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聚苯乙烯薄膜电容器的结构与性能特点

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发表于 2015-8-14 15:15:49 | 显示全部楼层 |阅读模式
一、聚苯乙烯薄膜电容概述
塑料薄膜是现代化学工业提供给无线电技术的新材料。目前被采用作由容器介质的已有很多种,如聚苯乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯(又称绦纶或聚酯)、聚碳酸酯、聚四氟乙烯等。这些塑料薄膜都是高分子有机化合物,各有其特点:如聚四氟乙烯薄膜电容器工作温度可达200℃;绦纶薄膜电容器由于其介电系数较高,并可制成薄达几微米的薄膜,故体积很小,并能工作在125℃;聚苯乙烯薄膜电容器的电性能极为优越,绝缘电阻非常高,介质损耗角正切值和介质吸收极小,可以制成电容量精度很高的电容器,由于采用卷绕结构,故比体积电容较大,并且可制成大到儿微法的较大的电容量。本文限于篇幅只打算介绍一下聚苯乙烯薄膜电容器的性能和用途。

二、聚苯乙烯薄膜电容结构和工艺简述
原材料聚苯乙烯是由苯乙烯单体聚合而成,通常制成颗粒状,在室温时是透明无色的。制膜的方法是将原材料加温熔化采用吹塑法或马蹄形拉伸法制成薄膜。制成的薄膜厚度为20到100微米,适合于作卷绕式电容器的电介质。

薄膜电容器结构

薄膜电容器结构

根据电容器设计要求选取一定厚度、宽度和绝缘边的薄膜作介质,以铝箔作电极,浸锡铜箔或浸锡铜线作引线,按图1迭成数层在卷绕机上卷成电容器。然后加以热处理,使薄膜通热成塑性状态,在电容器两端熔缩成一整体(见图2),这样可起防潮作用,并增强了电容器的机械强度。为了提高电容量的稳定性,还经过温度老炼工艺;加温到摄氏六、七十度,每次老炼一、二小时,重复几次。经过上述几个工序,就制成了薄膜电容器。

聚苯乙烯薄膜电容外形

聚苯乙烯薄膜电容外形


三、薄膜电容器的性能
1.电容量:电容量范围一般为几十微微注到几个微法。电容量误差可作到±20%、±10%、±5%、±1%和±0.5%。精度要求较高的产品可采用两个电容器并联组合(见图3),以作补偿,并在卷绕时将卷绕电容电桥的电容测试端钮接到卷绕机的两铝箔卷上(至少应有一卷铝箔与卷绕机绝缘),以便在卷绕时随时进行测量,从而准确地控制电容量。

电容并联容量

电容并联容量

薄膜电容器的稳定性很高,密封结构的产品由制成之日起在技术条件允许的工作情况下,一年内的电容量变化不超过±0.3%;非密封的结构不超过±0.5%;要求较高的电容器不超过±0.1%。在电容器芯子内加适当的衬垫,或用浸锡铜箔代替打扁浸锡铜线(如图4),以避免打扁引线的楞角使薄膜处于应力较高的不稳定状态,采取这些措施,可提高稳定度。

浸锡铜箔

浸锡铜箔

另外在电容器制造工艺中采取适当的温度老炼,尤其是精密电容器更应加长老炼时间和次数,以达到更高的稳定性。电容量在湿度变化时也发生变化,如相对湿度增加1%,则电容量增加30×10-6到60×10-6,所以在稳定度要求高的地方最好采用密封外壳防潮。由于温度改变而引起的电容量变化通常用电容量温度系数来表示。聚苯乙烯薄膜电容器的电容温度系数约为-200×10-6/℃电容量较大的产品其温度系数尚可小些。将铝箔经过适当处理可降低温度系数,金属化聚苯乙烯电容器(即以真空蒸发金属在薄膜上代替铝箔作电极)的温度系数更加稳定,在数值上可下降到-130×10-6/℃以下。
薄膜电容路的电容量和其他性能的变化也会因焊接电容器引起,由于烙铁功率过高或烙铁在焊接处停留时间过长,皆会引起聚苯乙烯材料的软化,导致电容量和其他性能发生变化,所以要求焊接时尽量迅速,一般规定焊接时间不超过10秒,并规定焊接处与电容器端面的最近距离,必要时还应采用热屏蔽,以使薄膜少受到烙铁热量的影响。
为了使电容器稳定地工作,也应注意在整机上安装电容器的方式,如较小尺寸的产品可直接用其引线支持,尺寸较大的产品就应采用夹架将其固定。根据经验在较高频率下工作的电容器,由于它作机械振动,会使引出线与机身间形成的分布电容改变,以致引起高频机震,出现尖叫声。但夹架不可夹得过紧,因为机械压力过大对电容量稳定性也不利。
因为聚苯乙烯是弱极性有机绝缘材料,其介电系数几乎不随频率变化而改变,因此测量电容量的频率可采用1000赫到1兆赫。

2.绝缘电阻:聚苯乙烯薄膜电容器的最大优点之一是其绝缘电阻很高,因绝缘电阻与电容量有关,所以在产品技术条件中往往把绝缘电阻规定为时间常数,其单位为秒,绝缘电阻与电容量的关系可用下式表示:
时间常数=电容量(微法)×绝缘电阻(兆欧)
聚苯乙烯薄膜电容器的时间常数为5000秒以上,例如1微法的电容量,其绝缘电阻应大于5000兆欧,实际上远大于此值,而为100000兆欧以上。绝缘电阻的大小是以100伏直流电压了测量充电1分钟时的充电电流数值,或充电后的电容器在一定时间所产生的漏电数值为依据的。测试条件是室温和相对湿度不大于80%。
绝缘电阻不合格有以下几个原因:其一是卷包本身绝缘不良,这是由于介质材料有绝缘电阻不高的杂质以及制造过程中有汽油、皮肤或毛发的油脂、食品油脂等有害杂质沾染薄膜。所以卷绕时不可用手摸铝箔、薄膜等材料,并应穿戴工作帽、工作服和手指套。灰尘侵染也很有影响,所以经过改进的卷绕机设有一透明防尘罩。绝缘电阻不高的另一原因是两引出线相距过近或卷包表面有水分、焊剂等其它杂质,致使其绝缘电阻不高,整个电容器的绝缘电阻也就不高了。对密封结构的薄膜电容器而言,其绝缘子表而侵染水分、焊剂等杂质或绝缘子微裂处吸收了水分,绝缘电阻就降低。所以在使用绝缘子之前,最好放在水中进行真空浸泡,然后取出在100℃温度下干燥。

3.介质损耗角正切值(简称tgδ):聚苯乙烯薄膜电容器的tgδ可以作得很低,并与电容量和频率有关。由于这种薄膜电容器常工作于高频及低电压情况下,为了提高其可靠性和降低tgδ,要求铝箔与引出线有良好接触,否则高频时tgδ增大,并在使用较长时间或受机械振动后形成断路。为此,在铝箔与引出线之间需要采取点焊法,以求接触可靠。
为了降低电容器金属部分的tgδ,还可以采取缩短极板上的电流路线的方法,尤其是在高频和大电容量的长电极时应采用多级引出线(见图5),使电流能通过多根引线以最短路经到达极板各部,从而减小电流在极板上传输而造成的损耗。

电容引线

电容引线


4.防潮性:这种电容器的防潮能力很好。例如非密封式聚苯乙烯电容器只需在卷绕后经过热处理即可达到防潮目的。一般热处理温度大约为100℃,并需根据不同的聚苯乙烯材料具体确定。非密封的这种薄膜电容器经过40℃、95~98%相对湿度下放置48小时后,或室温95~98%相对湿度下放置30天后,产品的性能仍旧良好,其绝缘电阻、tgδ几乎不变,电容量仅变化0.5%以内。

5.其它性能:除上述外,薄膜电容器尚有许多其它优良性能,如介质吸收很小;机械性能也很好,可在约5g振动加速度条件下工作;工作电压范围较宽,由1毫伏到几万伏;工作温度范围为-10℃~+70℃,有特殊要求的可作到-40℃~+70℃。

四、用途
聚苯乙烯薄膜电容器的主要用途有以下几个方面:
1.用在要求电容量精确并且稳定可靠的机器设备内。如用在载波机的精密滤波器中;用作标准电容箱和电桥中需要的标准电容器;以及用在精密测量仪器中,常用的有CBJ型电容器。
2.用在需要高绝缘电阻和低介质吸收的电容器的场合。如用以储存电能或龟荷、用在脉冲网络和电子计算机等机件中。作这些用途的有CB—1型、CBMJ型等。
3.用在要求损耗角正切值小和电容温度系数低的地方;用于高质量因数Q的线路中,如用作中频变压器中的回路电容器,CB-2型电容器即符合要求。
4.用作耦合电容器、中和电容器和振荡电路用电容器也很合用,如CB-2及CB-3型等。CBY型高压聚苯乙烯薄膜电容器可用于电视机中,工作电压高达15千伏。

五、结语
由上述可知,薄膜电容器的结构和制造工艺都简单,非它种电容器所能及;而且价格也比较低,而性能却很优良,可与云母电容器、陶瓷电容器相比,而且某些性能还比云母或陶瓷电容器更好,例如几微微法以下小容量的这种薄膜电容器,它的损耗角正切值比云母电容器还低。此外,这种薄膜电容器的电容温度系数恒为负值,可与线圈的正温度系数相互补偿,使电路工作稳定。从这些方面看来,聚苯乙烯薄膜电容器的发展前途甚为可观!

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发表于 2019-11-15 06:41:08 | 显示全部楼层
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