Test sobre vida útil en dieléctricos de plástico
Introducción:
Este estudio trata sobre determinar la vida útil de diversos dieléctricos de plástico para condensadores pulsados.
Los condensadores para pulsos tienen la particularidad de tener una muy baja impedancia, la cual hace que los pulsos puedan transmitir del orden de miles de amperios.
Para conseguir bajas impedancias, normalmente se usan láminas de conductor de forma plana y con muy buena conexión entre cada capa. Los condensadores tipo bobina o enrollados no son un buen ejemplo de baja impedancia.
Existen condensadores pulsados, pero normalmente los precios son elevados, por lo que en este estudio voy a probar diferentes plásticos dieléctricos para determinar la vida útil de los condensadores..
Este estudio ha sido para el amigo Fusión del foro de científicosaficionados.com, pero creo que también servirá a otra gente que quiera fabricarse sus propios condensadores.
Desarrollo:
Según he visto en los test de dieléctricos se hacen en base a 3 diferentes (No se si son estándar , solo por algún ejemplo):
1 - Test en DC en periodos de 1 minuto.
2 - Test en AC a 50Hz a 23ºC.
3 - Test en AC a 50Hz y 150ºC.
Nota: Las pruebas que voy a hacer van a ser para condensadores de pulso, por lo que los test en AC serán descargando al 100% el condensador con frecuencias de 50Hz, usando un Spark gap con mínima impedancia.
Primer test para una lámina de 11um (Solo test en DC y AC a temperatura ambiente):
- Prueba en DC a 60 segundos, tensión de prueba máxima que soporta es de 4000 voltios.
(El film es muy delgado y por presión entre la lámina conductora y el dieléctrico hace que la tensión en DC máxima sea inferior, la mayoría de tests solo han soportado 2800 voltios)
- Prueba en AC : para una tensión mínima de 1800 voltios, los tiempos de vida han sido de entre 3000 a 10000 pulsos. (Por falta de equipamiento adecuado, el test no se ha podido realizar correctamente, por lo que la vida útil no ha aportado datos significativos)
Segundo test para dos láminas de 11um = 22um (solo test en DC y AC a temperatura ambiente):
- Prueba en DC a 60 segundos, tensión de prueba máxima que soporta es de 10.000 voltios.
- Prueba en AC:
-- 3080 voltios : >100.000 pulsos (no rompe dieléctrico)
-- 3500 voltios : 490.000 pulsos y rompe dieléctrico
-- 3800 voltios: 84.000 pulsos y rompe dieléctrico
-- 4280 voltios: 24.000 pulsos y rompe dieléctrico
-- 4600 voltios: 20.000 pulsos y rompe dieléctrico
-- 5100 voltios: 200 pulsos y rompe dieléctrico.
Si ponemos estos datos en una gráfica de forma lineal y de forma logarítmica;
 Click en la foto para descargar el archivo en EXCEL.
Podemos llegar a la conclusión de que el tiempo de vida se aproxima a una ley exponencial con parámetros según las gráficas.
La segunda gráfica he dibujado la línea de tendencia para poder aproximar a la cantidad de pulsos según el voltaje.
Después de romper el dieléctrico en las pruebas, así queda de aspecto:
Las pruebas se hicieron al aire libre y el conductor era papel de aluminio. El ozono que se crea entre las capas deteriora el dieléctrico hasta que acaba por romperlo.
Tercer test: Film Polipropileno 100um usado en transparencias para impresoras de inyección de tinta o láser
Test de capacidad:
La fórmula para determinar la capacidad de un condensador viene dada por:
Donde e0 = Permeabilidad del vacío, 8,8542*10^-12
er = coeficiente dieléctrico
A= Area del condensador
d= distancia entre placas, o grosor del dieléctrico
Aislaremos el coeficiente dieléctrico y substituiremos por los parámetros obtenidos de la prueba de capacidad:
A= 0.0023 m^2, d=0.0001 m, C = 430pF
Nos da un coeficiente dieléctrico de 2.11, según las tablas de coeficientes dieléctricos:
http://www.frm.utn.edu.ar/tecnologiae/apuntes/capacitores_parteI.pdf o Descarga PDF
Mirando el documento, encontramos dos plásticos que corresponden muy bien, son el Polipropileno con una temperatura de trabajo máxima de 125 ºC, y el Polietileno con una temperatura de 95 ºC.
Para comprobar cual puede ser, hacemos un test de temperatura, y comprobamos que el plástico empieza a volverse blando a partir de 130ºC, por lo tanto se puede asegurar que el plástico de 100um de transparencias para impresoras láser es Polipropileno.
- Prueba 1: 12KV a 250Hz = 15:30 minutos = 232500 pulsos
- Prueba 2: 14KV a 250Hz = 4:30 minutos = 67500 pulsos
- Prueba 3: 15KV a 100Hz = 9 minutos = 54000 pulsos
- Prueba 4: 19KV a 5Hz = 44 minutos = 13200
 Click en la imagen para descargar el documento en Excel.
Y una imagen de la muestra después de romper el dieléctrico, todos los tests han roto por los bordes.
La capacidad para la muestra con aluminio de 25x25mm daba 289pF , y eliminando el aire usando un barniz (sin secar), la capacidad aumenta a 463pF.
Representa un aumento del 160% aproximadamente, pero es relativo al aire que había entre el conductor y el dieléctrico.
También estimo que la vida útil se puede aumentar por el hecho de la ausencia de oxígeno (próximas pruebas usaré barniz o aceite).
Imágenes de la diferencia de capacidad con aire y sin aire entre placas.
Cuarto test: film Poliestireno de portadas transparente, de 180um de grosor:
Por problemas técnicos, (el spark gap que usaba se me estropeó) no he podido realizar el test de pulsos de vida de este tipo de plástico.
Test de capacidad:
He realizado el test de capacidad y para una superficie de 0.0023m^2 y con el grosor de 0.000180m he obtenido una capacidad de 301pF.
Los cálculos son los mismos que para el tercer test. He obtenido un coeficiente dieléctrico de 2.66.
Este coeficiente dieléctrico se acerca mucho a la del Poliestireno que es de 2,5 y tiene una temperatura de trabajo de 85ºC.
Al realizar la prueba de temperatura, se confirma que el plástico se funde por encima de los 85ºC.
Observaciones a tener en cuenta:
El barniz no seca si no hay aire, se necesita algun tipo de pegamento o laca que seque aneoróbicamente, (por falta de oxígeno).
Tengo que probar con pegamento fijador de tornillos marca "Loctite 290" por ejemplo (y ver cuanta tensión soporta), o algún cianocrilato pero entonces no hay tiempo de maniobra.
Conclusiones:
La vida de un dieléctrico de forma pulsada sigue una ley exponencial.
Se han obtenido los parámetros de forma experimental para estimar la vida útil para poliéster de 22um (dos capas de 11um).
La supresión del aire entre capas del dieléctrico puede mejorar la vida útil del condensador, típicamente se usa aceite especial dieléctrico, pero no siempre es aconsejable, ya que los aceites son muy contaminantes y es muy difícil contener las fugas cuando se usan recipientes fabricados de forma artesanal. A nivel industrial se suelen usar aceites, polímeros u otros dieléctricos para evitar así el aire entre capas.
Próximas pruebas:
Voy a determinar la vida útil para otros poliéster usados para impresoras que se pueden conseguir fácilmente.
También otro tipo de poliéster especial como el enlace de 350um Hostaphan RN-Poliester Industrial.
Otro enlace con bastante información sobre constantes dieléctricas de distintos materiales.
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