книги / Основы конденсаторной техники

В этих схемах для создания вращающегося магнитного поля при питании однофазным током в статоре укладываются две обмотки с геометрическим сдвигом на 90°, последовательно с одной из

лишь на кратковременную работу на переменном токе. Конденсатор С1 должен быть рассчитан на нормальную длитель-

ную работу. При включении конденсатора в цепь переменного тока протекает сложный переходный процесс (даже при отсутствии индуктивности). Изменения напряжения и тока обусловлены наложением друг на друга двух процессов: неустановившегося (исчезает со временем) и установившегося (соответствует нормальной работе) режимов.

Наибольший ток может достичь величины I = Ur .

Наибольшее значение напряжения при наличии индуктивности может достигать на выводах конденсатора двойного амплитудного значения напряжения сети.

Пусковые конденсаторы предназначены для кратковре- менно-повторной работы в цепях переменного тока с частотой 50 Гц. Выпускаются они в цилиндрических металлических корпусах с однонаправленными выводами (алюминиевые ок- сидно-электролитические – К-50).

51

8.5.Зависимость емкости конденсатора от частоты

инапряжения

Емкость конденсатора при повышении частоты уменьшается, так как уменьшается диэлектрическая проницаемость диэлектрика, обусловленная ослаблением релаксационных видов поляризации. Если же в диэлектрике имеет место только электронная и ионная поляризация, то диэлектрическая проницаемость в широком диапазоне частот не должна зависеть от частоты, а следовательно, не должна изменяться и емкость. Но

ив этом случае емкость может изменяться за счет влияния конструктивных элементов конденсатора: его индуктивности

исопротивления обкладок и выводов.

Наличие индуктивности в конденсаторе дает увеличение его действующей емкости с ростом частоты (рис. 28), так как ток будет возрастать за счет компенсации реактивного емкостного сопротивления индуктив-

z≈ ω1C −ω L;

zд = ω1Сд ;

52

Увеличение емкости С при заданном r усиливает частотную зависимость.

В обычных конденсаторах сопротивление обкладок и выводов, определяющее величину r, мало, а поэтому снижение емкости C с увеличением частоты f можно заметить лишь в области радиочастот, даже при больших емкостях.

53

Выражения (13) и (14) являются приближенными, хотя и правильно характеризуют качественный характер частотной зависимости емкости.

Как частотная зависимость диэлектрической проницаемости, так и влияние активного сопротивления вызывают уменьшение емкости от частоты; увеличение емкости может быть обусловлено только влиянием индуктивности.

Как для полярных, так и для неполярных диэлектриков величина диэлектрической проницаемости не зависит от напряженности, а поэтому для большинства типов конденсаторов емкость не должна зависеть от величины приложенного напряжения.

Небольшое увеличение емкости при увеличении напряжения выше напряжения ионизации может наблюдаться для конденсаторов, диэлектрик которого содержит значительное число воздушных включений.

В сегнетокерамических конденсаторах диэлектрик обладает спонтанной поляризацией, для которой характерна зависимость диэлектрической проницаемости от напряжения. Для них емкость сильно зависит от напряжения, что используется для изготовления нелинейных конденсаторов – варикондов.

9. Обкладки конденсаторов

При постоянном напряжении конденсаторы практически не нагружены током и служат лишь для создания электрического поля в диэлектрике (не считая моменты заряда и разряда конденсатора).

При переменном напряжении обкладки должны нести значительный ток:

54

В этом случае необходимо рассчитывать толщину обкладок и величину удельного сопротивления металла, из которого они изготовлены, а также теплоемкость, теплопроводность металла; плотность – при расчете веса обкладок и конденсатора; температурный коэффициент линейного расширения и температуру плавления – при оценке нагревостойкости.

При изготовлении обкладок из металлической фольги в производстве конденсаторов намотанного типа учитывают и механическую прочность металла, так как тонкая фольга должна выдерживать без обрыва натяжение намоточного станка.

Большое значение имеет правильный расчет обкладок для импульсных накопительных конденсаторов, при разряде которых по обкладкам кратковременно протекают очень большие токи.

Для изготовления обкладок конденсаторов применяют большое число различных металлов: медь, алюминий, серебро, золото, бронза, вольфрам, молибден, цинк, никель, платина, свинец, олово, титан и др.

Кроме металлических обкладок в ряде типов конденсаторов применяют также обкладки в виде слоя жидкого или вязкого электролита или в виде слоя полупроводника.

В случае конденсаторов с газообразным или жидким диэлектриком, которые не могут служить конструктивной опорой для обкладок, используют массивные обкладки с толщиной примерно 0,25…0,5 мм и выше из алюминия, меди или их сплавов.

При изготовлении конденсаторов с твердым диэлектриком используется тонкая металлическая фольга примерно 5…6 мкм или выше (алюминиевая, медная, свинцово-оловянная) или тонкие слои металла, нанесенные металлизацией (цинк, алюминий, серебро и др.), толщина слоя от нескольких микрон до

0,01…0,1 мкм.

При изготовлении электролитических конденсаторов в качестве одной из обкладок применяется фольга из вентильного

55

металла, способного образовывать оксидные диэлектрические слои при электролитическом окислении (алюминий, тантал, ниобий, титан).

Тугоплавкие благородные металлы: золото, платина, палладий применяются в виде тонких слоев в конструкции конденсаторов, при изготовлении которых предусматривается воздействие высокой температуры, способной вызывать окисление или расплавление обкладок.

Обкладки из фольги широко применяются в производстве конденсаторов намотанного типа с органическим диэлектриком (бумажным, пленочным), а также в производстве некоторых типов слюдяных и стеклопленочных конденсаторов.

Основным типом металлической фольги, применяемой в конденсаторостроении, является алюминиевая фольга. Алюминий обладает небольшим удельным сопротивлением, высокой теплопроводностью, легко прокатывается до малых толщин и относительно дешев.

Впроизводстве бумажных и пленочных конденсаторов применяется алюминиевая фольга с содержанием алюминия

99,5…99,7 % толщиной 7…8 мкм. Временное сопротивление разрыву для этой фольги должно быть не менее 7,5 кг/мм2 при удлинении не менее 0,5 %; такая фольга называется жесткой. Для мягкой отожженной фольги удлинение до 2 %, но прочность на разрыв понижена.

Впроизводстве электролитических конденсаторов применяют для изготовления анодов алюминиевую фольгу с содержанием алюминия 99,95…99,99 % толщиной 50…100 мкм.

Некоторые зарубежные фирмы вместо алюминиевой фольги применяют оловянную, а точнее оловянно-свинцовую, так как материал легко поддается пайке, мягок, плотно прилегает к диэлектрику. У нас такую фольгу изготовляют небольшими партиями с толщиной до 7 мкм, но она имеет худшую теплопроводность, повышенный удельный вес, высокую стоимость и увеличенное удельное сопротивление.

56

Красномедная фольга содержит не менее 99,7 % меди, применяется в производстве намотанных конденсаторов небольшой емкости, когда требуется увеличенная прочность обкладок. Толщина фольги 15…50 мкм. Ее также применяют

ив производстве слюдяных конденсаторов. При использовании фольги, ввиду ее большой жесткости для обеспечения хорошего прилегания обкладок к слюде надо увеличить степень сжатия конденсаторных секций. Наличие заусенцев на краях медной фольги опасно, так как может приводить к проколам диэлектрика и снижению электрической прочности конденсатора. Поэтому для устранения этой опасности ленты фольги пропускают между вальцами, разглаживая заусенцы. Луженая медная фольга применяется также для изготовления вкладных контактов в намотанных конденсаторах с обкладками из алюминия или оловянно-свинцовой фольги.

Латунная или бронзовая фольга отличается повышенной упругостью и находит ограниченное применение при изготовлении воздушно-слюдяных подстроечных конденсаторов.

Тонкая танталовая фольга толщиной 10…15 мкм является носителем оксидного слоя и применяется в производстве электролитических конденсаторов.

При выборе материала для обкладок, кроме оценки его электрической прочности и механических свойств, надо учитывать также его влияние на процессы старения пропитывающих составов.

Алюминий при постоянном напряжении и повышенной температуре вызывает быстрое разложение хлорированных пропиточных масс, сопровождающееся увеличением проводимости и резким сокращением срока службы бумажных конденсаторов, пропитанных этими массами. При этом на поверхности фольги с положительным потенциалом наблюдается коррозионное разрушение.

При пропитке неполярными углеводородными массами

ипри постоянном напряжении бумажные конденсаторы с алю-

57

миниевыми обкладками, наоборот, оказываются более устойчивыми, чем конденсаторы с обкладками из оловянно-свин- цовой фольги. При переменном напряжении, когда электролитические процессы не имеют места, отмечено также преимущество алюминиевой фольги перед оловянно-свинцовой фольгой – она обладает большей стабильностью электрических характеристик конденсаторов и имеет более длительный срок службы.

При использовании металлической фольги для обкладок, даже при сильном сжатии конденсаторных секций, неизбежно появление зазоров между диэлектриком и обкладкой, которые заполнены воздухом в непропитанном конденсаторе и пропиточной массой в пропитанном (рис. 30). Эти зазоры образуют емкость, включенную последовательно емкости слоев диэлектрика и снижающую эффективное значение диэлектрической проницаемости диэлектрика. Результирующая емкость

диэлектрик

зазоры

Рис. 30. Зазоры между обкладкой из фольги и диэлектриком: С0 – емкость диэлектрика; Сз – емкость зазора

Наличие емкости зазоров снижает результирующую емкость в сравнении с емкостью диэлектрика, и тем больше, чем меньше емкость зазоров, т.е. чем толщина зазора больше. Это

58

приводит к уменьшению эффективной диэлектрической проницаемости, так как всякая пропиточная масса имеет диэлектрическую проницаемость большую, чем у воздуха.

Наличие зазоров, заполненных пропиточными массами, приводит к появлению междуслойной поляризации и увеличению коэффициента абсорбции конденсатора. Наличие междуслойной поляризации вызывает появление зависимости емкости от частоты в области низких частот. Наличие зазоров приводит к увеличению потерь энергии в конденсаторе. Изменения размеров зазоров при расширении и сжатии конденсатора, вызванных колебаниями температуры, приводят к дополнительным изменениям емкости с температурой.

В металлических фольговых обкладках может возникать вибрация при воздействии переменного электрического поля, что увеличивает потери энергии в конденсаторе и требует применения сильного сжатия конденсаторных секций. Сильное сжатие секций позволяет уменьшать величину зазоров, увеличивать емкость зазоров и ослаблять вредное влияние зазора на величину и стабильность емкости.

10. Металлизация диэлектрика

Устранение недостатков, связанных с наличием зазора между диэлектриком и обкладкой, можно осуществить металлизацией диэлектрика, т.е. непосредственным нанесением тонкого слоя металла на поверхность диэлектрика. При этом достигается значительная экономичность металла, так как толщина металла меньше. Для металлизации диэлектриков существуют следующие методы: химический; вжигания; испарения в вакууме; катодного распыления.

Химический метод. Применялся раньше для серебрения слюды. Слой серебра осаждался из раствора азотнокислого серебра с присадками аммиака и щелочи, при добавлении к этой основной смеси раствора, содержащего небольшое ко-

59

личество серной кислоты, сахара и спирта. Недостатками метода являлись: необходимость погружения диэлектрика в раствор, приводящего к появлению следов электролита на поверхности диэлектрика, что ухудшало его свойства (даже при тщательной промывке); необходимость предварительной сложной подготовки поверхности слюды для улучшения ее сцепления с серебром; зависимость процесса серебрения от температуры окружающей среды. В настоящее время этот метод не применяется.

Метод вжигания. Заключается в нанесении на поверхность диэлектрика специальной пасты, содержащей мелкодиспергированный металл или его соединения и органическую связку, с последующей сушкой для удаления летучих компонентов связки и обжигом при высокой температуре, достаточной для сгорания твердых частей органической связки и образования слоя металла, плотно закрепленного на поверхности диэлектрика. Этот метод не пригоден для производства конденсаторов с органическим диэлектриком. Метод вжигания применялся для серебрения слюды. В настоящее время для этого используют метод испарения в вакууме. Метод вжигания применяется в производстве керамических конденсаторов (серебрение керамики). При изготовлении монолитных керамических конденсаторов обкладки должны быть нанесены не на обожженную керамику, а на «сырые» керамические пленки, которые проходят обжиг в металлизированном виде. Так как температура обжига керамики равна 1300…1400 °С и выше, применение серебра с температурой плавления 960 °С недопустимо и приходится заменять его в составе пасты платиной и палладием. К недостаткам серебра как материала для обкладок можно отнести кроме недостаточно высокой температуры плавления склонность к миграции, т.е. ионы серебра могут проникать как в толщину диэлектрика, так и перемещаться по его поверхности. Особенно легко серебро проникает в органические диэлектрики, но при увлажнении этот процесс может

60