Танталовый конденсатор - Tantalum capacitor

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

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

А танталовый электролитический конденсатор является электролитический конденсатор, пассивный компонент электронные схемы. Он состоит из гранул пористого тантал металл как анод, покрытый изолирующим оксидным слоем, который образует диэлектрик, окруженный жидким или твердым электролитом в качестве катод. Из-за его очень тонкой и относительно высокой диэлектрическая проницаемость диэлектрический слой, танталовый конденсатор отличается от других обычных и электролитических конденсаторов тем, что имеет высокую емкость на единицу объема (высокая объемная эффективность) и меньший вес.

Тантал - это конфликтный минерал. Танталовые электролитические конденсаторы значительно дороже сопоставимых алюминиевые электролитические конденсаторы.

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

Основная информация

Основной принцип

Основной принцип анодного окисления, при котором при приложении напряжения к источнику тока на металлическом аноде формируется оксидный слой.

В электролитических конденсаторах используется химическая особенность некоторых особых металлов, исторически называемых вентильные металлы, который может образовывать изолирующий оксидный слой. Приложение положительного напряжения к материалу анода из тантала в электролитической ванне образует 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: нетвердый и твердый электролиты. Нетвердые электролиты - это жидкая среда, проводимость является ионный. Твердые электролиты обладают электронной проводимостью, и поэтому твердые электролитические конденсаторы более чувствительны к скачкам напряжения или скачкам тока.^{[нужна цитата ]}.Оксидный слой может быть разрушен при изменении полярности приложенного напряжения.

Между двумя токопроводящими пластинами (электродами), каждая площадью А и с разделением d.

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

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

Толщина диэлектрика электролитических конденсаторов очень мала, в диапазоне нанометры 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 называемого CV-объем. Однако при сравнении диэлектрических проницаемостей различных оксидных материалов видно, что пятиокись тантала имеет диэлектрическую проницаемость примерно в 3 раза выше, чем оксид алюминия. Поэтому танталовые электролитические конденсаторы с заданным значением CV могут быть меньше алюминиевых электролитических конденсаторов.

Основная конструкция твердотельных танталовых электролитических конденсаторов

Типичный танталовый конденсатор представляет собой чип-конденсатор и состоит из спрессованного танталового порошка и спеченный в гранулу как анод конденсатора, с оксидным слоем пятиокись тантала как диэлектрик, и твердый электролит диоксида марганца в качестве катод.

Материалы, производство и стили

Анод

Рисунок 1: Танталовый порошок резюме/грамм.

Танталовые конденсаторы производятся из порошка относительно чистого элементарного тантал металл.^[3][4][5] Обычный добродетель для сравнения объемная эффективность 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 большей площади поверхности на единицу объема. Обратите внимание на очень большую разницу в размере частиц между порошками.

Рисунок 2: Спеченный анод.

Порошок сжимается вокруг танталовой проволоки (известной как подъемная проволока), образуя «таблетку».^[6] В конечном итоге стояк становится соединением анода с конденсатором. Эта комбинация гранул / проволоки впоследствии представляет собой вакуум спеченный при высокой температуре (обычно от 1200 до 1800 ° C), что приводит к образованию механически прочных гранул 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 очень пористой, что дает большую внутреннюю поверхность (см. Рисунок 2).

Чем больше площадь поверхности, тем выше емкость; так высоко резюме/ г порошки, которые имеют более низкий средний размер частиц, используются для деталей с низким напряжением и высокой емкостью. Путем выбора правильного типа порошка и температуры спекания можно достичь определенной емкости или номинального напряжения. Например, конденсатор 220 мкФ 6 В будет иметь площадь поверхности около 346 см.², или 80% от размера листа бумаги (бумага US Letter, 8,5 × 11 дюймов имеет площадь ~ 413 см²), хотя общий объем гранулы составляет всего около 0,0016 см³.

Диэлектрик

Рисунок 3: Диэлектрический слой.

В диэлектрик затем образуется на всех поверхностях частиц тантала в результате электрохимического процесса анодирование. 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 однородную толщину по всему устройству и производственной партии. Химические уравнения, описывающие процесс образования диэлектрика в анод являются следующими:^[5]

2 Та → 2 Та⁵⁺ + 10 e⁻

2 Та⁵⁺ + 10 ОН⁻ → Та₂О₅ + 5 часов₂О

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, который 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

Рисунок 4: Слой диоксида марганца

Следующим этапом для твердотельных танталовых конденсаторов является установка катодной пластины (влажные танталовые конденсаторы используют жидкий электролит в качестве катода вместе с их корпусом). Это достигается пиролизом нитрат марганца в диоксид марганца. «Гранулы» погружают в водный раствор нитрата и затем обжигают в печи при температуре приблизительно 250 ° C для получения диоксидного покрытия. Химическое уравнение:^[5]

Mn (НЕТ₃)₂ → MnO₂ + 2 НЕТ₂

Этот процесс повторяется несколько раз с изменением удельного веса раствора нитрата, чтобы создать толстый слой на всех внутренних и внешних поверхностях «гранулы», как показано на рисунке 4.

В традиционном строительстве «гранула» последовательно окунается в графит а потом серебро чтобы обеспечить хорошее соединение катодной пластины из диоксида марганца с внешним выводом катода (см. рисунок 5).

Рисунок 5: Поперечное сечение сплошного танталового катода.

Производственный поток

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

Схема производства танталовых электролитических конденсаторов со спеченным анодом и твердым электролитом из диоксида марганца.

Стили танталовых конденсаторов

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

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

Чип-конденсаторы (размер корпуса)

Более 90% всех танталовых электролитических конденсаторов производится в SMD стиль как танталовые конденсаторы чипа. Он имеет контактные поверхности на торцах корпуса и изготавливается разных размеров, как правило, в соответствии с ОВОС -535-BAAC стандарт. 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 всех производителей по-прежнему в основном одинаковы. Однако новые разработки в области танталовых электролитических конденсаторов, такие как многоанодная технология, для уменьшения СОЭ или 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]

Определение размеров танталового чип-конденсатора

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

Влажные танталовые конденсаторы

Поперечное сечение нетвердого танталового электролитического конденсатора, герметично закрытого

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 участках 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 из всех электролитических конденсаторов.

Первоначальные мокрые танталовые конденсаторы, разработанные в 1930-х годах, были осевыми конденсаторами, имеющими ячейку с намоткой, состоящую из танталового анода и катода из фольги, разделенных бумажной полосой, пропитанной электролитом, установленной в серебряном корпусе и герметично запечатанной из негерметичного эластомера.^[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 сертификатами могут обеспечивать расширенные номинальные значения емкости и напряжения, а также высокий уровень качества, необходимый для авионики, военных и космических приложений.

История

Группа «вентильных металлов», способных образовывать изолирующую оксидную пленку, была открыта в 1875 г. В 1896 г. Кароль Поллак запатентовал конденсатор с алюминиевыми электродами и жидким электролитом. 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 в качестве миниатюрного и более надежным низковольтного вспомогательного конденсатора в дополнение к их новоизобретенная 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 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 открыли 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 Спрага, считается фактическим изобретателем танталовых конденсаторов в 1954 году.^[20][21] Его изобретение поддержал Р. Дж. Миллард, который в 1955 г. ввел этап «реформы».^[22][23] Значительное улучшение, в котором диэлектрик конденсатора ремонтировался после каждого цикла погружения и преобразования MnO₂ осаждение. 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.

Электропроводность нетвердых и твердых использованных электролитов

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. В эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) для байпасных и развязывающих конденсаторов стандартных электролитических конденсаторов необходимо было уменьшить.^[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 проводящие полимеры к Алан Дж. Хигер, Алан МакДиармид и Хидеки Сиракава в 1975 г. произошел прорыв в точке более низкого СОЭ.^[29] Электропроводность проводящих полимеров, таких как полипиррол (PPy)^[30] или же ПЕДОТ^[31] в 1000 раз лучше, чем у диоксида марганца, и близки к проводимости металлов. В 1993 году NEC представила свои полимерные танталовые электролитические конденсаторы SMD, названные «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 используется 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 высоким CV-объемом в стиле микросхем для быстро развивающейся технологии SMD в 1990-х годах резко увеличила спрос на танталовые чипы. Однако очередной взрыв цен на тантал в 2000/2001 году заставил 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 такие же, как и для существующих танталовых диэлектрических конденсаторов. Характеристики ниобиевых электролитических конденсаторов и танталовых электролитических конденсаторов примерно сопоставимы.^[36]

Электрические характеристики

Последовательно-эквивалентная схема

Модель последовательной эквивалентной схемы танталового конденсатора

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
• р_утечка, сопротивление, представляющее ток утечки конденсатора
• р_СОЭ, то эквивалентное последовательное сопротивление который суммирует все омические потери конденсатора, обычно сокращенно "ESR"
• L_ESL, то эквивалентная последовательная индуктивность которая представляет собой эффективную самоиндукцию конденсатора, обычно обозначаемую сокращенно «ESL».

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

Стандартные значения емкости и допуски

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_р или номинальная емкость C_N и - значение, 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, чьи емкости обычно измеряются при 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 Серия E указан 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, E6 серия, допуск ± 20%, буквенный код "M"
• номинальная емкость, E12 серия, допуск ± 10%, буквенный код "К"

Требуемый допуск емкости определяется конкретным применением. Электролитические конденсаторы, которые часто используются для фильтрация и в обход конденсаторы не нуждаются в узких допусках, потому что они в основном не используются для точных частотных приложений, таких как генераторы.

Номинальное и категория напряжения

Соотношение между номинальным и категориальным напряжением и номинальной и категориальной температурой

В соответствии со стандартом IEC / EN 60384-1 допустимое рабочее напряжение для танталовых конденсаторов называется «номинальное напряжение U»._р "или" номинальное напряжение U_N". Номинальное напряжение U_р - максимальное постоянное напряжение или пиковое импульсное напряжение, которое может применяться непрерывно при любой температуре в пределах номинального диапазона температур T_р (МЭК / 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 указывается «пониженное при температуре напряжение» для более высокой температуры, «категория напряжения U»._C". Категория напряжения - это максимальное напряжение постоянного тока или пиковое импульсное напряжение, которое может непрерывно подаваться на конденсатор при любой температуре в пределах диапазона температур категории T._C. 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 привести к повреждению танталовых электролитических конденсаторов.

Импульсное напряжение

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, округленного до ближайшего В. Пиковое напряжение, приложенное к танталовым конденсаторам, может влиять на интенсивность отказов конденсаторов.^[38][39]

Переходное напряжение

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

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 крошечную горячую точку. Это может вызвать некоторое преобразование 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 в течение короткого времени выдерживать 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 максимум 0,1 В при 125 ° C.

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

Импеданс

Упрощенная последовательно-эквивалентная схема конденсатора для более высоких частот (вверху); векторная диаграмма с электрическими реактивными сопротивлениями X_ESL и X_C и сопротивления ESR и для иллюстрации импеданса Z и коэффициента рассеяния tan δ

Танталовые электролитические конденсаторы, как и другие обычные конденсаторы, выполняют две электрические функции. За таймеры или аналогичных приложений, конденсаторы рассматриваются как компонент для хранения электроэнергии. Но для сглаживания, обхода или разъединение приложения как в Источники питания, конденсаторы дополнительно работают как AC резисторы для фильтрации нежелательных компонентов переменного тока от шин напряжения. Для этой (смещенной) функции переменного тока частотно-зависимое сопротивление переменного тока (сопротивление "Z") так же важно, как и значение емкости.

Типичные кривые импеданса для различных значений емкости в зависимости от частоты. Чем выше емкость, тем ниже резонансная частота.

Импеданс - это сложный отношение напряжения к току с величиной и фаза 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 характеристиках электролитических конденсаторов указана только величина импеданса. | Z | указывается и просто записывается 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 можно рассчитать с использованием идеализированных компонентов из эквивалентной цепи последовательного конденсатора, включая идеальный конденсатор. C, резистор СОЭ, а индуктивность ESL. В этом случае импеданс на угловой частоте ω поэтому задается геометрическим (комплексным) сложением СОЭ, емкостным сопротивлением Икс_C

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

и индуктивным сопротивлением Икс_L (Индуктивность )

${displaystyle X_ {L} = omega L_ {mathrm {ESL}}}$.

потом Z дан кем-то

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

В частном случае резонанс, в котором оба реактивных сопротивления Икс_C и Икс_L имеют одинаковое значение (Икс_C= X_L), то импеданс будет определяться только СОЭ. С частотами выше резонанса сопротивление снова увеличивается из-за ESL конденсатора. В этот момент конденсатор начинает действовать в первую очередь как индуктивность.

СОЭ и коэффициент рассеяния tan δ

В эквивалентное последовательное сопротивление (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 оставшийся наложенный AC рябь за сглаживанием и может повлиять на работу схемы. Связанное с конденсатором ESR отвечает за внутреннее тепловыделение, если # прерывистый ток течет по конденсатору. Этот внутренний нагрев может повлиять на надежность танталовых электролитических конденсаторов.

Как правило, СОЭ уменьшается с увеличением частоты и температуры.^[44]

Исторически сложилось так, что обсуждения электролитических конденсаторов иногда относятся к коэффициент рассеяния, тангенс δ, в соответствующих таблицах данных вместо СОЭ. Коэффициент рассеяния определяется тангенсом фазового угла между вычитанием емкостного реактивного сопротивления. Икс_C от индуктивного сопротивления Икс_L, а СОЭ. Если индуктивность конденсатора ESL мала, коэффициент рассеяния можно приблизительно оценить как:

${displaystyle an delta = {mbox {ESR}} cdot omega C}$

Фактор рассеивания тангенс δ используется для конденсаторов с очень низкими потерями в схемах определения частоты или резонансные контуры где обратное значение коэффициента диссипации называется фактор качества (Q), который представляет собой резонаторную пропускная способность.

Пульсация тока

Высокие пульсации тока через сглаживающий конденсатор C1 в источнике питания с полуволновое выпрямление вызывает значительное внутреннее тепловыделение, соответствующее конденсатору СОЭ

«Пульсирующий ток» - это RMS значение наложенного переменного тока любой частоты на постоянный ток. Возникает в основном в блоках питания (в т.ч. импульсные источники питания ) после выпрямления переменного напряжения и протекает как ток заряда и разряда через развязывающий или сглаживающий конденсатор.

Пульсационные токи выделяют тепло внутри корпуса конденсатора. Потеря мощности рассеяния п_L это вызвано СОЭ и - квадрат эффективного (RMS) тока пульсаций. я_р.

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

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 против окружающей среды. Это тепло должно распределяться в виде тепловых потерь. п_th по поверхности конденсаторов А и термическое сопротивление β к окружающему.

${displaystyle P_ {th} = Delta Tcdot Acdot eta}$

Вырабатываемое внутри тепло должно распределяться в окружающую среду посредством тепловое излучение, конвекция, и теплопроводность. Температура конденсатора, которая устанавливается на балансе выделяемого и распределяемого тепла, не должна превышать максимально заданную температуру конденсатора.

Ток пульсаций определяется как эффективное (RMS) 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 Анализ Фурье и эквивалентный пульсирующий ток, рассчитанный 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 из-за короткого замыкания и сгорания компонентов.

Бросок тока, пиковый или импульсный ток

Твердые танталовые электролитические конденсаторы могут быть повреждены импульсным, пиковым или импульсным током.^[38][39] Танталовые конденсаторы, которые подвергаются воздействию скачков, пиковых или импульсных токов, 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

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

  нетвердый, с высоким содержанием воды

  нетвердый, органический

  твердый, полимерный

В Постоянный ток утечки это особая характеристика электролитических конденсаторов, которых нет у других обычных конденсаторов. Этот ток представлен резистором р_утечка параллельно с конденсатором в последовательно-эквивалентной схеме 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 Надежность (частота отказов).

Спецификация тока утечки в технических паспортах часто будет дана путем умножения значения номинальной емкости. C_р со значением номинального напряжения U_р вместе с дополнительным значением, измеренным после 2 или 5 минут измерения, например:

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

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

Диэлектрическое поглощение (пропитывание)

Диэлектрическое поглощение происходит, когда конденсатор, который оставался заряженным в течение долгого времени, сохраняет некоторый заряд при кратковременной разрядке. Хотя идеальный конденсатор после разряда достигнет нуля вольт, реальные конденсаторы вырабатывают небольшое напряжение из-за разряда диполя с задержкой по времени, явление, которое также называют диэлектрическая релаксация, «замачивание» или «действие батареи».

Диэлектрическое поглощение может вызвать проблемы в цепях, в которых используются очень малые токи, например, длительныепостоянная времени интеграторы или же выборка и хранение схемы.^[52][53] Однако в большинстве случаев, когда танталовые электролитические конденсаторы поддерживают линии электропитания, диэлектрическое поглощение не является проблемой.

Надежность и срок службы

Надежность (частота отказов)

Изгиб ванны со временами «ранних отказов», «случайных отказов» и отказов из-за износа ». Время случайных отказов - это время постоянной интенсивности отказов

В надежность of компонента - это свойство, которое указывает, насколько хорошо компонент выполняет свою функцию в интервале времени. Это подлежит случайный процесс и может быть описан качественно и количественно; его нельзя измерить напрямую. Надежность электролитических конденсаторов определяется эмпирическим путем путем выявления интенсивность отказов в производственно-сопровождающем испытания на выносливость, видеть Техника надежности # Тестирование надежности.

Надежность обычно отображается в изгиб ванны и разделен на три области: ранние отказы 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).

В надежность предсказание обычно выражается в Интенсивность отказов λ, сокращение ПОМЕСТИТЬСЯ (Отказ вовремя). Это количество отказов, которое можно ожидать на один миллиард (10⁹) компонент-часов работы (например, 1000 компонентов на 1 миллион 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 случайно, но с предсказуемой скоростью. Стандартные рабочие условия для интенсивности отказов FIT: 40 ° C и 0,5 U_р.

Обратное значение FIT равно MTBF (Среднее время наработки на отказ).

Для танталовых конденсаторов интенсивность отказов часто указывается при 85 ° C и номинальном напряжении U_р в качестве стандартных условий и выражается в процентах отказавших компонентов на тысячу часов (n% / 1000 ч). То есть "n" количество отказавших компонентов на 10⁵ часов или в FIT десятиитысячное значение на 10⁹ часы.

Для условий, отличных от стандартных рабочих условий 40 ° C и 0,5 U_рдля других значений температуры и напряжения, для токовой нагрузки, значения емкости, сопротивления цепи, механических воздействий и влажности значение FIT можно пересчитать с коэффициентами ускорения, стандартизованными для промышленных предприятий.^[54] или военные^[55] контексты. Например, более высокая температура и приложенное напряжение вызывают увеличение 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. В настоящее время коммерчески доступные танталовые конденсаторы в качестве стандартных продуктов достигли уровня "C" высокого стандарта MIL, который составляет 0,01% / 1000 ч при 85 ° C и U_р или 1 сбой на 10⁷ часов при 85 ° C и U_р.^[11] Пересчитано в FIT с коэффициентами ускорения, полученными из MIL HDKB 217F при 40 ° C и 0,5 U_р Если эта частота отказов для танталового конденсатора кристалла 100 мкФ / 25 В, используемого с последовательным сопротивлением 0,1 Ом, интенсивность отказов составляет 0,02 FIT.

Продолжительность жизни

В продолжительность жизни, срок службы, срок службы нагрузки или срок службы танталовых электролитических конденсаторов полностью зависит от используемого электролита:

• Те, кто использует жидкие электролиты не иметь срок службы. (При герметичном закрытии)
• Те, кто использует электролиты из диоксида марганца не иметь срок службы.
• Те, кто использует полимерные электролиты делать иметь срок службы.

Полимерный электролит имеет небольшое ухудшение проводимости за счет 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 так же, как и для нетвердых электролитических колпачков, но расчет срока службы осуществляется по другим правилам, что приводит к гораздо более длительному сроку эксплуатации.^[60][61][62]

Режимы отказа и механизм самовосстановления

Танталовые конденсаторы демонстрируют различное электрическое долговременное 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 частотой отказов. Однако у них есть единственный уникальный режим отказа, называемый «полевой кристаллизацией».^[9] Кристаллизация в полевых условиях является основной причиной деградации и катастрофических отказов твердотельных танталовых конденсаторов.^[13] Более 90% сегодняшних редких отказов в танталовых твердотельных электролитических конденсаторах 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 преобразование аморфной структуры в кристаллическую структуру увеличивает проводимость в 1000 раз в сочетании с увеличением объема оксида.^[11] Полевая кристаллизация с последующей пробой диэлектрика характеризуется внезапным повышением тока утечки в течение нескольких миллисекунд, от величины наноампера до амплитуды в схемах с низким импедансом. Увеличивающийся ток может ускориться в виде «лавинного 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 конденсатор. короткое замыкание. В этом случае отказ может быть катастрофическим, если нет ничего, ограничивающего доступный ток, поскольку последовательное сопротивление конденсатора может стать очень низким.

Если ток ограничен в танталовых электролитических конденсаторах с твердым MnO₂ электролита, может происходить самовосстановление, уменьшая MnO₂ в изоляционный Mn₂О₃

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 напряжения, вызванного 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 превращает окружающий проводящий диоксид марганца в изоляционный материал. оксид марганца (III) (Mn₂О₃) и изолирует кристаллизованный оксид в слое оксида тантала, останавливая локальный ток.^[6][63]

Избегание неудач

Твердотельные танталовые конденсаторы с кристаллизацией чаще всего выходят 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 сбои, производители рекомендуют:^[11][63][68]

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

Дополнительная информация

Обозначения конденсаторов

Обозначения электролитических конденсаторов

Поляризованный электролитический конденсатор	Поляризованный электролитический конденсатор	Поляризованный электролитический конденсатор	Биполярный электролитический конденсатор

Параллельное соединение

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

Некоторые приложения, такие как Преобразователи AC / AC с промежуточным звеном для регулирования частоты в трехфазные сети 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 индивидуальным током утечки, конденсаторы с более высоким током утечки будут иметь меньшее напряжение. Баланс напряжений на последовательно соединенных конденсаторах не симметричен. Для стабилизации напряжения на каждом отдельном конденсаторе необходимо обеспечить пассивный или активный баланс напряжения.^[69]

Маркировка полярности

Маркировка полярности танталовых электролитических конденсаторов

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. 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 вытолкнет горящий сердечник.

Танталовые электролитические конденсаторы с твердым электролитом помечаются на положительной клемме 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, на которой есть 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 это отрицательный обозначенный таким образом терминал.

Отпечатанные маркировки

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 Дж / K / M «V», где XYZ представляет собой емкость (рассчитывается как XY × 10^Z pF) буквы K или M обозначают допуск (± 10% и ± 20% соответственно), а «V» обозначает рабочее напряжение.

Примеры:

• 105K 330V подразумевает емкость 10 × 10⁵ pF = 1 мкФ (K = ± 10%) при рабочем напряжении 330 В.
• 476M 100V подразумевает емкость 47 × 10⁶ pF = 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

Стандартизация для всех электрические, электронный компоненты и связанные технологии следуют правилам, установленным Международная электротехническая комиссия (IEC),^[70] а некоммерческий, неправительственная международная организация стандартов.^[71][72]

Определение характеристик и методика испытаний для конденсаторы для использования в электронном оборудовании изложены в Общая спецификация:

• 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 стандартизированных типов, изложены ниже. секционные спецификации:

• IEC / EN 60384-3—Фиксированные танталовые электролитические конденсаторы 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 поверхностного монтажа с проводящим полимерным твердым электролитом

Танталовая руда

Танталовые конденсаторы - основное применение элемента тантала. Танталовая руда - одна из конфликтные минералы. Немного неправительственные организации вместе работают над повышением осведомленности о взаимосвязи между потребительскими электронными устройствами и конфликтными минералами.

Рынок

Рынок танталовых электролитических конденсаторов в 2008 году составлял примерно 2,2 миллиарда долларов США, что составляло примерно 12% от общего рынка конденсаторов.^[73]

Использует

Низкая утечка и высокая емкость танталовых конденсаторов способствуют их использованию в образец и держать схемы для достижения большой продолжительности удержания и некоторые схемы длительной выдержки времени, где точное время не является критическим. Они также часто используются для развязки шин питания параллельно пленке или керамические конденсаторы которые обеспечивают низкие СОЭ и низкий 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 распространенным применением танталовых конденсаторов низкого напряжения является источник питания. фильтрация на материнских платах компьютеров и периферийных устройствах из-за их небольших размеров и долговременной надежности.^[74][75]

Смотрите также

• 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

Рекомендации

внешняя ссылка

• СМИ, связанные с Танталовые конденсаторы в Wikimedia Commons