Brevet FR2535516A1 — publié le 19840504

CONDENSATEUR AYANT UN COEFFICIENT DE TEMPERATURE DEFINI ET UNE BONNE STABILITE DANS LE TEMPS PROCEDE DE FABRICATION DE CE CONDENSATEUR ET SON UTILISATION DANS LA REALISATION DE FILTRES La présente invention concerne un condensateur à coefficient de température défini et de bonne stabilité dans le temps constitué d'une pluralité de films diélectriques séparés les unes des autres par des armatures métalliques réparties en deux séries alternées, latéralement décalées l'une par rapport à l'autre, les armatures de même parité étant reliées entre elles par une connexion électrique latérale. Elle concerne également un procédé de fabrication de tels condensateurs et leur utilisation pour la réalisation de filtres. De tels condensateurs sont utilisés en particulier pour la réalisation de filtres L.C. très utilisés en téléphonie. Ils doivent posséder un coefficient de température K O bien défini, c'est-à-dire une valeur donnée de variation relative de capacité par degré Celsius. Ils doivent par ailleurs posséder une bonne stabilité dans le temps, c'est-à-dire présenter une variation relative de capacité, en particulier dans les essais en chaleur humide, très faible, ce paramètre étant particulièrement critique dans un filtre pour définir une fréquence de coupure stable. Habituellement, on réalise ces condensateurs à l'aide d'un film de polystyrène bobiné entre deux armatures métalliques. Le polystyrène possède en effet un coefficient de température K O de l'ordre de - 120 ppm/OC et une variation relative de capacité en chaleur humide après 56 jours inférieure à 1%. (D'une manière générale, un condensateur de ce type considéré comme acceptable doit avoir un coefficient K Q inférieur à + 50 ppm/"C mais supérieur à - 150 ppm / C et une variation relative de capacité en chaleur humide inférieure à 696 et de préférence inférieure à 3% (condensateur nu). Ces caractéristiques sont assez bien adaptées aux pots de ferrites utilisés dans les filtres L.C.) Ce type de condensateurs ne donne cependant pas satisfaction car l'utilisation d'armatures métalliques séparées conduit à un condensateur volumineux et coûteux. On a alors essayé pour diminuer le volume du condensateur, d'utiliser des films de polystyrène métallisés, mais ce type de films semble si difficile à réaliser qu'on ne le trouve pas actuellement dans le commerce. D'autres films diélectriques métallisés se trouvent par contre couramment tels que les films de polypropylène, polycarbonate, polysulfone, polyester, en particulier le polytérephtalate d'éthylène, etc... Mais aucun ne possède les caractéristiques requises permettant de réaliser simplement des condensateurs ayant un coefficient de température K Q et une variation relative de capacité en chaleur humide tels que définis ci-dessus.Ainsi, par exemple, le polysulfone qui possède un coefficient K O de l'ordre de - 50 ppm/OC présente une variation relative de capacité en chaleur humide supérieure ou égale à 6% ce qui est inacceptable. I1 a été proposé de réaliser une encapsulation étanche de ce condensateur pour résoudre le problème de variation relative de capacité en chaleur humide. Mais le coût de fabrication du composant ainsi réalisé devient également excessif. I1 n'existe donc pas actuellement sur le marché, un condensateur dont le coefficient de température K Q soit bien défini, dont la valeur définie soit comprise entre + 50 et -150 ppm/ C, ayant une variation relative de capacité après 56 jours en étuve à 40"C sous une humidité relative de 95% inférieure à 6% et de préférence 3%, de faible cout (sans boîtier étanche) et susceptible d'être miniaturisé (faible encombrement). Le condensateur selon l'invention répond au problème posé. I1 est caractérisé en ce qu'il comporte un premier film et un deuxième film diélectriques en matière plastique, recouverts d'une métallisation pour réaliser les armatures, la nature, l'épaisseur et le nombre de couches de ces deux films diélectriques étant choisis de telle sorte que le coefficient de température du condensateur ainsi réalise soit compris entre + 50 ppm/ C et - 150 ppm/ C et la variation relative de capacité après 56 jours en étuve à 40"C sous une humidité relative de 95% soit inférieure à 696. De préférence, cette variation relative de capacité sera inférieure à 3%. Bien entendu, il s'agit d'une variation de capacité d'un condensateur nu, c'est-à-dire dépourvu de toute encapsulation protectrice. On sait, en effet, qu'avec les résines usuelles d'encap sulation des condensateurs, on peut diminuer cette variation relative de l'ordre de 2% (ce qui conduit à un condensateur final, dans sa variante préférentielle, ayant un C/C inférieur à 1%). De préférence, le premier film sera en polypropylène, le second choisi parmi le polycarbonate, le polysulfone et les polyes ters, en particulier le polytérephtalate d'éthylène, l'épaisseur de chacun de ces films pouvant alors être choisie la plus faible possible dans les épaisseurs couramment disponibles dans le commerce. a solution préférée selon l'invention est l'utilisation du couple de films polypropylène, polytérephtalate d'éthylène qui permet d'obtenir des dimensions extrèmement réduites comme on le verra plus loin. Afin d'obtenir une tenue encore améliorée en chaleur humide, on disposera les couches du diélectrique le plus hydrophile (polyes ter, polysulfone, polycarbonate) au centre du condensateur, et les couches du diélectrique le plus hydrophobe (polypropylène) à l'exté rieur du condensateur. Généralement, on constate que le nombre de couches de chaque diélectrique est différent. c7 La réalisation de tels condensateurs s'effectue par empilage à plat, de la manière décrite dans les brevets français 879 280 ou 903 040, ou par bobinage sur une roue de grand diamètre de la manière décrite dans le BF 2 011 553. Dans les deux cas, on réalise des condensateurs-mères qui sont ensuite, généralement, découpés en condensateurs individuels, ou utilisés sous cette forme (barres de conduction, etc...). Selon l'invention, ces procédés connus sont adaptés selon deux variantes : une première variante consiste à empiler simultanément deux films du premier diélectrique, par exemple, pendant un nombre de couches n 1 prédéterminé, puis deux films du deuxième diélectrique selon un nombre de couches n 2 prédéterminé. Cette variante est particulièrement intéressante lorsqu'on veut placer le diélectrique le plus hydrophobe au centre, chaque "condensateur-mere" étant alors réalisé par empilage d'un nombre prédéterminé de couches n 1 du premier diélectrique, d'un nombre prédéterminé de couches n 2 du second diélectrique, puis d'un nombre prédéterminé de couches n 3 du premier diélectrique. Une seconde variante consiste à empiler un nombre prédéterminé de couches du premier film, de plus grande longueur dans le condensateur, puis à empiler ensuite alternativement (par exemple par bobinage simultané) une couche dudit film et une couche du second film. Cette solution est la plus avantageuse industriellement lorsqu'on procède par bobinage sur une roue de grand diamètre, car elle ne nécessite la coupe que d'un seul film en cours de bobinage. Pour éviter la coupe des films entre deux condensateurs-mères successifs, on utilisera de préférence le procédé décrit dans le DOS 2 451 863. On introduit donc ensuite une couche intercaiaire de manière connue en soi, sans couper le premier et le deuxième films, puis on réalise un second condensateur-mère en bobinant d'abord une pluralité de couches diélectriques du premier et du second films, puis une pluralité de couches du premier film. Le film diélectrique de plus petite longueur dans le condensateur est alternativement dans la partie haute ou la partie basse du condensateur. Enfin, l'invention concerne l'utilisation de tels condensateurs dans les filtres du type L.C. (ou R.C.), dans lesquels on adpate le coefficient de température K O du condensateur à celui de l'autre élément du filtre. L'invention sera mieux comprise à Raide des exemples de réalisation suivants, donnés à titre non limitatif, conjointement avec la figure qui représente des courbes donnant le coefficient de température K Q du condensateur selon l'invention en fonction du rapport entre la capacité C due au polypropylène et la capacité pp Cx due au second diélectrique. EXEMPLE: On veut fabriquer des condensateurs pour lesquels on désire obtenir un coefficient de température K Q de - 120 ppm/ C et une variation relative de capacité en chaleur humide inférieure à 6%. On réalise par bobinage sur une roue de grand diamètre comme expliqué plus haut des condensateurs-mères comportant 70% de la capacité en polypropylène et 30% de la capacité en polyester, avec des films de polypropylène de 4 microns d'épaisseur et des films de polytérephtalate d'éthylène de 1,5 micron d'épaisseur.On sait, en effet, que le coefficient K Q du condensateur final est donné par la formule C1 x K s31 + C2 x K IJ2 K Q - K Q1 + C2 x K Q2 (C1 + C2) K Q1 et C1 étant respectivement le coefficient de température et la contribution capacitive du premier film diélectrique, K Q2 et C2 les mêmes paramètres pour le second film. (Le coefficient K Q se définit comme le rapport C'1 - C'2/C'1 divisé par T2 - T1, C'1 et C'2 étant les valeurs de la capacité aux températures T1 et T2).La courbe représentée en annexe qui donne le rapport contribution capacitive du polypropylène C sur contribution capacitive de pp l'autre diélectrique C en abscisses et coefficient de température x K Q en ppm/OC en ordonnées montre que pour un coefficient K Q de - 120 ppm/ C, il faut un rapport Cpp/Cx égal à 2,33 dans le cas du polytérephtalate d'éthylène (et de 0,38 dans le cas du polysulfone). Par conséquent, il est nécessaire d'apporter 70% de la capacité à l'aide du polypropylène et 30% de la capacité à l'aide du polytérephtalate d'éthylène. Compte tenu d'une épaisseur de polypropylène de 4 microns et de polytérephtalate d'éthylène de 1,5 micron, le rapport entre le nombre des tours à bobiner pourle polypropylène et le polyester est égal å: nombre de tours de polypropylène = 8,75 nombre de tours de polyester Ceci conduit pour un condensateur de capacité de dix nanofarads réalisé avec les films ci-dessus de largeur 4,5 mm et ayant une zone latérale démétallisée de 0,5 mm, a un bobinage durant 34 tours avec deux films de polypropylène et 9 tours avec un film de polypropylène et un film de polytérephtalate d'éthylène. Dans le cas d'utilisation de films de polypropylène (4)u) r) et de polysulfone (2 u), la contribution capacitive du polypropylène est de 28 o de la capacité totale tandis que celle du polysulfone est de 72% de la capacité totale. Ceci conduit à un rapport du nombre de tours n polypropylèneln polysulfone voisin de 1,1. Par conséquent, pour un condensateur de dix nanofarads par exemple en film de largeur 4,5 mm et une marge non métallisée de 0,5 mm, il faut bobiner durant 2 tours avec deux films de polypropylène et 30 tours avec un film de posysulfone et un film de polypropylène. Si l'on compare la capacité par unité de volume dans le cas d'un bobinage simultané continu de deux films diélectriques de nature différente et le cas selon l'invention décrit ci-dessus où Pon enroule deux films d'un diélectrique identique puis un film de chaque diélectrique, on obtient les résultats résumés dans le tableau II suivant, le tableau I rappelant les caractéristiques K 9 et a C/C dans les conditions décrites précédemment pour chaque film diélectrique couramment disponible:: TABLEAU I polyté polypro- polycar- poly- rephtalate polys pylène bonate sulfone d'éthylène tyrène KQ ppm/ C -300 - 20 - 50 + 300 - 120 a c/c chaleur 0,5% 6% 6% 6% 1% humide r 2,2 2,8 3,1 3,2 2,5 TABLEAU II BOBINES EMPILES polypro- polypro- polypro- polypro pylène + pylène + pylène + pylène + polysulfone polyester polysulfone polyester % en capa en popro- 28 70 28 70 pylène % capa en 30 30 polyester % capa en 72 72 polysulfone épaisseur polypropy- 4u 4u 4u 4u lène épaisseur polyester épaisseur polysulfone KO -116 -104 -116 -120 ppm/ C #C/C 4,5% + 2,2% + 4,5% + 2,2% chaleur humide capacité nf 2,336 0,341 2,336 1,260 volume mm3 tg # xW4 16 18 16 18 On notera en particulier l'avantage considérable procuré par le procédé selon l'invention dans le cas d'utilisation des films de polypropylène et de polytérephtalate d'éthylène pour parvenir au résultat voulu qui conduit à un gain en volume de l'ordre de 270%. Cette différence s'explique par le fait que lorsqu'on bobine simultanément deux films différents de diélectrique de manière à obtenir un coefficient de température K Q de - 120 ppm/OC, il est nécessaire d'utiliser avec un film de polypropylène de 4 microns d7épais- seur un film de polytérephtalate d'éthylène d'environ 15 microns d'épaisseur ainsi que le montre aisément le calcul à partir de la formule donnant la valeur de K Q citée plus haut, formule dans laquelle il suffit de remplacer la capacité de chaque élément par sa valeur en fonction de la constante diélectrique et l'épaisseur du film diélectrique. REVENDICATIONS 1. Condensateur à coefficient de température défini et de bonne stabilité dans le temps, constitué d'une pluralité de films diélectriques séparés les uns des autres par des armatures métalliques réparties en deux séries alternées, latéralement décalées l'une par rapport à l'autre, les armatures de même parité étant reliées entre elles par une connexion électrique latérale, caractérisé en ce qu'il comporte un premier et un deuxième films diélectriques en matière plastique, recouverts d'une métallisation pour réaliser les armatures, la nature, l'épaisseur et le nombre de couches de ces deux films diélectriques étant choisis de telle sorte que le coefficient de température du condensateur ainsi réalisé soit compris entre + 50 ppm/OC et - 150 ppm/"C et la variation relative de capacité après 56 jours en étuve à 400C sous une humidité relative de 95% soit inférieure à 6%. 2. Condensateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la variation relative de capacité en chaleur humide est inférieure à 3%. 3. Condensateur selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le premier film est en polypropylène et le second film constitué d'un ou plusieurs films choisis parmi les polyesters, le polycarbonate et le polysulfone. 4. Condensateur selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le premier film est en polypropylène et le second en polytérephtalate d'éthylène. 5. Condensateur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le film le moins hydrophile est placé sur les parties extérieures du condensateur. 6. Condensateur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le nombre de couches des deux films est différent. 7. Procédé de fabrication d'un condensateur à coefficient de température bien défini et de bonne stabilité dans le temps, dans lequel on empile une pluralité de films diélectriques en matière plastique, séparés les uns des autres par des armatures métalliques réparties en deux séries alternées, latéralement décalées l'une par rapport à l'autre, puis on réalise des connexions électriques latérales par projection de métal fondu sur les bords latéraux adéquats de l'empilement, de manière à relier électriquement entre elles les armatures de même parité, caractérisé en ce que l'on réalise cet empilement à l'aide d'un premier et d'un deuxième films métallisés en matière plastique disposés de telle sorte que, dans le condensateur réalisé, les couches de films diélectriques ne soient pas toutes identiques, la nature, l'épaisseur et le nombre de couches de ces deux films diélectriques étant choisis de telle sorte que le coefficient de température du condensateur ainsi réalisé soit compris entre + 50 ppm/OC et - 150 ppm/OC et la variation relative de capacité après 56 jours en étuve à 400C sous une humidité relative de 95% soit inférieure à 6%. 8. Procédé selon la revendication 7, dans lequel l'empilement est réalisé par bobinage simultané de deux films sur une roue de grand diamètre, caractérisé en ce que l'on empile 2 x n 1 couches du premier film puis 2 x n 2 couches du deuxième film. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'on empile ensuite à nouveau 2 x n 3 couches du premier film, celui-ci étant le moins hydrophile parmi le premier et le deuxième films. 10. Procédé selon la revendication 7, dans lequel l'empilement est réalisé par bobinage sur une roue de grand diamètre, caractérisé en ce que l'on empile tout d'abord une pluralité de couches diélectriques du premier film, puis on empile ensuite alternativement une pluralité de couches diélectriques du premier et du second films. Il. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'on introduit ensuite une couche intercalaire de manière connue en soi, sans couper le premier et le deuxième films, puis on réalise un nouveau condensateur en bobinant d'abord une pluralité de couches diélectriques du premier et du second films puis une pluralité de couches du premier film. 12. Procédé selon l'une des revendications 7 à 11, caractérisé en ce que le premier film est en polypropylène et le second film en polytérephtalate d'éthylène. 13. Utilisation d'un condensateur selon l'une des revendications 1 à 6, pour la réalisation de filtres.