Schätzen Sie die Kondensatorparameter

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Ich denke daran, einen Kondensator herzustellen, nur zum Spaß / zum Lernen. Und ich dachte an die folgende Übung.

In meinem örtlichen Geschäft gibt es Rollen aus Polyethylen-Lebensmittelfilm und Aluminiumfolie . Theoretisch kann ich ein paar von beiden nehmen und sie in einer "Sandschalter" -Methode platzieren, während ich die Ebenen nach links / rechts verschiebe (um Stangen für die aktuelle Sammlung zu erstellen). Dann einfach rollen. Okay, Englisch ist nicht meine Muttersprache, also zeichne ich eine Illustration:

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Was ich wissen möchte - ist, wie man resultierende Kondensatorparameter schätzt?

Gegeben:

  • Rollenlänge L
  • Schichtbreite w
  • Aluminiumdicke a
  • plastische Dicke p
  • Spulendurchmesser b

Ich möchte es wissen:

  • Durchbruchspannung V=?
  • Kapazität C=?
  • Kurzschlussstrom I=? (Bei voller Ladung werden die Kanten mit dem idealen Supraleiter mit Nullwiderstand sofort kurzgeschlossen.)

Betrachten Sie auch alles als ideal:

  • Keine Luftspalte zwischen den Schichten
  • ideale Wicklung, keine Spannungen / etc.
  • Normalbedingungen Dichte, Materialien sind nicht komprimierbar.

PS. Dies ist eine theoretische Frage, um die Beziehung zwischen Parametern zu untersuchen und zu verstehen. Wenn Sie einen freien Wochenendabend haben. Vor vielen Jahren habe ich es nicht in der Schule gelernt (weder in der Institution). Heute wäre es gut, wenn ich etwas daraus lernen könnte. Vielen Dank.

xakepp35
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Schön, dass Sie einige praktische Experimente durchführen. In Ihrem angegebenen Abschnitt benötigen Sie auch die relative Permittivität des Kunststoffs und seine Durchbruchspannung. Wahrscheinlich benötigen Sie den Spulendurchmesser nicht.
RoyC
1
Verwenden Sie die Formel C = Eo * Er * Fläche / Entfernung. Ich habe einen solchen Parallelplattenkondensator (beschrieben durch die Formel) hergestellt, während ich die ARRL-Amateurfunkbücher gelesen habe, mit einer Fläche von ungefähr 2 Quadratfuß; Ich schätzte 0,017 uF, wieder unter Verwendung von Wachspapier. Rollen Sie es fest, um den größten Teil der Luft auszuschließen.
Analogsystemsrf
@ RoyC Sorry, im Lebensmittelgeschäft kennen sie die Permittivität von Kunststofffolien nicht, auch nicht die chemische Formel. Es ist nur übliche Nahrungsmittelfolie, Thay Sie Käse packen verwenden: ^) Was Durchmesser, dachte ich , dass es möglicherweise etwas einführen, weil im Falle der Induktivität es Anzahl der Windungen bei Ihnen wirkt gemacht kann, so für unendliche Induktivität Sie Induktivität verkleinern möchten zu einem einzigen "Massen"
-Punkt
Der Wickelfilm ist im Allgemeinen LPDE mit einer Dicke von 8 bis 12,5 um. Wikipedia Plastikfolie
CSM
Bitte versuchen Sie, die Ergebnisse mit einer ganzen Rolle zu melden.
Pipe

Antworten:

12

Die Kapazität ist gegeben durch:

Kapazität

Dies ist die Formel für freien Raum oder Vakuum. Wenn Sie ein dielektrisches Material zwischen den Platten verwenden, multiplizieren Sie die resultierende Kapazität mit der relativen Permittivität des dielektrischen Materials. Für Polyethylen beträgt die relative Zulässigkeit 2,25.

Beginnen wir der Einfachheit halber mit flachen Aluminiumblechen, die durch eine Polyethylenfolie getrennt sind:

Angenommen, die Dicke des Polyethylens beträgt 15 Mikrometer. Die Abmessungen betragen 20 cm x 50 cm

Ihre Kapazität beträgt C = 2,25 * 8,85418782 × 10 ^ -12 * 0,2 * 0,5 / 0,000015 F = 0,133 uF

Wenn Sie nun beabsichtigen, die flachen Blätter auf einer Spule zu rollen, ändern sich die Dinge. Betrachten Sie das Bild unten:

gerollte Kappe

Jetzt wirken plötzlich beide Seiten der Aluminiumfolie als Kondensatoren. Schwarz ist eine Platte und Blau ist eine andere Platte aus Aluminium. Der Leerraum ist dielektrisch.

Dies sollte die Kapazität ungefähr verdoppeln.

Wenn wir nun zu Ihren Fragen kommen, scheint die Durchbruchspannung zwischen verschiedenen Quellen sehr unterschiedlich zu sein:

vbr

Die oben berechnete Kapazität.

Idealerweise sollte bei einer Widerstandsentladung von Null ein unendlicher Strom vorhanden sein.

Whiskeyjack
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Entladung: Die Folie ist ein rechteckiger Leiter im Querschnitt. seine Fläche = Dicke * Länge. Die Aluminiumleitfähigkeit ist ebenfalls begrenzt. Wenn Sie sich also einen Shour-Stromkreis vorstellen (verwandeln Sie Ihre Spule in einen Torus, um beide Kanten zu verbinden), gibt es einen nicht unendlichen Depolarisationsstrom.
Xakepp35
Könnte ich nur das Ohmsche Gesetz anwenden? (wobei V = Durchbruchspannung und R = Widerstand des rechteckigen Leiters aus reinem Aluminium und dessen Länge gleich der Walzenbreite ist?) Aber nein, die Ladung wird gleichmäßig entlang der Walzenbreite gespeichert. Das ist also auch erforderlich, um zu berücksichtigen
xakepp35
Nein, die Leckage ist auf Verunreinigungen in Teilen pro Milliarde zurückzuführen, und auch die oben genannten GV / m- oder kV / mm-Werte sind unter makellosen idealen Bedingungen ohne Sicherheitsfaktor im Gegensatz zu XLPE-HLK-Kabeln, die nicht bewertet wurden.
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75
In der Praxis wird es einen endlichen, aber großen Strom geben, da jede Ladungsbewegung durch das Aluminium erfolgt. Es könnte eine Analyse geben, um eine etwas ungefähre Antwort auf Ihre Frage zu geben, aber leider bin ich nicht qualifiziert genug, um diese zu beantworten.
Whiskyjack
1
vergiss nicht ϵR
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75
5

C=ϵoϵRAh
wo Dk=ϵR= = "relative Permittivität": 2 bis 5 für die meisten Kunststoffe, FR4 = 4,2 bei 10 MHz

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Hier finden Sie weitere Informationen zu Filmkappen

https://www.digikey.com/eewiki/display/Motley/Film+Capacitors

Filmkondensator-Subtyp, bei dem die Elektroden auf einem Trägersubstrat in einer sehr dünnen Schicht (10 Nanometer) aufgebaut sind, üblicherweise durch einen Vakuumabscheidungsprozess.

Wenn Sie Bremssättel haben und ein großes Blatt jedes Materials 10 Mal in zwei Hälften falten, haben Sie das 1024-fache der ursprünglichen Dicke. Drücken Sie dann die Luft außerhalb Ihrer Folie heraus.

Lassen Sie zusätzliches Plastik auf der Außenseite und rollen Sie es dann wie einen Bleistift herum und setzen Sie einige Folienlaschen für Elektroden ein. Wenn Sie den Film durchstechen, erhalten Sie nicht die volle Durchschlagspannung für PE-Kunststoff (Polyethylen).

BDV vs Material (glatte flache Elektroden)

meine Schätzungen aus Erfahrung

3.0 kV/mm very clean Air 
  1 kV/mm dusty humid air

5   kV/mm clean PU and smooth foil
10  kV/mm processed PU in capacitors
20  kV/mm cross-link PU (XLPU) processed in clean rooms with 1 GV

25 kV/mm min Transformer Oil as shipped
75 kV/mm min Transformer Oil process by machine: heat, vacuum, demoist, and HEPA oil filter

Können Sie 10nF bekommen? 0,1 uF ?? mit 5 kV / mm dielektrischer Dicke? (5 V / um)

Viel Glück. Gehen Sie mit Neoprenschuhen auf einem Nylonteppich herum, um sich aufzuladen. Obwohl PU-Kappen an den Elektroden, die den ESR steuern, einen sehr geringen Widerstand haben, erhalten Sie diesen mit Alaunfolie nicht. Sie ätzen es mit Säure, um die Rauheit der Nanooberfläche zu erhöhen.

Tony Stewart Sunnyskyguy EE75
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Sie drucken normalerweise eine Dicke von beispielsweise 8 um ... Wenn ich das richtig verstehe, kann ich mit einem typischen PET-Film mit einer Dicke von 8 um eine Durchbruchspannung von ~ 40 V erhalten?
Xakepp35
Ja, 40 V sind sicher. Aber es ist nicht selbstheilend. Also, wenn gezappt ist es ein kurzer. Wenn Sie Gleichstrom hochfahren und mit einem SW-Radio überwachen, ob Blitzimpulse kurz vor dem Lichtbogen ticken, können Sie bei Strombegrenzung möglicherweise die Teilentladungen hören, bevor sie die kleinste Lücke schließen. Ich habe dies für einen Leistungstransformator getan und das funktioniert gut. Ein Impuls von 1 ms wird im Radio laut sein, aber ich würde erwarten, dass der Impuls von 100 ns bei 10 kBW bei> 0,5 MHz AM oder SW um 80 dB gedämpft wird, aber in der Akustik möglicherweise nicht hören . Es könnte 100 VDC überleben, wenn alles sauber ist und der nF-Wert korrekt funktioniert, um die Lücke zu Dk = 3 zu beweisen
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75
E-Caps haben einen ESR C = 200us und niedrige ESR-E-Caps bis zu 1 bis 10 us (einige teurere weniger), während Film Caps einen ESR C-Wert im Bereich von x bis xx ns haben, während Hochleistungs-Film Caps für Xray sind besser und ich würde hier schlechter erwarten.
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75
Auch der ESL oder die Induktivität eines Quadrats von 2 mm x 2 mm entspricht 1 m x 1 m, hängt also vom L / W-Verhältnis ab. und in geringem Maße Dicke des Leiters. Ein hoher Zylinderdeckel hat also weniger ESL und weniger ESR als ein kurzer mit gleicher Spannung und Leistung
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75
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Fehlt Ihnen in Ihrer ersten Gleichung die Permittivität für freien Speicherplatz?
RoyC