Proces technologiczny wytwarzania kondensatorów foliowych

Wytwarzanie kondensatorów foliowych obejmuje szereg operacji i czynności, w których przestrzeganie parametrów technologicznych decyduje o jakości gotowego produktu. Poniżej opisano najbardziej istotne z nich, ze szczególnym podkreśleniem możliwości powstawania wad oraz uszkodzeń [24, 45, 94].

Nawijanie zwijki

Podstawowym elementem każdego kondensatora z folii metalizowanej jest zwijka decydująca o jego zasadniczych parametrach. Zwijki są nawijane z folii metalizowanych tworząc układ dielektryk-przewodnik. Folia jest dostarczana w nawiniętych szpulach (rys. 2.6a), które montuje się do nawijarki (rys. 2.6b). Podczas nawijania należy zachować szereg parametrów, w szczególności odpowiedni naciąg folii, docisk oraz prędkości obrotowe.

Nawijanie rozpoczyna się na izolacyjnym trzpieniu lub iglicy. Stosowane folie są bardzo cienkie i dlatego niezbędne jest wykonanie kilku zwojów początkowych oraz końcowych, które nie uczestniczą w gromadzeniu ładunku (nie posiadają metalizacji), a służą jako ochrona czynnej części zwijki. Metalizację z fragmentu folii (rys. 2.7) usuwa się przez przepływ odpowiednio dużego prądu elektrycznego. Po nawinięciu określonej liczby zwojów urządzenie dokonuje usunięcia metalizacji na końcowym fragmencie folii oraz sklejenie ochronnych, biernych zwojów folii zabezpieczając zwijkę przed jej rozwinięciem (rys. 2.8).

Podczas tego procesu mogą wystąpić nadmierne naprężenia mechaniczne dielektryka na skutek zmarszczenia się folii oraz powstania między zwojami pustek powietrznych, co skutkuje pogorszeniem parametrów kondensatora, wzrostem prawdopodobieństwa wystąpienia w trakcie eksploatacji wyładowań niezupełnych i zmniejszeniem się odporności na narażenia impulsowe [10, 28, 66].

W celu uzyskania odpowiedniego kształtu, dla niektórych typów kondensatorów, zwijki są spłaszczane (rys. 2.9). Ten proces odbywa się w podwyższonej temperaturze przy określonej sile nacisku F. Wartość siły nacisku oraz temperaturę podczas tego procesu

dobiera się eksperymentalnie, aby ograniczyć ilość gazów w zwijce i powstawanie obszarów, w których mogą występować wyładowania niezupełne. Szczegółowe parametry tego procesu nie są ujawniane przez producenta.

a) b)

Rys. 2.6. Ilustracja procesu tworzenia zwijek: a) widok szpul metalizowanej folii, b) nawijarka

Rys. 2.7. Widok folii z usuniętą warstwą metalizacji końca zwijki

Rys. 2.9. Spłaszczanie zwijek kondensatorów w podwyższonej temperaturze przy nacisku siłą F w celu uzyskania kondensatorów o prostopadłościennym kształcie po zamknięciu w obudowie

Rys. 2.8. Gotowe zwijki po nawinięciu:

zwijka na trzpieniu izolacyjnym (po lewej), zwijka bez trzpienia przeznaczona do spłaszczania (po prawej)

Szoperowanie zwijki folii

Na czoła zwijki napylany jest metal w określonej temperaturze i pod określonym ciśnieniem (rys. 2.10). Proces ten odbywa się w specjalnym urządzeniu i jest potocznie nazywany „szoperowaniem” od nazwiska wynalazcy tej metody Maxa Schoopera, którą opracował na przełomie XIX i XX wieku, patentując w 1915 roku pomysł na urządzenie do metalizacji natryskowej.

a) b)

c) d)

Rys. 2.10. Proces metalizacji czół zwijek: a) przygotowanie pakietu zwijek, b) napylanie metalu roztopionego w łuku elektrycznym na czoła zwijek, c) pakiet zwijek po metalizacji, d) gotowe zwijki

Roztopiony metal jest napylany na czoła zwijek tworząc elektrody, do których zgrzewane są wyprowadzenia kondensatora. Ta operacja jest jedną z najważniejszych w produkcji kondensatorów foliowych. Jakość połączenia metalicznego czoła z warstwą metalizacji folii decyduje o rezystancji szeregowej kondensatora, jego wytrzymałości i odporności na przewodnictwo prądu, w szczególności na narażenia impulsowe. Wadliwe wykonanie tego połączenia prowadzi do lokalnego przegrzewania się miejsc o większej rezystancji kontaktu,

co może prowadzić do oddzielania poszczególnych zwojów okładziny i stopniowej utraty pojemności, a nawet do całkowitego oddzielenia się warstwy metalizacji folii od czoła.

Obróbka termiczna zwijki

Po procesie metalizacji czół, zwijki poddaje się obróbce termicznej w celu uzyskania odpowiednich właściwości dielektrycznych, co powoduje poprawę parametrów zwijki.

Zmiany temperatury w czasie są ściśle określone dla danego rodzaju zwijki oraz folii i podobnie jak parametry podczas termicznego kształtowania zwijek nie są ujawniane przez producenta [90].

Czyszczenie mechaniczne i elektryczne (regeneracja) zwijek

Po przeprowadzeniu ww. operacji konieczne jest usunięcie ewentualnego nadmiaru metalu – czyszczenie zwijek. Proces metalizacji może pozostawiać na powierzchni bocznej kondensatora warstwę metalu, a nawet spowodować jego wniknięcie w obszar marginesu zwijki, powodując spadek rezystancji izolacji i wytrzymałości elektrycznej między zaciskami kondensatora. Dodatkowo, cienka folia dielektryczna po nawinięciu, która nie była jeszcze polaryzowana elektrycznie, może okazać się lokalnie zwarta, stąd regeneracja elektryczna zwijki jest wykonywana przez jej polaryzację impulsami napięciowymi, prowadzącymi do przebić w miejscach o słabej izolacji i ich odizolowywaniu od czynnej okładziny folii.

Proces ten przeprowadza się na zwijce przed umieszczeniem jej w obudowie, aby wydzielane gazy mogły być usunięte poza objętość zwijki.

W tej fazie wytwarzania kondensatorów zbyt intensywna polaryzacja zwijki prowadzi do lawinowych przebić, co skutkuje pogorszeniem parametrów elektrycznych dielektryka. Zbyt słaba polaryzacja nie spowoduje natomiast usunięcia przypadkowo występujących zwarć w strukturze kondensatora.

Wyprowadzenia kondensatora

W celu wykonania wyprowadzeń kondensatora o odpowiedniej wytrzymałości prądowej i mechanicznej, do napylonych metalicznych czół zwijek są zgrzewane lub lutowane druty o określonej średnicy (rys. 2.11). Napylona warstwa metalu pozwala na wytworzenie odpowiedniego połączenia. Przy nieprawidłowym wykonaniu tego procesu, może wystąpić przegrzanie czół lub zbyt słaby kontakt elektryczny (tzw. zimny lut).

a) b)

Rys. 2.11. Produkty końcowych etapów wytwarzania kondensatorów: a) zwijka z wyprowadzeniami, b) gotowy wyrób po hermetyzacji w obudowie

Hermetyzacja

Wykonane zwijki są umieszczane w obudowie i w zależności od potrzeb hermetyzowane odpowiednimi materiałami izolacyjnymi (tzw. syciwami). Operacja ta ma na celu zabezpieczenie zwijki przed wpływami zewnętrznych czynników klimatycznych oraz poprawę właściwości dielektrycznych zwijek w obszarach marginesów. Po hermetyzacji proces wytwarzania kondensatorów kończy się operacją oznakowania oraz wykonaniem pomiarów końcowych w celu określenia ich parametrów.