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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.