.
Zur Erhöhung der Schaftfestigkeit wird hier der
Kathodenkontakt 30 mittels einer zusätzlichen Kathodenfolie 35 so abgedeckt, dass der Kathodenkontakt 30 zwischen zwei Kathodenfolien 3, 35 angeordnet ist, die auf gleichem
Potential liegen. Die zwei Kathodenfolien 3, 35 können galvanisch verbunden sein. Es kann aber auch eine dynamische Kopplung über Oberflächenoxidschichten ausreichen, um beide Kathodenfolien 3, 35 auf gleichem Potential zu halten.
Auch hier ist im linken Bildteil der Kondensator 1 in neuem und im rechten Bildteil der Kondensator 1 in älterem Zustand gezeigt. Bei einem neuen Kondensator 1 ist ausreichend
Elektrolyt vorhanden, um die Spalte 33 hinreichend zu füllen. Damit ist ein großer Bereich des Separators 5 in direktem elektrischem Kontakt mit der Kathodenfolie 3, so dass die Potentialunterschiede reduziert sind.
Bei einem älteren Kondensator 1 sind die Spalte 33 nicht mit dem Elektrolyten gefüllt, so dass Hohlräume vorhanden sind. Der untere Separator 5 ist durchgehend gut mit der
zusätzlichen Kathodenfolie 35 verbunden, so dass beim unteren Separator 5 keine kritischen Stellen vorhanden sind.
Der obere Separator 5 wird auch hier teilweise durch die Anodenfolie 4 dominiert. Es verbleiben somit die durch ein
Kreuz markierten kritischen Stellen. Ein weiterer Vorteil dieser „Doppelkathodenfolien" ist es, dass aufgrund der Anordnung des Kathodenkontakt 30 zwischen zwei Kathodenfolien 3, 35 mangels echter Potential
unterschiede keine nennenswerten Ströme fließen oder gar Überschläge entstehen. Damit können in diesem Bereich
elektrochemische Veränderungen im Elektrolyten 32 oder den Oberflächen reduziert werden. Zudem würde auch bei einer Beschädigung des Separators 5, beispielsweise durch Grate, kein Durchschlag auftreten.
Eine weitere, weniger wirksame Alternative zu den
„Doppelkathodenfolien" ist es, einen Kathodenkontakt 30 mit künstlich erhöhter Oberfläche einzusetzen. Dieser
Kathodenkontakt 30 kann dann besser den Separator 5 bzw. in der Nähe befindliches Elektrolyt 32 auf Kathodenpotential stabilisieren .
Die Figuren 10A und 10B zeigen eine Ausführungsform eines Kondensators 1 in seitlicher Ansicht auf abgerollte Folien und in perspektivischer Ansicht auf die abgerollten Folien.
Es ist somit eine Folienanordnung 10 aufweisend übereinander angeordnetem Separator 5, Kathodenfolie 3, weiterem Separator 5 und Anodenfolie 4 abgebildet, wie sie vor dem Wickelprozess vorliegt oder wie sie nach einem Abrollen der Folien
vorliegen würde.
Der Kondensator 1 weist beispielweise die Kontaktpunkte im Überlappbereich gemäß Figur 1 auf. Der Kondensator 1 kann aber auch ohne derartige Kontaktpunkte ausgebildet sein, wie beispielsweise der Kondensator aus Figur 4A.
Zur Illustrierung der Bildung des Wickels 2 aus der
Folienanordnung 10 ist ein Wickeldorn 50 und dort die Wickelrichtung des Wickeldorns 50 dargestellt. Somit kommt der in der Figur ganz links liegende Bereich der
Folienanordnung 10 in der Nähe des Wickellochs zu liegen. Der in der Figur ganz rechts liegende Bereich bildet den radial außen liegenden Rand des Wickels 2.
In den gezeigten Darstellungen ist die Anodenfolie 4 ganz oben angeordnet, um die Positionierung besser zu
veranschaulichen. Der Kondensator 1 weist Anodenkontakte 36 auf, die an verschiedenen Positionen auf der Anodenfolie 4 angeordnet sind. Die Anodenkontakte 36 sind streifenförmig ausgebildet. Die Anodenkontakte 36 sind hier als
Mehrfachkontaktierung der Anode ausgebildet, wie
beispielsweise auch in Figur 2 für drei Anodenkontakte 36 zu sehen .
Die Folienanordnung 10 weist einen überlappungsfreien Bereich 37 auf, in dem die Kathodenfolie 3 nicht von der Anodenfolie 5 bedeckt ist. In anderen Worten ist in Aufsicht im
abgerollten Zustand im überlappungsfreien Bereich 37 keine Überlappung der Kathodenfolie 3 mit der Anodenfolie 5 vorhanden. Der überlappungsfreie Bereich 37 grenzt lateral an einen Bereich 38 an, in dem sich die Kathodenfolie 3 und die Anodenfolie 5 überlappen. Die laterale Richtung verläuft in der Figur horizontal. Im überlappungsfreien Bereich 37 sind die Separatoren 5 und die Kathodenfolie 3 vorhanden.
Der Kathodenkontakt 30 ist im überlappungsfreien Bereich 37 angeordnet. Auf diese Weise kann die Ausbildung kritischer Stellen wie im Zusammenhang mit den Figuren 2 und 3
beschrieben, reduziert oder verhindert werden. Insbesondere sind weniger Spalte 33 vorhanden, in denen der Separator 5 mit der Anodenfolie 4, jedoch nicht mit der Kathodenfolie 3 in direktem Kontakt steht. Idealerweise sind alle Bereiche des mit Elektrolyt getränkten Separators 5, die durch die Anodenfolie 4 kontakt wird, auch von der Kathodenfolie 3 kontaktiert .
Der Kathodenkontakt 30 ist somit nicht an einer Stelle angeordnet, an der die Kathodenfolie 3 mit der Anodenfolie 4 überlappt. Dadurch kann eine Ausbildung lokaler
Elektrolytbereiche mit anderem Potential verhindert werden. Dies ist insbesondere bei schnellen Umladevorgängen bzw.
Spannungsänderungen von Bedeutung. Beispielsweise kann ein derartiger Kondensator 1 dauerhaft Wechselspannungen bis zur Nennspannung ausgesetzt werden, wenn hierbei der
Wechselstrom nicht zur thermischen Überlastung führt.
Zudem ist es aufgrund der Anordnung des Kathodenkontakts 30 im überlappungsfreien Bereich 37 möglich, den Separator 5 schwächer bzw. dünner auszulegen, da er keine Schutzfunktion des Kathodenkontakts 30 gegenüber der Anodenfolie 4 erfüllen muss. Dies führt zu einer weiteren Reduzierung des ESR.
Durch die Reduzierung von Spalten zwischen Anodenfolie 4 und Kathodenfolie 3 werden zudem „Strom-Umwege" und damit auch der ESR reduziert. Dies ist insbesondere bei geringen
Temperaturen, bei denen das Elektrolytvolumen die Spalte nicht mehr hinreichend ausfüllen kann, bedeutsam.
Der Kondensator 1 weist zudem Anodenkontakte 36 auf, die an verschiedenen Positionen auf der Anodenfolie 4 angeordnet sind. Die Anodenkontakte 36 sind streifenförmig ausgebildet. Die Anodenkontakte 36 sind hier als Mehrfachkontaktierung der Anode ausgebildet, wie beispielsweise auch in Figur 2 für drei Anodenkontakte 36 zu sehen. Vorliegend erstreckt sich der überlappungsfreie Bereich 37 von einem stirnseitigen Rand der Kathodenfolie 3 entlang der Wickelachse 100 zum gegenüberliegenden stirnseitigen Rand der Kathodenfolie 3. Es ist aber auch denkbar, dass sich der überlappungsfreie Bereich 37 nicht bis zum gegenüberliegenden Rand erstreckt.
Der überlappungsfreie Bereich 37 ist in einem lateralen
Randbereich der Kathodenfolie 3 vorhanden. Es sind aber auch andere Positionen vorstellbar, wie später in Zusammenhang mit den Figuren 12A, 12B, 12C und 13 erläutert wird. Der
überlappungsfreie Bereich 37 erstreckt sich in lateralen Richtung über mehr als eine Windung im Wickel 2. In diesem Fall kann die Spaltproblematik in beiden radialen Richtungen vermieden werden. Alternativ kann sich der überlappungsfreie Bereich 37 nur über maximal eine Windung im Wickel 2
erstrecken, wodurch dann die Spaltproblematik nur in einer radialen Richtung vermieden wird.
Der überlappungsfreie Bereich 37 kann dabei im Wickel 2 in einem radial außen liegenden Bereich des Kondensators 1 oder in einem zentralen Bereich des Kondensators 1 liegen, abhängig davon, an welchem lateralen Rand der Bereich 37 ausgebildet ist. Die radiale Richtung verläuft im Wickel 2 senkrecht zur Wickelachse 100. Die laterale Richtung verläuft im Wickel 2 spiralförmig entlang einer Folie.
Aufgrund der Anordnung des Kathodenkontakts 30 am lateralen Rand der Kathodenfolie 3 erhöht sich der Bahnwiderstand der Kathodenfolie 3 gegenüber einer Anordnung mittig an der
Kathodenfolie 3. Dies kann in Kauf genommen werden, wenn es wesentlich auf die Schaltfestigkeit des Kondensators 1 und weniger auf den Bahnwiderstand ankommt oder wenn der
Kondensator 1 derart klein ist, dass der Bahnwiderstand vernachlässigbar ist.
Figur IOC zeigt die Folienanordnung aus den Figuren 4A und 4B in gewickelter Form im Querschnitt. Es ist hier nur ein äußerer Bereich des Wickels 2 gezeigt. Die Anodenkontakte 36 sind hier nicht abgebildet.
Es sind mehrere Lagen 9 der Kathodenfolie 3 (auch als
Kathodenlagen 9 bezeichnet) , Lagen 42 der Separatoren 5 (auch als Separatorlagen 42 bezeichnet) und Lagen 31 der
Anodenfolie 4 (auch als Anodenlagen 31 bezeichnet)
abgebildet. Als „Lage" wird dabei der Bereich einer Folie bezeichnet, der innerhalb einer Wicklung angeordnet ist.
Verschiedene Lagen sind Bereiche einer Kathodenfolie bzw. Anodenfolie bzw. der Separatoren die in radialer Richtung übereinander angeordnet sind. Bei den Separatorlagen werden die zwei Separatoren nicht getrennt betrachtet, so dass zwei Separatorlagen zu einem der Separatoren oder zu
unterschiedlichen Separatoren gehören können.
Durch die Ausbildung des überlappungsfreien Bereichs 37 ist der Kathodenkontakt 30 von außen lediglich von einer
Separatorfolie 5, jedoch nicht von der Anodenfolie 4 bedeckt. Der überlappungsfreie Bereich 37 erstreckt sich über mehr als eine Wicklung. In anderen Worten erstreckt sich der
überlappungsfreie Bereich 37 über mehr als eine Kathodenlage 9. Insbesondere ist der überlappungsfreie Bereich 37 in zueinander nächstliegenden Kathodenlagen 9a, 9b vorhanden. Somit ist hier zwischen zwei nächstliegenden Separatorlagen 6a, 6b keine Anodenfolie 4 vorhanden. Insbesondere grenzt an die Separatorlage 6a, die dem
Kathodenkontakt 30 in einer Richtung radial nach innen am nächsten liegt, keine Anodenfolie 4 an.
Im Wickel 2 ist damit die Abfolge der Lagen 6, 9, 31 in radialer Richtung von außen nach innen im Bereich des
Kathodenkontakts 30 wie folgt: Separatorlage 42 - Kathodenkontakt 30 - Kathodenlage 9a - Separatorlage 42a Separatorlage 42b - Kathodenlage 9b - Separatorlage 42 - Anodenlage 31, und so weiter.
Es ist auch möglich, die Separatoren 5 derart auszubilden, beispielsweise mit Ausnehmungen zu versehen, dass nicht zwei Separatorlagen 42a, 42b aneinander angrenzen, sondern sich nur ein Separator 5 zwischen den zwei benachbarten
Kathodenlagen 9a, 9b befindet.
Falls sich der überlappungsfreie Bereich vom Kathodenkontakt 30 aus nicht über mehr als eine Windung erstreckt, grenzt an die Separatorlage 42a, die dem Kathodenkontakt 30 in einer Richtung radial nach innen am nächsten liegt, die Anodenfolie 4 an. In diesem Fall wird die Spalt-Problematik nur in einer radialen Richtung behoben, insbesondere radial nach außen. Dies kann für bestimmte Fälle bereits ausreichend sein.
In diesem Fall ist die Anordnung der Lagen 42, 9, 31 in radialer Richtung von außen nach innen an der Position des Kathodenkontakts 30 wie folgt: Separatorlage 42 - Kathodenkontakt 30 - Kathodenlage 9a - Separatorlage 42a Anodenlage 31, Separatorlage 42, Kathodenlage 9, und so weiter . Figur 11A zeigt eine weitere Ausführungsform eines Kondensators 1, bei dem die Ausführungsformen mit Bündel 40 und Kontaktpunkt 14 in einem Überstandsbereich 6 mit der Ausführungsform des Kathodenkontakts 30 im überlappungsfreien Bereich 37 kombiniert ist. Figur 11B zeigt diese
Ausführungsform mit schematisch eingezeichnetem Stromfluss.
Der überlappungsfreie Bereich 37 ist an Rand des Kondensators
1 angeordnet. Der überlappungsfreie Bereich 37 ist im Wickel
2 daran zu erkennen, dass hier in radialer Richtung nicht eine Lage 9a der Kathodenfolie 3 zu einer Lage der
Anodenfolie 4 benachbart ist - mit einer Trennung durch
Separatoren 5 und dem Kathodenkontakt 30, sondern dass eine Lage 9a der Kathodenfolie 3 zu einer weiteren Lage 9b der Kathodenfolie 3 benachbart ist - jeweils mit einer Trennung durch Separatoren 5 und dem Kathodenkontakt 30. Somit sind zwischen den zwei Kathodenlagen 9a, 9b zwei Separatorlagen 42a, 42b angeordnet, wobei die Separatorlagen 42a, 42b direkt aneinander angrenzen. Jeder Bereich des Separators 5, der im Kontakt mit der Anodenfolie 4 oder dem Anodenkontakt 36 steht, ist auch in Kontakt zur Kathodenfolie 3.
Der Kathodenkontakt 30 führt im Unterschied zu den Figuren 10A und 10B am anderen stirnseitigen Ende des Wickels 2 heraus als die Anodenkontakte 36. Der Kathodenkontakt 30 ist außerhalb des Wickels 2 in Richtung des Wickelzentrums gebogen. Insbesondere ist der Kathodenkontakt 30 zu einer Erhöhung 27 in einem zentralen Bereich im Boden 23 des
Gehäuses 21 geführt und dort elektrisch mit dem Gehäuse 21 verbunden, insbesondere verschweißt. Der Kondensator 1 ist insbesondere als axialer Kondensator ausgebildet. Weiterhin ist hier im Unterschied zum Kondensator aus Figur IOC bei der Bildung des Wickels 2 der Wickeldorn 50 oberhalb der Folienanordnung 10 gemäß Figur 10A angeordnet.
Zur Reduzierung des Bahnwiderstands der Kathodenfolie 3 sind im Überstandsbereich 6 Lagen der Kathodenfolie 3 gebündelt und in einem Kontaktpunkt 14 direkt miteinander verbunden, analog zu Figur 1, wobei vorliegend nur an einer Seite des Wickelzentrums ein Bündel 40 und ein Kontaktpunkt 14
ausgebildet ist. Somit ist trotz der Außenposition des
Kathodenkontakts 30 der Bahnwiderstand der Kathodenfolie 3 gering. Der Bahnwiderstand der Anodenfolie 4 ist durch eine Doppelkontaktierung mittels zweier Anodenkontakte 36
reduziert. Insgesamt weist der Kondensator 1 damit eine große Homogenität bei einem geringen Bahnwiderstand auf.
Figur 11B zeigt schematisch den Stromfluss 18 beim
Ladevorgang im Kondensator aus Figur 11A. Der Strom fließt durch die Anodenkontakte 36 in den Wickel 2. Beim Abfluss erfolgt der Stromfluss 18 über die Kathodenfolie 3 Richtung Stirnfläche des Wickels. Dort fließt der Strom zum zentralen Kontaktpunkt 14 und dann weiter auf der äußersten Lage 16 der Kathodenfolie 3 zum Kathodenkontakt 30. Über den gebogenen Kathodenkontakt 30 außerhalb des Wickels 2 fließt der Strom zum Boden des Gehäuses (hier nicht abgebildet) .
Die Figuren 12A und 12B zeigen eine weitere Ausführungsform eines Kondensators veranschaulicht durch eine Folienanordnung 10 der abgerollten Folien in seitlicher Ansicht und
perspektivischer Ansicht.
Im Unterschied zur Ausführungsform der Figuren 10A, 10B und
10C befindet sich der überlappungsfreie Bereich 37, in dem der Kathodenkontakt 30 angeordnet ist, nicht am lateralen Rand der Kathodenfolie 3, sondern in einem lateral mittigen Bereich der Kathodenfolie 3. Zu beiden Seiten des
überlappungsfreien Bereichs 37 schließen sich überlappende Bereiche 38 an, in denen die Anodenfolie 4 mit der
Kathodenfolie 3 überlappt.
Der überlappungsfreie Bereich 37 erstreckt sich auch hier von einem stirnseitigen Rand der Folien bis zum
gegenüberliegenden stirnseitigen Rand der Folien.
Somit ist die Anodenfolie 4 in zwei Teilfolien 4a, 4b
zerlegt, die nicht miteinander verbunden sind. In diesem Fall ist es notwendig, jede Teilfolie 4a, 4b separat mit einem Anodenkontakt 36 zu kontaktieren.
Durch die mittige Anordnung des Kathodenkontakts 30 wird bei diesem Aufbau der Bahnwiderstand (ESR) nur wenig verändert.
Der überlappungsfreie Bereich 37 erstreckt sich vom
Kathodenkontakt 30 aus gesehen in einer lateralen Richtung über mehr als eine Windung. In diesem Fall kann die
Spaltproblematik in beiden radialen Richtungen behoben werden .
Figur 12C zeigt die Folien in gewickelter Form im
Querschnitt. Im Unterschied zur Ausführungsform der Figur IOC ist der Kathodenkontakt 30 in beiden lateralen Richtungen zwischen einer Vielzahl von Separatorlagen 42, Kathodenlagen 9 und Anodenlagen 31 angeordnet. Weiterhin ist hier im
Unterschied zur den Figuren 10A-10C die Wicklung mit einem Wickeldorn ausgeführt, der in Figur 12A oberhalb der
Folienanordnung 10 liegt. In einer alternativen Ausführungsform ist die Wicklung mit einem Wickeldorn
ausgeführt, der unterhalb der Folienanordnung 10 liegt.
Es befindet sich im gewickelten Zustand zwischen der
Kathodenlage 9a, an der der Kathodenkontakt 30 anliegt, und den dazu nach außen und nach innen nächstliegenden
Kathodenlagen 9b, 9c im Bereich des Kathodenkontakts 30 keine Anodenfolie 4.
Stattdessen liegen jeweils zwei Separatorlagen 42a, 42b bzw. 42c, 42d direkt aneinander an. Insbesondere sind angrenzend zum Kathodenkontakt 30 in radialer Richtung nach innen, d.h., in Richtung des Wickellochs 51 gesehen, zwei Separatorlagen 42a, 42b direkt benachbart zueinander, so dass weder eine Kathodenlage 9 noch eine Anodenlage 31 dazwischen angeordnet ist. Auch in radialer Richtung nach außen gesehen sind die zum Kathodenkontakts 30 nächstliegenden Separatorlagen 42c, 42d direkt benachbart zueinander.
Weiterhin befindet sich jeweils zwischen der Kathodenlage 9a, an der der Kathodenkontakt 30 anliegt, und den dazu in radialer Richtung nach innen und außen nächstliegenden
Kathodenlagen 9a, 9b im Bereich des Kathodenkontakts 30 keine Anodenfolie 4.
Alternativ zur Erstreckung des überlappungsfreien Bereichs 37 über den Umfang des Wickels 2 kann auch der überlappungsfreie Bereich 37 am Ort des Kathodenkontakts 30 schmal ausgebildet sein und ein weiterer überlappungsfreier Bereich 37 an einer Position vorgesehen sein, die im Wickel 2 unterhalb bzw.
oberhalb des Kathodenkontakts 30 angeordnet ist. Die Figur 13 zeigt eine weitere Ausführungsform eines
Kondensators veranschaulicht durch abgerollte Folien in perspektivischer Ansicht.
Im Unterschied zur Ausführungsform der Figuren 12A und 12B ist der überlappungsfreie Bereich 37 nicht vollständig von einem ersten stirnseitigen Rand zum gegenüberliegenden stirnseitigen Rand ausgebildet, sondern führt nur ein Stück lang vom ersten stirnseitigen Rand in Richtung des
gegenüberliegenden Randes. Beispielsweise ist der
überlappungsfreie Bereich 37 durch Ausstanzen eines Bereichs der Anodenfolie 4 gebildet. Der überlappungsfreie Bereich 37 ist somit durch eine Ausnehmung in einer zusammenhängenden Anodenfolie 4 gebildet.
Der Kathodenkontakt 30 ist hier gegenüber dem Kathodenkontakt 30 der Figur 12A verkürzt, so dass er nicht in den
überlappenden Bereich 38 hineinreicht.
Somit ist hier die Anodenfolie 4 nicht in getrennte
Teilstücke zerlegt, so dass ein einziger Anodenkontakt 36 zur Kontaktierung der Anodenfolie 4 ausreichend ist. Zur
Reduzierung des Bahnwiderstandes können auch hier mehrere Anodenkontakte 36 vorgesehen sein.
Der Kondensator 1 kann auch mehrere überlappungsfreie
Bereiche 37 aufweisen, beispielsweise auch eine Kombination von überlappungsfreien Bereichen 37 am lateralen Rand, z.B. gemäß Figur 10A, und in mittiger Position, z.B. gemäß den Figuren 12A oder 13. Die Figuren 14A und 14B zeigen eine weitere Ausführungsform eines Kondensators 1, die ähnlich zu Figur 11A ausgebildet ist .
Im Unterschied zur Figur 11A ist die Kathodenfolie 3 im
Überstandsbereich 6 zu zwei Bündeln 50, 51 mit zentralen Kontaktpunkten 50, 51 gebündelt.
Darüber hinaus sind vorliegend vier Anodenkontakte 36 vorhanden, die mit zwei Anodenanschlüssen 8 verbunden sind. Die Anodenanschlüsse 8 sind über Durchführungen durch den Deckel 29 mit den Anodenkontakten 36 verbunden. Die
Anodenanschlüsse 8 können beispielsweise mit einer
Leiterplatte verbunden sein.
Der Kathodenkontakt 30 ist analog zu Figur 11A in einem überlappungsfreien Bereich 37 angeordnet, der hier aber nicht ganz am lateralen Rand der Kathodenfolie 3 liegt. Der
Kathodenkontakt 30 ist auch hier mit dem Gehäuse 21
verbunden. Die Kathodenanschlüsse 7 sind durch einen Lötstern ausgebildet .
In Figur 15B ist der Stromfluss 18 im Kondensator 1 aus Figur 15A schematisch dargestellt.
Aufgrund der Mehrzahl von Anodenanschlüssen 8 und
Kathodenanschlüssen 7 wird der Strom aufgeteilt, so dass die Magnetfelddichte im Vergleich zu lediglich einem
Anodenanschluss 8 und einem Kathodenanschluss 7 halbiert wird. Damit hat dieser Kondensator 1 nur ca. die halbe
Eigeninduktivität im Vergleich zu Einfachterminals. Dadurch kann bei hohen Frequenzen, bei denen die Induktivität
dominiert, eine geringe Impedanz erreicht werden. Die Figuren 16A und 16B zeigen eine weitere Ausführungsform eines Kondensators 1 mit wenigstens einem zentralen
Kontaktpunkt 14 im Überstandsbereich 6, beispielsweise analog zu Figur 1 oder 2. Es handelt sich hier um einen Kondensator 1 in radialer Bauform.
Die Kathodenfolie 3 ist durch zwei Kathodenkontakte 30 im Wickel 2 kontaktiert. Die Kathodenkontakte 30 liegen
bezüglich dem Wickelzentrum gegenüber. Die Kathodenkontakte 30 sind in radialer Richtung weit außen angeordnet. Es kann sich hier um relativ breite und lange Streifen handeln. Die Kathodenkontakte 30 können, aber müssen nicht, in einem überlappungsfreien Bereich angeordnet sein. Aufgrund des zentralen Kontaktpunkt 14 kann ein niedriger ESR trotz der dezentralen Anordnung der Kathodenkontakte 30 in der Nähe der Seitenfläche erreicht werden.
Die Kathodenkontakte 30 sind jeweils zur Verbindung mit einem Kathodenanschluss 7 (Minusverbindung) ausgebildet. Die
Kathodenanschlüsse 7 sind vorliegend als Schraubterminals ausgebildet und weisen Laschen 39 zur Kontaktierung der
Kathodenkontakte 30 auf. In Figur 16A ist der jeweilige
Kathodenkontakt 30 noch nicht mit dem Kathodenanschluss 7 verbunden .
Der Anodenanschluss 8 (Plusverbindung) ist beispielsweise durch ein reguläres Schraubterminal gebildet. Es können auch zwei derartige Anodenanschlüsse 8 vorhanden sein, die
beispielsweise durch die regulären Schraubterminals gebildet sind. Der Anodenanschluss 8 ist mit mehreren Anodenkontakten 36 verbunden. Die Anodenkontakte 36 sind beispielsweise in einer Winkelposition relativ zur Wickelachse um +/- 90° relativ zu den Kathodenkontakten 30 angeordnet.
Beispielsweise werden zuerst die Anodenkontakte 36 mit dem Anodenanschluss 8 verbunden, wie in Figur 16A gezeigt. Danach wird der Deckel 29 zum Wickel 2 gedreht und es werden die Kathodenkontakte 30 mit den Laschen 39 der Kathodenanschlüsse 7 verbunden, wie in Figur 16B gezeigt.
Somit sind mehrere Minus- und gegebenenfalls mehrere Plus- Pfade vorhanden, so dass der Strom wie bei einer
Parallelschaltung aufgeteilt wird und die Induktivität halbiert wird. Diese halbierte Induktivität für das Innere des Kondensators 1 kann auch außen bei der Beschaltung fortgesetzt werden, beispielsweise durch eine niederinduktive Kontaktierung mit drei Schienen, die annähernd koaxial ausgebildet sein können.
Zudem kann durch die Aufteilung des Stromes die
Wärmeerzeugung in den Anschlüssen (Terminals) 7, 8 und den
Kontakten 30, 36 vermindert werden. Insbesondere werden die Kathodenkontakte 30 zwischen dem Wickel und dem Gehäuse gekühlt und die Wärme wird ohne Umwege direkt an das Gehäuse abgegeben .
Diese Ausführungsform ist beispielsweise besonders bei
Elektrolytkondensator-Batterien aus großen Schraubanschluss- Elektrolytkondensatoren vorteilhaft. Bei derartigen Batterien werden aufgrund der Größe der Kondensatoren weniger
Kondensatoren in paralleler Verschaltung benötigt. Die geringe Anzahl hat jedoch den Nachteil einer hohen Batterie- Induktivität. Durch die zusätzlichen Terminals kann die
Eigeninduktivität reduziert werden. Die in den Figuren beschriebenen Ausführungsformen mit
Bündeln 40, 41 der Kathodenfolie 3 in einem Überstandsbereich 6 und/oder der Anordnung des Kathodenkontakts 30 in einem überlappungsfreien Bereich 37 der Kathodenfolie 3 können einzeln oder in Kombination bei unterschiedlichen
Kondensatoren 1 eingesetzt werden. Beispielsweise liegen derartige Ausführungsformen bei Kondensatoren 1 in axialer Bauform vor. Hier ist die Kathodenfolie 3 mit dem Gehäuse 21 elektrisch verbunden. Auch andere Bauformen, z.B. Bauformen, die auf der axialen Bauform aufbauen, wie z.B. die Bauformen mit senkrechtem oder waagerechtem Lötstern, waagerechtem Pressfit oder SMD können derart ausgeführt sein. Besonders vorteilhaft können derartige Ausführungsformen auch bei Hochvolt-Kondensator-Batterien vorhanden sein. Derartige Kondensatoren sind in der Regel aus Snap-in oder
Schraubanschluss-Elektrolytkondensatoren aufgebaut . Wegen der geringen Kapazität der Hochvolt-Kondensatoren werden diese bei hohen Wechselströmen und typischen Frequenzanteilen von 50 bis 300 Hz auch mit hohen Wechselspannungen belastet, die zu Asymmetrie-Problemen führen können, die durch die
beschriebenen Ausführungsformen behoben werden können.
Bezugszeichenliste
1 Kondensator
2 Wickel
3 Kathodenfolie
4 Anodenfolie
4a Teilfolie
4b Teilfolie
5 Separator
6 Überstandsbereich
7 Kathodenanschluss
8 Anodenanschluss
9, 9a, 9b, 9c Kathodenlage
10 erster Einschnitt
11 zweiter Einschnitt
12 erste Streifen
13 zweite Streifen
14 erster Kontaktpunkt
15 zweiter Kontaktpunkt
16 äußere Lage
17 innere Lage
18 Stromfluss
19 Messer
20 Zange
21 Gehäuse
22 Deckel
23 Boden
24 Verbindungsstück
25 Klammer
26 Steg
27 Erhöhung
28 Öffnung
29 Stopfen 30 Kathodenkontakt
31, 31a, 31b Anodenlage
32 Elektrolyt
33 Spalt
34 Wölbung
35 zusätzliche Kathodenfolie
36 Anodenkontakt
37 überlappungsfreier Bereich
38 überlappender Bereich
39 Lasche
40 Bündel
41 Bündel
42, 42a, 42b, 42c, 42d Separatorlage
50 Wickeldorn
51 Wickelloch
100 Wickelachse

Claims

Patentansprüche
1. Kondensator
mit einem Wickel (2) aufweisend eine Kathodenfolie (3), eine Anodenfolie (4) und dazwischen angeordneten Separatoren (5), und aufweisend einen Überstandsbereich (6), in dem die
Kathodenfolie (3) über die Anodenfolie (4) übersteht, wobei im Überstandsbereich (6) mehrere Lagen (9) der
Kathodenfolie (3) zu einem Bündel (40, 41) angeordnet und direkt elektrisch miteinander verbunden sind.
2. Kondensator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Überstandsbereich (6) einen Einschnitt (10, 11) in der Kathodenfolie (3) aufweist, der durch mehrere benachbarte Lagen (9) der Kathodenfolie (3) verläuft.
3. Kondensator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem jede Lage (9) der Kathodenfolie (3) im Bündel (40,
41 ) angeordnet ist.
4. Kondensator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem nur ein Teil der Lagen (9) der Kathodenfolie (3) im Bündel (40, 41) angeordnet ist.
5. Kondensator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem im Überstandsbereich (6) mehrere Bündel (40, 41) ausgebildet sind.
6. Kondensator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend ein Gehäuse, in dem der Wickel angeordnet ist, wobei das Bündel mit dem Gehäuse (21) elektrisch verbunden ist .
7. Kondensator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend ein Verbindungsstück (24), das das Bündel (40, 41) mit dem Gehäuse elektrisch (21) verbindet.
8. Kondensator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem im Wickel (2) kein Kathodenkontakt (30) zur
Kontaktierung der Kathodenfolie (3) angeordnet ist.
9. Kondensator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem mehrere Anodenanschlüsse (3) aus einem Deckel (29) des Gehäuses (21) herausragen.
10. Kondensator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend ein oder mehrere Kathodenkontakte (30) zur
Kontaktierung der Kathodenfolie (3), die im Wickel (2) auf einer Kathodenfolie (3) angeordnet sind, wobei alle
Kathodenkontakte (3) im abgerollten Zustand der Kathodenfolie (3) von einem lateralen Rand der Kathodenfolie (3) mindestens doppelt so weit entfernt sind wie vom anderen lateralen Rand der Kathodenfolie (3) .
11. Kondensator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem mehrere Kathodenanschlüsse (7) aus einem Deckel (29) des Gehäuses (21) herausragen.
12. Kondensator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend einen überlappungsfreien Bereich (37) der
Kathodenfolie (3) , in dem die Kathodenfolie (3) nicht mit der Anodenfolie (4) überlappt, wobei der überlappungsfreie
Bereich (37) in lateraler Richtung an einen überlappenden Bereich (38) angrenzt, in dem die Kathodenfolie (3) mit der Anodenfolie (4) überlappt, wobei ein Kathodenkontakt (30) zur Kontaktierung der Kathodenfolie (3) im überlappungsfreien Bereich (37) angeordnet ist.
13. Kondensator nach Anspruch 12,
bei dem der überlappungsfreie Bereich (37) an einem lateralen Rand der Kathodenfolie (3) angeordnet ist.
14. Kondensator nach Anspruch 13,
bei dem der überlappungsfreie Bereich (37) in lateraler Richtung zwischen zwei überlappenden Bereichen (38)
angeordnet ist.
15. Verfahren zur Herstellung eines Kondensators, aufweisend die Schritte:
A) Bereitstellen eines Wickels (2) aufweisend eine
Kathodenfolie (3), eine Anodenfolie (4) und dazwischen angeordneten Separatoren (5), wobei der Wickel (2) einen Überstandsbereich (6) aufweist, in dem die Kathodenfolie (3) über die Anodenfolie (4) übersteht,
B) Einschneiden der Kathodenfolie (3) im überstehenden
Bereich ( 6 ) ,
C) Bündeln mehrerer Lagen (9) der Kathodenfolie (3) im
Überstandsbereich (6) und Herstellen eines elektrischen
Kontakts zwischen den Lagen (9) .
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