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Die Erfindung betrifft einen Folienkondensator, umfassend eine Mehrzahl von Lagen von Dielektrikumsfolien, eine mit einem ersten Anschluss kontaktierte erste Kontaktschicht an einer ersten Stirnseite der Lagen, und eine mit einem zweiten Anschluss kontaktierte zweite Kontaktschicht an einer zweiten Stirnseite der Lagen, wobei auf mindestens jede zweite Dielektrikumsfolie mindestens einseitig eine Metallisierungsschicht aufgebracht ist, und wobei jede Metallisierungsschicht entweder mit der ersten Kontaktschicht oder mit der zweiten Kontaktschicht kontaktiert ist.
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Für viele Anwendungen der Leistungselektronik werden Kondensatoren eingesetzt, beispielsweise zur kurzzeitigen Speicherung von Energie oder zur Stabilisierung von Wechselspannungen. Insbesondere in der Stromversorgung einer Industrieanlage, welche mit einer möglichst konstanten Spannung zu betreiben ist, werden deshalb häufig Kondensatoren verwendet, um Schwankungen in der Netzspannung abzuschwächen bzw. ausgleichen zu können.
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Eine mögliche Bauart für einen Kondensator ist hierbei der Folienkondensator. In einem Folienkondensator sind mehrere Lagen von Dielektrikumsfolien übereinander geschichtet, wobei auf einzelne Dielektrikumsfolien je nach Ausgestaltung ein- oder beidseitig eine Metallisierungsschicht aufgebracht ist. An zwei gegenüberliegenden Stirnseiten der meist rechteckförmigen Lagen sind jeweils Kontaktschichten aufgebracht, wobei eine Metallisierungsschicht immer entweder mit der einen oder der anderen Kontaktschicht kontaktiert ist. Die Kontaktschichten können dabei beispielsweise als ein verflüssigtes Metall mittels Pressluft flächig auf die Stirnfläche der Lagen aufgesprüht werden. Oftmals werden die Lagen um eine zu den Kontaktschichten senkrechte Achse aufgewickelt, und gegebenenfalls zum Schutz vor Umwelteinflüssen, insbesondere vor Feuchtigkeit, von einer Kunststoffhülle umgeben, wobei aus der Kunststoffhülle nur die beiden jeweils mit einer der Kontaktschichten kontaktierten Anschlüsse hervortreten.
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In den Luftspalten zwischen einer Dielektrikumsfolie und einer Metallisierungsschicht kommt es im Spannungsfall aufgrund der dielektrischen Polarisation der Dielektrikumsfolie durch eine auf ihrer Gegenseite angebrachte, gegenpolig kontaktierte Metallisierungsschicht, zu hohen Feldstärken. Dies führt zu Spannungsüberschlägen, welche vorrangig an den Stellen stattfinden, an denen auf Grund von Unebenheiten der beiden Oberflächen der Abstand leicht reduziert ist. Bei einer anliegenden Wechselspannung finden derartige Spannungsüberschläge periodisch statt. Ein Spannungsüberschlag kann zudem durch eine Spannungsspitze in der Netzspannung, beispielsweise bei einem Blitzeinschlag, verursacht werden.
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Durch eine nicht vermeidbare Restfeuchtigkeit im Folienkondensator wird eine Metallisierungsschicht oberflächlich oxidiert, was normalerweise zu einer Passivierung ihrer Oberfläche führt, und sie somit vor tief eindringender Korrosion schützt. Durch einen Spannungsüberschlag wird diese Passivierung jedoch überwunden, die Oxidierung wird entfernt, und eine tiefere Ebene der Metallisierungsschicht wird nun oxidiert. Im Bereich der Spannungsüberschläge wird so nach und nach die gesamte Metallisierungsschicht oxidiert, und somit steigt der Widerstand in dieser Flächenzone an.
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Geschieht eine derartige Oxidation in der Nähe zur Kontaktierung mit einer Kontaktschicht, wird die Anbindung der Metallisierungsschicht an die Kontaktschicht mit zunehmender Betriebsdauer hochohmiger, was bei einer gleich bleibenden Wechselstromstärke zu einer Zunahme der Leistungsverluste in Verbindung mit einer fortschreitenden Erwärmung des Folienkondensators durch die Verlustleistung führt. Diese Erwärmung kann nicht nur zur vollständigen Zerstörung des Folienkondensators führen, sondern durch ein Schmelzen der Dielektrikumsfolien diesen auch in Brand setzen, was erhebliche Betriebsrisiken auch für die übergeordnete Anwendung zur Folge haben kann.
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Das Problem einer fortschreitenden Oxidation einzelner Flächenstücke der Metallisierungsschichten und einer damit einhergehenden Erhöhung des Widerstandes zur jeweiligen Kontaktschicht ist hierbei stark von der Feuchtigkeit abhängig. Ein Folienkondensator, welcher in Europa einen sicheren Dauerbetrieb über weit mehr als zehn Jahre garantiert, kann beim Betrieb in einem tropischen Klima bereits nach zwei Jahren kritisch oxidiert sein. Insbesondere vor dem Hintergrund der aufstrebenden Märkte in tropischen Regionen wie Südostasien, Indien, Lateinamerika und Teilen Afrikas stellt dies die Konzeption von Stromversorgungen für verschiedenste Industrieanwendungen vor eine neue Herausforderung.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Folienkondensator zu nennen, welcher bei einer möglichst hohen Kapazität und Belastbarkeit einen möglichst hohen Schutz vor einer kritischen Erhöhung des Widerstandes in Folge von Umwelteinflüssen bietet.
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Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Folienkondensator, umfassend eine Mehrzahl von Lagen von Dielektrikumsfolien, eine mit einem ersten Anschluss kontaktierte erste Kontaktschicht an einer ersten Stirnseite der Lagen, und eine mit einem zweiten Anschluss kontaktierte zweite Kontaktschicht an einer zweiten Stirnseite der Lagen, wobei auf mindestens jede zweite Dielektrikumsfolie mindestens einseitig eine Metallisierungsschicht aufgebracht ist, und wobei jede Metallisierungsschicht entweder mit der ersten Kontaktschicht oder mit der zweiten Kontaktschicht kontaktiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Dicke wenigstens einer Metallisierungsschicht von der mit ihr kontaktierten Kontaktschicht weg entlang ihrer Auftragungslänge verjüngt, wobei entlang einer Strecke, welche senkrecht zur Kontaktschicht bis zum der Kontaktschicht abgewandten Rand der Metallisierungsschicht führt, die durchschnittliche Dicke der Metallisierungsschicht über die der Kontaktschicht angrenzenden Hälfte der Strecke mindestens 50% mehr beträgt als die durchschnittliche Dicke der Metallisierungsschicht über die der Kontaktschicht abgewandten Hälfte der Strecke.
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Unter der mit der Kontaktschicht kontaktierten Flächenhälfte ist hierbei ein Flächenanteil der Metallisierungsschicht zu verstehen, welcher an einer Seite durch die Kontaktschicht selbst begrenzt wird, und an der anderen Seite durch die kürzest mögliche Linie begrenzt wird, welche eine monotone Abstandsbeziehung sowohl zur Kontaktschicht als auch zum dieser gegenüberliegenden Ende der Metallisierungsschicht aufweist, und dabei die Hälfte der Fläche der Metallisierungsschicht mit umschließt.
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Insbesondere kann dabei die Metallisierungsschicht in mehreren Sub-Lagen aufgetragen sein, welche jeweils mit der Kontaktschicht kontaktiert sind und mit zunehmendem Sub-Lagenabstand von der Dieleketrikumsfolie eine kürzere Auftragungslänge von der Kontaktschicht weg über die Dielektrikumsfolie derart aufweisen, dass die Abnahme im Wesentlichen gleichmäßig verläuft.
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Insbesondere kann dabei die Anordnung der Lagen von Dielektrikumsfolien so erfolgen, dass die Oberfläche einer sich in der Dicke verjüngenden Metallisierungsschicht von der Oberfläche einer gegenüberliegenden Dielektrikumsfolie oder Metallisierungsschicht einen im Wesentlichen konstanten Abstand hat. Unter gegenüberliegend ist hierbei (und im Folgenden) zu verstehen, dass die Oberflächen der gegenüberliegenden Folien oder Schichten durch einen Luftspalt voneinander getrennt sind.
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Der Erfindung liegen dabei folgende Überlegungen zugrunde: An einer Stelle, an welcher aufgrund von Materialunebenheiten eine Dielektrikumsfolie einen geringeren Abstand zu einer gegenüberliegenden Metallisierungsschicht aufweist, findet bei Anlegen einer hinreichend hohen Wechselspannung ein sich periodisch widerholender Spannungsüberschlag statt, welcher an der Stelle des Spannungsüberschlages die feine Oxidationsschicht auf der Metallisierungsschicht entfernt. Somit dringt an dieser Stelle die Oxidation nach und nach tiefer in die Metallisierungsschicht ein, was zudem zu einem leichten Abtragen derselben an dieser Stelle führt. Der Abstand zur Dielektrikumsfolie vergrößert sich und hierdurch wird ein Spannungsüberschlag an einer anderen Stelle der Metallisierungsschicht energetisch günstiger. Die Metallisierungsschichten im Folienkondensator werden hierdurch nach und nach unregelmäßig, jedoch flächig abgetragen und somit der Flächenwiderstand der Folie erhöht.
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Im Bereich der Kontaktierung mit der Kontaktschicht, wo der Fluss der Ladungsträger am größten ist, führt die Erhöhung des Flächenwiderstands zu einer deutlich stärkeren Erhöhung des parasitären Gesamtwiderstands des Kondensators (ESR) als auf der gegenüberliegenden Metallisierungsseite, auf welcher der Ladungsträgerfluss gering ist. Diese Erhöhung ist in erster Näherung umgekehrt proportional zur Abnahme der Schichtdicke der Metallisierungsschicht.
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Bei gleichbleibendem Strom I nimmt entsprechend die Verlustleistung P = RI2 zu, welche in Wärme umgesetzt wird. Verjüngt sich nun die Dicke der Metallisierungsschicht über die Dielektrikumsfolie hin, so hat die flächige Abtragung bzw. Oxidation der freien Oberfläche der Metallisierungsschicht zur Folge, dass die kapazitiv aktive Fläche der Metallisierungsschicht auf der Dielektrikumsfolie von der Gegenseite (gegenüber der kontaktierten Kontaktschicht) beginnend sukzessiv abnimmt. Die freie Kante der Metallisierungsschicht wird sozusagen durch die Oxidation zur Kontaktschicht hin zurückgezogen. Zudem kann stellenweise die Metallisierung vollständig oxidiert werden, wobei dies infolge der Verjüngung zuerst fernab der Kontaktschicht stattfindet. Durch die Abnahme der kapazitiv aktiven Fläche wird die Kapazität C des Folienkondensators reduziert, und somit nach I = C·dU/dt auch der Strom I durch den Folienkondensator. Durch eine Verjüngung des Profils der Metallisierungsschicht kann die Verlustleistung P = RI2 daher während des oxidationsbedingten Degradationsprozesses der Metallisierungsschicht beschränkt werden, wodurch ein unkontrolliertes Erhitzen der Dielektrikumsfolie durch eine kritisch erhöhte Verlustleistung verhindert werden kann. Durch eine Verjüngung derart, dass entlang einer Strecke senkrecht zur Kontaktschicht bis zum Rand der Metallisierungsschicht die durchschnittliche Dicke der Metallisierungsschicht über die erste (der Kontaktschicht angrenzenden) Hälfte der Strecke mindestens 50% mehr beträgt als die durchschnittliche Dicke der Metallisierungsschicht über die zweite (der Kontaktschicht abgewandten) Hälfte der Strecke, ist im Langzeitbetrieb des Folienkondensators trotz einer Reduzierung der Dicke der Metallisierungsschicht aufgrund der sich durch Abnahme der Fläche der Metallisierungsschicht verringernden Kapazität die Verlustleistung stabil. Der Folienkondensator kann somit dauerhaft ohne Brandgefahr der Dielektrikumsfolie in Betreib bleiben.
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Infolge der Degradation der Metallisierungsschicht nimmt auch die Kapazität C des Folienkondensators über einen langen Zeitraum hin nach und nach ab. Daher kann es erforderlich sein, den Folienkondensator auszutauschen, wenn dieser die für die übergeordnete Anwendung notwendige Mindestkapazität nicht mehr bereitzustellen vermag. Die Abnahme der Kapazität ist jedoch kontrollierbar, und stellt zudem für eine große Mehrzahl von Anwendungen, anders als die nun gebannte Brandgefahr des Folienkondensators, kein wesentliches Risiko dar.
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Bevorzugt verjüngt sich die Dicke wenigstens einer Metallisierungsschicht von der mit ihr kontaktierten Kontaktschicht weg entlang ihrer Auftragungslänge keilförmig. Unter einer keilförmigen Verjüngung entlang der Auftragungslänge ist hierbei zu verstehen, dass die Dicke der Metallisierungsschicht von der Kontaktschicht weg bis zu ihrer freien Kante auf der Dielektrikumsfolie im Wesentlichen gleichmäßig abnimmt. Die obengenannte numerische Bedingung wird in einem keilförmigen Profil automatisch erfüllt.
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Durch ein keilförmiges Profil der Metallisierungsschicht sind die durch die Oxidation und damit einhergehende Abtragung bedingten Abnahme der Schichtdicke, welche den Widerstand R erhöht, und die Abnahme der kapazitiv aktiven Fläche, welche den Strom I verringert, in erster Näherung proportional. Einer linearen Erhöhung des Widerstandes R um einen Faktor infolge der Oxidation steht somit eine lineare Abnahme des Stromes I um einen Faktor einer vergleichbaren Größenordnung gegenüber. Hierdurch kann die in Wärme umgesetzte Verlustleistung P = RI2 über die Lebensdauer des Folienkondensators besonders gut kontrolliert werden.
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Günstigerweise weist eine Anzahl von Dielektrikumsfolien jeweils auf einer Seite eine mit der ersten Kontaktschicht kontaktierte Metallisierungsschicht und auf der anderen Seite eine mit der zweiten Kontaktschicht kontaktierte Metallisierungsschicht auf. Die beidseitige Metallisierung einer Dielektrikumsfolie ist eine häufig angewandte Bauweise von Folienkondensatoren.
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Als vorteilhaft erweist es sich, wenn auf den einander zugewandten Seiten wenigstens eines Paares von aufeinanderfolgenden Dielektrikumsfolien jeweils eine jeweils mit derselben Kontaktschicht kontaktierte Metallisierungsschicht aufgebracht ist. Insbesondere können sich diese Metallisierungsschichten in ihrer Dicke entlang ihrer Auftragungslänge keilförmig verjüngen. Durch die direkt gegenüberliegende Anordnung zweier Metallisierungsschichten, welche aufgrund der Kontaktierung mit derselben Kontaktschicht auf gleichem elektrischen Potential liegen, sind zumindest im diese Metallisierungsschichten trennenden Luftspalt Spannungsüberschläge de facto ausgeschlossen.
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Eine keilförmige Verjüngung ihrer Dicken hat zudem den Vorteil, dass produktionsbedingte Uneinheitlichkeiten ihrer Auftragungslängen, welche an den entsprechenden Stellen Spannungsüberschläge begünstigen, bei der Inbetriebnahme des Folienkondensators ausgeglichen werden können: Sind die Auftragungslängen der gegenüberliegenden Metallisierungsschichten nicht gleich, was produktionsbedingt leicht vorkommen kann, so ist an den entsprechenden Stellen im Luftspalt ein Übergang einer Metallisierungsschicht zu einer gegenüberliegenden Dielektrikumsfolie. Dies begünstigt dort einen Spannungsüberschlag. Durch ein keilförmiges Profil der Metallisierungsschichten können diese Spannungsüberschläge die Überstände einer Metallisierungsschicht durch Oxidation bis zur Kante der gegenüberliegenden Metallisierungsschicht zurückdrängen. Dies kann im Produktionsprozess vor Auslieferung auch als systematischer Bestandteil der ersten Inbetriebnahme implementiert werden. Durch die Verringerung der Spannungsüberschläge infolge der besser aufeinander abgestimmten Auftragungslängen der Metallisierungsschichten ist der dauerhafte Betrieb des Folienkondensators insgesamt stabiler.
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Zweckmäßigerweise ist auf jede Dielektrikumsfolie auf jeder Seite eine Metallisierungsschicht aufgebracht, wobei die Metallisierungsschichten der selben Dielektrikumsfolie mit jeweils unterschiedlichen Kontaktschichten kontaktiert sind, und wobei die einander zugewandten Metallisierungsschichten aufeinander folgender Dielektrikumsfolien jeweils mit derselben Kontaktschicht kontaktiert sind. Diese Bauweise kombiniert die oben genannten Vorteile in besonders kompakter und somit kostengünstiger Weise.
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In einer weiteren, auch für sich eigenständig erfinderischen Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Folienkondensator eine Mehrzahl von Lagen von Dielektrikumsfolien, eine mit einem ersten Anschluss kontaktierte erste Kontaktschicht an einer ersten Stirnseite der Lagen, und eine mit einem zweiten Anschluss kontaktierte zweite Kontaktschicht an einer zweiten Stirnseite der Lagen, wobei auf mindestens jede zweite Dielektrikumsfolie mindestens einseitig eine Metallisierungsschicht aufgebracht ist, und wobei jede Metallisierungsschicht entweder mit der ersten Kontaktschicht oder mit der zweiten Kontaktschicht kontaktiert ist. Hierbei ist vorgesehen, dass bei wenigstens einem Paar von zwei aufeinander folgenden Dielektrikumsfolien, auf die an den einander zugewandten Seiten jeweils eine mit der jeweils selben Kontaktschicht kontaktierte Metallisierungsschicht aufgebracht ist, eine Dielektrikumsfolie an dem dieser Kontaktschicht zugewandten Rand eine durch eine Anzahl von Aussparungen gebildete Kontur aufweist.
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Bevorzugt ist die oder jede Aussparung in einer Dielektrikumsfolie hierbei so zu dimensionieren, dass eine Metallisierungsschicht einer Dielektrikumsfolie, welche an einer Kontaktschicht kontaktiert ist, durch eine Aussparung in der gegenüberliegenden Kontur einer nachfolgenden Dielektrikumsfolie nicht zur gegenüberliegenden Kontaktschicht freigelegt bzw. kontaktierbar wird, da dies sonst einen Kurzschluss des Folienkondensators ermöglichen könnte.
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Bei einem Paar von Dielektrikumsfolien, welche auf den einander zugewandten Seiten jeweils eine Metallisierungsschicht aufweisen, ist bei gleicher Kontaktierung dieser Metallisierungsschichten auch die jeweilige Kontaktfläche zur Kontaktschicht für den Widerstand des Kondensators und somit für die Verlustleistung relevant. Durch die Anordnung in Lagen kann eine von außen aufgetragene Kontaktschicht oft nur schwer in den die Dielektrikumsfolien (und somit die Metallisierungsschichten) trennenden Luftspalt eindringen. Die Kontaktfläche einer Metallisierungsschicht zur Kontaktschicht ist somit durch diese geringe Eindringtiefe beschränkt, da die stirnseitige Schichtdicke der Metallisierungsschicht selbst praktisch vernachlässigbar ist. Durch eine Aussparung im Rand einer Dielektrikumsfolie kann die kontaktierbare Fläche der gegenüberliegenden Metallisierungsschicht mit der Kontaktschicht erheblich erhöht und somit der Widerstand verringert werden.
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Vorteilhafterweise weist wenigstens ein Paar von zwei aufeinander folgenden Dielektrikumsfolien, auf die an den einander zugewandten Seiten jeweils eine mit der jeweils selben Kontaktschicht kontaktierte Metallisierungsschicht aufgebracht ist, an dem dieser Kontaktschicht zugewandten Rand jeweils eine durch eine Anzahl von Aussparungen gebildete Kontur auf, wobei die Aussparungen der Kontur einer der beiden Dielektrikumsfolien von der anderen Dielektrikumsfolie zumindest abschnittsweise überdeckt werden. Somit kann jeweils eine Metallisierungsschicht, welche innerhalb des Paares von Dielektrikumsfolien angeordnet ist, über eine oder mehrere Aussparungen in der jeweils anderen Dielektrikumsfolie mit der Kontaktschicht kontaktiert werden, was sich günstig auf den Widerstand auswirkt.
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Insbesondere sind hierbei entlang dieses Randes paarweise Konturen dergestalt umfasst, dass jede Aussparung im Rand einer Dielektrikumsfolie von der jeweils anderen Dielektrikumsfolie vollständig überdeckt wird, oder dass die Aussparungen der beiden Dielektrikumsfolien zueinander komplementär sind, und somit eine Aussparung von der jeweils anderen Dielektrikumsfolie ohne einen Überstand bedeckt wird.
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Bevorzugt sind wenigstens zwei aufeinander folgende Dielektrikumsfolien, von denen wenigstens eine an mindestens einem einer Kontaktschicht zugewandten Rand eine durch eine Anzahl von Aussparungen gebildete Kontur aufweist, bezüglich dieser Kontaktschicht zueinander verschoben. Insbesondere, falls nur eine der Dielektrikumsfolien hier Aussparungen aufweist, ist hierbei bevorzugt diese zur Kontaktschicht hin verschoben. Dies ermöglicht ein einfacheres Kontaktieren beider Metallisierungsschichten zwischen den beiden Dielektrikumsfolien.
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Günstigerweise weist die oder jede Aussparung einen abgerundeten Rand auf. Dies ist produktionstechnisch besonders einfach zu realisieren. Verglichen mit einer eckigen Kontur verringert eine Abrundung im Rand einer Aussparung zudem die Gefahr eines Einreißens der Folie an dieser Stelle.
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Zweckmäßigerweise ist auf jede Dielektrikumsfolie auf jeder Seite eine Metallisierungsschicht aufgebracht, wobei die Metallisierungsschichten der selben Dielektrikumsfolie mit jeweils unterschiedlichen Kontaktschichten kontaktiert sind, wobei die einander zugewandten Metallisierungsschichten aufeinander folgender Dielektrikumsfolien jeweils mit derselben Kontaktschicht kontaktiert sind, und wobei jede Dielektrikumsfolie an einem einer Kontaktschicht zugewandten Rand eine durch eine Anzahl von Aussparungen gebildete Kontur aufweist. Dies erlaubt eine bei einer besonders kompakten und somit kostengünstigen Bauweise des Folienkondensators eine vergleichsweise einfache Kontaktierung der jeweiligen Metallisierungsschichten, was sich günstig auf den Widerstand und somit auf die in Wärme umgesetzte Verlustleistung auswirkt.
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In einer weiter vorteilhaften, auch für sich eigenständig erfinderischen Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Folienkondensator eine Mehrzahl von Lagen von Dielektrikumsfolien, eine mit einem ersten Anschluss kontaktierte erste Kontaktschicht an einer ersten Stirnseite der Lagen, und eine mit einem zweiten Anschluss kontaktierte zweite Kontaktschicht an einer zweiten Stirnseite der Lagen, wobei auf mindestens jede zweite Dielektrikumsfolie mindestens einseitig eine Metallisierungsschicht aufgebracht ist, wobei jede Metallisierungsschicht entweder mit der ersten Kontaktschicht oder mit der zweiten Kontaktschicht kontaktiert ist. Hierbei ist vorgesehen, dass die erste Kontaktschicht und die zweite Kontaktschicht jeweils von einer Metallplatte bedeckt sind.
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Die Metallplatten schützen die Kontaktschichten vor dem Eindringen von Feuchtigkeit. Dies erschwert die Oxidation der Metallisierungsschichten, und erhöht somit die Haltbarkeit des Folienkondensators. Insbesondere kann hierbei eine Metallplatte einen umlaufenden Bund am Rand aufweisen, welcher die jeweilige Kontaktschicht seitlich mit umschließt.
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Als weiter vorteilhat erweist es sich, wenn hierbei die Lagen von Dielektrikumsfolien im Wesentlichen eine Rechteckform aufweisen, und die erste Kontaktschicht und die zweite Kontaktschicht an jeweils einander gegenüberliegenden Stirnseiten der Lagen angeordnet sind. Dies erlaubt eine besonders einfache und kompakte Bauweise des Folienkondensators und insbesondere eine einfache Konstruktion der die Kontaktschichten bedeckenden Metallplatten.
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Zweckmäßigerweise sind dabei die Lagen von Dielektrikumsfolien um eine Achse senkrecht zu Kontaktschichten aufgewickelt. Das Eindringen von Feuchtigkeit in die Lagen von Dielektrikumsfolien erfolgt vornehmlich durch Diffusion durch die Dielektrikumsfolien selbst und die Kontaktschichten. Durch eine Wicklung der Lagen in Kombination mit dem Abdecken der beiden Kontaktschichten durch jeweils eine Metallplatte ist das Eindringen von Feuchtigkeit an den Kontaktschichten erheblich unterdrückt, während nur noch die oberste Lage der Wicklung diffundierender Feuchtigkeit ausgesetzt ist. Durch das deutlich erschwerte Eindringen von Feuchtigkeit wird die Haltbarkeit der Metallisierungsschichten erhöht.
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Bevorzugt werden die Dielektrikumsfolien jeweils mit einer Parylenschicht überzogen. Insbesondere kann dabei die Parylenschicht eine auf einer Dielektrikumsfolie aufgebrachte Metallisierungsschicht mit umschließen. Aufgrund der hohen Spannungsfestigkeiten und der niedrigen Dielektrizitätskonstanten von Parylenen können somit für den Betrieb ungewünschte Spannungsüberschläge weiter erschwert werden.
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Vorteilhafterweise ist der Folienkondensator von einem Kunststoffgehäuse umschlossen. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass aus dem Kunststoffgehäuse nur der erste Anschluss und der zweite Anschluss hervortreten, und alle anderen Komponenten des Folienkondensators vom Kunststoff des Gehäuses vollständig versiegelt werden. Hierdurch kann Feuchtigkeit im Wesentlichen nur durch Diffusion durch den Kunststoff ins Innere des Folienkondensators eindringen, was seine Spannungsfestigkeit und seine Haltbarkeit weiter verbessert.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen jeweils schematisch:
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1 eine Querschnittdarstellung durch Lagen von Dielektrikumsfolien eines Folienkondensators mit Isolationsfolien,
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2 eine Querschnittdarstellung durch eine weitere Anordnung von Lagen der Dielektrikumsfolien eines Folienkondensators,
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3 in einer Draufsicht zwei aufeinanderfolgende Dielektrikumsfolien mit jeweils einseitiger Kontur und versetzter Anordnung,
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4 in einer Draufsicht zwei aufeinanderfolgende Dielektrikumsfolien mit beidseitiger, jeweils überstehend überdeckender Kontur, und
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5 einen Querschnitt durch einen Folienkondensator in Schrägansicht.
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Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren jeweils mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist für einen Folienkondensator 1 schematisch ein Querschnitt durch die Lagen 2 von Dielektrikumsfolien 4a, 4b dargestellt. Je zwei der Dielektrikumsfolien 4a weisen auf beiden Seiten jeweils eine Metallisierungsschicht 8a, 8b auf, wobei jeweils eine Metallisierungsschicht 8a einer Dielektrikumsfolie 4a mit einer ersten Kontaktschicht 10a und die andere Metallisierungsschicht 8b derselben Dielektrikumsfolie 4a mit einer zweiten Kontaktschicht 10b kontaktiert ist. An der ersten Kontaktschicht 10a ist ein erster Anschluss 12a, an der zweiten Kontaktschicht 10b ein zweiter Anschluss 12b kontaktiert, so dass über den ersten Anschluss 12a und den zweiten Anschluss 12b eine Spannung an den Folienkondensator 1 angelegt werden kann. Die Anordnung der Lagen 2 ist hierbei derart, dass eine Metallisierungsschicht 8a, welche mit der ersten Kontaktschicht 10a kontaktiert ist, zunächst durch einen Luftspalt 14, dann durch eine unbeschichtete Dielektrikumsfolie 4b, welche als Isolationsfolie dient, und durch einen weiteren Luftspalt 14 von einer Metallisierungsschicht 8b getrennt ist, welche mit der zweiten Kontaktschicht 10b kontaktiert ist.
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Kommt es nun im Betrieb zu Spannungsüberschlägen, beispielsweise von einer durch das elektrische Feld der Metallisierungsschicht 8a polarisierten Dielektrikumsfolie 4b zur Metallisierungsschicht 8b hin, dringt an der Stelle der Spannungsüberschläge eine dünne Oxidschicht, welche die Oberflächen der Metallisierungsschichten 8a, 8b bedeckt, tiefer ein, wodurch an dieser Stelle nach und nach der Abstand der Metallisierungsschicht 8b zur Dielektrikumsfolie 4b zunimmt, weswegen der Spannungsüberschlag dann vorzugsweise an einer anderen Stelle stattfindet. So nimmt nach und nach die Dicke der Metallisierungsschicht 8b ab. Hierdurch verringert sich auch die Dicke ihrer Anbindung an die zweite Kontaktschicht 10b, wodurch sich auch der Widerstand und somit die Verlustleistung erhöhen.
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Durch die schleichende Abnahme der Dicke der Metallisierungsschicht 8b durch Oxidation verringert sich jedoch auch ihre kapazitiv aktive Fläche, was den Stromdurchfluss durch den Folienkondensator 1 verringert. Dies verringert wiederrum die Verlustleistung, welche somit im Ganzen während des Degradationsprozesses durch die Oxidation als stabil betrachtet werden kann. Die Abnahme der Kapazität kann es erforderlich machen, den Folienkondensator 1 in der übergeordneten Anwendung auszutauschen, jedoch wird wirksam einem unkontrollierten Erhitzen durch eine erhöhte Verlustleistung bis hin zum Brand der Dielektrikumsfolien 4a, 4b vorgebeugt.
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In 2 ist für einen Folienkondensator 1 schematisch ein Querschnitt durch eine andere Anordnung der Lagen 2 von Dielektrikumsfolien 4a dargestellt. Alle Dielektrikumsfolien 4a sind beidseitig beschichtet. Je zwei durch einen Luftspalt 14 getrennte, gegenüberliegende Metallisierungsschichten 8a bzw. 8b sind jeweils mit derselben Kontaktschicht 10a bzw. 10b kontaktiert, liegen also jeweils auf demselben Potential.
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Spannungsüberschläge finden hier hauptsächlich nur an den Rändern der Metallisierungsschichten 8a, 8b statt.
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Aufgrund von möglichen Ungenauigkeiten in der Fertigung kann eine erste von zwei gegenüberliegenden Metallisierungsschichten, z.B. 8a, länger über die entsprechende Dielektrikumsfolie 4a aufgetragen sein. Somit liegt dieser Metallisierungsschicht 8a an ihrer abschließenden Kante ein freies Flächenstück der Dielektrikumsfolie 4a gegenüber, welche ihrerseits durch die darauf aufgebrachten Metallisierungsschichten 8a, 8b polarisiert ist. Es kann somit an dieser Stelle zu Spannungsüberschlägen kommen, welche die überstehende erste Metallisierungsschicht 8a so weit oxidieren, bis nach und nach der Überstand aufgebraucht ist, und die beiden gegenüberliegenden Metallisierungsschichten 8a eine weitgehend gleiche Auftragungslänge über ihre jeweilige Dielektrikumsfolie 4a aufweisen.
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3 zeigt schematisch in der Draufsicht zwei aufeinanderfolgende Dielektrikumsfolien 4a, 4c, jeweils einzeln und in Lagenanordnung. An den einander zugewandten Seiten der beiden Dielektrikumsfolien 4a, 4c ist jeweils eine Metallisierungsschicht 8a aufgebracht, die mit derselben Kontaktschicht 10a zu kontaktieren ist. Auf die Dielektrikumsfolie 4a ist, der Dielektrikumsfolie 4c abgewandt, eine weitere Metallisierungsschicht 8b aufgebracht, welche mit der Kontaktschicht 10b zu kontaktieren ist. Die Dielektrikumsfolie 4c weist am der Kontaktschicht 10a zugewandten Rand eine Kontur 20a aus rechteckförmigen Aussparungen 22a auf. Die Dielektrikumsfolie 4a weist ihrerseits am der Kontaktschicht 10b zugewandten Rand eine Kontur 20b aus rechteckförmigen Aussparungen 22b auf. In der Überdeckung ist die Dielektrikumsfolie 4c bezüglich der Dielektrikumsfolie 4a leicht zur Kontaktschicht 10a hin versetzt angeordnet.
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Die zwischen den Dielektrikumsfolien 4a und 4c angeordneten Metallisierungsschichten 8a sind jeweils beide mit der ersten Kontaktschicht 10a kontaktiert. Hierbei ist die auf die Dielektrikumsfolie 4c aufgebrachte Metallisierungsschicht 8a über die durch die versetzte Anordnung erzeugten Überstände 24a, die auf die Dielektrikumsfolie 4a aufgebrachte Metallisierungsschicht 8a über die durch die Aussparungen 22a freigelegten Flächenstücke 26a mit der ersten Kontaktschicht 10a kontaktiert. Die Aussparungen 22b in der Kontur 20b der Dielektrikumsfolie 4a können dazu dienen, eine in der Zeichnung nicht näher dargestellte Metallisierungsschicht, welche der Metallisierungsschicht 8b der Dielektrikumsfolie 4a zugewandt ist, mit der zweiten Kontaktschicht 10b zu kontaktieren. Die auf den Dielektrikumsfolien 4a, 4c angeordneten Metallisierungsschichten 8a reichen nicht bis zur Kontaktschicht 10b, insbesondere nicht bis zu den durch die Aussparungen 22b freigelegten Flächenstücken 26b.
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In 4 sind einer Draufsicht schematisch zwei aufeinanderfolgende Dielektrikumsfolien 4a, 4c, jeweils einzeln und in Lagenanordnung dargestellt. Die beiden Dielektrikumsfolien 4a, 4c weisen an beiden Rändern jeweils eine Kontur 20a, 20b auf, wobei die Aussparungen 22a der Dielektrikumsfolie 4c gegen die Aussparungen 28a der Dielektrikumsfolie 4a derart verschoben sind, dass sie von den Flächenstücken 29a, welche auf der Dielektrikumsfolie 4a durch die Aussparungen 28a voneinander getrennt sind, mit einem Überstand (entlang der Kontur 20a) überdeckt werden. Somit kann eine auf die Dielektrikumsfolie 4c aufgebrachte, der Dielektrikumsfolie 4a zugewandte Metallisierungsschicht 8a mit der ersten Kontaktschicht 10a über die durch die Aussparungen 28a freigelegten Flächenstücke 26c kontaktiert werden, und eine auf die Dielektrikumsfolie 4a aufgebrachte, der Dielektrikumsfolie 4c zugewandte Metallisierungsschicht 8a mit der Kontaktschicht 10a über die durch die Aussparungen 22a freigelegten Flächenstücke 26a. Vergleichbares gilt für eine mögliche Kontaktierung von Metallisierungsschichten an den Konturen 20b. Die hier dargestellten Konturen 20a, 20b der Dielektrikumsfolien 4a, 4c sind insbesondere für die in 2 genannte Anordnung der Metallisierungsschichten 8a, 8b auf den Dielektrikumsfolien 4a, 4c vorteilhaft.
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5 zeigt in Schrägansicht einen Querschnitt durch einen schematisch dargestellten Folienkondensator 1. Die Lagen 2 der Dielektrikumsfolien, welche in der Zeichnung nicht in ihren Einzelheiten dargestellt sind, sind um eine Achse 30 spiralförmig aufgewickelt. Diese Achse steht senkrecht zur Ebene, welche durch die aufgewickelte erste Kontaktschicht 10a beschrieben wird. Zum besseren Schutz vor Feuchtigkeit ist die erste Kontaktschicht 10a von einer Metallplatte 32 bedeckt. Vergleichbares gilt für die in der Zeichnung nicht dargestellte zweite Kontaktschicht des Folienkondensators 1. Somit sind die Lagen 2 nur noch an der Wicklungskante 34 gegen das Eindringen von Feuchtigkeit zu versiegeln.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht durch dieses Ausführungsbeispiel eingeschränkt. Andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
