Танталовый конденсатор

Танталовые конденсаторы разных стилей: осевые, радиальные и версии для SMD-микросхем (сравнение размеров с матчами)

Танталовые конденсаторы 10 мкФ, 30 В постоянного тока, с твердым электролитом, с эпоксидным покрытием.

Танталовый электролитический конденсатор является электролитическим конденсатором , пассивным компонентом электронных схем . Он состоит из таблетки пористого металлического тантала в качестве анода , покрытой изолирующим оксидным слоем, образующим диэлектрик, окруженного жидким или твердым электролитом в качестве катода . Благодаря очень тонкому диэлектрическому слою и относительно высокой диэлектрической проницаемости танталовый конденсатор отличается от других обычных и электролитических конденсаторов высокой емкостью на единицу объема (высокая объемная эффективность) и меньшим весом.

Тантал - конфликтный минерал . Танталовые электролитические конденсаторы значительно дороже сопоставимых алюминиевых электролитических конденсаторов .

Танталовые конденсаторы по своей природе поляризованы. Обратное напряжение может разрушить конденсатор. Неполярные или биполярные танталовые конденсаторы изготавливаются путем эффективного соединения двух поляризованных конденсаторов последовательно с анодами, ориентированными в противоположных направлениях.

Основная информация [ править ]

Основной принцип [ править ]

В электролитических конденсаторах используются химические свойства некоторых специальных металлов, исторически называемых вентильными металлами , которые могут образовывать изолирующий оксидный слой. Приложение положительного напряжения к материалу анода из тантала в электролитической ванне формирует оксидный барьерный слой с толщиной, пропорциональной приложенному напряжению. Этот оксидный слой служит диэлектриком в электролитическом конденсаторе. Свойства этого оксидного слоя по сравнению со слоем оксида тантала приведены в следующей таблице:

После образования диэлектрического оксида на шероховатых анодных структурах необходим катод. Электролит действует как катод электролитических конденсаторов. Используется много разных электролитов. Обычно электролиты делятся на два вида: нетвердые и твердые электролиты. Номера твердые электролиты представляют собой жидкую среду , чья проводимость является ионная . Твердые электролиты имеют электронную проводимость , и , таким образом , твердые электролитические конденсаторы более чувствительны в отношении напряжений шипов или токов скачков напряжения ^{[ править ]} . Оксидный слой может быть разрушен при изменении полярности приложенного напряжения.

Каждый электролитический конденсатор в принципе образует пластинчатый конденсатор , емкость которого тем больше, чем больше площадь электрода A, диэлектрическая проницаемость ε и чем тоньше толщина диэлектрика d.

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

Толщина диэлектрика электролитических конденсаторов очень мала, в диапазоне нанометров на вольт. Несмотря на это, диэлектрическая прочность этих оксидных слоев довольно высока. Таким образом, танталовые конденсаторы могут иметь большую объемную емкость по сравнению с конденсаторами других типов.

Все протравленные или спеченные аноды имеют гораздо большую общую площадь поверхности по сравнению с гладкой поверхностью тех же габаритных размеров. Это увеличение площади поверхности увеличивает значение емкости до 200 раз (в зависимости от номинального напряжения) для твердотельных танталовых электролитических конденсаторов. ^[2]

Объем электролитического конденсатора определяется произведением емкости и напряжения, так называемым CV-объемом . Однако при сравнении диэлектрических проницаемостей различных оксидных материалов видно, что пятиокись тантала имеет диэлектрическую проницаемость примерно в 3 раза выше, чем оксид алюминия. Следовательно, танталовые электролитические конденсаторы с заданным значением CV могут быть меньше алюминиевых электролитических конденсаторов.

Основная конструкция твердотельных танталовых электролитических конденсаторов [ править ]

• Конструкция твердотельного танталового чип-конденсатора с электролитом из диоксида марганца.
• Конденсаторная ячейка танталового электролитического конденсатора состоит из спеченного танталового порошка.

• Схематическое изображение структуры спеченного танталового электролитического конденсатора с твердым электролитом и контактирующими с катодом слоями

• Конструкция типичного танталового электролитического чип-конденсатора SMD с твердым электролитом

Типичный танталовый конденсатор представляет собой микросхему конденсатора и состоит из порошка тантала, спрессованного и спеченного в таблетку в качестве анода конденсатора, с оксидным слоем пятиокиси тантала в качестве диэлектрика и твердым электролитом из диоксида марганца в качестве катода .

Материалы, продукция и стили [ править ]

Анод [ править ]

Танталовые конденсаторы изготавливаются из порошка относительно чистого элементарного металлического тантала . ^{[3] [4] [5]} Обычный показатель качества для сравнения объемной эффективности порошков выражается в емкости (C, обычно в мкФ), умноженной на вольты (В) на грамм (г). С середины 1980-х годов производимые танталовые порошки продемонстрировали примерно десятикратное улучшение значений CV / г (примерно с 20k до 200k). ^[2] Типичный размер частиц составляет от 2 до 10 мкм. На рис. 1 показаны порошки с последовательно более мелким зерном, что приводит к увеличению площади поверхности на единицу объема. Обратите внимание на очень большую разницу в размере частиц между порошками.

Порошок сжимается вокруг танталовой проволоки (известной как вертикальная проволока), образуя «таблетку». ^[6] Переходный провод в конечном итоге становится анодным соединением с конденсатором. Эта комбинация гранул / проволоки впоследствии подвергается вакуумному спеканию при высокой температуре (обычно от 1200 до 1800 ° C), что дает механически прочную гранулу и удаляет многие примеси из порошка. В процессе спекания порошок приобретает губчатую структуру, в которой все частицы соединяются в монолитную пространственную решетку. Эта структура обладает предсказуемой механической прочностью и плотностью, но также является очень пористой и имеет большую внутреннюю поверхность (см. Рисунок 2).

Чем больше площадь поверхности, тем выше емкость; таким образом, порошки с высоким CV / г, которые имеют более низкий средний размер частиц, используются для деталей с низким напряжением и высокой емкостью. Выбрав правильный тип порошка и температуру спекания, можно получить определенную емкость или номинальное напряжение. Например, конденсатор 220 мкФ 6 В будет иметь площадь поверхности, близкую к 346 см ² , или 80% от размера листа бумаги (бумага US Letter размером 8,5 × 11 дюймов имеет площадь ~ 413 см ² ), хотя общий объем гранулы составляет всего около 0,0016 см ³ .

Диэлектрик [ править ]

Диэлектрика затем формируются по всем поверхностям частиц тантала по электрохимическому процессу анодирования . Для этого «гранулу» погружают в очень слабый раствор кислоты и прикладывают постоянное напряжение. Общая толщина диэлектрика определяется конечным напряжением, приложенным во время процесса формования. Первоначально источник питания поддерживается в режиме постоянного тока до тех пор, пока не будет достигнуто правильное напряжение (т.е. толщина диэлектрика); затем он удерживает это напряжение, и ток спадает до близкого к нулю, чтобы обеспечить равномерную толщину по всему устройству и производственной партии. Химические уравнения, описывающие процесс образования диэлектрика на аноде , следующие: ^[5]

2 Ta → 2 Ta ⁵⁺ + 10 e ^-

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

Оксид образуется на поверхности тантала, но он также врастает в материал. На каждую единицу толщины роста оксида одна треть вырастает, а две трети растет. Из-за ограничений роста оксида существует ограничение на максимальное номинальное напряжение оксида тантала для каждого из имеющихся в настоящее время порошков тантала (см. Рисунок 3 ).

Толщина диэлектрического слоя, создаваемого формирующим напряжением, прямо пропорциональна доказательству напряжения электролитических конденсаторов. ^[7] Электролитические конденсаторы производятся с запасом прочности по толщине оксидного слоя, которая представляет собой соотношение между напряжением, используемым для электролитического создания диэлектрика, и номинальным напряжением конденсатора для обеспечения надежной работы.

Запас прочности для твердотельных танталовых конденсаторов с электролитом из диоксида марганца обычно составляет от 2 до 4. Это означает, что для танталового конденсатора на 25 В с запасом прочности 4 диэлектрическое напряжение может выдерживать 100 В для обеспечения более прочного диэлектрика. ^[8] Этот очень высокий запас прочности подтверждается механизмом отказа твердотельных танталовых конденсаторов, «полевой кристаллизацией». ^{[9] [10] [11] [12] [13]} Для танталовых конденсаторов с твердым полимерным электролитом запас прочности намного ниже, обычно около 2. ^{[12] [14]}

Катод [ править ]

Следующим этапом для твердотельных танталовых конденсаторов является нанесение катодной пластины (влажные танталовые конденсаторы используют жидкий электролит в качестве катода вместе с их корпусом). Это достигается за счет пиролиза нитрата марганца в двуокись марганца . «Гранулы» погружают в водный раствор нитрата, а затем запекают в печи при температуре приблизительно 250 ° C, чтобы получить покрытие из диоксида. Химическое уравнение: ^[5]

Mn (NO ₃ ) ₂ → MnO ₂ + 2 NO ₂

Этот процесс повторяется несколько раз, меняя удельный вес раствора нитрата, чтобы создать толстый слой на всех внутренних и внешних поверхностях «гранулы», как показано на рисунке 4.

В традиционной конструкции «таблетку» последовательно окунают в графит, а затем в серебро, чтобы обеспечить хорошее соединение катодной пластины из диоксида марганца с внешним катодным выводом (см. Рисунок 5).

Производственный поток [ править ]

На рисунке ниже показан процесс производства танталовых электролитических чип-конденсаторов со спеченным анодом и твердым электролитом из диоксида марганца.

Стили танталовых конденсаторов [ править ]

Танталовые электролитические конденсаторы производятся в трех разных стилях: ^[5]

• Танталовые чип-конденсаторы: SMD-тип для поверхностного монтажа, 80% всех танталовых конденсаторов - это SMD-конденсаторы.
• Танталовые «жемчужины», пропитанные смолой, несимметричные, для монтажа на печатной плате
• Танталовые конденсаторы с осевыми выводами, с твердым и нетвердым электролитом, в основном используются в военных, медицинских и космических целях.

• Различные стили танталовых конденсаторов
• Танталовые чип-конденсаторы

• Танталовые «жемчужины» для монтажа на печатную плату.

• Осевые танталовые конденсаторы

Чип-конденсаторы (размер корпуса) [ править ]

Более 90% всех танталовых электролитических конденсаторов производятся в стиле SMD в виде танталовых конденсаторов для кристаллов. Он имеет контактные поверхности на торцах корпуса и изготавливается разных размеров, как правило, в соответствии со стандартом EIA -535-BAAC. Различные размеры также можно определить по регистровым буквам. Для корпусов некоторых размеров (от A до E), которые производятся в течение многих десятилетий, размеры и кодирование корпусов у всех производителей по-прежнему в основном одинаковы. Однако новые разработки в области танталовых электролитических конденсаторов, такие как многоанодная технология для снижения ESRили метод «лицевой стороной вниз» для уменьшения индуктивности привел к гораздо более широкому диапазону размеров микросхем и кодов их корпусов. Эти отклонения от стандартов EIA означают, что устройства разных производителей больше не всегда одинаковы.

Обзор размеров обычных танталовых прямоугольных чип-конденсаторов и их кодирование показано в следующей таблице: ^[15]

• Примечание. Метрическая система EIA 3528 также известна как британская система мер EIA 1411 (дюймы).

Влажные танталовые конденсаторы [ править ]

Основной особенностью современных нетвердых (влажных) танталовых электролитических конденсаторов является их удельная энергия по сравнению с твердыми танталовыми и влажными алюминиевыми электролитическими конденсаторами в том же диапазоне температур. Благодаря своим свойствам самовосстановления (нетвердый электролит может доставлять кислород для образования нового оксидного слоя в слабых областях диэлектрика), толщина диэлектрика может быть сформирована с гораздо меньшим запасом прочности и, следовательно, с гораздо более тонким диэлектриком, чем для твердых типов. , что приводит к более высокому значению CV на единицу объема. Кроме того, влажные танталовые конденсаторы могут работать при напряжениях от 100 В до 630 В, имеют относительно низкое ESR и самый низкий ток утечки среди всех электролитических конденсаторов.

Первоначальные мокрые танталовые конденсаторы, разработанные в 1930-х годах, были осевыми конденсаторами, имеющими намотанную ячейку, состоящую из танталового анода и катода из фольги, разделенных бумажной полосой, пропитанной электролитом, установленной в серебряном корпусе и герметизированной негерметичным эластомером. ^[16] Из-за инертности и стабильности слоя диэлектрического оксида тантала по отношению к сильным кислотам влажные танталовые конденсаторы могут использовать серную кислоту в качестве электролита, что обеспечивает им относительно низкое ESR.

Поскольку в прошлом серебряные кожухи имели проблемы с миграцией серебра и усами, что приводило к увеличению токов утечки и коротких замыканий, в новых стилях мокрых танталовых конденсаторов используются спеченные танталовые гранулы и гелеобразный сернокислый электролит, установленный в корпусе из чистого тантала.

Из-за их относительно высокой цены влажные танталовые электролитические конденсаторы находят мало потребительских применений. Они используются в тяжелых промышленных приложениях, например, в зондах для разведки нефти. Типы с военными допусками могут обеспечивать расширенные номинальные значения емкости и напряжения, а также высокий уровень качества, необходимый для авионики, военных и космических приложений.

История [ править ]

Группа «вентильных металлов», способных образовывать изолирующую оксидную пленку, была открыта в 1875 году. В 1896 году Кароль Поллак запатентовал конденсатор, в котором использовались алюминиевые электроды и жидкий электролит. Алюминиевые электролитические конденсаторы коммерчески производились в 1930-х годах.

Первые танталовые электролитические конденсаторы с намотанной танталовой фольгой и нетвердым электролитом были разработаны в 1930 году компанией Tansitor Electronic Inc. (США) и использовались в военных целях. ^[16]

Танталовые конденсаторы с твердым электролитом были изобретены Bell Laboratories в начале 1950-х годов как миниатюрные и более надежные низковольтные вспомогательные конденсаторы, дополняющие их недавно изобретенный транзистор . Решение, которое Р.Л. Тейлор и Х.Э. Харинг из Bell Labs нашли для нового миниатюрного конденсатора, найденного в начале 1950 года, было основано на опыте работы с керамикой. Они измельчали ​​металлический тантал до порошка, прессовали этот порошок в цилиндрическую форму, а затем спекали частицы порошка при высокой температуре от 1500 до 2000 ° C (от 2730 до 3630 ° F) в условиях вакуума в таблетку («слиток»). ^{[17] [18]}

В этих первых спеченных танталовых конденсаторах использовался жидкий электролит. В 1952 году исследователи Bell Labs обнаружили использование диоксида марганца в качестве твердого электролита для спеченного танталового конденсатора. ^[19]

Хотя фундаментальные изобретения были сделаны Bell Labs, инновации для производства коммерчески жизнеспособных танталовых электролитических конденсаторов были сделаны исследователями Sprague Electric Company . Престон Робинсон , директор по исследованиям Спрэга, считается настоящим изобретателем танталовых конденсаторов в 1954 году. ^{[20] [21]} Его изобретение было поддержано Р. Дж. Миллардом, который в 1955 году представил этап «реформы» ^{[22] [23 ]. ]} значительное улучшение, в котором диэлектрик конденсатора ремонтировался после каждого цикла осаждения MnO _{2 типа «} падение и преобразование» . Это резко снизило ток утечки готовых конденсаторов.

Этот первый диоксид марганца с твердым электролитом имел в 10 раз лучшую проводимость, чем все другие типы конденсаторов с нетвердым электролитом. В стиле танталового жемчуга они вскоре нашли широкое применение в радио и новых телевизионных устройствах.

В 1971 году Intel выпустила свой первый микрокомпьютер (MCS 4), а в 1972 году Hewlett Packard выпустила один из первых карманных калькуляторов ( HP 35 ). ^{[24] [25]} Требования к конденсаторам возросли, особенно спрос на более низкие потери. Эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) для обхода и расцепления конденсаторов стандартных электролитических конденсаторов , необходимых для быть уменьшено. ^[26]

Хотя твердые танталовые конденсаторы предлагали более низкие значения ESR и тока утечки, чем алюминиевые электролиты, в 1980 году резкий скачок цен на тантал в промышленности резко снизил удобство использования танталовых конденсаторов, особенно в индустрии развлечений. ^{[27] [28]} В поисках более дешевых альтернатив промышленность вернулась к использованию алюминиевых электролитических конденсаторов.

Развитие проводящих полимеров от Алан Дж Хигером , Алан Макдиармид и Хидэки Сиракава в 1975 году был прорыв в точке нижнего СОЭ. ^[29] Электропроводность проводящих полимеров, таких как полипиррол (PPy) ^[30] или PEDOT ^[31] , в 1000 раз лучше, чем у диоксида марганца, и близка к проводимости металлов. В 1993 году NEC представила свои полимерные танталовые электролитические конденсаторы SMD под названием NeoCap. В 1997 году Sanyo выпустила полимерную танталовую крошку POSCAP.

Новый токопроводящий полимер для танталовых полимерных конденсаторов был представлен компанией Kemet на конференции "1999 Carts". ^{[32] В} этом конденсаторе использован недавно разработанный органический проводящий полимер PEDT Poly (3,4-этилендиокситиофен), также известный как PEDOT (торговое название Baytron). ^[33]

Эта разработка конденсаторов с низким ESR и большим объемом CV в стиле микросхем для быстрорастущей технологии SMD в 1990-х годах резко увеличила спрос на танталовые чипы. Однако еще один взрыв цен на тантал в 2000/2001 году вынудил разработать ниобиевые электролитические конденсаторы с электролитом из диоксида марганца, которые были доступны с 2002 года. ^{[34] [35]} Материалы и процессы, используемые для производства ниобиевых диэлектрических конденсаторов, по существу являются теми же. то же, что и для существующих тантал-диэлектрических конденсаторов. Характеристики ниобиевых электролитических конденсаторов и танталовых электролитических конденсаторов примерно сопоставимы. ^[36]

Электрические характеристики [ править ]

Последовательно-эквивалентная схема [ править ]

Танталовые электролитические конденсаторы в качестве дискретных компонентов не являются идеальными конденсаторами, поскольку они имеют потери и паразитные индуктивные элементы. Все свойства могут быть определены и указаны с помощью последовательной эквивалентной схемы, состоящей из идеализированной емкости и дополнительных электрических компонентов, которые моделируют все потери и индуктивные параметры конденсатора. В этой последовательно-эквивалентной схеме электрические характеристики определяются:

• C , емкость конденсатора
• R _утечка , сопротивление, представляющее ток утечки конденсатора
• R _ESR , эквивалентное последовательное сопротивление, которое суммирует все омические потери конденсатора, обычно сокращенно «ESR».
• L _ESL , эквивалентная последовательная индуктивность, которая представляет собой эффективную самоиндуктивность конденсатора, обычно сокращенно «ESL».

Использование последовательной эквивалентной схемы вместо параллельной эквивалентной схемы указано в стандарте IEC / EN 60384-1.

Стандартные значения емкости и допуски [ править ]

Электрические характеристики танталовых электролитических конденсаторов зависят от структуры анода и используемого электролита. Это влияет на величину емкости танталовых конденсаторов, которая зависит от рабочей частоты и температуры. Базовая единица измерения емкости электролитических конденсаторов - микрофарад (мкФ).

Значение емкости, указанное в технических паспортах производителей, называется номинальной емкостью C _R или номинальной емкостью C _N и является значением, на которое рассчитан конденсатор. Стандартным условием измерения электролитических конденсаторов является метод измерения переменного тока с частотой от 100 до 120 Гц. Электролитические конденсаторы отличаются от конденсаторов других типов, емкость которых обычно измеряется на частоте 1 кГц или выше. Для танталовых конденсаторов во время измерения может применяться постоянное напряжение смещения от 1,1 до 1,5 В для типов с номинальным напряжением ≤2,5 В или от 2,1 до 2,5 В для типов с номинальным напряжением> 2,5 В, чтобы избежать обратного напряжения.

Процент допустимого отклонения измеренной емкости от номинального значения называется допуском емкости. Электролитические конденсаторы доступны в различных классификациях серии допусков, значения которых указаны в серии E, указанной в IEC 60063. Для сокращенной маркировки в ограниченном пространстве буквенный код для каждого допуска указан в IEC 60062.

• номинальная емкость, серия E3 , допуск ± 20%, буквенный код "M"
• номинальная емкость, серия E6 , допуск ± 20%, буквенный код "M"
• номинальная емкость, серия E12 , допуск ± 10%, буквенный код "K"

Требуемый допуск емкости определяется конкретным применением. Электролитические конденсаторы, которые часто используются для фильтрации и обхода конденсаторов, не нуждаются в узких допусках, потому что они в основном не используются для приложений с точной частотой, таких как генераторы .

Номинальное и категория напряжения [ править ]

В соответствии со стандартом IEC / EN 60384-1 допустимое рабочее напряжение для танталовых конденсаторов называется «номинальное напряжение U _R » или «номинальное напряжение U _N ». Номинальное напряжение U _R - это максимальное напряжение постоянного тока или пиковое импульсное напряжение, которое может непрерывно применяться при любой температуре в пределах номинального диапазона температур T _R (IEC / EN 60384-1).

Номинальное напряжение электролитических конденсаторов уменьшается с повышением температуры. Для некоторых приложений важно использовать более высокий температурный диапазон. Снижение напряжения, подаваемого при более высокой температуре, сохраняет запас прочности. Поэтому для некоторых типов конденсаторов в стандарте МЭК указано «пониженное напряжение при повышении температуры» для более высокой температуры, «категория напряжения U _C ». Напряжения категория максимальное напряжение постоянного тока или пик импульса напряжения , которые могут быть применены непрерывно конденсатора при любой температуре в пределах от температуры Т категории _С . Соотношение между напряжениями и температурами показано на рисунке справа.

Приложенное более низкое напряжение может иметь положительное влияние на танталовые электролитические конденсаторы. Снижение приложенного напряжения увеличивает надежность и снижает ожидаемую интенсивность отказов. ^[37]

Применение более высокого напряжения, чем указано, может повредить танталовые электролитические конденсаторы.

Перенапряжение [ править ]

Пиковое напряжение указывает максимальное пиковое значение напряжения, которое может быть приложено к электролитическим конденсаторам во время их применения в течение ограниченного числа циклов. Перенапряжение стандартизировано в IEC / EN 60384-1. Для танталовых электролитических конденсаторов импульсное напряжение должно быть в 1,3 раза больше номинального напряжения с округлением до ближайшего вольта. Пиковое напряжение, приложенное к танталовым конденсаторам, может влиять на интенсивность отказов конденсаторов. ^{[38] [39]}

Переходное напряжение [ править ]

Переходное напряжение или всплеск тока, приложенный к танталовым электролитическим конденсаторам с твердым электролитом из диоксида марганца, может вызвать выход из строя некоторых танталовых конденсаторов и может непосредственно привести к короткому замыканию. ^{[38] [40]}

Обратное напряжение [ править ]

Танталовые электролиты поляризованы и обычно требуют, чтобы напряжение анодного электрода было положительным по отношению к напряжению на катоде.

При приложении обратного напряжения ток обратной утечки течет в очень небольших областях микротрещин или других дефектов через диэлектрический слой к аноду электролитического конденсатора. Хотя ток может составлять всего несколько микроампер, он представляет собой очень высокую локализованную плотность тока, которая может вызвать крошечное горячее пятно. Это может вызвать некоторую конверсию аморфного пятиокиси тантала в более проводящую кристаллическую форму. Когда доступен большой ток, этот эффект может обрушиться, и конденсатор может полностью закоротить.

Тем не менее, танталовые электролитические конденсаторы могут выдерживать кратковременное обратное напряжение в течение ограниченного числа циклов. Наиболее распространенные рекомендации для обратного напряжения тантала:

• От 10% номинального напряжения до максимум 1 В при 25 ° C,
• От 3% номинального напряжения до максимум 0,5 В при 85 ° C,
• От 1% номинального напряжения до 0,1 В при 125 ° C.

Эти рекомендации применимы для кратковременного отклонения и никогда не должны использоваться для определения максимального обратного напряжения, при котором конденсатор может использоваться постоянно. ^{[41] [42]}

Импеданс [ править ]

Танталовые электролитические конденсаторы, как и другие обычные конденсаторы, выполняют две электрические функции. Для таймеров или аналогичных приложений конденсаторы рассматриваются как накопительный компонент для хранения электроэнергии. Но для приложений сглаживания, обхода или развязки, например, в источниках питания , конденсаторы работают дополнительно как резисторы переменного тока для фильтрации нежелательных компонентов переменного тока от шин напряжения. Для этой (смещенной) функции переменного тока частотно-зависимое сопротивление переменному току ( полное сопротивление «Z» ) так же важно, как и значение емкости.

Импеданс - это комплексное отношение напряжения к току, имеющее как величину, так и фазу на определенной частоте в цепи переменного тока. В этом смысле импеданс является мерой способности конденсатора ослаблять переменные токи и может использоваться как закон Ома.

${\ displaystyle Z = {\ frac {\ hat {u}} {\ hat {\ imath}}} = {\ frac {U _ {\ mathrm {eff}}} {I _ {\ mathrm {eff}}}}. }$

Импеданс является частотно-зависимым сопротивлением переменного тока и имеет как величину, так и фазу на определенной частоте. В технических данных электролитических конденсаторов только величина импеданса | Z | указывается и пишется просто как "Z" . Что касается стандарта IEC / EN 60384-1, значения импеданса танталовых электролитических конденсаторов измеряются и указываются при 10 кГц или 100 кГц в зависимости от емкости и напряжения конденсатора.

Помимо измерения, импеданс также может быть рассчитан с использованием идеализированных компонентов из эквивалентной цепи последовательного конденсатора, включая идеальный конденсатор C , резистор ESR и индуктивность ESL . В этом случае импеданс на угловой частоте ω, следовательно, определяется геометрическим (комплексным) сложением ESR , емкостным реактивным сопротивлением X _C

${\ displaystyle X_ {C} = - {\ frac {1} {\ omega C}}}$

и индуктивным реактивным сопротивлением X _L ( индуктивность )

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

Тогда Z задается формулой

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

В частном случае резонанса , когда оба реактивных сопротивления X _C и X _L имеют одинаковое значение ( X _C = X _L ), тогда полное сопротивление будет определяться только ESR . С частотами выше резонанса сопротивление снова увеличивается из-за ESL конденсатора. В этот момент конденсатор начинает действовать в первую очередь как индуктивность.

ESR и коэффициент рассеяния tan δ [ править ]

• Типичные кривые импеданса и ESR в зависимости от частоты и температуры
• Типичный импеданс и ESR как функция частоты

• Типичные кривые импеданса и ESR в зависимости от частоты для разных типов электролитических конденсаторов по сравнению с MLCC

Сопротивление эквивалентное последовательное ( СОЭ ) суммирует все резистивные потери конденсатора. Это оконечные сопротивления, контактное сопротивление контакта электрода, линейное сопротивление электродов, сопротивление электролита и диэлектрические потери в диэлектрическом оксидном слое. ^[43]

ESR влияет на оставшуюся наложенную пульсацию переменного тока после сглаживания и может влиять на функциональность схемы. Связанное с конденсатором ESR отвечает за внутреннее тепловыделение, если по конденсатору протекает # дрейфовый ток . Этот внутренний нагрев может повлиять на надежность танталовых электролитических конденсаторов.

Обычно СОЭ уменьшается с увеличением частоты и температуры. ^[44]

Исторически сложилось так, что обсуждение электролитических конденсаторов иногда относится к коэффициенту рассеяния , tan δ , в соответствующих технических паспортах, а не к ESR . Коэффициент рассеяния определяется тангенсом фазового угла между вычитанием емкостного реактивного сопротивления X _C из индуктивного реактивного сопротивления X _L и ESR . Если индуктивность конденсатора ESL мала, коэффициент рассеяния можно приблизительно рассчитать как:

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

Коэффициент рассеяния tan δ используется для конденсаторов с очень низкими потерями в схемах определения частоты или резонансных схемах, где обратное значение коэффициента рассеяния называется добротностью ( Q ), которая представляет полосу пропускания резонатора .

Пульсация тока [ править ]

«Пульсирующий ток» - это среднеквадратичное значение наложенного переменного тока любой частоты на постоянный ток. Он возникает в основном в источниках питания (включая импульсные источники питания ) после выпрямления переменного напряжения и протекает в виде тока заряда и разряда через развязывающий или сглаживающий конденсатор.

Пульсационные токи выделяют тепло внутри корпуса конденсатора. Эта потеря мощности диссипации Р _л обусловлена СОЭ и является квадратом значения эффективного (RMS) пульсации тока I _R .

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

Это внутреннее генерируемое тепло, в дополнение к температуре окружающей среды и, возможно, другим внешним источникам тепла, приводит к температуре корпуса конденсатора, имеющей разницу температур Δ T по сравнению с окружающей средой. Это тепло должно распределяться в виде тепловых потерь P _th по поверхности конденсаторов A и теплового сопротивления β окружающей среде.

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

Вырабатываемое внутри тепло должно передаваться в окружающую среду за счет теплового излучения , конвекции и теплопроводности . Температура конденсатора, которая устанавливается на основе баланса между производимым и распределенным теплом, не должна превышать максимальную заданную температуру конденсатора.

Ток пульсаций определяется как эффективное (среднеквадратичное) значение при 100 или 120 Гц или 10 кГц при температуре более высокой категории. Несинусоидальные пульсирующие токи должны быть проанализированы и разделены на составляющие их синусоидальные частоты с помощью анализа Фурье и эквивалентного пульсирующего тока, рассчитанного как квадратный корень из суммы квадратов отдельных токов. ^[45]

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

В твердотельных танталовых электролитических конденсаторах тепло, выделяемое пульсирующим током, влияет на надежность конденсаторов. ^{[46] [47] [48]} Превышение предела может привести к катастрофическим отказам с короткими замыканиями и возгоранием компонентов.

Бросок тока, пиковый или импульсный ток [ править ]

Твердые танталовые электролитические конденсаторы могут быть повреждены импульсным, пиковым или импульсным током. ^{[38] [39]} Танталовые конденсаторы, которые подвергаются скачкам, пиковым или импульсным токам, должны использоваться с понижением напряжения до 70% в высокоиндуктивных цепях. Если возможно, профиль напряжения должен быть плавным включением, так как это снижает пиковый ток, наблюдаемый конденсатором.

Ток утечки [ править ]

общие характеристики утечки электролитических конденсаторов: ток утечки как функция времени в зависимости от типа электролита${\displaystyle I_{leak}}$${\displaystyle t}$

  нетвердый, с высоким содержанием воды

  нетвердый, органический

  твердый, полимерный

Постоянный ток утечки - это особая характеристика электролитических конденсаторов, которых нет у других обычных конденсаторов. Этот ток представлен _{утечкой} резистора R параллельно конденсатору в схеме последовательного замещения электролитических конденсаторов. Основными причинами утечки тока для твердых танталовых конденсаторов являются электрический пробой диэлектрика, токопроводящие дорожки из-за примесей или из-за плохого анодирования, обход диэлектрика из-за избытка диоксида марганца, из-за путей влаги или из-за катодных проводников (углерод, серебро ). ^[49]Этот ток утечки в конденсаторах с твердым электролитом не может быть уменьшен "заживлением" в смысле образования нового оксида, потому что в нормальных условиях твердые электролиты не могут доставлять кислород для процессов образования. Это утверждение не следует путать с процессом самовосстановления во время полевой кристаллизации, как описано в разделе « Надежность (частота отказов)» .

Спецификация тока утечки в технических паспортах часто будет дана путем умножения значения номинальной емкости C _R на значение номинального напряжения U _R вместе с дополнительным значением, измеренным после времени измерения в 2 или 5 минут, например:

${\displaystyle I_{\mathrm {Leak} }=0{.}01\,\mathrm {{A} \over {V\cdot F}} \cdot U_{\mathrm {R} }\cdot C_{\mathrm {R} }+3\,\mathrm {\mu A} }$

Величина тока утечки зависит от приложенного напряжения, температуры конденсатора, времени измерения и от влияния влаги, вызванной условиями герметизации корпуса. Обычно они имеют очень низкий ток утечки, намного меньший, чем указано в наихудшем случае.

Диэлектрическая абсорбция (пропитка) [ править ]

Диэлектрическое поглощение происходит, когда конденсатор, который оставался заряженным в течение длительного времени, сохраняет некоторый заряд при кратковременной разрядке. Хотя идеальный конденсатор достигнет нуля вольт после разряда, реальные конденсаторы вырабатывают небольшое напряжение из-за дипольного разряда с задержкой по времени, явление, которое также называется диэлектрической релаксацией , «замачиванием» или «действием батареи».

Диэлектрическая абсорбция может вызвать проблемы в схемах, в которых используются очень малые токи, таких как интеграторы с длительной постоянной времени или схемы выборки и хранения . ^{[52] [53]} Однако в большинстве приложений, где танталовые электролитические конденсаторы служат для поддержки линий электропитания, диэлектрическое поглощение не является проблемой.

Надежность и срок службы [ править ]

Надежность (частота отказов) [ править ]

Надежность компонента является свойство , которое указывает на то, насколько хорошо компонент выполняет свою функцию в интервале времени. Он подвержен стохастическому процессу и может быть описан качественно и количественно; это не поддается непосредственному измерению. Надежность электролитических конденсаторов определяется эмпирическим путем путем определения интенсивности отказов в ходе эксплуатационных испытаний на выносливость , см. Техника надежности # Испытания на надежность .

Надежность обычно отображается в виде кривой для ванны и делится на три области: отказы на раннем этапе или отказы младенческой смертности, постоянные случайные отказы и отказы из-за износа. Типы отказов, включенные в общую интенсивность отказов, включают короткое замыкание, обрыв цепи и отказы из-за ухудшения характеристик (превышение электрических параметров).

Надежность предсказания , как правило , выражается в интенсивности отказов Х, аббревиатура FIT (Неудачи In Time]. Это число отказов , которые можно ожидать в один миллиард (10 ⁹ ) компонента-часов работы (например , 1000 компонентов для 1 миллиона часов , или 1 миллион компонентов на 1000 часов, что составляет 1 ppm / 1000 часов) при фиксированных рабочих условиях в течение периода постоянных случайных отказов. Эти модели интенсивности отказов неявно предполагают идею «случайного отказа». Отдельные компоненты выходят из строя в случайные моменты времени, но при предсказуемая скорость. стандартные условия работы для FIT интенсивности отказов составляют 40 ° с и 0,5 Едом _R .

Обратным значением FIT является MTBF (среднее время наработки на отказ).

Для танталовых конденсаторов интенсивность отказов часто указывается при 85 ° C и номинальном напряжении U _{R в} качестве стандартных условий и выражается в процентах отказавших компонентов на тысячу часов (n% / 1000 ч). Это «n» количество отказавших компонентов за 10 ⁵ часов или в FIT десятиитысячное значение за 10 ⁹ часов.

Для условий, отличных от стандартных рабочих условий 40 ° C и 0,5 U _R , для других приложенных температур и напряжения, для токовой нагрузки, значения емкости, сопротивления цепи, механических воздействий и влажности, значение FIT можно пересчитать с коэффициентами ускорения, стандартизованными для промышленных ^{[ 54]} или военный ^[55] контексты. Например, более высокая температура и приложенное напряжение приводят к увеличению частоты отказов.

Наиболее часто цитируемым источником для пересчета интенсивности отказов является MIL-HDBK-217F, «библия» расчетов интенсивности отказов для электронных компонентов. SQC Online, онлайн-статистические калькуляторы для приемочной выборки и контроля качества, представляет собой онлайн-инструмент для краткой проверки для расчета заданных значений интенсивности отказов для условий применения. ^[56]

Некоторые производители танталовых конденсаторов могут иметь свои собственные таблицы расчета FIT. ^{[57] [58]}

Танталовые конденсаторы - надежные компоненты. Непрерывное совершенствование танталового порошка и конденсаторных технологий привело к значительному уменьшению количества присутствующих примесей, которые раньше вызывали большинство отказов полевой кристаллизации. Коммерчески доступные танталовые конденсаторы теперь достигли в качестве стандартных продуктов высокого стандарта MIL «C» уровень , который составляет 0,01% / 1000h при 85 ° С и U _R или 1 неудачу на 10 ⁷ часов при 85 ° С и U _R . ^{[11] При} пересчете в FIT с коэффициентами ускорения, полученными из MIL HDKB 217F при 40 ° C и 0,5 U _R , эта интенсивность отказов для танталового конденсатора микросхемы 100 мкФ / 25 В, используемого с последовательным сопротивлением 0,1 Ом, интенсивность отказов составляет 0,02 ПОМЕСТИТЬСЯ.

Срок службы [ править ]

Срок службы, срок службы , срок службы нагрузки или срок службы танталовых электролитических конденсаторов полностью зависит от используемого электролита:

• Те , кто использует жидкие электролиты не имеет время жизни спецификации. (При герметичном закрытии)
• Те , которые используют электролиты диоксида марганца не имеет время жизни спецификации.
• Те, кто использует полимерные электролиты , имеют срок службы.

Полимерный электролит имеет небольшое ухудшение проводимости из-за механизма термического разложения проводящего полимера. Электропроводность уменьшалась как функция времени в соответствии со структурой типа гранулированного металла, в которой старение происходит из-за усадки зерен проводящего полимера. ^[59] Срок службы полимерных электролитических конденсаторов определяется аналогично нетвердым электролитическим конденсаторам, но расчет срока службы осуществляется по другим правилам, что приводит к гораздо более длительному сроку эксплуатации. ^{[60] [61] [62]}

Режимы отказа и механизм самовосстановления [ править ]

Танталовые конденсаторы демонстрируют разное электрическое долгосрочное поведение в зависимости от используемого электролита. Правила применения для типов с внутренним режимом отказа указаны для обеспечения высокой надежности и длительного срока службы.

Танталовые конденсаторы надежны на том же очень высоком уровне, что и другие электронные компоненты, с очень низкой интенсивностью отказов. Однако у них есть единственный уникальный режим отказа, называемый «полевой кристаллизацией». ^[9] Полевая кристаллизация - основная причина деградации и катастрофических отказов твердотельных танталовых конденсаторов. ^[13] Более 90% сегодняшних редких отказов танталовых твердотельных электролитических конденсаторов вызваны короткими замыканиями или повышенным током утечки из-за этого режима отказа. ^[65]

Чрезвычайно тонкая оксидная пленка танталового электролитического конденсатора, диэлектрический слой, должна иметь аморфную структуру. Сообщается, что изменение аморфной структуры в кристаллическую структуру увеличивает проводимость в 1000 раз в сочетании с увеличением объема оксида. ^[11] Полевая кристаллизация с последующим пробоем диэлектрика.характеризуется внезапным повышением тока утечки в течение нескольких миллисекунд, от величины наноампер до амплитуды в схемах с низким импедансом. Увеличивающийся ток может ускориться в виде «лавинообразного эффекта» и быстро распространиться по металлу / оксиду. Это может привести к разным степеням разрушения - от довольно небольших обгоревших участков на оксиде до зигзагообразных обгоревших полос, покрывающих большие площади гранул, или полного окисления металла. ^[6] Если источник тока неограничен, кристаллизация поля может вызвать короткое замыкание конденсатора . В этом случае отказ может быть катастрофическим, если нет ничего, что ограничивало бы доступный ток, поскольку последовательное сопротивление конденсатора может стать очень низким.

Примеси, крошечные механические повреждения или дефекты диэлектрика могут повлиять на структуру, изменяя ее с аморфной на кристаллическую и тем самым снижая электрическую прочность. Чистота танталового порошка является одним из наиболее важных параметров для определения риска кристаллизации. С середины 1980-х годов чистота производимых танталовых порошков повысилась.

Скачки тока после напряжений, вызванных пайкой, могут начать кристаллизацию, что приведет к пробою изоляции. ^[66] Единственный способ избежать катастрофических отказов - это ограничить ток, который может течь от источника, чтобы сократить пробой до ограниченной области. Ток, протекающий через кристаллизованную область, вызывает нагрев катода из диоксида марганца рядом с повреждением. Затем при повышенных температурах химическая реакция восстанавливает окружающий проводящий диоксид марганца до изолирующего оксида марганца (III) (Mn ₂ O ₃ ) и изолирует кристаллизованный оксид в слое оксида тантала, останавливая локальный ток. ^{[6] [63]}

Избегание неудач [ править ]

Твердотельные танталовые конденсаторы с кристаллизацией, скорее всего, выйдут из строя при включении питания. ^[67] Считается, что напряжение на диэлектрическом слое является спусковым механизмом для пробоя, а ток включения подталкивает коллапс к катастрофическому отказу. Чтобы предотвратить такие внезапные отказы, производители рекомендуют: ^{[11] [63] [68]}

• Снижение номинального напряжения на 50% относительно номинального напряжения
• используя последовательное сопротивление 3 Ом / В или
• использование схем с режимами медленного включения (схемы плавного пуска).

Дополнительная информация [ править ]

Обозначения конденсаторов [ править ]

Обозначения электролитических конденсаторов

Параллельное соединение [ править ]

Электролитические конденсаторы малого или низкого напряжения можно безопасно подключать параллельно. Конденсаторы больших размеров, особенно большие и высоковольтные, должны быть индивидуально защищены от внезапного разряда всей батареи из-за неисправного конденсатора.

Последовательное соединение [ править ]

Для некоторых приложений, таких как преобразователи переменного тока в переменный ток с промежуточным звеном для регулирования частоты в трехфазных сетях, требуется более высокое напряжение, чем обычно предлагают алюминиевые электролитические конденсаторы. Для таких применений электролитические конденсаторы могут быть подключены последовательно для повышения устойчивости к напряжению. Во время зарядки напряжение на каждом из последовательно соединенных конденсаторов пропорционально обратной величине тока утечки отдельного конденсатора. Поскольку каждый конденсатор немного отличается по отдельному току утечки, конденсаторы с более высоким током утечки будут иметь меньшее напряжение. Баланс напряжений на последовательно соединенных конденсаторах не симметричен. Должен быть обеспечен пассивный или активный баланс напряжения для стабилизации напряжения на каждом отдельном конденсаторе.^[69]

Маркировка полярности [ править ]

Все танталовые конденсаторы представляют собой поляризованные компоненты с четко обозначенными положительными или отрицательными клеммами. При воздействии обратной полярности (даже на короткое время) конденсатор деполяризуется и диэлектрический оксидный слой разрушается, что может привести к его выходу из строя, даже если позже он будет работать с правильной полярностью. ^[70] Если отказ представляет собой короткое замыкание (наиболее частое явление), а ток не ограничен безопасным значением, может произойти катастрофический тепловой разгон. Этот отказ может даже привести к тому, что конденсатор с силой выбросит горящий сердечник.

Танталовые электролитические конденсаторы с твердым электролитом помечены на их положительном выводе полосой или знаком «+». Танталовые электролитические конденсаторы с нетвердым электролитом (с осевыми выводами) помечены на отрицательной клемме полосой или знаком «-» (минус). Полярность лучше определить по фигурной стороне корпуса, имеющей положительный вывод. Различные стили маркировки могут вызвать опасную путаницу.

Особая причина путаницы заключается в том, что на танталовых конденсаторах для поверхностного монтажа положительный вывод отмечен полосой. В то время как на алюминиевых конденсаторах для поверхностного монтажа так отмечена отрицательная клемма.

Отпечатанные отметки [ править ]

Танталовые конденсаторы, как и большинство других электронных компонентов, при наличии достаточного места, имеют нанесенную маркировку с указанием производителя, типа, электрических и тепловых характеристик и даты изготовления. Но большинство танталовых конденсаторов представляют собой микросхемы, поэтому ограниченное пространство ограничивает нанесенные знаки емкостью, допуском, напряжением и полярностью.

Конденсаторы меньшего размера используют сокращенное обозначение. Наиболее часто используемый формат: XYZ J / K / M «V», где XYZ представляет собой емкость (рассчитанную как XY × 10 ^Z пФ), буквы K или M указывают допуск (± 10% и ± 20% соответственно). а «V» представляет рабочее напряжение.

Примеры:

• 105K 330V подразумевает емкость 10 × 10 ⁵ пФ = 1 мкФ (K = ± 10%) при рабочем напряжении 330 В.
• 476M 100V подразумевает емкость 47 × 10 ⁶ пФ = 47 мкФ (M = ± 20%) при рабочем напряжении 100 В.

Емкость, допуск и дата изготовления могут быть указаны с помощью короткого кода, указанного в IEC / EN 60062. Примеры краткой маркировки номинальной емкости (микрофарад): μ47 = 0,47 мкФ, 4μ7 = 4,7 мкФ, 47μ = 47 мкФ

Дата изготовления часто печатается в соответствии с международными стандартами.

• Версия 1: кодирование числовым кодом года / недели, «1208» означает «2012, неделя номер 8».
• Версия 2: кодирование с кодом года / месяца. Коды года: «R» = 2003, «S» = 2004, «T» = 2005, «U» = 2006, «V» = 2007, «W» = 2008, «X» = 2009, «A». = 2010, «B» = 2011, «C» = 2012, «D» = 2013, «E» = 2014 и т. Д. Коды месяцев: от «1» до «9» = с января по сентябрь, «O» = Октябрь, «N» = ноябрь, «D» = декабрь. «Х5» значит «2009, май».

Для очень маленьких конденсаторов маркировка невозможна. Здесь только отслеживание производителей может гарантировать идентификацию типа.

Стандартизация [ править ]

Стандартизация всех электрических , электронных компонентов и связанных технологий следует правилам, установленным Международной электротехнической комиссией (МЭК) ^[71] , некоммерческой неправительственной международной организацией по стандартизации . ^{[72] [73]}

Определение характеристик и процедура методов испытаний конденсаторов для использования в электронном оборудовании изложены в Общей спецификации :

• IEC / EN 60384-1: Конденсаторы постоянной емкости для использования в электронном оборудовании.

Испытания и требования, которым должны соответствовать алюминиевые и танталовые электролитические конденсаторы для использования в электронном оборудовании для утверждения в качестве стандартизованных типов, изложены в следующих отдельных спецификациях :

• IEC / EN 60384-3 - Танталовые электролитические конденсаторы для поверхностного монтажа с твердым электролитом из диоксида марганца.
• IEC / EN 60384-15 - фиксированные танталовые конденсаторы с нетвердым и твердым электролитом.
• IEC / EN 60384-24 - Фиксированные танталовые электролитические конденсаторы для поверхностного монтажа с проводящим полимерным твердым электролитом

Танталовая руда [ править ]

Танталовые конденсаторы - основное применение элемента тантала. Танталовая руда - один из конфликтных минералов . Некоторые неправительственные организации работают вместе, чтобы повысить осведомленность о взаимосвязи между потребительскими электронными устройствами и конфликтными полезными ископаемыми.

Рынок [ править ]

Рынок танталовых электролитических конденсаторов в 2008 году составлял приблизительно 2,2 миллиарда долларов США, что составляло примерно 12% от общего рынка конденсаторов. ^[74]

Использует [ редактировать ]

Низкая утечка и высокая емкость танталовых конденсаторов способствуют их использованию в схемах выборки и хранения для достижения большой продолжительности выдержки, а также в некоторых схемах длительной выдержки времени, где точная синхронизация не критична. Они также часто используются для развязки шины питания параллельно с пленочными или керамическими конденсаторами, которые обеспечивают низкое ESR и низкое реактивное сопротивление на высокой частоте. Танталовые конденсаторы могут заменить алюминиевые электролитические конденсаторы в ситуациях, когда внешняя среда или плотная упаковка компонентов приводят к устойчивой горячей внутренней среде и когда важна высокая надежность. В таком оборудовании, как медицинская электроника и космическое оборудование, которое требует высокого качества и надежности, используются танталовые конденсаторы.

Особенно распространенное применение танталовых конденсаторов низкого напряжения - фильтрация источников питания на материнских платах компьютеров и периферийных устройствах из-за их небольшого размера и долговременной надежности. ^{[75] [76]}

См. Также [ править ]

• Алюминиевый электролитический конденсатор
• Добыча колтана и этика
• Электролитический конденсатор
• Список производителей конденсаторов
• Ниобиевый конденсатор
• Полимерный конденсатор
• Твердотельный алюминиевый конденсатор (SAL)
• Технология поверхностного монтажа
• Типы конденсатора

Ссылки [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

• СМИ, связанные с танталовыми конденсаторами на Викискладе?