книги / Основы конденсаторной техники

роткое замыкание обкладок. Перед металлизацией конденсаторная бумага подвергается лакировке. Толщина лаковой пленки 1,0…1,2 мкм.

Лакировка бумаги перед металлизацией преследует несколько целей. Прежде всего ТПВ, имеющиеся в бумаге, могут иметь как высокую проводимость (частицы угля, металлическая пыль), так и относительно низкую (окислы металлов и другие полупроводники). Если сопротивление частицы мало, то к точке замыкания обкладок, обусловленной этой частицей, притечет больший ток КЗ, величина которого достаточна для удаления обкладки вокруг точки короткого замыкания. Если сопротивление частицы велико (порядка 1 МОм), то ток, протекающий по обкладке к такой частице, будет мал и не сможет удалить обкладку вокруг этой частицы, которая останется не изолированной. Поэтому при изготовлении однослойных металлобумажных конденсаторов из нелакированной бумаги трудно получить постоянную времени выше нескольких ом-фарад, так как оставшиеся неизолированными частицы полупроводникового характера будут шунтировать обкладки, создавая большую утечку. Наличие лаковой пленки изолирует такие частицы от обкладок. Эта пленка заметно улучшает электрическую прочность бумажного диэлектрика, закрывая случайные сквозные отверстия в бумаге. Кроме того, пленка лака служит барьером между тонким слоем металла, весьма чувствительным к коррозии, и содержащимися в бумаге остатками влаги, а также следами кислот, щелочей и иных активных веществ, способных вызвать коррозионное разрушение тонкой металлической обкладки.

Благодаря малой коррозионной устойчивости металлического слоя, особенно цинкового, для пропитки металлобумажных конденсаторов применяют неполярные массы; полярные хлорированные массы считаются для этой цели непригодными. Явление самовосстановления при пробое металлобумажного конденсатора не обеспечивает возможности длительной рабо-

162

ты такого конденсатора при напряжении, превышающем Uном. Кратковременное приложение напряжения U >>Uном действи-

тельно не опасно, так как если и вызовет пробой, то пробитое место почти мгновенно окажется изолированным от обкладок. Однако при длительном приложении такого напряжения начнутся систематические пробои и самовосстановления, число которых растет с увеличением напряжения. Удаление части обкладки при каждом пробое, хотя и небольшое, постепенно приводит к снижению емкости. Особенно опасно удаление обкладки в тех участках, где она прилегает к торцовым контактным накладкам, при этом удлиняется путь тока по обкладке и увеличивается tg δ. В конечном счете, если часть обкладки,

прилегающая по всей длине к одной из торцовых накладок, будет разрушена, то конденсатор «потеряет емкость», т.е. между выводами будет «обрыв».

Постоянная времени у однослойных металлобумажных конденсаторов заметно понижена по сравнению с бумажными конденсаторами, даже при наличии лакировки для герметизированных конденсаторов норма составляет 200 Ом Ф, для многослойных – 1000 Ом Ф.

При использовании металлизированной бумаги в импульсных конденсаторах возникает опасность обгорания слоя металла возле вводных контактов при разряде конденсатора, когда через конденсатор кратковременно протекают большие разрядные токи. Повышенную толщину слоя металла у края обкладки применяют также в металлобумажных конденсаторах переменного напряжения.

Особенности технологии производства металлобумажных конденсаторов, кроме проведения операции лакировки бумаги и ее металлизации, является также операция контактирования торцов секций после их намотки путем нанесения на них контактных накладок. Предварительная сушка конденсаторов на воздухе не производится. После вакуумной сушки и пропитки

163

однослойные секции подвергаются операции «тренировке напряжением» для выжигания обкладок вокруг слабых мест диэлектрика.

10. Пленочные конденсаторы

Для их изготовления применяют высокомолекулярные соединения, которые позволяют изготовлять тонкие пленки в рулонной форме. Из таких пленок делают конденсаторы намотанного типа, подобные бумажным по конструкции, но с улучшенными электрическими свойствами или повышенной нагревостойкостью.

Различают конденсаторы с неполярными пленками; полярными пленками; комбинированные конденсаторы; лакопленочные.

10.1. Конденсаторы с неполярными пленками

Неполярные пленки отличаются небольшой ε – от 2,0…2,2 до 2,5...2,7 – и малым tg δ – примерно (5...6) 10−4. Удельное

сопротивление их высоко – порядка 1015...1017 Ом м. Они являются высокочастотными материалами и резко отличаются от бумаги. По механическим свойствам они уступают бумаге, по величине удлинения подобны бумаге; в отличие от бумаги эластичны и имеют удлинение ~50…100 %, что создает неудобство при намотке конденсаторных секций. По нагревостойкости некоторые пленки уступают бумаге (полистирол), а другие не отличаются от нее или даже превосходят бумагу (фторированные соединения). Все неполярные пленки имеют отрицательный TKε; tg δ слабо зависит от температуры и только ближе к тем-

пературе размягчения можно заметить возрастание tg δ. ε и tg δ

не зависят от частоты в широком диапазоне ее изменения.

Полистирольные конденсаторы. Полистирольная плен-

ка явилась первой из неполярных пленок, применяемых

164

в конденсаторостроении. Характеристики полистирола:

γ =1050 кг/м3.

Обычная норма на величину tg δ не выше 10 10−4 , такая

же, как у слюдяных конденсаторов. Намотка с выступающей фольгой дает возможность в этом случае заметно снизить tg δ

конденсатора, так как потери в диэлектрике в области повышенных частот меньше потерь в обкладках. Зависимость емкости от температуры для запеченных полистирольных конденсаторов близка к линейной. Также им свойственна низкая рабочая температура t = 60 °C. Стабильность емкости во времени

для правильно запеченных и герметизированных полистирольных конденсаторов велика. Имеют высокую постоянную вре-

мени – τс =106 с.

Кратковременная электрическая прочность (Eпр ) поли-

стирольной пленки высока, но в ней имеются слабые места, которые заставляют принимать большой коэффициент запаса электрической прочности – порядка 10…20 раз. Способность металлизированного полистирола хуже, чем у бумаги; если для однослойного металлобумажного конденсатора, увеличивая напряжение, можно получить полную потерю емкости (обрыв), то для полистирольного металлизированного конденсатора уже после потери емкости порядка 1…1,5 % обычно происходит короткое замыкание обкладок, т.е. пробой.

При переменном напряжении для запеченных полистирольных конденсаторов нужно учитывать остаточное содержание воздуха, который не полностью удаляется при запечке и может вызвать ионизацию. Напряжение начала ионизации полистирольного конденсатора можно повысить, применяя его пропитку маслом, что позволяет повысить Eраб и допускаемое

напряжение на одну секцию. При этом надо применять незапе-

165

ченные секции, чтобы облегчить проникновение масла внутрь секции при пропитке. Но при пропитке маслом ухудшается стабильность емкости и увеличивается коэффициент абсорбции.

Герметизированные полистирольные конденсаторы с повышенной стабильностью емкости, высокой постоянной времени τс применяются в электроизмерительной технике

и счетно-решающих устройствах (маркировка К70), радиоприемной и телевизионной аппаратуре.

Фторопластовые конденсаторы. Характеристики фто-

Пленка из политетрафторэтилена (фторопласта-4), близкая к полистирольной по своим электрическим свойствам, отличается резко повышенной нагревостойкостью и более пластична. Фторопластовая пленка имеет большое число сквозных отверстий, особенно при малых толщинах, поэтому пленку толщиной в 5…6 мкм применяют не меньше чем в три слоя. Eпр больше, чем у полистирола. Металлизация снижает удель-

ный объем конденсаторов примерно в 3 раза.

Фторопластовая пленка хотя и не гигроскопична, но мягка и эластична, поэтому конденсаторы низкого напряжения делают в алюминиевых корпусах. В высоковольтных фторопластовых конденсаторах воздух в зазорах между слоями пленки заменяется азотом под давлением 4…5 атм для повышения напряжения начала ионизации. Постоянная времени конденсаторов из политетрафторэтиленовой пленки высока:

τс =106 с при температуре 20 °C; τс =103 с при температуре 200 °C при фольговых электродах и до 100 °C – при металли-

зированных.

Коэффициент абсорбции и угол потерь у фторопластовых конденсаторов выше, чем у полистирольных. Стабильность ем-

166

кости во времени несколько ниже, чем у полистирольных, обычно до 0,2…0,5 %. Имеют высокую стоимость, что ограничивает возможность широкого применения.

Полиэтиленовые и полипропиленовые конденсаторы.

По электрическим характеристикам полиэтилен несколько уступает полистиролу. Полиэтиленовая (ПЭ) пленка нашла применение в импульсных конденсаторах высокого напряжения, как в чистом виде, так и в комбинации с бумагой. Толщина пленки 10…15 мкм. Основной недостаток пленки – повышенный ТКЕ. По величине tg δ и постоянной времени они уступа-

ют предыдущим, равно как и по величине коэффициента абсорбции Ка, который для них равен 0,2…0,5 %. По эластичности ПЭ пленка подобна фторопластовой, но имеет меньше слабых мест. Значения Eраб для полиэтиленовых конденсато-

ров будут больше, чем для рассмотренных выше неполярных пленок. Верхний предел tраб =85...90 °C. При облучении его можно поднять на 20...30 °C. Стабильность емкости хуже, чем

у полистирольных или фторопластовых конденсаторов. Полипропиленовая пленка аналогична полиэтиленовой. Применяется в низковольтных конденсаторах для электронной техники с tраб до 100 °C. Толщина пленки 10…20 мкм. Дешевизна поли-

этилена должна обеспечить его применение в тех случаях, когда нужен конденсатор с неполярным диэлектриком для менее ответственной работы.

10.2. Конденсаторы с полярными пленками

Полярные синтетические пленки обладают повышенной ε и углом потерь, близким к tg δ пропитанной бумаги. Для них tg δ резко возрастает с частотой.

Полиэтилентерефталатные конденсаторы (ПЭТФ) (лавсановые). ПЭТФ является основным типом полярной пленки, применяемой в мировом конденсаторостроении. По

167

величине ε эта пленка уступает бумаге, но по электрической прочности превосходит ее, а потому удельные характеристики для этого типа пленочных конденсаторов можно получить лучшие, чем для бумаги; при низком напряжении используется чисто пленочный диэлектрик, при повышенных напряжениях обычно применяют комбинацию из пленки ПЭТФ и конденсаторной бумаги. Верхний предел температуры для конденсаторов из пленки ПЭТФ – 150 °C. При температурах до 85 °C га-

рантируется высокая температурная стабильность емкости. При 150 °C Uраб необходимо снижать в 3 раза в сравнении

с Uном. Разумным верхним пределом рабочей температуры следует считать 125 °C, когда изменение емкости еще не очень велико, а Uраб имеет приемлемые значения.

У однослойных металлизированных конденсаторов Rиз

заметно снижалось со временем. Это явление объясняется наличием полупроводящих продуктов гидролитического разложения пленки в местах самовосстановления при тренировке напряжением для изолирования слабых мест диэлектрика. Просверлив отверстие в корпусе конденсатора, т.е. соединив внутренний объем с окружающей средой, летучие продукты удаляются и Rиз восстанавливается. Это явление можно устра-

нить или сильно ослабить, применяя тщательную сушку секций и помещая их в корпуса в нагретом состоянии, с последующей немедленной запайкой корпуса.

Допуск по емкости для конденсаторов из пленки ПЭТФ обычно берется, как для бумажных: ±5 % или больше. По коэффициенту абсорбции лавсановые конденсаторы, хотя и уступают полистирольным, но много лучше бумажных. Они имеют значительно меньший объем, чем полистирольные. Величина tg δ этих конденсаторов немного выше, чем у бумажных с не-

полярной пропиткой, но в области температур выше 120 °C tg δ снижается с температурой, тогда как у бумажных tg δ при

168

температурах выше 100 °C начинает систематически возрас-

тать. Относительно малая гигроскопичность пленки ПЭТФ позволяет изготовлять из нее конденсаторы открытого типа для работы при нормальной влажности. При работе на повышенной влажности применяют уплотненные конструкции с заливкой эпоксидной смолой или герметизированные.

Поликарбонатные конденсаторы. Верхний предел рабо-

чей температуры таких конденсаторов равен 100...25 °C, т.е. примерно тот же, что и для ПЭТФ конденсаторов. ε = 2,2...2,5; tg δ =10−3. Нижний предел толщины пленки выше, чем для

пленки ПЭТФ, поэтому по удельным характеристикам эти конденсаторы уступают полиэтилентерефталатным.

Преимуществом поликарбонатной пленки по сравнению с пленкой ПЭТФ является малый tg δ, несколько повышенная

постоянная времени и сильно улучшенная стабильность емкости. По удельным характеристикам поликарбонатные конденсаторы значительно лучше полистирольных и превосходят их по нагревостойкости и стабильности емкости с температурой; по углу потерь, постоянной времени и абсорбции они им уступают.

10.3. Конденсаторы с комбинированным диэлектриком

Внастоящее время существует три типа конденсаторов

скомбинированным диэлектриком:

1)из полярной пленки и конденсаторной бумаги;

2)из неполярной пленки и конденсаторной бумаги;

3)из полярной и неполярной синтетических пленок.

Вкомбинированных конденсаторах из полярной пленки

икондесаторной бумаги оба компонента имеют величину tg δ

одного порядка, но удельное сопротивление ρV у пленки много выше, чем у бумаги (не менее чем в 10 раз). Поэтому боль-

169

шая часть постоянного напряжения приходится на долю пленки, а бумага остается слабо нагружена электрически и в основном играет роль фитиля для всасывания пропиточной массы в зазоры между пленками. Поэтому Епр и Еион для комбини-

рованного диэлектрика оказываются выше, чем для чистопленочного (непропитанного) или чистобумажного (пропитанного); ε комбинированного диэлектрика выше, чем у чистопленочного, так как ε бумаги выше, чем у обычных полярных пленок. Бумажную ленту лучше располагать под обкладкой, так как проводимость бумаги больше, чем у пленки и имеет место выравнивания поля у края конденсаторной обкладки, что способствует повышению электрической прочности.

В комбинированных конденсаторах из неполярной пленки и конденсаторной бумаги компоненты имеют резко различные значения ε, ρV , tg δ. Малая ε и высокое ρV непо-

лярных пленок обеспечивают как при постоянном, так и при переменном напряжении малую электрическую загрузку бумажных прокладок. Наличие последних дает повышение общего угла потерь. Эффективные значения ε и tg δ конденсатора

с комбинированным диэлектриком можно вычислить, зная соответствующие величины этих характеристик для бумаги и пленки и соотношение их толщин. Следует иметь в виду, что различный знак ТКε бумаги и неполярной пленки способствует ослаблению температурной зависимости емкости комбинированного конденсатора. При использовании бумаги в комбинации с малонагревостойким полистиролом общая нагревостойкость комбинированного конденсатора несколько повышается, так как бумага удерживает размягченную пленку от деформации при повышенных температурах. В некоторых случаях применяют металлизированную бумагу, что позволяет повысить Ераб, однако при этом ухудшаются тепловые харак-

теристики и при использовании такого диэлектрика при им-

170