Курсовая работа (т): Бумажный конденсатор

Любой конденсатор имеет ограниченный срок службы. Обычно конденсаторы радиотипа рассчитаны н верхний предел температуры 70 и на срок службы при непрерывной работе порядка 5000-10000 ч. В таблице 2.4 приведены значения допускаемой рабочей напряженности  для указанных режимов работы при разных значениях толщины бумаги и разном числе ее слоев между обкладками.

Таблица 2.4

Значения допускаемой рабочей напряженности поля

Пробой конденсатора может произойти не только через толщину диэлектрика, но и по поверхности закраин (расстояние от края обкладки до края диэлектрика). Поэтому величину закраины следует выбирать, исходя из испытательного напряжения, при котором не должен наблюдаться разряд по закраине, такие значения ширины закраины представлены в таблице 2.5.

Таблица 2.5

Выбор ширины закраины

При зарядке реального конденсатора ток с течением времени спадает не до нуля, а до некоторого конечного значения - тока утечки  Чем выше сопротивление изоляции, тем меньше токи утечки. Сопротивление изоляции конденсаторов большой емкости определяется в основном током утечки через толщину диэлектрика, а потому зависит от удельного объемного сопротивления диэлектрика , от площади обкладки и от толщины диэлектрика. [5] Удельное объемное сопротивление бумаги

2.2    Конструкции для защиты конденсатора

Существуют различные средства защиты конденсаторов от воздействия влаги, которые делятся на два типа: влагозащита с применением органических диэлектриков (уплотнение конструкции) и влагозащита с применением неорганических диэлектриков и металла (герметизация конструкции конденсатора).

Простейшим средством влагозащиты пропитанной конденсаторной секции является покрытие ее слоем изоляционного лака. Шагом вперед в направлении улучшения влагостойкости конденсаторов явилась заливка влагоупорным компаундом пропитанных конденсаторных секций, помещаемых в металлический или изоляционный корпус. Недостатком таких конструкций является их пониженная морозостойкость, так как при низких температурах возможно растрескивание заливочного компаунда. Резкое улучшение надежности удалось получить при использовании для заливки компаундов на основе эпоксидных смол.

Для слюдяных конденсаторов широко применяется опрессовка пластмассой.

Для бумажных конденсаторов этот метод влагозащиты применяется редко, так как необходимость использовать относительно высокую температуру запрессовки и большое удельное давление может повредить целостности конденсаторной секции. Для защиты бумажных конденсаторов применяется метод облицовки влагозащитным компаундом («окукливание») (рис. 2.1). Облицовку можно производить погружением конденсаторной секции в расплавленный компаунд или путем заливки компаундом в разборной формочке.

Рисунок 2.1 Облицовка влагозащитным компаундом [5]

Одним из вариантов использования термореактивных пластмасс в конструкции конденсаторов является опрессовка пластмассой выводных контактов в металлической крышке конденсатора (рис. 2.2), которая затем впаивается в металлический корпус. Также вместо опрессовки пластмассой используется заливка вывода эпоксидным компаундом. [5]

Рисунок 2.2 Опрессовка пластмассой выводных контактов в металлической крышке конденсатора [5]

В ряде случаев применяется также керамические изоляторы сплошные (рис. 2.3, а) или составные (рис. 2.3, б), уплотняемые эластичными прокладками из специальной резины.

Рисунок 2.3 Керамические уплотняемые изоляторы: а - сплошные, б - составные [5]

Некоторые влагозащитные материалы представлены в таблице 2.6. (Р - коэффициент влагопроницаемости органического вещества, h - растворимость, D - коэффициент диффузии)

Таблица 2.6

Константы некоторых органических влагозащитных материалов [5]

Недостатком влагозащиты, основанной на применении органических материалов, является то, что они имеют конечную величину влагопроницаемости. Широкое распространение получили герметизированные конструкции, представляющие собой сочетание металла с керамикой или стеклом, с применением швов, соединяемых мягкими припоями; эта система влагозащиты известна под названием вакуумплотной герметизации (рис. 2.4).

Рисунок 2.4 Вакуумплотная герметизация

а - керамический изолятор, впаянный в металлическую крышку; б - стеклянный изолятор, впаянный в металлическую трубку; г - керамический дисковый изолятор, впаянный в металлическую трубку; д - металлический колпачок, припаянный к керамической трубке, е - керамическая крышка, припаянная к керамическому корпусу [5]

Для конденсаторов большой емкости применяются металлические корпуса с припаянными к ним крышками, в которые впаиваются керамические металлизированные изоляторы (рис. 2.4, а) или специальные стеклянные проходные изоляторы (рис. 2.4, б).

Для конденсаторов, рассчитанных на повышенную рабочую температуру порядка 100, используются стальные корпуса, не имеющие шва, которые соединяются с крышкой методом сварки.

2.3 Материалы обкладок

Обкладки конденсаторов нагреваются проходящим по ним током и одновременно отводят тепло от диэлектрика к корпусу конденсатора. В процессе работы конденсатора на обкладки из фольги действуют механические напряжения, вызванные электродинамическими силами, возникающие при протекании токов в близко расположенных электродах. Материалы обкладок испытывает и механические нагрузки при намотке и сборке конденсаторных секций. Этими условиями определяются требования к материалу обкладок: он должен обладать высокой электропроводностью, теплопроводностью и механической прочностью. Чаще всего для обкладок применяется алюминиевая фольга. [4] Современное конденсаторостроение применяет для изготовления обкладок различных типов конденсаторов большое число различных металлов. Характеристики некоторых металлов приведены в таблице 2.7.

конденсатор емкость диэлектрический обкладка

Таблица 2.7

Характеристики некоторых проводящих материалов [5]

Медь обладает малым удельным сопротивлением, высокой механической прочностью, удовлетворительной стойкостью к коррозии, легко паяется, сваривается и хорошо обрабатывается, что позволяет прокатывать ее в листы, ленту и вытягивать в проволоку. [6] Обычно медная фольга применяется в производстве намотанных конденсаторов небольшой емкости, когда требуется увеличенная прочность обкладок. Такую фольгу иногда применяют также в производстве слюдяных конденсаторов, когда требуется использовать обкладки с пониженным удельным сопротивлением. [5]

Основным типом металлической фольги, применяемой в конденсаторостроении, является алюминиевая фольга. Алюминий приблизительно в 3,5 раза легче меди, обладает небольшим удельным сопротивлением, высокой теплопроводностью, легко прокатывается до малых толщин и относительно дешев. Для электротехнических целей используют алюминий технической чистоты, содержащий до 0,5% примесей. Алюминий высокой чистоты (примесей до 0,03%) используется для изготовления тонкой (до 6 мкм) фольги, электродов и корпусов электролитических конденсаторов. [6]

Иногда вместо тонкой алюминиевой фольги применяется оловянная (точнее оловянно-свинцовая с добавление сурьмы) как материал легко поддающийся пайке и, благодаря своей мягкости, плотнее прилегающий к диэлектрику. Такая фольга изготавливается небольшими партиями с толщиной до 7 мкм. Недостатком этой фольги, кроме повышенной стоимости и увеличенного удельного сопротивления, является худшая теплопроводность и повышенный удельный вес. [5]

Золото обладает высокой пластичностью (предел прочности при растяжении 150 МПа, относительное удлинение при разрыве около 40%) и используется в электронной технике для нанесения коррозионно-устойчивых покрытий на резонаторы СВЧ, внутренние поверхности волноводов, электроды ламп и др.

Серебро - стойкий против окисления металл (при нормальной температуре), обладающий наименьшим удельным сопротивлением (табл. 2.7). Используется для изготовления электродов и контактов на небольшие токи, для непосредственного нанесения на диэлектрики, а также в производстве керамических и слюдяных конденсаторов. [6]

Тонкая танталовая фольга толщиной 10-15 мкм применяется в производстве электролитических конденсаторов, так же, как и алюминиевая фольга является носителем оксидного слоя (диэлектрика). [5]

Из-за низкой стоимости наиболее распространенным материалом высокой электрической проводимости является алюминий. В соответствии с ГОСТ 618-73* «Фольга алюминиевая, рулонная для электротехнических целей», фольга выпускается толщиной от 0,005 до 0,2 мм при ширине рулона от 10 до 200 мм. [7] Допуски по толщине колеблются в пределах от ±10 до ±20%, что при конструировании может вызывать заметное отклонение фактической толщины и веса секции от расчетных величин, полученных при номинальных размерах. [4]

3. Расчет конденсатора

.1 Основные принципы расчета

Расчет конденсатора сводится к нахождению оптимальных размеров, обеспечивающих получение заданных значений электрических характеристик конденсатора, и надежность работы при наименьших затратах на его производство. В частных случаях, если конденсатор применяется в особо ответственной аппаратуре, его стоимость может иметь второстепенное значение, и главное внимание приходится уделять получению наивысших возможных характеристик или наименьшего объема и веса.

В большинстве случаев по типу диэлектрика определяется и тип конструкции конденсатора - конденсаторной секции: плоская, цилиндрическая или спиральная (намотанная). При одном и том же диэлектрике можно применить несколько конструкций: при отсутствии специальных соображений по выбору варианта конструкции необходимо рассчитать несколько вариантов и выбрать оптимальный.

Основным при расчете конденсатора является правильный выбор толщины диэлектрика d, так как от нее зависят как размеры конденсатора, так и надежность его работы. По существу, каждый раз приходиться идти на компромисс между двумя противоположными требованиями: обеспечить повышенную надежность, для чего требуется увеличить d, или обеспечить наименьшие значения веса, объема и стоимости конденсатора, для чего требуется уменьшать d.

В первом приближении объем конденсатора изменяется пропорционально квадрату толщины диэлектрика, поэтому снижение толщины d является существенным способом удешевления конденсатора и снижения его габаритных размеров.

Для конденсаторов постоянного тока и низкой частоты величина d обычно устанавливается на основе расчета электрической прочности конденсатора; для ряда типов высокочастотных конденсаторов величина d находится из теплового расчета и потом только проверяется в отношении запаса электрической прочности.