Металлобумажный конденсатор

Федеральное агентство  по образованию РФ

 

ТОМСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

(ТУСУР)

 

 

 

 

Кафедра физической электроники (ФЭ)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

МЕТАЛЛОБУМАЖНЫЕ КОНДЕНСАТОРЫ

 

Курсовая работа по дисциплине

” Материалы электронной  техники”

 

 

 

 

 

 

 

	Студент гр.314-2 ______ Бронников С.М.
	Руководитель доцент Кафедры Ф.Э. ______ Битнер Л.Р.

 

 

 

 

 

Томск 2007

 

Федеральное агентство  по образованию

Томский университет

Систем управления и радиоэлектроники

 

Кафедра физической электроники (ФЭ)

 

 

УТВЕРЖДАЮ

Зав. Кафедрой ФЭ

_________ Троян П.Е.

 

Задание

на курсовую работу по дисциплине: ”Материалы электронной техники”

студенту Бронникову Сергею Михайловичу группа 314-2 факультет электронной техники.

1. Тема работы: Металлобумажный конденсатор
2. Срок сдачи работы “___” __________ 2005г.
3. Исходные данные к работе: U=150B, C=0,1мкФ, токи утечки на постоянном напряжении не более 10^-8 А.
4. Содержание пояснительной записки (перечень вопросов подлежащих разработке):
• Типы конденсаторов, область применения, основные характеристики
• Диэлектрические материалы для конденсаторов
• Материалы обкладок
• Выбор материалов, расчет размеров и массы готового конденсатора
5. Содержание приложений____________________________________________

 

 

6. Дата выдачи задания ____________________________________________________

Руководитель Битнер Лилия Райнгольдовна

доцент кафедры ФЭ, ТУСУР

Задание принял к исполнению Бронников С.М.

 

Содержание

 

1. Введение…..…………………………………………………………………………...…...4

 

2. Основные характеристики конденсаторов…..…………………………………………...5
1. Классификация конденсаторов…………………………………………………………...5
2. Основные области применения конденсаторов…………………………………………6

 

3. Металлобумажный конденсатор..………………………………………………………...8
1. Основные материалы бумажных конденсаторов………………………………………..9
2. Технология изготовления бумажных конденсаторов………………………………….11
3. Конденсаторы бумажные с металлизированными обкладками МБГО………………13

 

4. Расчет размеров и массы готового конденсатора……………………………………..15

 

5. Заключение……………………………………………………………………………….19

 

6. Список используемой литературы………………………………………………………20

 

1. Введение

 

Электрические конденсаторы являются одним из наиболее широко используемых элементов радиоэлектронных и электротехнических устройств.

Советское конденсаторостроение возникло по существу на голом месте, почти 20 лет спустя после того, как производство конденсаторов началось за рубежом. За истекшие 40 лет советского конденсаторного производства проделало гигантский путь, развившись в мощную специализированную отрасль промышленности, вышедшую как по своим масштабам, так и по качеству продукции на одно из первых мест в мире.

Тема курсовой работы «бумажные  конденсаторы». При написании данной работы преследовалась основная цель: изучить процесс производства и функционирования бумажных конденсаторов.

Представленная курсовая работа состоит  из введения, трех основных глав, в которых раскрывается сущность и классификация конденсаторов, основные области их применения; рассмотрены диэлектрические материалы и материалы обкладок конденсаторов, а также проведены основные расчеты размеров и массы готового конденсатора и заключения.

 

2. Основные характеристики конденсаторов

1. Классификация конденсаторов.

 

Электрические свойства, конструкция  и область применения всякого конденсатора в максимальной степени определяются диэлектриком, разделяющим его обкладки. Поэтому конденсаторы правильнее всего классифицировать по роду диэлектрика.

Классификация:

Конденсаторы постоянной емкости.

1. Конденсаторы с газообразным диэлектриком: воздушные, газонаполненные, вакуумные
2. Конденсаторы с жидким диэлектриком
3. Конденсаторы с твердым неорганическим диэлектриком: стеклянные (стеклоэмалевые, стеклокерамические, стеклопленочные), слюдяные, керамические (низкочастотные, высокочастотные), тонкослойные из неорганических пленок
4. Конденсаторы с твердым органическим диэлектриком: бумажные, металлобумажные, пленочные (из неполярных пленок и из полярных пленок), комбинированные (бумажнопленочные), тонкослойные из органических синтетических пленок (тонкопленочные)
5. Электролитические (оксидные) конденсаторы: алюминиевые, танталовые, ниобиевые, титановые. Эти конденсаторы можно также различать по типу конструкции на жидкостные, сухие, твердые (оксидно-полупроводниковые) и оксидно-металлические.

 

При заданном типе диэлектрика конденсаторы можно классифицировать дополнительно по тому режиму работы, для которого предназначается данный конденсатор.

В каждом из этих случаев различают  конденсаторы низкого и высокого напряжения (низковольтные и высоковольтные).

 

2. Основные области применения конденсаторов

 

В современной технике конденсаторы находят себе исключительно широкое и разностороннее применение, прежде всего в области электроники. Здесь можно отметить их применение для следующих основных целей:

1. В радиотехнической и телевизионной аппаратуре – для создания колебательных контуров, их настройке, блокировки, разделения цепей с различной частотой, в фильтрах выпрямителей и т.д.
2. В радиолокационной технике – для получения импульсов большой мощности, формирования импульсов и т.д.
3. В телефонии и телеграфии – для разделения цепей постоянного и переменного токов, разделения токов различной частоты, искрогашения в контактах, симметрирования кабельных линий и т.д.
4. В автоматике и телемеханике – для создания датчиков на емкостном принципе, разделения цепей постоянного и пульсирующего токов, искрогашения в контактах, в схемах тиратронных генераторов импульсов и т.д.
5. В технике счетно-решающих устройств – в специальных запоминающих устройствах и т.д.
6. В электроизмерительной технике - для создания образцов емкости, получения переменной емкости (магазины емкости и лабораторные переменные конденсаторы), создание измерительных приборов на емкостном принципе и т.д.

В электроэнергетике конденсатор  находит себе также весьма разнообразное  и ответственное применение:

• для улучшения коэффициента мощности промышленных установок (косинусные или шунтовые конденсаторы)
• для продольной емкостной компенсации дальних линий передач и для регулирования напряжения в распределительных сетях
• для емкостного отбора энергии от линий передач высокого напряжения и для подключения к линиям передачи специальной аппаратуры связи и защитной аппаратуры (конденсаторы связи)
• для защиты от перенапряжений
• для применения в схемах генераторов импульсов напряжения и генераторов мощных импульсов тока, используемых при испытаниях электротехнической аппаратуры
• для электрической сварки разрядом
• для пуска конденсаторных электродвигателей (пусковые конденсаторы) и для создания нужного сдвига фаз в дополнительной обмотке этих двигателей
• в устройствах освещения люминесцентными лампами
• для подавления радиопомех, создаваемых электрическими машинами и подвижным составом электрифицированного транспорта.

Разнообразие областей применения обусловливает исключительно большое  разнообразие типов конденсаторов, используемых современной техникой. Поэтому наряду с миниатюрными конденсаторами, имеющими вес менее грамма и размеры порядка нескольких миллиметров, можно встретить конденсаторы с весом несколько тонн и по высоте превышающий человеческий рост. Емкость современных конденсаторов может составлять от долей пикофарады до нескольких десятков и даже сотен тысяч микрофарад в единице, а номинальное рабочее напряжение может лежать в пределах от нескольких вольт до нескольких сотен киловольт.

 

3. Металлобумажный конденсатор

Название металлобумажных получили бумажные конденсаторы, в которых  в качестве обкладок применяют тонкий слой металла, нанесенный на бумагу. Диэлектриком служит лакированная конденсаторная бумага.

Металлобумажные конденсаторы имеют  по сравнению с бумажными меньшие  габаритные размеры (при равных номинальных напряжениях и емкостях), а по сравнению с электролитическими – обладают меньшими токами утечки, большим сроком службы и лучшей холодоустойчивостью. Малая толщина обкладок придает металлобумажным конденсаторам весьма ценное, только им присущее свойство – «самовосстановление» электрической прочности при единичны пробоях бумаги, так как при этом тонкий слой металла вокруг места пробоя испаряется, тем самым, изолируя место короткого замыкания. Заметим, что в низковольтных цепях, с высоким полным сопротивлением тепло, развиваемое дугой при пробое, может оказаться недостаточным, чтобы произошло самовосстановление.

Недостаток металлобумажных конденсаторов  заключается в том, что сопротивление изоляции у них ниже, чем у бумажных, оно уменьшается при длительном хранении в бездействующем состоянии и с увеличением числа самовосстанавливающихся пробоев. Наиболее часто и резко снижается сопротивление изоляции у конденсаторов с однослойным диэлектриком (например, МБГО). Металлобумажные конденсаторы с однослойным диэлектриком ( МБМ, МБГП, МБГЦ с номинальным напряжением до 250 В и МБГО всех напряжений) нежелательно применять в цепях с низким напряжением (несколько вольт или долей вольта).

Металлобумажные конденсаторы в основном применяют в цепях развязок, блокировок и фильтров (рис )

1. Основные материалы бумажных конденсаторов

 

В бумажных конденсаторах для активного диэлектрика применяется конденсаторная бумага, отличающаяся от обычных бумаг малой толщиной, повышенной плотностью и механической прочностью. Малое содержание примесей (бумага почти на 100 % состоит из клетчатки) и повышенная плотность увеличивают электрическую прочность конденсаторной бумаги в сравнении с другими сортами электротехнических бумаг.

По ГОСТ 1908 – 57 предусматривается изготовление двух сортов конденсаторной бумаги КОН – 1 с объемным весом 1,0 г/см³ и толщиной 7, 8, 10, 12, 15, 22, 30 мк и КОН – 2 с объемным весом 1,16 – 1,25 г/см³ , толщиной 5, 6, 7, 8, 10, 12, 15, 22, 30 мк. Значения объемного веса соответствуют бумаге с влажностью 8±1%.

При изменении объемного веса бумаги меняются ее электрические характеристики. Чем плотнее бумага, т.е. чем большая доля ее объема заполнена клетчаткой, тем выше диэлектрическая проницаемость и электрическая прочность. С ростом плотности возрастает и значение тангенса угла диэлектрических потерь сухой бумаги.

Для конденсаторов, работающих при  постоянном токе, когда диэлектрические  потери не имеют существенного значения, надо применять бумагу с повышенной плотностью, так как она имеет повышенное значение диэлектрической проницаемости. В конденсаторах, работающих при переменном токе, для снижения потерь применяют бумагу пониженной плотности.

Существует специально оксидная бумага, содержащая до 5 % окиси алюминия. Такая бумага при пропитке легко загрязняющимися хлорированными массами, ухудшающими угол потерь после заливки в корпус конденсатора, обеспечивает «доочистку» пропиточной массы в готовом конденсаторе, так как содержащаяся в бумаге окись алюминия служит адсорбентом, поглощающим ионы загрязнений, содержащиеся в пропиточной массе.

Конденсаторная бумага является неоднородным диэлектриком, состоящий из клетчатки, занимающей в зависимости от плотности бумаги 51 – 87 % ее объема. Остальная часть объема приходится на долю пор, содержащих воздух и частично заполненных влагой. Воздушно-сухом состоянии количество влаги доходит до 10 % от веса бумаги.

Для повышения электрической прочности  и диэлектрической проницаемости бумагу высушивают и пропитывают различными жидкими или отвердевающими полярными или не полярными составами.

 

Таблица 3.1.1.Характеристики пропитывающих составов для бумажных конденсаторов

Характеристики	Конденсаторное масло	Совол	Конденсаторный вазелин	Кастровое масло
Плотность, г/см3, при t=200С	0,86-0,89	1,51 - 1,56	0,83-0,88	0,95-0,97
Температура застывания, 0С	-450С	+5 - +6	+30 - +40	-15÷ -17
Теплопроводность,	0,0013	0,00101	-	-
Теплоемкость при 20 – 100 0С,	0,43 –0,58	0,36	-	-
Температурный коэффициент объемного расширения, 1/0С	0,0006-0,0007	0,001	-	-
Удельное объемное Сопротивление при 200С,	1014	1013 – 1014	>1014	1012
Электрическая прочность при 50 Гц, 200С, кв/см	200	170	>200	200
Диэлектрическая проницаемость при 50 Гц, 200С	2,1-2,3	4,6-5,2	2,1-2,2	4,2-4,7
Тангенс угла диэлектрических потерь при 50 Гц, 900С	0,005	0,03-0,003	<0,002	>0,01

 

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, теплопроводностю и механической прочностью. Чаще всего для обкладок применяется алюминиевая фольга удельное сопротивление алюминия, как и других проводниковых материалов, растет при увеличении процента содержащихся в нем примесей. У наиболее чистого, отожженного алюминия ρ = 0,026 / м, у алюминия марки А-1 ρ = 0,0282

/ м. температурный коэффициент  сопротивления ТК ρ = 0,004 град^-1 в интервале температур от 0 до 150⁰ С.

В соответствии с ГОСТ 618-62 «Фольга  алюминиевая, рулонная для электротехнических целей», фольга выпускается толщиной от 0,005 до 0,2 мм при ширине рулона от 10 до 460 мм. 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. Фольга выпускается двух сортов – твердая и мягкая (отожженная), - различающихся по своим механическим характеристикам.

Для выводов (вкладышей) секций конденсаторов  выбирается либо более толстая, чем для электродов, алюминиевая фольга, либо медная луженая фольга толщиной 0,05 мм. Для перемычек между секциями и для выводов конденсатора применяется медная фольга толщиной 0,3 – 0,5 мм.

2. Технология изготовления бумажных конденсаторов

 

Первой операцией в производстве бумажных конденсаторов является намотка  конденсаторных секций, которую проводят на специальных намоточных станках  из лент бумаги и алюминиевой фольги, сматывающихся с рулонов.

При изготовлении конденсаторов с  небольшими значениями номинальной  емкости применяют цилиндрические секции, намотанные на оправки малого диаметра (1,5 – 3 мм) и сохраняющая  цилиндрическую форму после снятия с оправки; при изготовлении силовых конденсаторов или конденсаторов для электронной техники с высоким рабочим напряжением или большой емкостью применяют плоско прессованные секции. В этом случаи используется оправка большого диаметра, до 20 – 60 мм, и снятая с оправки секция сжимается, принимая плоскую форму.

 
Рисунок 3.2.1. Поперечное сечение секций

бумажных конденсаторов: а – цилиндрическая

секция ; б – плоская  секция.

При сборке небольших радиоконденсаторов плоские секции обычно просто вставляют  в металлический корпус, применяя для их уплотнения картонные клинья. При этом степень сжатия невелика, что несколько ухудшает удельные характеристики.

При использовании твердых (реже - полужидких) масс в производстве небольших  бумажных конденсаторов низкого  напряжения иногда применяют сушку и пропитку секций до сборки в корпусе; цилиндрические секции сушат и пропитывают в металлических корзинах (сетчатых или перфорированных коробках), а плоские секции – в металлических струбцинах, которые разбирают после окончания пропитки и охлаждения до комнатной температуры. В этом случаи твердая масса при своем отвердевании (за счет охлаждения или «запечки» при пропитке смолами) цементирует конденсаторную секцию и она сохраняет приданную ей прессовкой плоскую форму.

При использовании жидких пропиточных масс сушка и пропитка производятся после сборки конденсаторных секций в корпусах и припайки или приварки верхние крышки с изоляторами. В ней оставляется отверстие, через которое уходят пары воды при сушке и входит пропиточная масса при пропитке; по окончании пропитки после охлаждения конденсатора до некоторой заданной температуры это отверстие запаивается или заваривается.

Сушка и пропитка бумажных конденсаторов  являются наиболее ответственными этапами  технологии, от которых в сильной степени зависит качество готовых конденсаторов. Основной задачей сушки является максимальное удаление воды, содержащейся в конденсаторе.

Основная задача процесса пропитки – заполнение пор в бумаге и  зазоров между слоями бумаги и  обкладками пропиточной массой для повышения бумажного диэлектрика и его электрической прочности.

Время пропитки значительно меньше времени сушки и даже для больших  силовых конденсаторов редко  превышает 10 – 12 ч.

После окончания пропитки излишки  пропиточной массы извлекают из конденсатора для запайки пропиточных отверстий.

При пропитке конденсаторов твердыми воскообразными массами желательно выдерживать конденсаторы в массе  до температуры, близкой к точке  ее застывания, чтобы ослабить влияние усадки массы.

После запайки отверстий в герметизированных  конденсаторах проводится их обмывка  подходящим растворителем и проверка на герметичность.

Конденсаторы, оказавшиеся герметичными поступают на окраску корпуса  антикоррозионным лаком, проходят просушку и направляются на окончательное испытание и маркировку.

3. Конденсаторы бумажные с металлизированными обкладками МБГО

 

Данные конденсаторы предназначены  для работы в цепях постоянного  и пульсирующего токов. Они изготавливаются  в исполнениях для умеренного и холодного климата. Выпускаются в герметичных металлических корпусах.

 
Рисунок 3.5.1 Конденсаторы бумажные с металлизированными обкладками МБГО

 

Таблица 3.5.1. Массогабаритные данные конденсатора

Сном, мкФ	U ном.п, в	Размеры, мм				Масса, г, не более
		H	L	B	A
2,0	160	25	31	16	13	30
4,0				21		40
10,0		50	46	16	25	80
20,0				31		140
30,0				41		180
1,0	300	25	31	11	13	25
2,0				21
3,0		50	31	11	25	70
10,0				21		115
20,0				41		180
30,0				56		230
1,0	400	25	46	16	13	30
2,0				26		45
4,0		50	31	16	25	80
10,0				31		140
20,0				61		250
0,5	500	25	46	11	13	25
1,0				21		40
2,0		50	31	11	25	70
10,0				21		115
20,0				41		180
20,0				76		300
25,0	630	25	46	11	13	25
0,5				16		30
1,0				26		45
2,0		50	31	16	25	80
4,0				26		120
10,0				56		230

 

Показатели надежности. τ _min = 10⁴.; t_cчз = 12 лет.

Способ крепления - за корпус и за планки.

На ряду с данным конденсатором  существует также и бумажный конденсатор  с металлизированными обкладками МБГЧ, предназначенные для работы в  цепях переменного и пульсирующего токов. Они изготовляются в исполнениях для умеренного и холодного климата и все климатическом. Выпускаются в герметичных металлических прямоугольных корпусах двух видов: МБГЧ – 1 и МБГЧ – 2.

 Рисунок 3.5.2 Конденсаторы бумажные с металлизированными обкладками МБГЧ

 

4. Расчет размеров и массы  готового конденсатора

Рассчитываем бумажный конденсатор  с номинальным напряжением  150 В, емкостью 0,1 мкФ, током утечки на постоянном напряжении не более 10 ^{- 8} А.

Выберем в качестве диэлектрика плотную конденсаторную бумагу КОН-2 (1,2 г/см³) и пропитку вазелином для повышения удельной емкости. Данный вид бумаги имеет пробивное напряжение слоя U_пр=240-670 В и Е_пр=40-70 МВ/м.

Из формулы  найдем толщину диэлектрика .

 

    Рисунок 3.1.1 К расчету цилиндрического конденсатора  с бумажным диэлектриком:

     а - общий  вид с разрезом; б – вывод;  в – схема развертки намотанной  секции.

 

Тогда для однослойного бумажного  конденсатора при умеренном сжатии секции принимаем ε = 4,5. Берем два слоя диэлектрика толщиной по 6 мкм, а толщину пропитки по 1 мкм, так как номинальное напряжение 150 В. Тогда толщина пропитанного слоя бумаги 7 мкм. Величина закраин при напряжении 150 В составляет 2 мм.

Ширину бумаги берем равной 37 мм. В качестве материала обкладок возьмем алюминиевую фольгу  толщиной 7 мкм. Активная ширина обкладок

 

b_а =  37 – 2 ∙ 2 = 33 мм.

 

Разбив конденсатор на 4 параллельно  соединяемые секции, выбирая диаметр  намоточной оправки D₀= 10 мм. Подсчитываем число витков по формуле:

с учетом того, что при намотке  металлобумажный конденсаторов  принимается увеличенное количество холостых витков в начале и конце  намотки, обычно 5 – 10. 

Взяв 5 холостых витков в начале намотки, получим диаметр, при котором начинается намотка активных витков,

Приняв толщину обкладки равную нулю, вычислим коэффициент. 

,

где d – толщина диэлектрика, мкм;

d_ф - толщина обкладки, мкм.

Вычисляем наружный диаметр намотанной секции

;

.

где С – номинальная емкость, мкФ;

D₀ – диаметр, при котором начинается намотка активных витков, см

Число витков секции

;

Полное число витков 42 + 10 = 52.

Ширина секции согласно формуле:

;

см  мм

Используем в качестве корпуса  винипластовую трубку: внутренний диаметр  22 мм, толщина стенок 1,5 мм, наружный диаметр 25 мм. С учетом выступающих с торцов фольги и припайки вывода принимаем длину секции на 2 мм более ширины бумаги, т.е. 39 мм. Считая на заливку торцов по 5 мм с каждого торца, получаем длину корпуса 49мм. Для заливки используем эпоксидную смолу. Таким образом, получили следующие размеры конденсатора : диаметр 22 мм и длина 49 мм.

Объем конденсатора

 см³.

Удельный объем составляет

 см³ /мкФ

Определим вес конденсатора. Активная площадь фольги в нем составляет

К_н С d = 126 ∙ 0,1 ∙ 3,7 = 466,2 см², где

.

При активной ширине 3,3 см длина лент фольги см.

Вес фольги в конденсаторе V_ф ∙ ρ_ф= 2 ∙ 141,27 ∙ 3,3 ∙ 7 ∙ 10^-4 = 0.653 г. Бумажная лента несколько длиннее фольги за счет 5 холостых витков в конце и начале намотки. Длина первого витка π ∙ 0,33 = 1 см, длина последнего витка π ∙ 1,3 = 4 см. Принимаем увеличение длины бумажной ленты в сравнении с длиной фольги 5 ∙ π (1+ 4) = 72,5 см.

Тогда длина бумажных лент ℓ_б = 141,3 + 72,5 = 213,8 см.

Объем бумаги в конденсаторе V_б = 2 ∙ 213,8 ∙ 2 ∙ 6 ∙ 10^-4 =0,513 см³.

Вес бумаги в конденсаторе V_б ∙ ρ_б = 0,513 ∙ 1,2 = 0,6 г.

Относительный объем пор  .

Объем впитанного вазелина 0,225∙0,513= 0,115 см³.

С учетом налипания пропиточной  массы на поверхность секции принимаем  ее полный объем 0,014 см³ и при удельном весе 0,85 г/ см³ получаем вес пропиточной массы в конденсаторе 0,12 г.

Принимая длину выводных проводников  с учетом их припайки к торцу секций по 40 мм при диаметре 1 мм (для меди удельный вес 8,9 г / см³), получаем вес выводных проводников г.

Принимаем удельный вес винипласта 1,4 г / см³, находим вес корпуса

 г.

Объем с обоих торцов на заливку см³.

Принимая удельный вес эпоксидной смолы равным 1,25 г / см³, и несколько увеличив объем, учитывая затекание смолы в щель между секцией и стенкой корпуса, а также выступание за края торцов, получаем вес заливочной массы в конденсаторе