Kondensator tantalowy - Tantalum capacitor

Kondensatory tantalowe w różnych wersjach: osiowe, promieniowe i chipowe SMD (porównanie rozmiaru z dopasowaniem)

Kondensatory tantalowe 10 μF 30 VDC, z elektrolitem stałym, powlekane żywicą epoksydową.

Tantal kondensator elektrolityczny jest kondensator elektrolityczny , biernym elementem układów elektronicznych . Składa się z granulatu porowatego metalu tantalu jako anody , pokrytego izolującą warstwą tlenku, który tworzy dielektryk, otoczonego ciekłym lub stałym elektrolitem jako katodą . Ze względu na bardzo cienką i stosunkowo wysoką przenikalność warstwy dielektrycznej, kondensator tantalowy wyróżnia się na tle innych kondensatorów konwencjonalnych i elektrolitycznych wysoką pojemnością na objętość (wysoka sprawność objętościowa) i mniejszą wagą.

Tantal jest minerałem konfliktu . Tantalowe kondensatory elektrolityczne są znacznie droższe niż porównywalne aluminiowe kondensatory elektrolityczne .

Kondensatory tantalowe są z natury elementami spolaryzowanymi. Napięcie wsteczne może zniszczyć kondensator. Niepolarne lub bipolarne kondensatory tantalowe są wykonane przez skuteczne połączenie dwóch spolaryzowanych kondensatorów szeregowo, z anodami skierowanymi w przeciwnych kierunkach.

Podstawowe informacje

Podstawowa zasada

Podstawowa zasada utleniania anodowego, w której poprzez przyłożenie napięcia do źródła prądu na metalowej anodzie powstaje warstwa tlenku

Kondensatory elektrolityczne wykorzystują chemiczną właściwość niektórych metali specjalnych, historycznie nazywanych metalami zaworowymi , które mogą tworzyć izolującą warstwę tlenku. Przyłożenie dodatniego napięcia do materiału anody tantalowej w kąpieli elektrolitycznej tworzy warstwę bariery tlenkowej o grubości proporcjonalnej do przyłożonego napięcia. Ta warstwa tlenku służy jako dielektryk w kondensatorze elektrolitycznym. Właściwości tej warstwy tlenku w porównaniu z warstwą tlenku tantalu podano w poniższej tabeli:

Po utworzeniu tlenku dielektrycznego na szorstkich strukturach anody potrzebna jest katoda. Elektrolit działa jako katoda kondensatorów elektrolitycznych. W użyciu jest wiele różnych elektrolitów. Ogólnie elektrolity będą rozróżniane na dwa rodzaje, elektrolity niestałe i stałe . Elektrolity w stanie stałym to ciekłe medium, którego przewodnictwo jest jonowe . Elektrolity stałe mają przewodnictwo elektronowe, a zatem kondensatory elektrolityczne w stanie stałym są bardziej wrażliwe na skoki napięcia lub skoki prądu. Warstwa tlenku może ulec zniszczeniu, jeśli polaryzacja przyłożonego napięcia zostanie odwrócona.

Materiał dielektryczny jest umieszczany między dwiema płytkami przewodzącymi (elektrodami), każda o powierzchni A iz separacją d .

Każdy kondensator elektrolityczny w zasadzie tworzy kondensator płytkowy, którego pojemność jest tym większa, im większy jest obszar elektrody A i przenikalność elektrodowa ε oraz im cieńsza jest grubość dielektryka.

${\ displaystyle C = \ varepsilon \ cdot {\ frac {A} {d}}}$

Grubość dielektryczna kondensatorów elektrolitycznych jest bardzo mała, w zakresie nanometrów na wolt. Mimo to wytrzymałości dielektryczne tych warstw tlenków są dość wysokie. W ten sposób kondensatory tantalowe mogą osiągnąć wysoką pojemność wolumetryczną w porównaniu z innymi typami kondensatorów.

Wszystkie anody wytrawione lub spiekane mają znacznie większą całkowitą powierzchnię w porównaniu z gładką powierzchnią o tych samych wymiarach całkowitych. Ten wzrost pola powierzchni zwiększa wartość pojemności nawet o współczynnik 200 (w zależności od napięcia znamionowego) dla stałych kondensatorów elektrolitycznych tantalu.

Objętość kondensatora elektrolitycznego jest określona iloczynem pojemności i napięcia, tzw. Objętość CV . Jednak porównując przenikalności różnych materiałów tlenkowych, widać, że pięciotlenek tantalu ma około 3 razy większą przenikalność niż tlenek glinu. Dlatego tantalowe kondensatory elektrolityczne o danej wartości CV mogą być mniejsze niż aluminiowe kondensatory elektrolityczne.

Podstawowa konstrukcja kondensatorów elektrolitycznych z litego tantalu

• Budowa litego kondensatora tantalowego z elektrolitem z dwutlenku manganu
• 

  Ogniwo kondensatora elektrolitycznego kondensatora tantalowego składa się ze spiekanego proszku tantalu

• 

  Schematyczne przedstawienie struktury spiekanego tantalowego kondensatora elektrolitycznego z elektrolitem stałym i warstwami stykającymi się z katodą

• 

  Budowa typowego kondensatora tantalowego typu chip elektrolitycznego SMD z elektrolitem stałym

Typowy kondensator tantalowy jest kondensatorem chipowym i składa się z proszku tantalu sprasowanego i spiekanego w grudkę jako anodę kondensatora, z warstwą tlenku pięciotlenku tantalu jako dielektrykiem i stałym elektrolitem z dwutlenku manganu jako katodą .

Materiały, produkcja i style

Anoda

Rysunek 1: Proszek tantalu CV / g.

Kondensatory tantalowe są wytwarzane z proszku stosunkowo czystego pierwiastkowego metalu tantalowego . Typowy współczynnik dobroci przy porównywaniu objętościowej wydajności proszków jest wyrażany jako pojemność (C, zwykle w μF) pomnożona przez wolty (V) na gram (g). Od połowy lat 80. wyprodukowane proszki tantalu wykazały około dziesięciokrotną poprawę wartości CV / g (od około 20 000 do 200 000). Typowa wielkość cząstek wynosi od 2 do 10 μm. Rysunek 1 przedstawia proszki o coraz drobniejszym ziarnie, dające większą powierzchnię na jednostkę objętości. Zwróć uwagę na bardzo dużą różnicę w wielkości cząstek między proszkami.

Rysunek 2: Spiekana anoda.

Proszek jest ściskany wokół drutu tantalowego (znanego jako drut wznośny), tworząc „pastylkę”. Ostatecznie drut wznośny staje się połączeniem anodowym z kondensatorem. Ta kombinacja granulatu / drutu jest następnie spiekana próżniowo w wysokiej temperaturze (zwykle 1200 do 1800 ° C), co daje granulkę mocną mechanicznie i usuwa wiele zanieczyszczeń z proszku. Podczas spiekania proszek przybiera strukturę przypominającą gąbkę, a wszystkie cząstki są połączone w monolityczną przestrzenną siatkę. Struktura ta ma przewidywalną wytrzymałość mechaniczną i gęstość, ale jest również silnie porowata, co zapewnia dużą powierzchnię wewnętrzną (patrz Rysunek 2).

Większe obszary dają większą pojemność; w związku z tym proszki o wysokim współczynniku CV / g, które mają mniejsze średnie rozmiary cząstek, są stosowane do części o niskim napięciu i dużej pojemności. Wybierając odpowiedni typ proszku i temperaturę spiekania, można uzyskać określoną pojemność lub napięcie znamionowe. Na przykład kondensator 220 μF 6 V będzie miał powierzchnię bliską 346 cm ² , czyli 80% rozmiaru kartki papieru (US Letter, papier 8,5 × 11 cali ma powierzchnię ~ 413 cm ² ), chociaż całkowita objętość pelletu to tylko około 0,0016 cm ³ .

Dielektryk

Rysunek 3: Warstwa dielektryczna.

Następnie dielektryk jest tworzony na wszystkich powierzchniach cząstek tantalu w wyniku elektrochemicznego procesu anodowania . Aby to osiągnąć, „pastylkę” zanurza się w bardzo słabym roztworze kwasu i przykłada się napięcie stałe. Całkowita grubość dielektryka jest określana przez napięcie końcowe przyłożone podczas procesu formowania. Początkowo zasilacz jest utrzymywany w trybie prądu stałego, aż do osiągnięcia odpowiedniego napięcia (tj. Grubości dielektryka); następnie utrzymuje to napięcie, a prąd spada prawie do zera, aby zapewnić jednolitą grubość w całym urządzeniu i partii produkcyjnej. Równania chemiczne opisujące proces tworzenia dielektryka na anodzie są następujące:

2 Ta → 2 Ta ⁵⁺ + 10 e ^-

2 Ta ⁵⁺ + 10 OH ^- → Ta ₂ O ₅ + 5 H ₂ O

Tlenek tworzy się na powierzchni tantalu, ale wrasta również w materiał. Na każdą jednostkę grubości wzrostu tlenku jedna trzecia wyrasta, a dwie trzecie wrasta. Ze względu na ograniczenia wzrostu tlenku istnieje ograniczenie maksymalnego napięcia znamionowego tlenku tantalu dla każdego z obecnie dostępnych proszków tantalu (patrz Rysunek 3 ).

Grubość warstwy dielektrycznej generowana przez napięcie formujące jest wprost proporcjonalna do napięcia udarowego kondensatorów elektrolitycznych. Kondensatory elektrolityczne są produkowane z marginesem bezpieczeństwa w grubości warstwy tlenku, który jest stosunkiem między napięciem używanym do elektrolitycznego wytwarzania dielektryka a napięciem znamionowym kondensatora, aby zapewnić niezawodną funkcjonalność.

Margines bezpieczeństwa dla stałych kondensatorów tantalowych z elektrolitem z dwutlenku manganu wynosi zazwyczaj od 2 do 4. Oznacza to, że w przypadku kondensatora tantalowego 25 V z marginesem bezpieczeństwa 4 dielektryczny dowód napięcia może wytrzymać napięcie 100 V, aby zapewnić solidniejszy dielektryk. Ten bardzo wysoki współczynnik bezpieczeństwa znajduje potwierdzenie w mechanizmie uszkodzenia kondensatorów tantalowych, tzw. „Krystalizacji pola”. W przypadku kondensatorów tantalowych ze stałym elektrolitem polimerowym margines bezpieczeństwa jest znacznie niższy, zwykle około 2.

Katoda

Rysunek 4: Warstwa dwutlenku manganu

Kolejnym etapem dla stałych kondensatorów tantalowych jest zastosowanie płytki katodowej (mokre kondensatory tantalowe wykorzystują ciekły elektrolit jako katodę w połączeniu z obudową). Osiąga się to poprzez pirolizę azotanu manganu do dwutlenku manganu . „Pastylkę” zanurza się w wodnym roztworze azotanu, a następnie piecze w piecu w temperaturze około 250 ° C w celu wytworzenia powłoki dwutlenku. Równanie chemiczne to:

Mn (NO ₃ ) ₂ → MnO ₂ + 2 NO ₂

Proces ten powtarza się kilkakrotnie, zmieniając ciężar właściwy roztworu azotanu, w celu utworzenia grubej warstwy na wszystkich wewnętrznych i zewnętrznych powierzchniach „pastylki”, jak pokazano na Rysunku 4.

W tradycyjnej konstrukcji „pastylka” jest kolejno zanurzana w graficie, a następnie w srebrze, aby zapewnić dobre połączenie między płytą katody z dwutlenku manganu a zewnętrznym zakończeniem katody (patrz Rysunek 5).

Rysunek 5: Przekrój litej katody tantalowej.

Przepływ produkcji

Poniższy rysunek przedstawia przepływ produkcji tantalowych elektrolitycznych kondensatorów chipowych ze spiekaną anodą i stałym elektrolitem z dwutlenkiem manganu.

Przedstawienie przebiegu produkcji kondensatorów elektrolitycznych tantalowych ze spiekaną anodą i stałym elektrolitem z dwutlenku manganu

Style kondensatorów tantalowych

Kondensatory elektrolityczne tantalowe są produkowane w trzech różnych stylach:

• Tantalowe kondensatory chipowe: styl SMD do montażu powierzchniowego, 80% wszystkich kondensatorów tantalowych to SMD
• "Perły" z tantalu, zanurzone w żywicy, single-ended do montażu na PCB
• Kondensatory tantalowe z wyprowadzeniem osiowym, z elektrolitem stałym i niestałym, używane głównie w zastosowaniach wojskowych, medycznych i kosmicznych.

• Różne style kondensatorów tantalowych
• 

  Kondensatory chipowe tantalowe

• 

  Tantalowe "perełki" do montażu PCB

• 

  Osiowe kondensatory tantalowe

Kondensatory chipowe (rozmiar obudowy)

Ponad 90% wszystkich kondensatorów elektrolitycznych tantalu jest produkowanych w stylu SMD jako kondensatory tantalowe. Ma powierzchnie stykowe na czołowych powierzchniach obudowy i jest produkowany w różnych rozmiarach, zazwyczaj zgodnie z normą EIA -535-BAAC. Różne rozmiary można również rozpoznać po literach kodów przypadków. W przypadku niektórych rozmiarów skrzynek (od A do E), które są produkowane od wielu dziesięcioleci, wymiary i kodowanie skrzynek wszystkich producentów są nadal w dużej mierze takie same. Jednak nowe osiągnięcia w zakresie kondensatorów elektrolitycznych tantalu, takie jak technika wielu anod w celu zmniejszenia ESR lub technika „twarzą w dół” w celu zmniejszenia indukcyjności, doprowadziły do ​​znacznie szerszego zakresu rozmiarów chipów i ich kodów obudów. Te odstępstwa od standardów EIA oznaczają, że urządzenia różnych producentów nie zawsze są jednolite.

Przegląd wymiarów konwencjonalnych prostokątnych kondensatorów tantalowych i ich kodowania przedstawiono w poniższej tabeli:

Wymiarowanie kondensatora chipowego tantalowego

• Uwaga: Metryka EIA 3528 jest również znana jako imperialna EIA 1411 (cale).

Mokre kondensatory tantalowe

Przekrój poprzeczny kondensatora elektrolitycznego, który nie jest stały, całkowicie tantalowy, hermetycznie zamknięty

Główną cechą nowoczesnych kondensatorów elektrolitycznych tantalowych w stanie stałym (mokrym) jest ich gęstość energii w porównaniu z gęstością energii stałych tantalu i mokrych aluminiowych kondensatorów elektrolitycznych w tym samym zakresie temperatur. Ze względu na ich właściwości samonaprawiające (elektrolit w stanie stałym może dostarczać tlen do tworzenia nowej warstwy tlenku w słabych obszarach dielektryka), grubość dielektryka może być formowana przy znacznie niższych marginesach bezpieczeństwa, aw konsekwencji przy znacznie cieńszym dielektryku niż w przypadku typów stałych , co skutkuje wyższą wartością CV na jednostkę objętości. Dodatkowo mokre kondensatory tantalowe są w stanie pracować przy napięciach powyżej 100 V do 630 V, mają stosunkowo niski ESR i mają najniższy prąd upływu spośród wszystkich kondensatorów elektrolitycznych.

Oryginalne mokre kondensatory tantalowe opracowane w latach trzydziestych XX wieku były kondensatorami osiowymi, posiadającymi nawiniętą komórkę składającą się z anody tantalowej i katody foliowej oddzielonych paskiem papieru nasączonym elektrolitem, zamontowanymi w srebrnej obudowie i uszczelnionym niehermetycznym elastomerem. Ze względu na obojętność i stabilność warstwy tlenku dielektrycznego tantalu wobec silnych kwasów, mokre kondensatory tantalowe mogą wykorzystywać kwas siarkowy jako elektrolit, zapewniając w ten sposób stosunkowo niski ESR.

Ponieważ w przeszłości srebrne obudowy miały problemy z migracją srebra i wąsami, co prowadziło do zwiększania się prądów upływowych i zwarć, nowe style kondensatorów tantalowych typu mokrego wykorzystują spiekane ogniwo z peletu tantalowego i żelowany elektrolit z kwasu siarkowego zamontowany w obudowie z czystego tantalu.

Ze względu na stosunkowo wysoką cenę mokre kondensatory elektrolityczne tantalowe mają niewiele zastosowań konsumenckich. Są używane w wytrzymałych aplikacjach przemysłowych, takich jak sondy do poszukiwań ropy naftowej. Typy z aprobatami wojskowymi mogą zapewnić zwiększoną pojemność i napięcie znamionowe, a także wysoki poziom jakości wymagany w zastosowaniach awionicznych, wojskowych i kosmicznych.

Historia

Grupa „metali zaworowych” zdolnych do tworzenia izolacyjnej warstwy tlenkowej została odkryta w 1875 roku. W 1896 roku Karol Pollak opatentował kondensator wykorzystujący elektrody aluminiowe i ciekły elektrolit. Aluminiowe kondensatory elektrolityczne zostały wyprodukowane w latach trzydziestych XX wieku.

Pierwsze tantalowe kondensatory elektrolityczne z nawiniętą folią tantalową i nie stałym elektrolitem zostały opracowane w 1930 roku przez Tansitor Electronic Inc. (USA) i były używane do celów wojskowych.

Kondensatory tantalowe z elektrolitem stałym zostały wynalezione przez Bell Laboratories we wczesnych latach pięćdziesiątych XX wieku jako zminiaturyzowany i bardziej niezawodny niskonapięciowy kondensator pomocniczy jako uzupełnienie ich nowo wynalezionego tranzystora . Rozwiązanie RL Taylor i HE Haring z Bell Labs znalezione dla nowego zminiaturyzowanego kondensatora znalezionego na początku 1950 roku było oparte na doświadczeniach z ceramiką. Zmielili metaliczny tantal na proszek, sprasowali ten proszek w cylindryczny kształt, a następnie spiekali cząstki proszku w wysokiej temperaturze między 1500 a 2000 ° C (2730 a 3630 ° F) w warunkach próżni, tworząc pastylkę („ślimak”).

Te pierwsze spiekane kondensatory tantalowe wykorzystywały ciekły elektrolit. W 1952 roku badacze Bell Labs odkryli zastosowanie dwutlenku manganu jako stałego elektrolitu w spiekanym kondensatorze tantalowym.

Chociaż podstawowe wynalazki pochodziły z Bell Labs, innowacje w produkcji komercyjnie opłacalnych kondensatorów elektrolitycznych tantalowych zostały dokonane przez naukowców ze Sprague Electric Company . Preston Robinson , dyrektor ds. Badań firmy Sprague, uważany jest za faktycznego wynalazcę kondensatorów tantalowych w 1954 r. Jego wynalazek był wspierany przez RJ Millarda, który wprowadził etap „reformy” w 1955 r., Co było znaczącym ulepszeniem, w którym naprawiane po każdym cyklu zanurzania i konwersji osadzania MnO ₂ . To radykalnie zmniejszyło prąd upływu gotowych kondensatorów.

Ten pierwszy dwutlenek manganu ze stałym elektrolitem miał 10 razy lepszą przewodność niż wszystkie inne typy kondensatorów z elektrolitem nie stałym. W stylu pereł tantalowych szybko znalazły szerokie zastosowanie w radiu i nowych urządzeniach telewizyjnych.

Przewodnictwo elektrolitów w stanie stałym i nie stałym

W 1971 roku Intel wypuścił swój pierwszy mikrokomputer (MCS 4), a 1972 Hewlett Packard wprowadził na rynek jeden z pierwszych kalkulatorów kieszonkowych ( HP 35 ). Wzrosły wymagania dla kondensatorów, zwłaszcza zapotrzebowanie na mniejsze straty. Równoważna oporność szeregowa (ESR) do pozaustrojowego oddzielenia i kondensatory standardowych kondensatorów elektrolitycznych musiała być obniżona.

Chociaż kondensatory z litego tantalu oferowały niższe wartości ESR i prądu upływu niż elektrolity aluminiowe, w 1980 r. Szok cenowy dla tantalu w przemyśle dramatycznie zmniejszył użyteczność kondensatorów tantalowych, zwłaszcza w przemyśle rozrywkowym. W poszukiwaniu tańszych alternatyw branża powróciła do stosowania aluminiowych kondensatorów elektrolitycznych.

Rozwój polimerów przewodzących przez Alana J. Heegera , Alana MacDiarmida i Hidekiego Shirakawę w 1975 roku był punktem przełomowym dla niższej ESR. Przewodnictwo polimerów przewodzących, takich jak polipirol (PPy) lub PEDOT, jest 1000 razy lepsze niż dwutlenku manganu i jest zbliżone do przewodnictwa metali. W 1993 roku NEC wprowadził na rynek swoje kondensatory elektrolityczne z polimeru tantalowego SMD, zwane „NeoCap”. W 1997 roku Sanyo wprowadził swoje chipy polimerowo-tantalowe „POSCAP”.

Nowy przewodzący polimer do kondensatorów tantalowo-polimerowych został zaprezentowany przez Kemet na konferencji "1999 Carts". W kondensatorze zastosowano nowo opracowany organiczny polimer przewodzący PEDT Poly (3,4-etylenodioksytiofen), znany również jako PEDOT (nazwa handlowa Baytron).

Rozwój w kierunku kondensatorów o niskiej ESR i dużych pojemnościach CV w stylu chipów dla szybko rozwijającej się technologii SMD w latach 90. XX wieku dramatycznie zwiększył popyt na chipy tantalowe. Jednak kolejna eksplozja cen tantalu w latach 2000/2001 wymusiła rozwój niobowych kondensatorów elektrolitycznych z elektrolitem z dwutlenkiem manganu, które są dostępne od 2002 r. Materiały i procesy użyte do produkcji kondensatorów niobowo-dielektrycznych są zasadniczo takie same, jak w przypadku istniejącego tantalu. kondensatory dielektryczne. Charakterystyka niobowych kondensatorów elektrolitycznych i tantalowych kondensatorów elektrolitycznych jest z grubsza porównywalna.

Parametry elektryczne

Obwód równoważny szeregowo

Model obwodu zastępczego szeregowego kondensatora tantalowego

Kondensatory elektrolityczne tantalowe jako elementy dyskretne nie są idealnymi kondensatorami, ponieważ mają straty i pasożytnicze części indukcyjne. Wszystkie właściwości można zdefiniować i określić za pomocą szeregowego obwodu zastępczego składającego się z wyidealizowanej pojemności i dodatkowych elementów elektrycznych, które modelują wszystkie straty i parametry indukcyjne kondensatora. W tym równoważnym szeregowo obwodzie charakterystyki elektryczne są określone przez:

• C , pojemność kondensatora
• R _wyciek , rezystancja reprezentująca prąd upływu kondensatora
• R _ESR , równoważna rezystancja szeregowa, która podsumowuje wszystkie straty omowe kondensatora, zwykle określana skrótem „ESR”
• L _ESL , równoważna indukcyjność szeregowa, która jest efektywną indukcyjnością własną kondensatora, zwykle w skrócie „ESL”.

Stosowanie szeregowego obwodu zastępczego zamiast równoległego obwodu zastępczego jest określone w normie IEC / EN 60384-1.

Standardowe wartości i tolerancje pojemności

Charakterystyka elektryczna kondensatorów elektrolitycznych tantalu zależy od budowy anody i zastosowanego elektrolitu. Wpływa to na wartość pojemności kondensatorów tantalowych, która zależy od częstotliwości roboczej i temperatury. Podstawową jednostką pojemności kondensatorów elektrolitycznych jest mikrofarada (μF).

Wartość pojemności podana w arkuszach danych producentów nazywana jest pojemnością znamionową C _R lub pojemnością nominalną C _N i jest to wartość, dla której został zaprojektowany kondensator. Znormalizowanym warunkiem pomiaru kondensatorów elektrolitycznych jest metoda pomiaru prądu przemiennego o częstotliwości od 100 do 120 Hz. Kondensatory elektrolityczne różnią się od innych typów kondensatorów, których pojemności są zwykle mierzone z częstotliwością 1 kHz lub wyższą. W przypadku kondensatorów tantalowych podczas pomiaru można przyłożyć napięcie polaryzacji DC od 1,1 do 1,5 V dla typów o napięciu znamionowym ≤2,5 V lub od 2,1 do 2,5 V dla typów o napięciu znamionowym> 2,5 V, aby uniknąć napięcia wstecznego.

Procent dopuszczalnego odchylenia mierzonej pojemności od wartości znamionowej nazywany jest tolerancją pojemności. Kondensatory elektrolityczne są dostępne w różnych klasach tolerancji, których wartości są określone w serii E określonej w normie IEC 60063. W przypadku skróconego oznaczania w ciasnych przestrzeniach kod literowy dla każdej tolerancji jest określony w normie IEC 60062.

• pojemność znamionowa, seria E3 , tolerancja ± 20%, kod literowy „M”
• pojemność znamionowa, seria E6 , tolerancja ± 20%, kod literowy „M”
• pojemność znamionowa, seria E12 , tolerancja ± 10%, kod literowy „K”

Wymagana tolerancja pojemności zależy od konkretnego zastosowania. Kondensatory elektrolityczne, które są często używane do filtrowania i obejścia kondensatorów, nie wymagają wąskich tolerancji, ponieważ najczęściej nie są używane do precyzyjnych zastosowań częstotliwości, takich jak oscylatory .

Napięcie znamionowe i kategoria

Zależność między napięciem znamionowym i kategorią a temperaturą znamionową i kategorią

Odnosząc się do normy IEC / EN 60384-1, dopuszczalne napięcie robocze dla kondensatorów tantalowych nazywa się „napięciem znamionowym U _R ” lub „napięciem znamionowym U _N ”. Napięcie znamionowe U _R to maksymalne napięcie DC lub szczytowe napięcie impulsu, które może być przyłożone w sposób ciągły w dowolnej temperaturze w zakresie temperatur znamionowych T _R (IEC / EN 60384-1).

Napięcie znamionowe kondensatorów elektrolitycznych zmniejsza się wraz ze wzrostem temperatury. W przypadku niektórych zastosowań ważne jest, aby użyć wyższego zakresu temperatur. Obniżenie napięcia przyłożonego w wyższej temperaturze zachowuje marginesy bezpieczeństwa. Dlatego dla niektórych typów kondensatorów norma IEC określa „napięcie obniżone temperaturowo” dla wyższej temperatury, „napięcie kategorii U _C ”. Napięcie kategoria jest napięcie maksymalne lub szczytowe napięcia impulsowego prądu stałego, który może być stosowany w sposób ciągły do kondensatora w dowolnej temperaturze z zakresu temperatur kategorii T _C . Zależność między napięciami i temperaturami jest pokazana na rysunku po prawej stronie.

Niższe napięcie może mieć pozytywny wpływ na tantalowe kondensatory elektrolityczne. Obniżenie przyłożonego napięcia zwiększa niezawodność i zmniejsza spodziewaną awaryjność.

Przyłożenie wyższego napięcia niż zalecane może zniszczyć tantalowe kondensatory elektrolityczne.

Napięcie udarowe

Przepięcie wskazuje maksymalną wartość szczytową napięcia, które może być przyłożone do kondensatorów elektrolitycznych podczas ich stosowania przez ograniczoną liczbę cykli. Napięcie udarowe jest znormalizowane w normie IEC / EN 60384-1. W przypadku tantalowych kondensatorów elektrolitycznych napięcie udarowe powinno wynosić 1,3-krotność napięcia znamionowego, w zaokrągleniu do najbliższego wolta. Przepięcie przyłożone do kondensatorów tantalowych może wpływać na awaryjność kondensatorów.

Napięcie przejściowe

Przejściowe napięcie lub skok prądu przyłożony do tantalowych kondensatorów elektrolitycznych ze stałym elektrolitem z dwutlenku manganu może powodować awarię niektórych kondensatorów tantalowych i może bezpośrednio prowadzić do zwarcia.

Odwróć napięcie

Elektrolit tantalowy jest spolaryzowany i generalnie wymaga, aby napięcie elektrody anodowej było dodatnie w stosunku do napięcia katody.

Po przyłożeniu napięcia wstecznego, prąd upływu do tyłu płynie w bardzo małych obszarach mikropęknięć lub innych defektów przez warstwę dielektryczną do anody kondensatora elektrolitycznego. Chociaż prąd może mieć tylko kilka mikroamperów, reprezentuje bardzo wysoką zlokalizowaną gęstość prądu, która może powodować powstanie niewielkiego gorącego punktu. Może to spowodować pewną konwersję bezpostaciowego pięciotlenku tantalu do bardziej przewodzącej postaci krystalicznej. Gdy dostępny jest duży prąd, efekt ten może spowodować lawinę, a kondensator może stać się całkowity.

Niemniej jednak, tantalowe kondensatory elektrolityczne mogą wytrzymać w krótkich chwilach napięcie wsteczne przez ograniczoną liczbę cykli. Najczęstsze wytyczne dotyczące napięcia wstecznego tantalu to:

• 10% napięcia znamionowego do maksymalnie 1 V przy 25 ° C,
• 3% napięcia znamionowego do maksymalnie 0,5 V przy 85 ° C,
• 1% napięcia znamionowego do maksymalnie 0,1 V przy 125 ° C.

Te wytyczne mają zastosowanie do krótkich skoków i nigdy nie powinny być używane do określania maksymalnego napięcia wstecznego, przy którym kondensator może być używany na stałe.

Impedancja

Uproszczony obwód równoważny szeregowo kondensatora dla wyższych częstotliwości (powyżej); diagram wektorowy z reaktancjami elektrycznymi X _ESL i X _C oraz rezystancją ESR i dla ilustracji impedancję Z i współczynnik rozproszenia tan δ

Kondensatory elektrolityczne tantalu, podobnie jak inne konwencjonalne kondensatory, pełnią dwie funkcje elektryczne. W przypadku timerów lub podobnych zastosowań kondensatory są postrzegane jako składnik magazynujący energię elektryczną. Ale w zastosowaniach związanych z wygładzaniem, obejściem lub odsprzęganiem , jak w zasilaczach , kondensatory działają dodatkowo jako rezystory prądu przemiennego, filtrując niepożądane komponenty prądu przemiennego z szyn napięciowych. W przypadku tej (polaryzowanej) funkcji AC zależna od częstotliwości rezystancja prądu przemiennego ( impedancja „Z” ) jest tak samo ważna jak wartość pojemności.

Typowe krzywe impedancji dla różnych wartości pojemności w funkcji częstotliwości. Im większa pojemność, tym mniejsza częstotliwość rezonansowa.

Impedancja to złożony stosunek napięcia do prądu, zarówno pod względem wielkości, jak i fazy przy określonej częstotliwości w obwodzie prądu przemiennego. W tym sensie impedancja jest miarą zdolności kondensatora do tłumienia prądów przemiennych i może być używana jak prawo Ohma

${\ displaystyle Z = {\ frac {\ hat {u}} {\ hat {\ imath}}} = {\ frac {U _ {\ mathrm {ef}}} {ja _ {\ mathrm {ef}}}}. }$

Impedancja jest rezystancją prądu przemiennego zależną od częstotliwości i ma zarówno wielkość, jak i fazę przy określonej częstotliwości. W arkuszach danych kondensatorów elektrolitycznych tylko wielkość impedancji | Z | jest określony i zapisywany po prostu jako „Z” . W odniesieniu do normy IEC / EN 60384-1 wartości impedancji tantalowych kondensatorów elektrolitycznych są mierzone i określane przy 10 kHz lub 100 kHz w zależności od pojemności i napięcia kondensatora.

Oprócz pomiaru impedancję można również obliczyć przy użyciu wyidealizowanych komponentów z obwodu równoważnego szeregowego kondensatora, w tym idealnego kondensatora C , rezystora ESR i indukcyjności ESL . W tym przypadku impedancja przy częstotliwości kątowej ω jest zatem określona przez geometryczny (złożony) dodatek ESR , przez reaktancję pojemnościową X _C

${\ Displaystyle X_ {C} = - {\ Frac {1} {\ omega C}}}$

i przez reaktancję indukcyjną X _L ( indukcyjność )

${\ Displaystyle X_ {L} = \ omega L _ {\ mathrm {ESL}}}$ .

Wtedy Z jest przez

${\ Displaystyle Z = {\ sqrt {{ESR} ^ {2} + (X _ {\ mathrm {C}} + (- X _ {\ mathrm {L}})) ^ {2}}}}$ .

W szczególnym przypadku rezonansu , w którym obie rezystancje bierne X _C i X _L mają tę samą wartość ( X _C = X _L ), wówczas impedancja zostanie określona tylko przez ESR . Przy częstotliwościach powyżej rezonansu impedancja wzrasta ponownie z powodu ESL kondensatora. W tym momencie kondensator zaczyna zachowywać się przede wszystkim jako indukcyjność.

ESR i współczynnik rozproszenia tan δ

• Typowe krzywe impedancji i ESR jako funkcja częstotliwości i temperatury
• 

  Typowa impedancja i ESR w funkcji częstotliwości

• 

  Typowe krzywe impedancji i ESR w zależności od częstotliwości dla różnych typów kondensatorów elektrolitycznych w porównaniu z MLCC

Rezystancja szeregowa odpowiednik ( ESR ) podsumowuje wszystkie rezystancyjne strat kondensatora. Są to rezystancje końcowe, rezystancja styku elektrody, rezystancja liniowa elektrod, rezystancja elektrolitu i straty dielektryczne w warstwie tlenku dielektrycznego.

ESR wpływa na pozostałe nałożone tętnienia prądu przemiennego za wygładzaniem i może wpływać na funkcjonalność obwodu. Związany z kondensatorem ESR jest odpowiedzialny za wewnętrzne wytwarzanie ciepła, jeśli prąd tętnienia przepływa przez kondensator. To wewnętrzne ciepło może wpływać na niezawodność tantalowych kondensatorów elektrolitycznych.

Ogólnie rzecz biorąc, ESR spada wraz ze wzrostem częstotliwości i temperatury.

Dyskusje kondensatorów elektrolitycznych historycznie czasami odnoszą się do współczynnika rozproszenia , tan , w odpowiednich kartach zamiast ESR . Współczynnik rozpraszania jest określany przez styczną kąta fazowego między odjęciem reaktancji pojemnościowej X _C od reaktancji indukcyjnej X _L i ESR . Jeśli indukcyjność kondensatora ESL jest mała, współczynnik rozpraszania można w przybliżeniu oszacować jako:

${\ Displaystyle \ tan \ delta = {\ mbox {ESR}} \ cdot \ omega C}$

Współczynnik rozpraszania tan δ jest stosowany dla kondensatorów o bardzo niskich stratach w obwodach określających częstotliwość lub obwodach rezonansowych, w których odwrotna wartość współczynnika rozpraszania nazywana jest współczynnikiem jakości ( Q ), który reprezentuje szerokość pasma rezonatora .

Prąd tętnienia

Wysoki prąd tętnienia na kondensatorze wygładzającym C1 w zasilaczu z prostowaniem półfalowym powoduje znaczne wewnętrzne wytwarzanie ciepła, odpowiadające ESR kondensatora

„Prąd tętnienia” to wartość skuteczna prądu zmiennego nałożonego na prąd zmienny o dowolnej częstotliwości na prąd stały. Powstaje głównie w zasilaczach (w tym zasilaczach impulsowych ) po wyprostowaniu napięcia przemiennego i płynie jako prąd ładowania i rozładowania przez kondensator odsprzęgający lub wygładzający.

Prądy tętniące wytwarzają ciepło wewnątrz korpusu kondensatora. Rozproszenie to strata mocy P _L jest spowodowane przez ESR i kwadrat wartości skutecznej (RMS) tętnienia prądu I _R .

${\ Displaystyle P_ {L} = I_ {R} ^ {2} \ cdot ESR}$

To wytworzone ciepło wewnętrzne, oprócz temperatury otoczenia i ewentualnie innych zewnętrznych źródeł ciepła, prowadzi do temperatury korpusu kondensatora o różnicy temperatur ΔT względem otoczenia. Ciepło to musi być rozłożone jako straty cieplne P _th na powierzchni kondensatora A i opór cieplny β do otoczenia.

${\ Displaystyle P_ {th} = \ Delta T \ cdot A \ cdot \ beta}$

Wytworzone wewnętrznie ciepło musi być rozprowadzane do otoczenia za pomocą promieniowania cieplnego , konwekcji i przewodzenia ciepła . Temperatura kondensatora, która jest ustalona na podstawie bilansu ciepła wytwarzanego i rozprowadzanego, nie powinna przekraczać maksymalnej określonej temperatury kondensatora.

Prąd tętnienia jest określany jako wartość skuteczna (RMS) przy 100 lub 120 Hz lub przy 10 kHz w temperaturze wyższej kategorii. Niesinusoidalne prądy tętniące muszą być analizowane i rozdzielane na składowe częstotliwości sinusoidalne za pomocą analizy Fouriera i równoważnego prądu tętnienia obliczonego jako pierwiastek kwadratowy z sumy kwadratów poszczególnych prądów.

${\ Displaystyle I_ {R} = {\ sqrt {{i_ {1}} ^ {2} + {i_ {2}} ^ {2} + {i_ {3}} ^ {2} + {i_ {n} } ^ {2}}}}$

W litych kondensatorach elektrolitycznych z tantalu ciepło wytwarzane przez prąd tętnienia wpływa na niezawodność kondensatorów. Przekroczenie limitu prowadzi zwykle do katastrofalnych awarii z powodu zwarć i spalających się elementów.

Prąd udarowy, szczytowy lub pulsacyjny

Stałe kondensatory elektrolityczne z tantalu mogą zostać uszkodzone przez przepięcia, prądy szczytowe lub impulsowe. Kondensatory tantalowe, które są narażone na prądy udarowe, szczytowe lub impulsowe, powinny być stosowane ze zmniejszeniem napięcia do 70% w obwodach o wysokiej indukcyjności. Jeśli to możliwe, profil napięcia powinien mieć charakter rampowy, ponieważ zmniejsza to prąd szczytowy widziany przez kondensator.

Prąd upływu

ogólne zachowanie upływowe kondensatorów elektrolitycznych: prąd upływu w funkcji czasu w zależności od rodzaju elektrolitu ${\ displaystyle I_ {przeciek}}$${\ displaystyle t}$

   nie ciało stałe, wysoka zawartość wody

   nie stałe, organiczne

   stałe, polimerowe

Prąd upływu DC jest specjalnym charakterystycznym dla kondensatorów elektrolitycznych inne konwencjonalne kondensatory nie mają. Prąd ten jest reprezentowany przez rezystor R _wycieku równolegle do kondensatora w układzie szeregowym równoważnej kondensatorów elektrolitycznych. Głównymi przyczynami powstawania prądu upływu dla stałych kondensatorów tantalowych są elektryczne uszkodzenia dielektryka, ścieżki przewodzące z powodu zanieczyszczeń lub z powodu słabej anodyzacji, omijanie dielektryka z powodu nadmiaru dwutlenku manganu, z powodu ścieżek wilgoci lub z powodu przewodników katodowych (węgiel, srebro ). Ten prąd upływu w kondensatorach ze stałym elektrolitem nie może zostać zredukowany przez „uzdrowienie” w sensie wytwarzania nowego tlenku, ponieważ w normalnych warunkach elektrolity stałe nie są w stanie dostarczyć tlenu do procesów formowania. Tego stwierdzenia nie należy mylić z procesem samonaprawy podczas krystalizacji w terenie, jak opisano w sekcji Niezawodność (wskaźnik awaryjności) .

Specyfikację prądu upływu w arkuszach danych często podaje się przez pomnożenie wartości znamionowej pojemności C _R przez wartość napięcia znamionowego U _R wraz z wartością dodaną , mierzoną po czasie pomiaru 2 lub 5 minut, na przykład:

${\ Displaystyle ja _ {\ mathrm {przeciek}} = 0 {.} 01 \, \ mathrm {{A} \ ponad {V \ cdot F}} \ cdot U _ {\ mathrm {R}} \ cdot C _ {\ mathrm {R}} +3 \, \ mathrm {\ mu A}}$

Wartość prądu upływu zależy od przyłożonego napięcia, temperatury kondensatora, czasu pomiaru oraz od wpływu wilgoci spowodowanej warunkami uszczelnienia obudowy. Zwykle mają bardzo niski prąd upływu, w większości znacznie niższy niż określony najgorszy przypadek.

Absorpcja dielektryka (nasiąkanie)

Absorpcja dielektryka występuje, gdy kondensator, który pozostawał naładowany przez długi czas, po krótkotrwałym rozładowaniu zachowuje pewien ładunek. Chociaż idealny kondensator osiągnąłby zero woltów po rozładowaniu, rzeczywiste kondensatory wytwarzają niewielkie napięcie w wyniku opóźnionego w czasie rozładowania dipola, zjawisko zwane także relaksacją dielektryczną , „nasiąkaniem” lub „działaniem baterii”.

Absorpcja dielektryczna może powodować problem w obwodach, w których stosowane są bardzo małe prądy, takich jak integratory o długiej stałej stałej czasowej lub obwody typu próbkuj i utrzymuj . Jednak w większości zastosowań, w których tantalowe kondensatory elektrolityczne wspierają linie zasilające, absorpcja dielektryka nie stanowi problemu.

Niezawodność i żywotność

Niezawodność (wskaźnik awaryjności)

Krzywa wanny z czasami „wczesnych awarii”, „przypadkowych awarii” i uszkodzeń związanych ze zużyciem. Czas przypadkowych awarii to czas stałej awaryjności

Niezawodność składnika jest właściwością, która wskazuje, jak dobrze składnik spełnia swoją funkcję w danym przedziale czasu. Podlega procesowi stochastycznemu i można go opisać jakościowo i ilościowo; nie jest to bezpośrednio mierzalne. Niezawodność kondensatorów elektrolitycznych jest określana empirycznie poprzez identyfikację wskaźnika awaryjności w towarzyszących produkcji testów wytrzymałościowych , patrz Inżynieria niezawodności # Testowanie niezawodności .

Niezawodność jest zwykle pokazana na krzywej wanny i jest podzielona na trzy obszary: wczesne awarie lub niepowodzenia związane ze śmiertelnością niemowląt, ciągłe przypadkowe awarie i awarie związane ze zużyciem. Typy awarii uwzględniane w całkowitej awaryjności to zwarcia, przerwy w obwodzie i awarie degradacyjne (przekraczające parametry elektryczne).

Przewidywanie niezawodności jest zwykle wyrażane jako wskaźnik awaryjności λ, skrót FIT (awarie w czasie). Jest to liczba awarii, których można oczekiwać w ciągu miliarda (10 ⁹ ) godzin pracy podzespołów (np. 1000 komponentów na 1 milion godzin lub 1 milion komponentów na 1000 godzin, czyli 1 ppm / 1000 godzin) w ustalonych warunkach pracy w okresie ciągłych losowych awarii. Ten model wskaźnika awaryjności zakłada w sposób dorozumiany ideę „przypadkowej awarii”. Poszczególne komponenty ulegają awarii w przypadkowych momentach, ale w pożądaną prędkością. w standardowych warunkach pracy pasowania wskaźnik awaryjności o 40 ° C i 0,5 U _R .

Odwrotna wartość FIT to MTBF (średni czas między awariami).

W przypadku kondensatorów tantalowych często wskaźnik awaryjności jest podawany jako warunki odniesienia przy 85 ° C i napięciu znamionowym U _R i wyrażany jako procent uszkodzonych komponentów na tysiąc godzin (n% / 1000 h). To znaczy „n” liczba uszkodzonych komponentów na 10 ⁵ godzin lub w FIT dziesięciotysięczna wartość na 10 ⁹ godzin.

Dla warunków innych niż standardowe warunki pracy 40 ° C i 0,5 U _R , dla innych zastosowanych temperatur i napięć, dla obciążenia prądowego, wartości pojemności, rezystancji obwodu, wpływów mechanicznych i wilgotności, wartość FIT można ponownie obliczyć przy użyciu współczynników przyspieszenia znormalizowanych dla zastosowań przemysłowych lub konteksty wojskowe. Na przykład wyższa temperatura i przyłożone napięcie powodują wzrost wskaźnika awaryjności.

Najczęściej cytowanym źródłem do przeliczenia wskaźnika awaryjności jest MIL-HDBK-217F, „biblia” obliczania awaryjności elementów elektronicznych. SQC Online, internetowe kalkulatory statystyczne do pobierania próbek akceptacyjnych i kontroli jakości, są narzędziem online do krótkiego badania w celu obliczenia danych wartości wskaźnika awaryjności w warunkach zastosowania.

Niektórzy producenci kondensatorów tantalowych mogą mieć własne tabele obliczeniowe FIT.

Kondensatory tantalowe to niezawodne komponenty. Ciągłe doskonalenie technologii proszku tantalu i kondensatorów doprowadziło do znacznego zmniejszenia ilości obecnych zanieczyszczeń, które wcześniej były przyczyną większości awarii krystalizacji polowej. Dostępne w handlu kondensatory tantalowe osiągnęły teraz jako produkty standardowe wysoki poziom „C” w standardzie MIL, który wynosi 0,01% / 1000h przy 85 ° C i U _R lub 1 awaria na 10 ⁷ godzin w 85 ° C i _UR . Obliczony ponownie w FIT ze współczynnikami przyspieszenia pochodzącymi z MIL HDKB 217F przy 40 ° C i 0,5 U _R jest tym wskaźnikiem awaryjności dla kondensatora chipowego 100 μF / 25 V tantalowego używanego z rezystancją szeregową 0,1 Ω, wskaźnik awaryjności wynosi 0,02 FIT.

Dożywotni

Czas życia , żywotność , życie obciążenie lub okres użytkowania tantalowe kondensatory elektrolityczne zależy wyłącznie od zastosowanego elektrolitu:

• Te, które używają płynnych elektrolitów , nie mają specyfikacji czasu życia. (Po hermetycznym zamknięciu)
• Te, które używają elektrolitów z dwutlenkiem manganu , nie mają specyfikacji czasu życia.
• Te, które używają elektrolitów polimerowych , mają specyfikację czasu życia.

Elektrolit polimerowy wykazuje niewielkie pogorszenie przewodności w wyniku mechanizmu termicznej degradacji przewodzącego polimeru. Przewodnictwo elektryczne spadało w funkcji czasu, zgodnie z ziarnistą strukturą metalu, w której starzenie jest spowodowane kurczeniem się ziaren przewodzącego polimeru. Żywotność polimerowych kondensatorów elektrolitycznych jest określana w podobny sposób, jak w przypadku niestałych kapturków elektrolitycznych, ale jej obliczanie odbywa się według innych zasad, które prowadzą do znacznie dłuższego czasu eksploatacji.

Tryby awarii i mechanizm samoleczenia

Kondensatory tantalowe wykazują różne długoterminowe zachowania elektryczne w zależności od użytego elektrolitu. Określono reguły aplikacji dla typów z nieodłącznym trybem awarii, aby zapewnić wysoką niezawodność i długą żywotność.

Kondensatory tantalowe są niezawodne na tym samym bardzo wysokim poziomie, co inne komponenty elektroniczne z bardzo niską awaryjnością. Jednak mają jeden unikalny tryb awarii zwany „krystalizacją polową”. Krystalizacja polowa jest głównym powodem degradacji i katastrofalnych awarii kondensatorów tantalowych. Ponad 90% dzisiejszych rzadkich awarii tantalowych półprzewodnikowych kondensatorów elektrolitycznych jest spowodowanych zwarciami lub zwiększonym prądem upływu spowodowanym tym trybem awarii.

Niezwykle cienka warstwa tlenku tantalowego kondensatora elektrolitycznego, warstwa dielektryczna, musi mieć strukturę amorficzną. Podano, że zmiana struktury amorficznej w strukturę skrystalizowaną zwiększa przewodnictwo o 1000 razy, w połączeniu ze zwiększeniem objętości tlenku. Krystalizacja pola, po której następuje przebicie dielektryczne, charakteryzuje się nagłym wzrostem prądu upływu w ciągu kilku milisekund, od wielkości nanoamperów do amplitudy w obwodach o niskiej impedancji. Zwiększający się przepływ prądu może przyspieszyć w „efekcie lawiny” i szybko rozprzestrzenić się przez metal / tlenek. Może to skutkować różnymi stopniami zniszczenia, od raczej małych, wypalonych obszarów na tlenku do zygzakowatych wypalonych smug pokrywających duże obszary granulatu lub całkowite utlenienie metalu. Jeśli źródło prądu jest nieograniczone, krystalizacja pola może spowodować zwarcie kondensatora . W takiej sytuacji awaria może być katastrofalna, jeśli nie ma nic, co mogłoby ograniczyć dostępny prąd, ponieważ rezystancja szeregowa kondensatora może być bardzo niska.

Jeśli prąd jest ograniczony w tantalowych kondensatorach elektrolitycznych ze stałym elektrolitem MnO ₂ , może nastąpić proces samonaprawy, redukując MnO ₂ do izolującego Mn ₂ O ₃

Zanieczyszczenia, drobne uszkodzenia mechaniczne lub niedoskonałości w dielektryku mogą wpływać na strukturę, zmieniając ją z amorficznej na krystaliczną, a tym samym obniżając wytrzymałość dielektryczną. Czystość proszku tantalu jest jednym z najważniejszych parametrów określających ryzyko krystalizacji. Od połowy lat 80. wyprodukowane proszki tantalu wykazywały wzrost czystości.

Prądy udarowe po naprężeniach wywołanych lutowaniem mogą rozpocząć krystalizację, prowadząc do uszkodzenia izolacji. Jedynym sposobem uniknięcia katastrofalnych awarii jest ograniczenie prądu, który może płynąć ze źródła, w celu ograniczenia awarii do ograniczonego obszaru. Prąd przepływający przez wykrystalizowany obszar powoduje nagrzewanie się katody dwutlenku manganu w pobliżu uskoku. W podwyższonych temperaturach reakcja chemiczna redukuje następnie otaczający przewodzący dwutlenek manganu do izolującego tlenku manganu (III) (Mn ₂ O ₃ ) i izoluje skrystalizowany tlenek w warstwie tlenku tantalu, zatrzymując lokalny przepływ prądu.

Unikanie awarii

Stałe kondensatory tantalowe z krystalizacją najprawdopodobniej ulegną awarii po włączeniu. Uważa się, że napięcie na warstwie dielektrycznej jest mechanizmem wyzwalającym przebicie i że prąd włączający popycha zapadnięcie się do katastrofalnej awarii. Aby zapobiec takim nagłym awariom, producenci zalecają:

• 50% obniżenie napięcia aplikacji w stosunku do napięcia znamionowego
• przy użyciu rezystancji szeregowej 3 Ω / V lub
• stosowanie obwodów z trybami wolnego rozruchu (obwody miękkiego startu).

Dodatkowe informacje

Symbole kondensatorów

Symbole kondensatorów elektrolitycznych

Kondensator elektrolityczny spolaryzowany	Kondensator elektrolityczny spolaryzowany	Kondensator elektrolityczny spolaryzowany	Bipolarny kondensator elektrolityczny

Połączenie równoległe

Kondensatory elektrolityczne o niskim lub niskim napięciu można bezpiecznie łączyć równolegle. Kondensatory dużych rozmiarów, szczególnie duże i wysokonapięciowe należy indywidualnie zabezpieczyć przed nagłym rozładowaniem całego banku na skutek awarii kondensatora.

Połączenie szeregowe

Niektóre aplikacje, takie jak przetwornice AC / AC z łączem DC do regulacji częstotliwości w sieciach trójfazowych, wymagają wyższych napięć niż zwykle oferują aluminiowe kondensatory elektrolityczne. W takich zastosowaniach kondensatory elektrolityczne można łączyć szeregowo w celu zwiększenia odporności na napięcie. Podczas ładowania napięcie na każdym z połączonych szeregowo kondensatorów jest proporcjonalne do odwrotności prądu upływu pojedynczego kondensatora. Ponieważ każdy kondensator różni się nieco indywidualnym prądem upływu, kondensatory o wyższym prądzie upływu otrzymają mniejsze napięcie. Równowaga napięć na kondensatorach połączonych szeregowo nie jest symetryczna. Aby ustabilizować napięcie na każdym pojedynczym kondensatorze, należy zapewnić pasywną lub aktywną równowagę napięcia.

Oznaczenie biegunowości

Oznaczanie biegunowości kondensatorów elektrolitycznych tantalowych

Wszystkie kondensatory tantalowe są elementami spolaryzowanymi, z wyraźnie zaznaczonymi dodatnimi lub ujemnymi zaciskami. Poddany odwróconej polaryzacji (nawet krótkotrwale) kondensator ulega depolaryzacji, a warstwa tlenku dielektrycznego ulega zniszczeniu, co może spowodować jego awarię nawet przy późniejszej pracy z prawidłową biegunowością. Jeśli awaria jest zwarciem (najczęstsze zjawisko), a prąd nie jest ograniczony do bezpiecznej wartości, może wystąpić katastrofalny wzrost temperatury. Ta awaria może nawet spowodować, że kondensator wyrzuci mocno swój płonący rdzeń.

Kondensatory elektrolityczne tantalowe z elektrolitem stałym są oznaczone na biegunie dodatnim kreską lub „+”. Kondensatory elektrolityczne tantalowe z elektrolitem w stanie stałym (z wyprowadzeniem osiowym) są oznaczone na biegunie ujemnym kreską lub „-” (minus). Polaryzację lepiej można zidentyfikować po ukształtowanej stronie obudowy, która ma dodatni zacisk. Różne style znakowania mogą powodować niebezpieczne zamieszanie.

Szczególną przyczyną nieporozumień jest fakt, że na kondensatorach tantalowych do montażu powierzchniowego zacisk dodatni jest oznaczony kreską. Podczas gdy w przypadku aluminiowych kondensatorów powierzchniowych jest to zacisk ujemny, który jest tak oznaczony.

Nadrukowane oznaczenia

Kondensatory tantalowe, podobnie jak większość innych elementów elektronicznych i jeśli jest wystarczająco dużo miejsca, mają nadrukowane oznaczenia wskazujące producenta, typ, właściwości elektryczne i termiczne oraz datę produkcji. Ale większość kondensatorów tantalowych to typy chipów, więc mniejsza przestrzeń ogranicza nadrukowane znaki do pojemności, tolerancji, napięcia i polaryzacji.

Mniejsze kondensatory używają notacji skróconej. Najczęściej używanym formatem jest: XYZ J / K / M „V”, gdzie XYZ oznacza pojemność (obliczoną jako XY × 10 ^Z pF), litery K lub M oznaczają tolerancję (odpowiednio ± 10% i ± 20%) a „V” oznacza napięcie robocze.

Przykłady:

• 105K 330V implikuje pojemność 10 × 10 ⁵ pF = 1 μF (K = ± 10%) przy napięciu roboczym 330 V.
• 476 M 100 V implikuje pojemność 47 × 10 ⁶ pF = 47 μF (M = ± 20%) przy napięciu roboczym 100 V.

Pojemność, tolerancję i datę produkcji można wskazać krótkim kodem określonym w IEC / EN 60062. Przykłady krótkich oznaczeń pojemności znamionowej (mikrofarady): μ47 = 0,47 μF, 4 μ7 = 4,7 μF, 47 μ = 47 μF

Data produkcji jest często drukowana zgodnie z międzynarodowymi standardami.

• Wersja 1: kodowanie za pomocą kodu numerycznego roku / tygodnia, „1208” to „2012, tydzień numer 8”.
• Wersja 2: kodowanie z kodem roku / kodem miesiąca. Kody roku to: „R” = 2003, „S” = 2004, „T” = 2005, „U” = 2006, „V” = 2007, „W” = 2008, „X” = 2009, „A” = 2010, „B” = 2011, „C” = 2012, „D” = 2013, „E” = 2014 itd. Kody miesięcy to: „1” do „9” = styczeń do września, „O” = Październik, „N” = listopad, „D” = grudzień. „X5” to wtedy „2009, maj”

W przypadku bardzo małych kondensatorów oznaczenie nie jest możliwe. Tutaj tylko identyfikowalność producentów może zapewnić identyfikację typu.

Normalizacja

Normalizacja wszystkich komponentów elektrycznych , elektronicznych i powiązanych technologii jest zgodna z zasadami określonymi przez Międzynarodową Komisję Elektrotechniczną (IEC), międzynarodową organizację pozarządową o charakterze non-profit .

Definicję charakterystyk i procedurę metod testowania kondensatorów używanych w sprzęcie elektronicznym określono w specyfikacji ogólnej :

• IEC / EN 60384-1: Stałe kondensatory do użytku w sprzęcie elektronicznym

Testy i wymagania, które muszą spełniać aluminiowe i tantalowe kondensatory elektrolityczne do stosowania w sprzęcie elektronicznym w celu zatwierdzenia jako typowe typy, są określone w następujących specyfikacjach sekcyjnych :

• IEC / EN 60384-3– Stałe kondensatory elektrolityczne tantalowe do montażu powierzchniowego ze stałym elektrolitem z dwutlenku manganu
• IEC / EN 60384-15– stałe kondensatory tantalowe z elektrolitem stałym i nie stałym
• IEC / EN 60384-24– Stałe kondensatory elektrolityczne tantalowe do montażu powierzchniowego z przewodzącym stałym elektrolitem polimerowym

Ruda tantalu

Głównym zastosowaniem elementu tantalowego są kondensatory tantalowe. Ruda tantalu jest jednym z minerałów konfliktu . Niektóre organizacje pozarządowe współpracują w celu podniesienia świadomości związku między elektronicznymi urządzeniami konsumenckimi a minerałami z rejonów konfliktu.

Rynek

Rynek kondensatorów elektrolitycznych tantalowych w 2008 r. Wynosił około 2,2 miliarda USD, co stanowiło około 12% całkowitego rynku kondensatorów.

Używa

Niski upływ i duża pojemność kondensatorów tantalowych sprzyjają ich stosowaniu w obwodach próbkowania i utrzymywania w celu uzyskania długiego czasu podtrzymania, a także w niektórych obwodach czasowych o długim czasie trwania, w których precyzyjne taktowanie nie jest krytyczne. Są również często używane do odsprzęgania szyn zasilających równolegle z kondensatorami warstwowymi lub ceramicznymi, które zapewniają niski ESR i niską reaktancję przy wysokiej częstotliwości. Kondensatory tantalowe mogą zastąpić aluminiowe kondensatory elektrolityczne w sytuacjach, gdy środowisko zewnętrzne lub gęste upakowanie komponentów powoduje długotrwałe gorące środowisko wewnętrzne i gdzie ważna jest wysoka niezawodność. Sprzęt taki jak elektronika medyczna i sprzęt kosmiczny, który wymaga wysokiej jakości i niezawodności, wykorzystuje kondensatory tantalowe.

Szczególnie powszechnym zastosowaniem niskonapięciowych kondensatorów tantalowych jest filtrowanie zasilania na płytach głównych komputerów oraz w urządzeniach peryferyjnych ze względu na ich niewielkie rozmiary i długotrwałą niezawodność.

Zobacz też

• Aluminiowy kondensator elektrolityczny
• Wydobycie koltanu i etyka
• Kondensator elektrolityczny
• Lista producentów kondensatorów
• Kondensator niobowy
• Kondensator polimerowy
• Solidny kondensator aluminiowy (SAL)
• Technologia montarzu powierzchniowego
• Rodzaje kondensatorów

Bibliografia

Linki zewnętrzne

• Media związane z kondensatorami tantalowymi w Wikimedia Commons