I condensatori commerciali con tensione di funzionamento di decine o centinaia di KV hanno sempre dei costi piuttosto elevati, ne segue che per lo sperimentatore è sempre conveniente procedere con l’ autocostruzione.
Quello che propongo in questa guida, é la costruzione di 2 tipi di condensatori:
-
1 condensatori adatti a tensioni sino a 10KV rif.
F.1
-
2 condensatori adatti a tensioni sino a 120KV ed oltre rif.
F.2
La costruzione di condensatori del tipo 1 è semplice ed alla portata di tutti.
Quella del tipo 2 richiede invece un minimo di attrezzature di cui parleremo in seguito.
Condensatori tipo1, in aria, tensione massima 10KV
I materiali usati per la realizzazione sono visibili sotto: fogli lucidi da fotocopiatrice, nastro in alluminio autoadesivo,
nastri adesivi, tubo in PVC, fascette stringi tubo in nylon.
Per il dielettrico dei condensatori è importante usare i fogli lucidi trasparenti da fotocopiatrice da 0,2mm di spessore,
perché resistono bene alle alte temperature ed hanno una resistività molto piu elevata di quella di altri materiali.
Per esempio i fogli lucidi da disegno in acetato non vanno assolutamente bene.
La capacità di un condensatore è data da C=ε
oε
rS/d quindi conoscendo questi valori è facile calcolarne la capacità
Sotto il condensatore costruito usando la procedura precedente, la capacità del condensatore in piano, misurata con tester LCR risulta essere 1600 pF,
sotto in
F.3 il condensatore completamente avvolto e stretto saldamente con le 2 fascette stringi tubo, la cui funzione è di stabilire un buon contatto fra le armature e gli elettrodi.
Misurando la capacità di questo condensatore questa risulta di 2200 pF, mentre la misura fatta precedentemente in piano mi dava 1600 pF, ma questo è corretto, avvolgendo i fogli del condensatore abbiamo un accavallamento delle armature ed in pratica è come se ci fosse un aumento della superficie del condensatore, di questo bisogna tener conto in fase di calcolo.
in
F.4 serie di condensatori realizzati seguendo questa procedura.
Sotto 3 di questi condensatori, in questo caso da 2500pF, sono adoperati in un triplicatore di tensione: tensione in ingresso
Vp 7KV, onda sinusoidale a 10 KHz, tensione in uscita 20 KV continui.
Questi condensatori si sono dimostrati più affidabili dei condensatori ceramici che all’inizio avevo impiegato in questo progetto, condensatori da 10 nF 6KV, visibili sotto, ne impiegavo 3 in serie, ma dopo un certo periodo questi andavano in corto anche se la tensione a cui erano sottoposti era largamente al di sotto dei loro 6 KV nominali
Il motivo per cui non si possono usare questi condensatori per tensioni superiori ai 10 KV non è dovuto alla debolezza dei fogli dielettrici, questi fogli sono in grado di reggere tranquillamente tensioni di 20KV, ma quello che non riescono a reggere è la presenza dell’ aria fra le armature.
Nei punti terminali delle armature contrapposte si ha l’ effetto corona con formazione di plasma, non appena la tensione sale sopra determinati valori il plasma riscalda il dielettrico indebolendolo e danneggiandolo e dopo un po’ scatta la scarica distruttiva fra le armature ponendo fine alla vita del condensatore, nel frattempo si potranno anche avere scariche dirette fra un’ armatura e l’ elettrodo connesso all’ armatura opposta.
l' illustrazione sotto spiega meglio il fenomeno.
Condensatori tipo 2, sotto olio, tensione massima 120KV
Questi condensatori possono essere realizzati anche per tensioni di molto superiori a questo limite ed anche di
capacità elevate.
I materiali usati per realizzare questi condensatori sono visibili sotto: foglio in alluminio da cucina, foglio in
polietilene (meglio sarebbe il polipropilene), tubi in PVC, tondini di PVC, asta di vetro pirex, colla epossidica, olio di
paraffina od altri olii che verranno specificati in seguito.
Servono inoltre fascette stringi tubo in nylon e metalliche, per fissare le armature del condensatore agli elettrodi, servono anche fili in rame di vari diametri e viti in ottone; tutte parti che si possono reperire facilmente.
Rispetto ai precedenti questi condensatori lavorano con le armature immerse in olio, ma non basta piazzare armature e dielettrico dentro un contenitore e riempire d’ olio, in questo modo resta sempre dell’ aria intrappolata fra le armature, si avrebbe l’ effetto corona e come conseguenza scariche distruttive.
Tutte le operazioni vanno fatte sotto vuoto: sia la prepazione dell’ olio che il suo caricamento.
Servono: un campana da vuoto di adeguate dimensioni, una pompa da vuoto a doppio stadio, un sensore Pirani per la misura del vuoto. Tutta l’ attrezzatura necessaria è visibile sotto.
Da ricordare che è anche necessario l’ uso di un tornio per la lavorazione dei materiali in PVC.
Costruzione di un condensatore da 33 nF 45Kv
Sotto varie immagini del condensatore: assemblato, contenitore + pacco armature, parti accessorie.
In questo tipo di condensatori per isolare le armature formate da foglio di alluminio vengono usati 4 fogli di polietilene da 0,2 mm, il tutto viene avvolto attorno ad un bacchetta in vetro da 8 mm a formare un pacco come in
F.6.
In
F.7 il tappo inferiore del contenitore, che va subito incollato, il tappo superiore, il vaso d’ espansione ed altre parti tutte in PVC che vanno incollate con resina epossidica una volta che completato il pacco del condensatore questo è stato introdotto nel contenitore e riempito d’ olio.
La procedura per assemblare il corpo del condensatore è spiegata di seguito.
-0- cilindro del condensatore con fogli di alluminio sporgenti.
-1- ai fogli di alluminio vengono praticati 4 intagli a V.
-2- i terminali dei fogli vengono ripiegati accostandoli alla bacchetta in vetro.
-3- sui 2 terminali vengono avvolti 2 fili di rame D 2mm.
-4- i 2 terminali vengono fissati con 2 fascette metalliche
Applicazione dei terminali degli elettrodi
Come visibile sotto in
F.1 vengono applicate due viti in ottone da D 4mm, sulla testa delle viti vengono praticati 2 piccoli fori da 2,5 mm e in questi si incastrano i fili degli elettrodi e si procede poi alla saldatura a stagno.
Contemporaneamente si è proceduto all’ incollaggio del tappo di base sul tubo in PVC arancione.
In
F.2 il corpo condensatore è stato inserito dentro al contenitore in PVC, ora non resta che caricare l’ olio dielettrico sotto vuoto.
Come accennato in precedenza un olio che si puo’ usare è l’olio di paraffina detto anche olio di vaselina, questo olio
presenta un rigidità dielettrica di 9KV/mm una costante dielettrica ε
r= 2,17 ed una tanδ=0,0005.
Un olio “green” alternativo che si può adoperare è l’ olio di riso con rigidità dielettrica di 20 KV/mm, ε
r=3,6 e tanδ=0,001, il vantaggio di quest’ ultimo è la rigidità dielettrica più elevata, altro olio “green” usabile, presenta caratteristiche simili, è l’ olio di semi di girasole. Qui ho usato olio di riso.
Tutti questi olii prima dell’ uso vanno opportunamente trattati.
Trattamento sotto vuoto dell’ olio
Qualsiasi tipo d’ olio venga usato per l’ impregnazione del condensatore non deve contenere acqua se non in minima quantità minore di 30 ppm (parti per milione) e la quantità di gas atmosferici disciolti nell’ olio deve essere minima, pena la possibile formazione di plasma e piccoli archi che finirebbero per danneggiare il condensatore.
L’ olio è stato messo sotto campana a vuoto per la rimozione di umidità e gas e ivi lasciato per 24 ore
Caricamento dell’ olio
Sotto una visione del caricamento dell' olio nel contenitore del condensatore, per il vuoto uso una pompa rotativa a doppio stadio, alla base della campana a vuoto uso un accessorio con mini rubinetto per introdurre fluidi dentro la campana.
E’ molto importante raggiungere il massimo grado di vuoto consentito dalla pompa da vuoto usata, in questo caso intorno ai 0,05 torr.
Da notare che per per raggiungere questo grado di vuoto possono essere necessari anche 30 minuti o più, dipende dall’ umidità presente nell’aria, a questo fine aiuta molto la presenza all’ interno della campana di un disidratante, idrato di sodio, gel di silice o anidride fosforica.
In
F.5-6 il condensatore estratto dalla campana a vuoto
ora il condensatore va sigillato, ma prima di fare questo bisogna tenere in conto che il volume
dell’ olio non è costante, ma varia, anche se di poco, al variare della temperatura, è stato quindi introdotto un piccolo vaso di espansione visibile in
F.7 in connessione con la sottostante camera piena d’olio tramite un foro da 2 mm.
Il tutto costituisce un blocco in PVC che serve anche per sopportare i terminali del condensatore e sigillare la camera sottostante.
Il blocco in PVC superiore viene incollato con resina epossidica come visibile sotto, una volta incollato
vengono stretti i dadi sulle viti degli elettrodi.
F.7b
Ora non resta che riempire completamente d’ olio il condensatore e questo viene fatto con una siringa attraverso il foro da 2 mm.
F.7c
E necessario ora conoscere il peso esatto dell’ olio introdotto, l’obbiettivo di questo calcolo è di fare in modo che la camera del condensatore sia sempre piena d’ olio, basta conoscere il peso a vuoto del condensatore e quello a carico, il peso dell’ olio risulta di 116g.
La densità dell’ olio di riso è: d=0,918 g./cm
3, Il volume dell’ olio è quindi di 126,3 cm
3 alla temperatura di 20ºC, ora ho stabilito le temperature minime e massime di funzionamento in 0ºC e 50ºC, quindi
devo calcolare le variazioni di volume rispetto ai 20ºC.
A 0ºC la variazione di volume ΔV = K V
o Δt, premesso che la costante per l’ olio di riso K = 5,55X10
-4 m
3/ºC abbiamo:
ΔV = 5,55x10
-4x1,263x10
-4x20 = 1,40x10
-6 m
3 cioè 1,4 cm
3 naturalmente negativi (diminuzione di volume) ciò significa che bisogna aggiungere 1,4 cm
3 di olio per impedire che a 0ºC entri aria in camera.
F.7d
Lo stesso calcolo fatto a 50ºC, Δt=30 mi da 2,05 cm
3, aumento di volume, siccome la capacità del vaso di espansione è di 10 cm
3 siamo sicuri che non ci saranno problemi aggiungo 3ml di olio (olio in eccesso) e chiudo il vaso con tappo e vite
F.7e
Metodo semplificato per la realizzazione di un condensatore sotto olio
Il condensatore realizzato in precedenza è fatto per essere maneggiato senza problemi, senza che ci sia il rischio che bolle d’ aria entrino tra i fogli delle armature anche se questo viene messo per un po’ in orizzontale.
Ma se si ha l’ avvertenza di tenere il condensatore sempre in verticale, un volta riempito d’ olio, allora non serve più il vaso d’ espansione con tutte le sue complicazioni meccaniche, un esempio sotto in
F.8-9, i coperchi sono trasparenti in plexiglass, incollati con resina epossidica, così si può osservare il livello dell’ olio ed attraverso al foro chiuso dalla vite si può aggiungere olio.
Bisogna fare il calcolo sulla variazione di volume dell’ olio in base alla temperatura come detto in precedenza, le armature devono sempre essere coperte e ci deve essere spazio sufficiente per l’ espansione dell’ olio.
I condensatori in
F.8-9 sono da
25nF e 45KV e sono installati in un duplicatore di tensione; l’ assemblaggio delle armature dei condensatore è fatto come il precedente, stesse misure, cambia solo la
lunghezza dei fogli di alluminio: ora 105 cm e il diametro del tubo contenitore.
Sotto altri condensatori realizzati allo stesso modo, sono da
4000pF e 45KV e sono utilizzati in un generatore di Marx con un’ uscita ad impulsi da 110KV, anche qui sempre presente la vite in plastica che deve essere avvitata ma non troppo, perché deve permettere la lenta entrata o uscita dell’ aria quando l’ olio cambia il suo volume, onde evitare che si creino sovrapressioni
Per terminare, sotto foto di un altro condensatore in fase di costruzione, con capacità di
10nF e 120KV.
La tecnica di lavorazione è sempre la stessa solo che qui vengono impiegati 12 fogli di polietilene da 0,2mm per l’ isolamento delle armature.
Condensatori costruiti in questo modo sono stati usati per la realizzazione di un
Generatore di alte tensioni
