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Diese Erfindung betrifft einen metallisierten dielektrischen Film, der zur
Bildung elektrischer Leistungskondensatoren vom selbstheilenden Typ
verwendet wird, und den daraus hergestellten Kondensator.
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Dieser Typ von Kondensator wird zum Beispiel in einer
Eisenbahnumgebung verwendet und wird im Allgemeinen aus metallisiertem Film vom
traditionellen oder vom segmentierten Typ gebildet. Er muss niedriges
Volumen und Gewicht besitzen, er wird mit Gleichstrom verwendet, und
ist allgemein von hoher Kapazität für eine variable Spannung zwischen
500 und 5000 Volt.
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Im Fall eines dielektrischen Durchschlags ist ein Kondensator, der aus
einem dielektrischem Film mit metallisierten Oberflächen hergestellt ist,
bekanntermaßen in der Lage, eine mögliche Fehlerstelle zu isolieren. In
dieser Hinsicht entfernt die Energie des Lichtbogens, der als Folge einer
Entladung entsteht, die Metallisierung in der Umgebung, um den Bereich
des Kurzschlusses zu isolieren, und erlaubt so dem Kondensator, in
Betrieb zu bleiben.
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In bestimmten Fällen (hohe Spannung, hohe Kapazität) kann die
Entladung so heftig sein, dass das Kondensator-Dielektrikum durch mehrere
aufeinander folgende Schichten hindurch kompromittiert wird. In diesem
Fall funktioniert der selbstheilende Mechanismus nicht mehr richtig, mit
dem Ergebnis, dass ein großer Bereich mit geschmolzenem Material
auftritt, was zu der Zerstörung des Kondensators führt.
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Um die schädlichen Auswirkungen, die von einer Hochenergieentladung
stammen, zu verringern, kann der Film in "Segmente" unterteilt werden,
welche die Energie verringern, die durch einen elementaren Kondensator
gespeichert wird.
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Der Schutz wird durch Unterbrechung des Kontaktes zwischen dem
segmentierten Sektor und den Endstücken erreicht. Um den
Eingriffsmechanismus zuverlässiger zu machen, kann der Anschlussbereich wesentlich
verringert werden, um Schmelzsicherungen auszubilden, die das Segment
leichter isolieren.
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Eine weitere alternative Lösung, bekannt als Mosaik, besteht darin, den
Film in zahlreiche Bereiche zu unterteilen, die durch schmelzbare
Elemente miteinander verbunden sind, wie in dem vorhergehenden Fall.
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Das Aufteilen des Kondensators in eine Anzahl von elementaren
Kondensatoren, die über Schmelzsicherungen miteinander verbunden sind, d. h.
die Verwendung eines segmentierten oder Mosaikfilms, hat den Vorteil,
dass die Zerstörung des Kondensators verhindert wird, der im Fall eines
Fehlers dazu tendiert, seine Kapazität bis zur Isolation zu verringern,
wobei nur wenig Gas erzeugt wird und der Film nicht schmilzt oder
verbrennt, wodurch das Explosionsrisiko minimiert wird.
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Im Gegensatz dazu tendieren die Verluste auf Grund des Jouleschen
Effektes dazu, höher zu sein als in der traditionellen Lösung, weshalb der
Kondensator im Allgemeinen nicht dazu in der Lage ist, hochintensive
Ströme zu tolerieren.
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Es ist bekannt, dass die Kapazität eines selbstheilenden Kondensators mit
der Zeit auf Grund der Selbstheilungs-Entladungen abnimmt. Dieses
Phänomen ist bei segmentierten oder Mosaikfilmen offensichtlicher, da die
verschiedenen Sektoren selbst dazu tendieren, als ein Ergebnis von
heftigeren Entladungen und/oder dielektrischer Verschlechterung isoliert zu
werden. Darüber hinaus ergeben die entmetallisierten Bereiche, die
gebildet sind, um die verschiedenen Sektoren zu isolieren, wobei diese letzteren
nur durch die schmelzbaren Brücken verbunden sind, eine Verringerung
in der zugewandten Oberfläche, wodurch eine Vergrößerung (um die selbe
Kapazität zu erzielen) der Menge des zu verwendenden Films (mit
vergrößertem Kondensatorvolumen und Gewicht) erforderlich wird.
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Schließlich ist bekannt, dass beim Erhöhen des Widerstandes der
metallisierten Schicht (leitfähige Schicht) die Selbstheilungs-Entladungsenergie
abnimmt, mit der Möglichkeit, wieder mit höheren Spannungen zu
arbeiten, aber mit dem Nachteil des Kapazitätsverlustes, der dazu tendiert, im
Fall des Wechselstrombetriebes beträchtlich zuzunehmen.
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Darüber hinaus erlaubt in Anwendungen mit hohem absorbierten Strom
der Joulesche Effekt auf Grund des hohen Widerstandes dem
Kondensator nicht, bei hohen Strömen verwendet zu werden.
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Um den zuvor erwähnten Nachteilen zu begegnen, wurde ein metallisierter
Film konstruiert, der mit hohen Spannungsgradienten, mit niedrigeren
Kapazitätsschwankungen und mit geringeren Verlusten durch den
Jouleschen Effekt als Lösungen des segmentierten oder des Mosaiktyps
betrieben werden kann. Darüber hinaus kann in diesem Fall der Kondensator
mit einer hochwertigen Wechselstromkomponente belastet werden.
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Die JP-A-06 290 990 beschreibt einen metallisierten Polypropylenfilm für
Kondensatoren mit zumindest einer Oberfläche, die durch eine Zn-, Al-
oder ZnAl-Schicht bedeckt ist, worin der Rand der Seite der
Leitungsabnahme dicker ist als ein normaler Teil, d. h. die Dicke der Schicht variiert
in abnehmender Weise als eine Funktion einer linearen Dimension,
beginnend an dem Kontaktbereich und zu einem Bereich in der Nähe eines der
Ränder des Substrates. In der Figur ist eine Abstufung zwischen dem
dicken Teil (4) und dem normalen Teil (3) ausgebildet.
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Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist daher, einen metallisierten
dielektrischen Film mit variablem Widerstand zu schaffen, der für
Gleichstromkondensatoren verwendet werden kann, und der zugleich, vom
Standpunkt der Verhinderung des Durchganges von pulsierendem Strom
aus, zuverlässig ist, und welcher die Verluste auf Grund des Jouleschen
Effektes im Vergleich mit traditionellen selbstheilenden Kondensatoren
niedrig hält.
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Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, einen Leistungskondensator zu
schaffen, der im Fall von lokalen Schäden als Folge von Entladungen eine
Verminderung der Kapazität erfährt, welche, für gleiche Bedingungen,
geringer ist als die Kapazitätsverringerung, die bei selbstheilenden
Kondensatoren des segmentierten oder des Mosaiktyps anzutreffen ist.
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Ein weiteres Ziel besteht darin, die Bildung des metallisierten
dielektrischen Films mit variablem Widerstand und die Herstellung des
Kondensators einfach und ökonomisch zu machen, ohne die Notwendigkeit,
komplizierte Technologie zu verwenden.
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Diese Ziele werden durch einen Kondensator in Übereinstimmung mit
Anspruch 1 erreicht.
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Der bis zum gegenwärtigen Zeitpunkt verwendete dielektrische Film, im
Allgemeinen Polypropylen, wird gegenwärtig mit Aluminium, Zink oder
Aluminium-Zink-Legierungen metallisiert, mit Widerstandswerten, die,
gemessen in Ohm/Quadrat (Ω/ ), zwischen 2 und 5 für Aluminium
und zwischen 5 und 10 für Zink oder Zink-Aluminium-Legierung
variieren. Die Ränder werden im Allgemeinen verstärkt, um einen besseren
Kontakt mit den Endstücken zu erzielen.
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Der Widerstand des Films wird an einer quadratischen Probe gemessen,
wobei das erhaltene Ergebnis unabhängig von den Abmessungen des
Quadrates ist. Es gilt die folgende Beziehung:
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R (Ω/ ) = p (Ω.m/x (m), wobei p der spezifische Widerstand des
leitenden Materials (oder der Legierung) ist, das auf dem Dielektrikum
abgeschieden ist, und x die Dicke des Materials ist, das auf dem Dielektrikum
abgeschieden ist.
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Der metallisierte Film der Erfindung wird durch Metallisierung variabler
Dicke erreicht, wobei der Widerstand, bewertet in Ohm/Quadrat (Ω/ ),
zwischen einem minimalen Wert von 1 Ω/ in dem Kontaktbereich und
einem maximalen Wert von 60 Ω/ an dem gegenüberliegenden Ende
durch Reduktion der Metallisierungsdicke in geeigneter Weise variiert, mit
einer kontinuierlichen Variation von zum Beispiel dem inversen
quadratischen Typ, so dass der Wert des äquivalenten Reihenwiderstandes des
Kondensators oder der durch den Jouleschen Effekt in dem metallisierten
Bereich verbrauchten Leistung in der selben Größenordnung liegt wie der
entsprechende Wert für einen Kondensator mit konstantem spezifischen
Widerstand (vom Wert zwischen 2 Ω/ und 10 Ω/ ).
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Die Eigenschaften des metallisierten dielektrischen Films mit variablem
Widerstand und des damit zusammenhängenden Kondensators gemäß der
vorliegenden Erfindung werden aus der Beschreibung einer
Ausführungsform derselben, die hier im Folgenden anhand eines nicht
einschränkenden Beispiels unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen
gegeben wird, deutlich, in welchen:
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Fig. 1 ein schematischer Querschnitt durch zwei metallisierte
dielektrische Filme ist; die als die leitenden Elektroden in dem Aufbau eines
selbstheilenden Leistungskondensators nach dem bekannten Stand der
Technik verwendet werden;
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Fig. 1A ein kartesischer Graph ist, der die Beziehung zwischen der
Summe der in zwei nebeneinander liegenden leitenden Elektroden eines
selbstheilenden Leistungskondensators nach dem bekannten Stand der
Technik durch den Jouleschen Effekt verbrauchten Leistungen und der
Höhe der leitenden Elektrode des Kondensators zeigt;
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Fig. 2 ein schematischer Querschnitt durch einen ersten metallisierten
dielektrischen Film von Fig. 1 nach dem bekannten Stand der Technik
ist;
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Fig. 2A ein kartesischer Graph ist, der die Beziehung zwischen dem
Widerstand einer ersten leitenden Elektrode von Fig. I nach dem
bekannten Stand der Technik und der Höhe der leitenden Elektrode des
Kondensators zeigt;
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Fig. 2B ein kartesischer Graph ist, der die Beziehung zwischen der
Intensität des durch die erste leitende Elektrode von Fig. I nach
dem
bekannten Stand der Technik absorbierten Stromes, und der Höhe der
leitenden Elektrode des Kondensators zeigt;
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Fig. 2C ein kartesischer Graph ist, der die Beziehung zwischen der
durch den Jouleschen Effekt in der ersten leitenden Elektrode von Fig. 1
nach dem bekannten Stand der Technik verbrauchten Leistung und der
Höhe der leitenden Elektrode des Kondensators zeigt;
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Fig. 3 ein schematischer Querschnitt durch einen zweiten metallisierten
dielektrischen Film von Fig. 1 nach dem bekannten Stand der Technik
ist;
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Fig. 3A ein kartesischer Graph ist, der die Beziehung zwischen dem
Widerstand der zweiten leitenden Elektrode von Fig. 1 nach dem
bekannten Stand der Technik und der Höhe der leitenden Elektrode des
Kondensators zeigt;
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Fig. 3B ein kartesischer Graph ist, der die Beziehung zwischen der
Intensität des durch die zweite leitende Elektrode von Fig. 1 nach dem
bekannten Stand der Technik absorbierten Stromes und der Höhe der
leitenden Elektrode des Kondensators zeigt;
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Fig. 3C ein kartesischer Graph ist, der die Beziehung zwischen der
durch den Jouleschen Effekt in der zweiten leitenden Elektrode von Fig.
1 nach dem bekannten Stand der Technik verbrauchten Leistung und der
Höhe der leitenden Elektrode des Kondensators zeigt;
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Fig. 4 ein schematischer Querschnitt durch zwei metallisierte
dielektrische Filme ist, die als die leitenden Elektroden in dem Aufbau eines
selbstheilenden Leistungskondensators in Übereinstimmung mit der
Erfindung verwendet werden;
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Fig. 4A ein kartesischer Graph ist, der die Beziehung zwischen der
Summe der in zwei nebeneinander liegenden leitenden Elektroden eines
selbstheilenden Leistungskondensators in Übereinstimmung mit der
Erfindung durch den Jouleschen Effekt verbrauchten Leistungen und der
Höhe der leitenden Elektrode des Kondensators zeigt;
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Fig. 5 ein schematischer Querschnitt durch einen ersten metallisierten
dielektrischen Film von Fig. 4 ist;
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Fig. 5A ein kartesischer Graph ist, der die Beziehung zwischen dem
Widerstand einer ersten leitenden Elektrode von Fig. 4 und der Höhe der
leitenden Elektrode des Kondensators zeigt;
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Fig. 5B ein kartesischer Graph ist, der die Beziehung zwischen der
Intensität des durch die erste leitende Elektrode von Fig. 4 absorbierten
Stromes und der Höhe der leitenden Elektrode des Kondensators zeigt;
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Fig. 5C ein kartesischer Graph ist, der die Beziehung zwischen der
durch den Jouleschen Effekt in der ersten leitenden Elektrode von Fig. 4
verbrauchten Leistung und der Höhe der leitenden Elektrode des
Kondensators zeigt;
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Fig. 6 ein schematischer Querschnitt durch einen zweiten metallisierten
dielektrischen Film von Fig. 4 in Übereinstimmung mit der Erfindung
ist;
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Fig. 6A ein kartesischer Graph ist, der die Beziehung zwischen dem
Widerstand der zweiten leitenden Elektrode von Fig. 4 und der Höhe der
leitenden Elektrode des Kondensators zeigt;
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Fig. 6B ein kartesischer Graph ist, der die Beziehung zwischen der
Intensität des durch die zweite leitende Elektrode von Fig. 4 absorbierten
Stromes und der Höhe der leitenden Elektrode des Kondensators zeigt;
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Fig. 6C ein kartesischer Graph ist, der die Beziehung zwischen der
durch den Jouleschen Effekt in der zweiten leitenden Elektrode von Fig.
4 verbrauchten Leistung und der Höhe der leitenden Elektrode des
Kondensators zeigt;
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Fig. 7 ein schematischer Querschnitt durch zwei metallisierte
dielektrische Filme ist, die als die leitenden Elektroden in dem Aufbau eines
elektrischen Schaltkreises entsprechend zwei in Reihe geschalteten
selbstheilenden Leistungskondensatoren in Übereinstimmung mit der Erfindung
verwendet werden;
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Unter Bezugnahme auf die Fig. 1, 2, 3 und 4 sind die metallisierten
dielektrischen Filme insgesamt durch 101, 102, 103, 104 angezeigt, und
umfassen jeweils ein Substrat 30, 30', 70, 70' aus isolierendem Material
und eine Schicht 20, 20', 60, 60' aus elektrisch leitendem Material, das
auf der Isolierung 30, 30', 70, 70' durch bekannte
Metallabscheidungsverfahren gezogen wurde. In der Umgebung der Kontaktelektroden 11, 11',
51, 51' des Kondensators ist die Metallisierung der leitfähigen Schichten
20, 20', 60, 60' gezogen (durch bekannte Sprühtechniken), bis sich ein
gesamter verstärkter Rand 10, 10', 50, 50' aus stromleitendem Material
gebildet hat.
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Im Besonderen in den Fig. 1, 2 und 3, welche metallisierte
dielektrische Filme betreffen, die nach dem bekannten Stand der Technik gebildet
sind, bezeichnen 40 und 44' allgemein zwei Referenzbereiche,
entsprechend den Kontaktoberflächen des ersten Films und des zweiten Films des
Kondensators, jeweils durch 101 und 102 angezeigt, in welchen die
Ränder 10, 10' mit Metallisierung verstärkt sind. Die Metallisierungsschicht
20, 20' besitzt eine konstante Dicke (und damit einen konstanten
Widerstand der leitenden Elektrode mit einem Wert zwischen 3 und 10
Ohm/Quadrat, Ω/ ), in Abhängigkeit von der Höhe X der leitenden
Elektrode des Kondensators. Zwei weitere Referenzbereiche 41 und 43'
entsprechen jeweils einem Bereich des ersten Films 101 und einem
Bereich des zweiten Films 102, in welchen die Dicke der
Metallisierungsschicht 20, 20' als eine Funktion der Höhe X der leitenden Elektrode des
Kondensators relativ zu dem Film 101 abnimmt und als eine Funktion der
Höhe X relativ zu dem Film 102 zunimmt. Weitere zwei Referenzbereiche
42 und 42' entsprechen zwei Bereichen, einem an dem ersten Film 101
und einem an dem zweiten Film 102, in welchen die Dicke der
Metallisierungsschicht 20, 20' konstant ist (der Widerstand der leitenden
Elektroden ist daher also ebenso konstant, bei einem Wert von zwischen 3 und
10 Ohm/Quadrat, Ω/ ).
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Die Bezugszahlen 43 und 44 (oder 41' und 40') bezeichnen jeweils zwei
aufeinander folgende Referenzbereiche entsprechend den Bereichen des
ersten Films 101 (oder des zweiten Films 102), in welchen die
Metallisierungsschicht 20 (oder 20') fehlt. Zuletzt wird das dielektrische
Materialsubstrat des Films 101 (oder 102) durch 30 (oder 30') bezeichnet.
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In Fig. 4 nimmt die Dicke der Metallisierungsschicht 60, 60' als eine
Funktion der Höhe X der leitenden Elektrode des Kondensators im Fall
von Film 103 (innerhalb der Bereiche 81 und 82) ab, nimmt aber, wieder
als eine Funktion der Höhe X, im Fall des Films 104 (innerhalb der
Bereiche 82' und 83') zu. Die anderen Referenzbereiche des Films 103, die
jeweils durch 80, 83, 84 angezeigt sind, sind analog zu den Bereichen 40,
43, 44 des Films 101 von Fig. 1, während hingegen jene Bereiche des
Films 104, die durch 80', 81', 84' bezeichnet sind, jeweils analog zu den
Bereichen 40', 41', 44' des Films 102 von Fig. 1 sind.
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Unter Bezugnahme auf die kartesischen Graphen der Fig. 1A und 4A
stellt die vertikale Achse, angezeigt durch Pt, die gesamte Leistung (in
Watt, W) dar, die durch den Jouleschen Effekt in den zwei nebeneinander
liegenden leitenden Elektroden eines Kondensators, der mit den zwei
metallisierten dielektrischen Filmen 101, 102 (oder 103, 104) konstruiert
ist, verbraucht wird. Die horizontale Achse, angezeigt durch X, stellt die
Höhe der leitenden Elektrode des Kondensators relativ zu den Filmen 101,
102 (oder 103, 104) dar. An den selben Graphen stellen 40P, 41P, 42P,
43P, 44P (oder 80P, 81P, 82P, 83P, 84P) die Referenzbereiche
entsprechend den Referenzbereichen 40, 41, 42, 43, 44 des Films 101 von Fig. 1
(oder den Referenzbereichen 80, 81, 82, 83, 84 des Films 103 von Fig. 4)
und den Referenzbereichen 40', 41', 42', 43', 44' des Films 102 von Fig.
1 dar (oder den Referenzbereichen 80', 81', 82', 83', 84' des Films 104 von
Fig. 4).
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Unter Bezugnahme auf die kartesischen Graphen der Fig. 2A, 2B, 2C,
3A, 3B, 3C, 5A, 5B, 5C, 6A, 6B, 6C stellt diese vertikale Achse, die durch
R angezeigt wird, den Widerstand (in Ohm/Quadrat, Ω/ ) der leitenden
Elektroden des Kondensators dar, der mit den Filmen 101, 102 (oder 103,
104) konstruiert wurde, diejenige, die durch I angezeigt wird, stellt die
Intensität des Stromes (in Ampere, A) dar, die durch die leitenden
Elektroden absorbiert wird, und jene, die durch P angezeigt wird, stellt die in den
leitenden Elektroden verbrauchte Leistung (in Watt, W) dar. Die horizontale
Achse, durch X angezeigt; stellt die Höhe der leitenden Elektrode des
Kondensators relativ zu den Filmen 101 und 102 (oder 103, 104) dar. Die
Referenzbereiche 40A, 41A, 42A, 43A, 44A (oder 80A, 81A, 82A, 83A, 84A)
und mit diesen die jeweiligen Referenzbereiche 40B, 41B, 42B, 43B, 44B
(oder 80B, 81B, 82B, 83B, 84B), und die Referenzbereiche 40C, 41C, 42C,
43C, 44C (oder 80C, 81C, 82C, 83C, 84C) entsprechen jeweils den
Referenzbereichen 40, 41, 42, 43, 44 des Films 101 von Fig. 1 (oder 80, 81,
82, 83, 84 des Films 103 von Fig. 4). Die Referenzbereiche 40'A, 41'A,
42'A, '43'A, 44'A (oder 80'A, 81'A, 82'A, 83'A, 84'A) und mit diesen die
jeweiligen Referenzbereiche 40'B, 41'B, 42'B, 43'B, 44'B (oder 80'B, 81'B,
82'B, 83'B, 84'B), und die Referenzbereiche 40ºC, 41ºC, 42ºC, 43ºC, 44ºC
(oder 80ºC, 81ºC, 82ºC, 83ºC, 84ºC) entsprechen jeweils den
Referenzbereichen 40', 41', 42< , 43', 44< des Films 102 von Fig. 1 (oder 80', 81', 82',
83', 84' des Films 104 von Fig. 4).
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Unter besonderer Bezugnahme auf Fig. 7, bezeichnet 501 den
Kontaktbereich der Kontaktelektroden des Kondensators, 601, 601' bezeichnen
die Metallisierungsschichten, 701, 701' bezeichnen die dielektrische
Materialsubstrate, 400, 404 stellen zwei Referenzbereiche dar, in welchen die
Dicke der Kontaktmetallisierung 501 des verstärkten Randes 502 eines
ersten Films 105 (zur Herstellung von Kondensatoren in Serie verwendet)
konstant ist, 401, 402A bezeichnen zwei Referenzbereiche, in welchen die
Dicke der Metallisierung 601 eines ersten Films 105 als eine Funktion der
Höhe X der leitenden Elektrode des Kondensators abnimmt, 402B, 403
bezeichnen zwei Referenzbereiche, in welchen die Dicke der Metallisierung
601 des Films 105 als eine Funktion der Höhe X der leitenden Elektrode
des Kondensators zunimmt, und 405 bezeichnet einen Referenzbereich, in
welchem die Metallisierung 601 des Films 105 fehlt. Die Bezugszahl 701
bezeichnet das Substrat des Films 105, und 701' bezeichnet das Substrat
des Films 106. Die Dicke der Metallisierung 601' des Films 106 ist in dem
Bereich 405' konstant; nimmt als eine Funktion der Höhe X der leitende
Elektrode des Kondensators in dem Referenzbereich 402'B ab, und nimmt
als eine Funktion der Höhe X der leitenden Elektrode des Kondensators in
dem Referenzbereich 402'A zu. Die Metallisierung 601' des Films 106 fehlt
in den Referenzbereichen 400', 401', 403', 404'.
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Das Verfahren zur Herstellung des Leistungskondensators der
vorliegenden Erfindung besteht aus dem Übereinanderlegen der zwei metallisierten
dielektrischen Filme 103, 104 derart, dass die Substrate 70, 70' und die
Metallisierungsbereiche 60, 60' zueinander umgekehrt und geringfügig in
vertikaler Richtung versetzt sind. Die auf diese Weise angeordneten Filme
103, 104 werden entlang der kürzeren Seite aufgewickelt. Man erhält so
einen Zylinder, welcher das eigentliche kapazitive Element bildet.
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Die metallisierten dielektrischen Filme 103, 104 können in vorteilhafter
Weise auch dann verwendet werden, wenn zwei oder mehr in Reihe
verbundene Kondensatoren verwendet werden müssen (wie in der in Fig. 7
dargestellten Anordnung, in welcher die betreffenden Filme durch 105,
106 angezeigt werden).
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Das isolierende Substrat 70, 70', 701, 701' ist vorzugsweise ein
Kunststoffmaterial oder Papier, wobei die Metallisierung 60, 60', 601, 601' der
oberen Schicht und des verstärkten Randes 50, 50', 502 aus Aluminium,
Zink oder einer Aluminium-Zink-Legierung besteht.
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Aus den erhaltenen experimentellen Ergebnissen für alle geprüften Proben
wurde herausgefunden, dass ein optimales Profil der Metallisierung 60,
60', 601, 601' vom kontinuierlichen Typ ist, welches von dem
Kontaktbereich (51, 51', 501) abnimmt, wobei dieser davon ausgenommen wird, bis
zu dem freien Rand des Films 103; 104, 105, 106 an der gegenüberliegenden
Seite. Eine Metallisierung 60, 60', 601, 601' von diesem Typ besitzt
einen Widerstand, der, gemessen an einer Probe von quadratischer
Oberfläche, (so dass das Ergebnis unabhängig von den Abmessungen der
Probe ist) als eine Funktion der Höhe X der leitenden Elektrode des
Kondensators zunimmt.
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Im Besonderen wurde festgestellt, dass im Fall einer Aluminium-
Metallisierung 60, 60', 601, 601', der optimale Widerstandswert, gemessen
in Ohm/Quadrat (Ω/ ), von einem Minimum von 1 Ω/ bis zu einem
Maximum von 4 Ω/ , in der unmittelbaren Umgebung des
Kontaktbereichs 51, 51', 501 variiert (in Übereinstimmung mit der strichlierten
Linie, welche die Referenzbereiche 80A, 81A, oder 80'A, 81'A, oder 400,
401; 403, 404, in den Fig. 5A, 6A, 7 trennt). In den zentralen
Bereichen 81A, 82A, 82'A, 83'A, 402A 402B, 402'A, 402'B, 401, 403 der Filme
103, 104, 105, 106 variiert der optimale Widerstandswert von einem
Minimum von 5 Ω/ zu einem Maximum von 15 Ω/ , während er
hingegen in dem Bereich mit einem freien Rand (in Übereinstimmung mit
den strichlierten Linien, welche die Referenzbereiche 82A, 83A, oder 81'A,
82'A, oder 402A, 405, oder 402B, 405, oder 401', 402'A, oder 402'B, 403'
trennen) von einem Minimum von 10 Ω/ zu einem Maximum von
20 Ω/ variiert.
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Wenn das Kunststoff- oder Papiersubstrat 70, 70', 701, 701 mit Zink oder
mit einer Aluminium-Zink-Legierung metallisiert ist, variieren die
optimalen Widerstandswerte von einem Minimum von 2 Ω/ zu einem
Maximum von 7 Ω/ in den Kontaktbereichen, von einem Minimum von
15 Ω/ zu einem Maximum von 50 Ω/ in den zentralen Bereichen
der Filme 103, 104, 105, 106, und von einem Minimum von 20 Ω/ zu
einem Maximum von 60 Ω/ in den Bereichen mit einem freien Rand.
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Die Metallabscheidung an dem Substrat 70, 70', 701, 701' muss daher
derart sein, dass die in Ohm/Quadrat (Ω/ ) gemessenen
Widerstandswerte in den verschiedenen Referenzbereichen der Filme 103, 104, 105,
106 innerhalb der zuvor erwähnten Bereiche liegen. Im Besonderen sollte
der maximale Widerstandswert von 1 Ω/ nicht überschritten werden,
um zu ermöglichen, dass der Kondensator mit einer aufgedrückten
Wechselstromkomponente mit einem ausreichend hohen Wert betrieben werden
kann, während gleichzeitig Korrosionserscheinungen beschränkt werden.
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Die Variation in der Dicke der Metallisierung 60, 60', 601, 601' ist
vorzugsweise eine kontinuierliche Variation (zum Beispiel von dem
umgekehrten quadratischen Typ als eine Funktion der Höhe X der leitenden
Elektrode des Kondensators), so dass der äquivalente Reihenwiderstand
des Kondensators (oder die durch den Jouleschen Effekt in den
Metallisierungsbereichen 60, 60', 601, 601' verbrauchte Leistung) von der selben
Größenordnung ist wie der Reihenwiderstand (oder die verbrauchte
Leistung) eines Kondensators mit konstantem Widerstand nach dem
bekannten Stand der Technik (wie aus den Graphen von den Fig. 4A, 5A, 5C,
6A, 6C jeweils im Vergleich mit den Graphen von den Fig. 1A, 2A, 2C,
3A, 3C ersichtlich ist). Im Besonderen nimmt gemäß einer bevorzugten,
aber nicht einschränkenden Ausführungsform der
Metallisierungswiderstand, gemessen über eine quadratische Probe, so dass das Ergebnis von
den Abmessungen der Probe unabhängig ist, kontinuierlich als eine
Funktion der Höhe X der leitenden Elektrode zu, so dass, wenn je zwei beliebige
Punkte an der Kurve genommen werden, die Differenz zwischen den
größeren und kleineren Widerstandswerten entsprechend den Punkten,
geteilt durch den Abstand zwischen den zwei Punkten, bewertet entlang
der Höhe der leitenden Elektrode des Kondensators als Achse X, in allen
Fällen geringer ist als das Verhältnis zwischen der Zahl 100 und der
gesamten Höhe des dielektrischen Substrates 70, 70', 701, 701'. In
Symbolen muss die folgende Bedingung erfüllt werden:
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δ(R)/δ(h) < 100/H
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wobei δ das Symbol der partiellen Ableitung ist, R die Differenz zwischen
den größeren und kleineren Widerstandswerten (gemessen in
Ohm/Quadrat, Ω/ ), entsprechend den an der Kurve R (Ω/ ); X
(mm) gewählten Punkten ist, h die Höhe der leitenden Elektrode zwischen
den zwei Punkten (in mm, Millimeter) ist, und H die gesamte Höhe des
dielektrischen Substrates 70, 70', 701, 701' (in mm) ist.
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Auf diese Weise zeigen die erhaltenen experimentellen Resultate (an den
Graphen von Fig. 4A; 5A, 5B, 5C, 6A, 6B, 6C gezeigt), dass der
metallisierte Film 103, 104, 105, 106 mit variablem Widerstand gemäß der
Erfindung bessere elektrische Eigenschaften besitzt als ein Film nach dem
bekannten Stand der Technik, der zur Herstellung selbstheilender
Gleichstromkondensatoren verwendet wird.
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Im Besonderen sind die dielektrische Festigkeit und der Arbeitsgradient
des Kondensators im Vergleich mit dem bekannten Stand der Technik
größer, da die Energie im Zusammenhang mit Heilungsentladungen
verringert wird. Die Summe der Metallisierungsdicken 60, 60', 601, 601' auf
den zwei leitenden Elektroden ist relativ gering, weshalb der Widerstand
im Vergleich mit dem bekannten Stand der Technik im Wesentlichen hoch
ist.
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Aus all diesen Gründen sind die Auswirkungen der Heilungsentladungen
minimal, in dem Sinne, dass der Krater, der sich als Folge der Entladung
bildet, kleine Abmessungen hat, und die Schichten neben dem
Entladungsbereich in geringerem Ausmaß und nur nach einer längeren
Zeitperiode involviert werden.
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Die zuvor genannte elektrische Eigenschaft resultiert auch in einer
Variation der Kapazität mit der Zeit, welche in Kondensatoren gemäß der
Erfindung geringer ist als in anderen verwendeten Anordnungen (segmentierter
oder Mosaikfilm), weshalb es vorteilhaft ist, einen metallisierten Film mit
variablem Widerstand (gemäß der Erfindung) für Gleichstrom zu
verwenden, sogar mit einer übergeordneten Wechselstromkomponente
(Wellenstrom) von hohem Wert. Darüber hinaus besitzt der auf diese Weise
erhaltene Film 103, 104, 105, 106 eine Wellenstromretention, die traditionellen
Verfahren gleichkommt oder höher ist als diese, auf Grund der Tatsache,
dass die Dicke der Metallisierung 60, 60', 601, 601' in dem
Kontaktbereich 51, 51', 501 höher ist.
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Die durch die leitenden Elektroden in einem Kondensator, der den Film
der Erfindung umfasst, verbrauchte Leistung ist von der selben
Größenordnung wie die, welche durch Verwendung eines Kondensators des
traditionellen Typs erzielt wird, und ist daher geringer als die eines analogen
selbstheilenden Kondensators des segmentierten oder Mosaiktyps (der
Vergleich kann durch Betrachtung der Graphen von Fig. 1A und 4A
erfolgen).
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Aus Fig. 4A ist ebenfalls ersichtlich, dass eine durch eine leitende
Elektrode verbrauchte Leistung von praktisch konstantem Wert an allen
Punkten des dielektrischen Substrates erzielt werden kann, wodurch es unter
gewissen Bedingungen möglich ist, vom thermischen Standpunkt aus eine
bessere Situation als der bekannte Stand der Technik zu erreichen.
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Schließlich ist das Verfahren zur Metallisierung eines Films mit variablem
Widerstand vom technologischen Blickpunkt aus weniger komplex als ein
analoges Verfahren, dass für einen segmentierten oder einen Mosaikfilm
verwendet wird.
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Die Eigenschaften des metallisierten dielektrischen Films mit variablem
Widerstand, der in dem Kondensator gemäß der vorliegenden Erfindung
verwendet wird, sowie deren Vorteile gegenüber dem bekannten Stand der
Technik sind aus der vorangegangenen Beschreibung offensichtlich.
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Im Besonderen sind dies:
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- erhöhte dielektrische Festigkeit und erhöhter Arbeitsgradient;
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- Reduktion der Variation der Kapazität mit der Zeit;
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- erhöhte Retention des Wellenstromes;
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- Reduktion in verbrauchter Leistung an den leitenden Elektroden des
Kondensators;
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- konstant verbrauchte Leistung, unabhängig von dem isolierenden
Substrat;
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- einfachere Metallisierung;
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- Möglichkeit des Betriebs mit einer ausreichend hohen
Wechselstromkomponente, während gleichzeitig Korrosionserscheinungen beschränkt
werden.
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Abwandlungen in den hierin beschriebenen Ausführungsformen der
Erfindung können vorgenommen werden, ohne die Prinzipien zu verlassen,
auf denen der erfinderische Gedanke basiert, und in der praktischen
Umsetzung der Erfindung können die Materialien und Abmessungen in
Übereinstimmung mit den technischen Anforderungen gewählt werden.
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Zum Beispiel könnten zwei metallisierte dielektrische Filme verwendet
werden, die durch die wohl bekannte Anordnung des Reihentyps
gekoppelt werden, um einen elektrischen Schaltkreis zu erhalten, der zu zwei in
Serie geschalteten Kondensatoren äquivalent ist.