DE889807C - Elektrischer Kondensator, dessen Dielektrikum aus Umsetzungs-produkten der Belegung besteht - Google Patents

Elektrischer Kondensator, dessen Dielektrikum aus Umsetzungs-produkten der Belegung besteht

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DE889807C
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DE
Germany
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dielectric
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electrical capacitor
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gas
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DES16242D
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Inventor
Werner Dr-Ing Herrmann
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Siemens AG
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Siemens AG
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01GCAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G4/00Fixed capacitors; Processes of their manufacture
    • H01G4/002Details
    • H01G4/018Dielectrics
    • H01G4/06Solid dielectrics
    • H01G4/08Inorganic dielectrics
    • H01G4/10Metal-oxide dielectrics

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  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Fixed Capacitors And Capacitor Manufacturing Machines (AREA)

Description

  • Elektrischer Kondensator, dessen Dielektrikum aus Umsetzungsprodukten der Belecruncr besteht Bei dem Aufbau von temperaturbeständigen elektrischen Kondensatoren, deren Dielektrikum aus nicht leitenden Metallverbindungen besteht, erzeugt man die gewünschten :Metallverbindungen durch Umsetzung der Oberfläche derKondensatorbelegung, weil dadurch :das Dielektrikum sehr einfach in Schichtform genügend gleichmäßiger Stärke und genübender Homogenität hergestellt werden kann. Außerdem hat man es in .der Hand, durch Ausbildung dünnerer oder dickerer Schichten beliebige Wünsche hinsichtlich der Durchschlagsspannung, der Kapazitätsausbeute u.,dgl. mehr zu erfüllen. Es wurde bereits an anderer Stelle auseinandergesetzt, daß es zweckmäßig ist, die .dielektrischen Schichten in der Art .der korrosionsfesten überzüge herzustellen, :d. h. die Umsetzung der Belegungsoberfläche innerhalb eines elektrolytischen Verfahrens vorzunehmen und .dabei solche Bäder in Anwendung zu bringen, die sogenannte stromabhängige Schichten erzeugen, bei welchen nämlich das Produkt Strom mal Zeit maßgebend für, .die erzeugte Schichtstärke ist.
  • Diese Herstellungsweise ,hat deswegen ganz besondere Bedeutung, weil nach anderen Verfahren erzeugte Schichten gewöhnlich dünner sind und dadurch einen großen Ausschuß in der Fertigung bedingen. Die Erklärung hierfür ist vermutlich folgende.
  • Für die Belegung werden Metalle verwendet, die nicht roo°/o rein sind, sondern noch .geringe Fremdbestandteile enthalten. Diese Fremdbestandteile sind verteilt in der Belegung angeordnet und können auch an der Oberfläche der Belegung eingebettet sein. Bildet man nun die Oberfläche der Belegung in ein nicht leitendes Produkt um, dann entstehen an den Stellen, an denen Fremdbestandteile eingelagert sind, keine dielektrischen Umsetzungsschichten, weil die verwendeten Bäder naturgemäß auf das Belegungsmetall und nicht auf die Fremdbestandteile abgestimmt sind. Die eingelagerten Fremdbestandteile bilden damit also eine leitende Brücke zwischen dem Muttermetall der Belegung und der Gegenbelegung des Kondensators, der somit kurzgeschlossen ist. Da praktisch immer, auch bei sehr reinen Belegungsmetallen, mit Fremd= einschlüssen gerechnet werden muß, lassen sich diese Fehlstellen nur dann wirkungsvoll vermeiden, wenn man die dielektrische Schicht so stark ausbildet, daß ihre Stärke mindestens so groß ist wie der Durchmesser der größten eingelagerten Fremrdbestandteile. Diese werden dann nämlich von der nicht leitenden Schicht gleichsam unterwachsen und von ;dem Muttermetall der Belegung isoliert. Da man je nach dem Reinheitsgehalt des verwendeten Ausgangsmetalls für die Belegung einen gewissen Rückschluß, auf die größte Korngröße der eingeschlossenen Fremdbestandteile ziehen kann, ergibt sich damit zwangsweise eine Mindeststärke für die dielektrische Schicht.
  • Es wurde nun, insbesondere an Hand von sogenannten Aluminiu.moxydkondensatoren, d. h. Kondensatoren, deren Belegung aus Aluminium und deren Dielektrikum aus auf dieser Belegung aufgewachsenem Aluminiumoxyd besteht, festgestellt, daß die Durchschlagsspannung derartiger Kondensatoren verhältnismäßig gering ist und zeitweise stark schwankt. Es wurden, um die Durchschlagswerte zu verbessern und dadurch den Anwendungsbereich dieser Kondensatoren zu vergrößern, Untersuchungen angestellt, die folgendes Ergebnis hatten.
  • Da Aluminiumoxyd als dielektrischer bzw. isolierender Körper eine verhältnismäßig gute Durchschlagsspannung .besitzt, müssen die an den fertigen Kondensatoren festgestellten niedrigen Durchschlagswerte auf die in der OXydschicht vorliandenen Poren, die normalerweise mit Luft gefüllt sind, zurückgeführt werden. Nach den Untersuchungen von P a s ch en nimmt die Durchschlagsspannung zwischen ebenen Elektroden mit dem fallenden Produkt aus überschlagsweite und Druck der Gasfüllung bis zu einem Minimum ab, um bei sehr kleinen Werten des Produkts überraschend in ungewöhnlichem Maße anzusteigen. Bei Luft als Gasfüllung ergibt sich bei einem Druck von 76o mm Quecksilbersäule ein Minimum der Überschlagsspannung von etwas über 300 V bei rund 7,2,u Schlagweite. Das heißt nun aber, da die isolieren-,den Umsetzungsschichten ungefähr gerade in dieser Größenordnung benutzt werden, daß bereits allerkleinste Änderungen in der Schichtstärke einen erheblichen Einfluß auf die Durchschlagsspannung gewinnen können, womit sowohl die :niedrige Durchschlagsspannung derartiger Kondensatoren an sich als auch ihre große Streuung erklärt werden kann. Gleichzeitig ergibt sich aus- dieser überlagung aber auch, daß es zur Verbesserung des Durchschlagsverhaltens günstig ist, wenn man .die Schlagweite, d. h. die Porenlänge bzw. die Schichtstärke des Dielektrikums, möglichst unterhalb des kritischen Wertes aus dem Produkt Druck der Gasfüllung und Schlagweite wählt.
  • Diese und die anfangs beschriebene Bedingung hinsichtlich der Schichtstärke ergeben nun vereint ,die Regel, um durchschlagsfeste Kondensatoren mit anorganischem Dielektrikum herzustellen. Hiernach müssen erfindungsgemäß die dielektrischen Umsetzungsschichten mindestens so stark wie die größten an der Oberfläche eingeschlossenen Fremdbestandteile, jedoch höchstens so stark sein, daß das Produkt aus der gegebenenfalls durch zusätzliche Maßnahmen verkürzten Porenlänge dieser Schicht und dem Druck ihres Füllgases unterhalb ,des für dieses Füllgas kritischen Wertes bleibt. Während also auf der einen Seite das Bestreben dahin geht, die Schicht möglichst -stark zu machen, um eingelagerte Fremdbestandteile eindeutig zu isolieren, besteht auf der anderen Seite das Verlangen, die Schicht möglichst dünn zu machen, weil dadurch die Durchschlagsspannung ansteigt. Die Regel nach dem Kennzeichen der Erfindung stellt zwischen diesen beiden Extremen einen Kompromiß dar und gibt eine untere und eine obere Grenze für die Schichtstärke an, :die jedoch häufig sehr nahe beieinanderliegen.
  • Es kann nun ,der Fall eintreten, ,daß bei .der -Bestimmung der Mindestschichtstärke eine Stärke gefunden wird, die größer ist als die Schichtstärke, die nach dem zweiten Teil der gekennzeichneten Regel erforderlich ist. In diesem Falle ist an sich ein Kondensator nicht herstellbar bzw. liegt seine Durchschlagspannung im Verhältnis zum Aufwand sehr ungünstig. Hierfür gibt .die erfindungsgemäße Regel aber auch eine Lösung an, indem man dann die Porenlänge- durch zusätzliche-Maßnahmen verkürzt. Unter (der Voraussetzung, .daß der Druck des Füllgases konstant ist, ruft die Verkürzung der Porenlänge eine Verkleinerung des Produkts Druck mal Schlagweite hervor, wodurch sich eine bessere Durchschlagsspannung einstellt. Die Verkürzung der Porenlänge kann beispielsweise ,dadurch hervorgerufen werden, .daß man sie mindestens zum Teil mit Füllstoffen organischer oder anorganischer Natur durch Imprägnieren oder Ablagern fester Körper anfüllt. Auch kann die Art der Aufbringung der Gegenbelegung von Einfluß sein. Wird diese z. B. durch Kondensieren von Metalldampf gebildet, ,dann kann man es erreichen, daß die Poren zum Teil auf der Innenwandung bedampft werden, wodurch sich ebenfalls die wahre Porenlänge ändert. Obwohl also .die dielektrische Schicht eine dem Normaldruck eines bestimmten Füllgases, beispielsweise Luft, entsprechend zu große Stänke besitzt, kann durch Änderung der Porenlänge in .dieser zu starken Schicht trotzdem die Durchschlagsspannung der Schicht verbessert werden. Man kann auch in der Weise vorgehen"daß man mehrere entsprechend dünn gehaltene dielektrische Schichten übereinanderlagert, so daß nicht durchgehende lange Poren sondern in den verschiedenen Teilen des Dielektrikums verschiedene Porenteile mit entsprechend kleiner Länge vorhanden sind. Um eindeutig die einzelnen Schichten hinsichtlich ihrer Poren zu trennen und die Ausbildung ,durchgehender Poren zu vermeiden, kann es zweckmäßig sein, jede erzeugte Schicht jeweils mit einer Blindbelegung zu versehen, die lediglich als Äquipotentialfläche wirkt.
  • Weiterhin kann man in einem solchen Falle auch eine andere Gasfüllung, z. B. Stickstoff, Kohlensäure, Sauerstoff, verwenden, weil die verschiedenen Gase ihre Minima an verschiedenen Punkten des Diagramms besitzen. Reicht auch .dies nicht aus, dann kann man den Kondensator bei mehr oder weniger großem Unterdruck betreiben, weil dadurch ebenfalls das Produkt Druck mal Porenlänge kleiner wird.
  • Bei Aluminiumoxydkondensatoren, bei denen von einem Aluminium mit 99,81/o Reinheit ausgegangen wird, können unter Umständen Einschlüsse von Frem=dbestandteilen mit einem Durchmesser von 5 ,u enthalten sein. Nach .dem Kennzeichen der Erfindung muß .daher die dielektrische Schicht eine Mindeststärke von 5 ,u aufweisen. Wenn der Kon=densator weiterhin nicht in Schutzgasatmosphäre betrieben wird, in den Poren .der Oxydschicht also Luft vorhanden ist, dann ergibt sich die niedrigste Durchschlagsspannung bei Atmosphärendruck der eingeschlossenen Luft bei einer Schichtstärke von 7,2,u. Man wird bei einem solchen Kondensator also. die Schicht zweckmäßigerweise möglichst in der Nähe von 5,u, vielleicht bei 5,5 bis 6,u, ausbilden, um sowohl eine ein=wandfreie Isolation als auch bei dieser Isolation den günstigsten Durchschlagswert zu erhalten.
  • Würde sich in einem anderen Beispiel, von weniger reinem Aluminium ausgegangen, ein Durchmesser eingeschlossener Bestandteile von beispielsweise gerade 7,u ergeben, dann müßte man, um den Kondensator nicht gerade .bei der minimalen Durchschlagsspannung betreiben zu müssen, ihn vakuumdicht einbauen und beispielsweise bei einem Druck von a5o mm Quecksilbersäule betreiben, wodurch sicheineErhöhungdefDurchschlagsspannung um i oo 1/o ergeben kann.

Claims (3)

  1. PATENTANSPRÜCHE: i. Elektrischer Kondensator, dessen Dielektrikum aus auf der Oberfläche einer Belegung ,gebildeten nicht leitenden Umsetzungsprodukten besteht, insbesondere Kondensator mit Aluminiumbelegung und Aluminiumoxyd als Dielektrikum, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrische Umsetzungsschicht mindestens so stark wie die größten an der Oberfläche eingeschlossenen Fremdbestan,dteile ist, jedoch höchstens so stark, daß das Produkt aus der gegebenenfalls durch zusätzliche Maßnahmen verkürzten Porenlänge .dieser Schicht und dem Druck ihres Füllgases unterhalb des für dieses Gas kritischen Wertes bleibt.
  2. 2. Elektrischer Kondensator nachAnspruchi, ,dadurch gekennzeichnet, daß bei Anordnungen, bei .denen die Mindestschichtstärke größer als die maximale Schichtstärke ist, die Porenlänge durch zusätzliche Maßnahmen, beispielsweise durch teilweises Anfüllen mit Füllstoffen, wie Imprägniermitteln, eingelagerten oder abgeschiedenen festen Körpern u. dgl., oder durch Überlagern verschiedener, entsprechend dünner Isolierschichten mit oder ohne zwischenliegenden Blindbelegungen verkürzt ist.
  3. 3. Elektrischer Kondensator nach Anspruch i, .dadurch gekennzeichnet, daß bei Anordnungen, bei denen die Mindestschichtstärke größer als die maximale Schichtstärke ist, ein Gas mit höherem kritischen Wert verwendet ist bzw. daß der Kondensator bei Unterdruck betrieben wird.
DES16242D 1943-04-10 1943-04-10 Elektrischer Kondensator, dessen Dielektrikum aus Umsetzungs-produkten der Belegung besteht Expired DE889807C (de)

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