Полимерный конденсатор , или, точнее, полимерный электролитический конденсатор , представляет собой электролитический конденсатор (e-cap) с твердым проводящим полимерным электролитом . Существует четыре различных типа:
Полимерные колпачки Ta-e доступны в виде прямоугольных чипов для поверхностного монтажа ( SMD ). Полимерные алюминиевые колпачки и гибридные полимерные алюминиевые колпачки доступны в виде прямоугольных микросхем для поверхностного монтажа (SMD), цилиндрических SMD (V-чипов) или в виде версий с радиальными выводами (несимметричных).
Полимерные электролитические конденсаторы характеризуются особенно низким внутренним эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR) и высокими номинальными значениями пульсирующего тока. Их электрические параметры имеют аналогичную температурную зависимость, надежность и срок службы по сравнению с твердотельными танталовыми конденсаторами, но имеют гораздо лучшую температурную зависимость и значительно более длительный срок службы, чем алюминиевые электролитические конденсаторы с нетвердыми электролитами. Как правило, полимерные электронные конденсаторы имеют более высокий номинальный ток утечки, чем другие твердые или нетвердые электролитические конденсаторы.
Полимерные электролитические конденсаторы также доступны в гибридной конструкции. Гибридные полимерно-алюминиевые электролитические конденсаторы сочетают в себе твердый полимерный электролит и жидкий электролит. Эти типы характеризуются низкими значениями ESR, но имеют низкие токи утечки и нечувствительны к переходным процессам, [1] однако их срок службы зависит от температуры, как и у нетвердых электронных крышек.
Полимерные электролитические конденсаторы в основном применяются в источниках питания интегральных электронных схем в качестве буферных, развязывающих и развязывающих конденсаторов, особенно в устройствах плоской или компактной конструкции. Таким образом , они конкурируют с конденсаторами MLCC , но имеют более высокие значения емкости , чем MLCC, и не проявляют микрофонного эффекта (например, керамические конденсаторы классов 2 и 3 ) .
Алюминиевые электролитические конденсаторы (Al-e-caps) с жидкими электролитами были изобретены в 1896 году Чарльзом Поллаком .
Танталовые электролитические конденсаторы с твердым электролитом из диоксида марганца (MnO 2 ) были изобретены Bell Laboratories в начале 1950-х годов в качестве миниатюрного и более надежного низковольтного вспомогательного конденсатора в дополнение к недавно изобретенному транзистору , [2] [3] см. Танталовый конденсатор . Первые Ta-e-колпачки с электролитами MnO 2 имели в 10 раз лучшую проводимость и более высокую пульсирующую токовую нагрузку, чем более ранние типы Al-e-caps с жидким электролитом. Кроме того, в отличие от стандартных алюминиевых конденсаторов, эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) Ta-конденсаторов стабильно при различных температурах.
В 1970-е годы растущая цифровизация электронных схем сопровождалась снижением рабочего напряжения, увеличением частоты переключения и нагрузки пульсаций тока. Это имело последствия для блоков питания и их электролитических конденсаторов. Требовались конденсаторы с более низким ESR и более низкой эквивалентной последовательной индуктивностью (ESL) для шунтирующих и развязывающих конденсаторов, используемых в линиях электропитания. [4] см. Роль ESR, ESL и емкости.
Прорыв произошел в 1973 г. с открытием А. Хигером и Ф. Вудлом [5] органического проводника — соли-переносчика заряда TCNQ. TCNQ ( 7,7,8,8-тетрацианохинодиметан или Nn-бутилизохинолиний в сочетании с TTF ( Тетратиафульваленом )) — цепная молекула практически идеальной одномерной структуры, имеющая в 10 раз лучшую проводимость вдоль цепей, чем MnO 2 и имеет в 100 раз лучшую проводимость, чем нетвердые электролиты.
Первыми алюминиевыми конденсаторами, в которых в качестве твердого органического электролита использовалась соль переноса заряда TTF-TCNQ, была серия OS-CON, предложенная в 1983 году компанией Sanyo . Это были намотанные цилиндрические конденсаторы с увеличенной в 10 раз проводимостью электролита по сравнению с MnO 2 [6] [7]
Эти конденсаторы использовались в устройствах, требующих минимально возможного ESR или максимально возможного пульсационного тока. Одна электронная крышка OS-CON могла заменить три более громоздких «мокрых» электронных крышки или две Ta-капа. [8] К 1995 году Sanyo OS-CON стал предпочтительным развязывающим конденсатором для персональных компьютеров IBM на базе процессора Pentium. Линейка электронных крышек Sanyo OS-CON была продана в 2010 году компании Panasonic. Затем компания Panasonic заменила соль TCNQ на проводящий полимер той же марки.
Следующим шагом в снижении СОЭ стала разработка проводящих полимеров Аланом Дж. Хигером , Аланом МакДиармидом и Хидеки Сиракавой в 1975 году. [9] Проводимость проводящих полимеров, таких как полипиррол (PPy) [10] или PEDOT [11], лучше . чем у TCNQ в 100–500 раз и близка к проводимости металлов.
В 1988 году японский производитель Nitsuko выпустил первую электронную крышку с полимерным электролитом «APYCAP» с полимерным электролитом PPy. [12] Продукт не имел успеха, отчасти потому, что он не был доступен в версиях SMD.
В 1991 году Panasonic выпустила серию полимерных алюминиевых конденсаторов «SP-Cap». [13] В этих электронных конденсаторах использовался полимерный электролит PPy, и они достигли значений ESR, которые были напрямую сопоставимы с керамическими многослойными конденсаторами (MLCC). Они по-прежнему были дешевле, чем танталовые конденсаторы, а благодаря своей плоской конструкции, полезной в компактных устройствах, таких как ноутбуки и сотовые телефоны, они также конкурировали с танталовыми чип-конденсаторами.
Три года спустя появились танталовые электролитические конденсаторы с катодом из полимерного полипропилена. В 1993 году NEC представила свои полимерные колпачки Ta-e для поверхностного монтажа под названием NeoCap. В 1997 году компания Sanyo выпустила полимерные танталовые чипы POSCAP.
Новый проводящий полимер для танталовых полимерных конденсаторов был представлен компанией Kemet на конференции «Carts» 1999 года. [14] В этом конденсаторе использовался недавно разработанный органический проводящий полимер PEDT ( поли(3,4-этилендиокситиофен) ), также известный как PEDOT (торговое название Baytron®). [15]
Два года спустя, на конференции АТЭС 2001 года, Kemet представила на рынке полимерные алюминиевые электронные колпачки PEDOT. [16] Полимер PEDOT обладает более высокой температурной стабильностью, и в виде раствора PEDOT:PSS этот электролит можно вводить только путем погружения, а не полимеризации на месте, как в случае с PPy, что делает производство быстрее и дешевле. [8] В серию AO-Cap вошли конденсаторы SMD со многослойным анодом размера «D» и высотой от 1,0 до 4,0 мм, что составляло конкуренцию Panasonic SP-Caps, использовавшим в то время PPy.
На рубеже тысячелетий были разработаны гибридные полимерные конденсаторы, имеющие помимо твердого полимерного электролита жидкий электролит, соединяющий полимерные слои, покрывающие диэлектрический слой на аноде и катодную фольгу. [1] [17] Нетвердый электролит обеспечивает кислород для целей самовосстановления и уменьшения тока утечки. В 2001 году NIC выпустила гибридную полимерную электронную крышку, которая заменила полимерный тип по более низкой цене и с меньшим током утечки. По состоянию на 2016 год гибридные полимерные конденсаторы доступны от нескольких производителей.
Преимущественное применение всех электролитических конденсаторов — в источниках питания . Они используются во входных и выходных сглаживающих конденсаторах, в качестве развязывающих конденсаторов для циркуляции гармонического тока в коротком контуре, в качестве развязывающих конденсаторов для шунтирования помех переменного тока на землю в обход линий электропитания, в качестве резервных конденсаторов для уменьшения падения напряжения в сети. во время внезапного спроса на электроэнергию или в качестве фильтрующего конденсатора в фильтре нижних частот для уменьшения коммутационных шумов. [18] В этих приложениях, помимо размера, важными электрическими характеристиками для функциональности этих конденсаторов в цепях являются емкость, полное сопротивление Z , ESR и индуктивность ESL.
Переход на цифровое электронное оборудование привел к разработке импульсных источников питания с более высокими частотами и «встроенным» DC/DC-преобразователем , более низкими напряжениями питания и более высокими токами питания. Конденсаторам для этих приложений требовались более низкие значения ESR, что в то время с помощью алюминиевых конденсаторов можно было реализовать только с корпусами большего размера или путем замены гораздо более дорогими твердотельными конденсаторами Ta.
Причина, по которой ESR влияет на функциональность интегральной схемы , проста. Если схема, например микропроцессор , внезапно потребляет электроэнергию, напряжение питания падает на величину ESL, ESR и потери заряда емкости. Потому что в случае внезапного спроса на ток напряжение в линии электропередачи падает:
Например: [4]
При напряжении питания 3 В с допуском 10 % (300 мВ) и токе питания максимум 10 А внезапное требование мощности снижает напряжение на
Это означает, что ESR в блоке питания процессора должно быть менее 30 мОм, иначе схема выйдет из строя. Аналогичные правила действительны для емкости и ESL. Удельная емкость может быть увеличена с годами за счет анодной фольги с более высоким травлением, соответственно, за счет более мелких и мелких зерен танталового порошка в 10–15 раз и может следовать тенденции миниатюризации. Проблема ESL привела к созданию электронных крышек из полимерного алюминия со сложенной друг на друга фольгой. Однако для снижения ESR необходима только разработка новых твердых проводящих материалов, сначала TCNQ, а затем проводящих полимеров, что привело к разработке конденсаторов с полимерным электролитом с их очень низкими значениями ESR, проблемой ESR, связанной с оцифровкой электронных схем. могло быть принято.
В электролитических конденсаторах используются химические свойства некоторых специальных металлов, ранее называвшихся «ламповыми металлами», которые путем анодного окисления образуют изолирующий оксидный слой. Прикладывая положительное напряжение к материалу анода (+) в электролитической ванне, можно сформировать оксидный барьерный слой толщиной, соответствующей приложенному напряжению. Этот оксидный слой действует как диэлектрик в электронном колпачке. Для увеличения емкости конденсаторов поверхность анода придают шероховатость, а значит, и поверхность оксидного слоя. Чтобы создать конденсатор, противоэлектрод должен соответствовать шероховатой изолирующей оксидной поверхности. Это достигается с помощью электролита, который действует как катод (-) электрода электролитического конденсатора. Основное отличие полимерных конденсаторов заключается в материале анода и его оксиде, используемом в качестве диэлектрика:
Свойства слоя оксида алюминия по сравнению с диэлектрическим слоем пятиокиси тантала приведены в следующей таблице:
Каждый электронный конденсатор в принципе образует «пластинчатый конденсатор», емкость которого является возрастающей функцией площади электрода A, диэлектрической проницаемости ε диэлектрического материала и толщины диэлектрика (d).
Емкость пропорциональна произведению площади одной пластины на диэлектрическую проницаемость и делению на толщину диэлектрика.
Толщина диэлектрика находится в диапазоне нанометров на вольт. С другой стороны, напряжение пробоя этих оксидных слоев довольно велико. Используя травленые или спеченные аноды с гораздо большей площадью поверхности по сравнению с гладкой поверхностью того же размера или объема, электронные колпачки могут достичь высокой объемной емкости. Последние разработки в области высокотравленных или спеченных анодов увеличивают значение емкости в зависимости от номинального напряжения до 200 раз для Al-e-caps или Ta-e-caps по сравнению с гладкими анодами. [23] [24] [25]
Поскольку формовочное напряжение определяет толщину оксида, можно легко обеспечить желаемый допуск по напряжению. Следовательно, объем конденсатора определяется произведением емкости и напряжения, так называемым «произведением CV».
Сравнивая диэлектрические проницаемости оксидов тантала и алюминия, Ta 2 O 5 имеет диэлектрическую проницаемость примерно в 3 раза выше, чем Al 2 O 3 . Таким образом, Ta-колпачки теоретически могут быть меньше, чем Al-колпачки, с той же емкостью и номинальным напряжением. У настоящих танталовых электролитических конденсаторов толщина оксидного слоя намного больше, чем фактически требует номинальное напряжение конденсатора. Это сделано из соображений безопасности, чтобы избежать коротких замыканий из-за кристаллизации в полевых условиях. По этой причине реальные различия размеров, возникающие из-за разных диэлектрических проницаемостей, частично неэффективны. [26]
Наиболее важным электрическим свойством электролита в электролитическом конденсаторе является его электропроводность . Электролит образует противоэлектрод электронного колпачка, катод . Шероховатые структуры поверхности анода продолжаются в структуре оксидного слоя, диэлектрика, катод должен точно подстраиваться под шероховатую структуру. С жидкостью, как в обычных «мокрых» электронных крышках, этого легко добиться. В полимерных электронных крышках, в которых электролитом является твердый проводящий полимер, этого добиться гораздо сложнее, поскольку его проводимость возникает в результате химического процесса полимеризации. Однако преимущества твердого полимерного электролита, значительно более низкое ESR конденсатора и низкая температурная зависимость электрических параметров во многих случаях оправдывают дополнительные этапы производства, а также более высокие затраты.
Электролитические конденсаторы с солью переноса заряда тетрацианохинодиметана TCNQ в качестве электролита, ранее производимые Sanyo под торговым названием «OS-CON», в истинном смысле слова «полимер» не были «полимерными конденсаторами». Электролитические конденсаторы TCNQ упоминаются здесь, чтобы указать на опасность путаницы с «настоящими» полимерными конденсаторами, которые в настоящее время продаются под тем же торговым названием OS-CON. Оригинальные конденсаторы OS-CON с электролитом TCNQ, продаваемые бывшим производителем Sanyo, были сняты с производства после интеграции бизнеса конденсаторов Sanyo компанией Panasonic в 2010 году. [27] Panasonic сохраняет торговое название OS-CON, но заменяет электролит TCNQ на проводящий полимерный электролит. (ППы). [28]
Электролитические конденсаторы с электролитом TCNQ больше не выпускаются.
Полимеры образуются в результате химической реакции полимеризации . В этой реакции мономеры непрерывно прикрепляются к растущей цепи полимера. [29] [30] [31] Обычно полимеры являются электроизоляторами, в лучшем случае полупроводниками. Для использования в качестве электролита в электронных крышках используются электропроводящие полимеры . Проводимость полимера достигается за счет сопряженных двойных связей , которые обеспечивают свободное движение носителей заряда в легированном состоянии . Носителями заряда служат электронные дырки . [ необходимо разъяснение ] Это означает, что проводимость проводящих полимеров, которая почти сравнима с металлическими проводниками, начинается только тогда, когда полимеры легируются окислительным или восстановительным путем.
Полимерный электролит должен иметь возможность проникать в мельчайшие поры анода, чтобы сформировать полный однородный слой, поскольку только участки оксида анода, покрытые электролитом, вносят вклад в емкость. Для этого предшественники полимера должны состоять из очень мелких базовых материалов, которые могут проникать даже в самые маленькие поры. Размер этих предшественников является ограничивающим фактором для размера пор в травленой алюминиевой анодной фольге или размера танталового порошка. При производстве конденсаторов необходимо контролировать скорость полимеризации. Слишком быстрая полимеризация не приводит к полному покрытию анода, а слишком медленная полимеризация увеличивает производственные затраты. Ни предшественники, ни полимер, ни его остатки не могут химически или механически воздействовать на оксид анодов. Полимерный электролит должен обладать высокой стабильностью в широком диапазоне температур в течение длительного времени. Полимерная пленка является не только противоэлектродом электронного колпачка, но и защищает диэлектрик даже от внешних воздействий, таких как прямой контакт графита в этих конденсаторах, которые обеспечивают катодный контакт через графит и серебро.
В полимерных электронных крышках используется либо полипиррол (PPy) [32] , либо политиофен (PEDOT или PEDT) [33].
Полипиррол (PPy) — проводящий полимер, образующийся в результате окислительной полимеризации пиррола . Подходящим окислителем является хлорид железа (III) (FeCl 3 ). Для синтеза PPy можно использовать воду, метанол, этанол, ацетонитрил и другие полярные растворители. [34] В качестве твердого проводящего полимерного электролита он достигает проводимости до 100 См /м. Полипиррол был первым проводящим полимером, использованным в полимерных колпачках Al-e, а также в полимерных колпачках Ta-e.
Проблема с полимеризацией PPy заключалась в скорости полимеризации. Когда пиррол смешивается с нужными окислителями при комнатной температуре, реакция полимеризации начинается немедленно. Таким образом, полипиррол начинает образовываться до того, как химический раствор сможет попасть в поры анода. Скорость полимеризации можно контролировать криогенным охлаждением или электрохимической полимеризацией.
Способ охлаждения требует очень больших технических усилий и невыгоден для массового производства. При электрохимической полимеризации сначала необходимо нанести вспомогательный электродный слой на диэлектрик и соединить его с анодом. [33] Для этого к основным веществам полимера добавляются ионные легирующие добавки, образующие проводящий поверхностный слой на диэлектрике при первой пропитке. Во время последующих циклов пропитки время полимеризации in-situ можно контролировать с помощью тока после приложения напряжения между анодом и катодом. С помощью этого метода можно получить тонкую и стабильную полипирроловую пленку на диэлектрическом оксидном слое анода. [35] Однако оба метода полимеризации in situ сложны и требуют многократного повторения стадий полимеризации, что увеличивает производственные затраты.
Полипиррольный электролит имеет два принципиальных недостатка. Он токсичен при производстве конденсаторов и становится нестабильным при более высоких температурах пайки, необходимых для пайки бессвинцовыми припоями. [33]
Поли(3,4-этилендиокситиофен) , сокращенно PEDOT или PEDT [33], представляет собой проводящий полимер на основе мономера 3,4-этилендиокситиофена или EDOT. ПЭДОТ поляризуется в результате окисления EDOT каталитическими количествами сульфата железа (III) . Повторное окисление железа осуществляется персульфатом натрия . [36] Преимуществами PEDOT являются оптическая прозрачность в проводящем состоянии, нетоксичность, стабильность до температуры 280 °C и проводимость до 500 См /м. [33] Его термостойкость позволяет изготавливать полимерные конденсаторы, выдерживающие более высокие температуры, необходимые для бессвинцовой пайки. Кроме того, эти конденсаторы имеют лучшие значения ESR, чем полимерные электронные конденсаторы с электролитом PPy. [33]
Сложные методы полимеризации ПЭДОТ in situ в анодах конденсаторов первоначально были такими же, как и с полипирролом. Ситуация изменилась с разработкой предварительно полимеризованных дисперсий PEDOT, в которые можно было окунуть простые аноды конденсаторов, а затем высушить при комнатной температуре. Для этого в химикаты PEDOT добавляют полистиролсульфонат натрия (PSS) и растворяют в воде. [37] Полный полимерный слой на диэлектрике затем состоит из предварительно полимеризованных частиц дисперсии. Эти дисперсии известны как PEDOT: PSS, торговые названия Baytron P® [38] и Clevios™ [39] , защищающие ценные свойства PEDOT. [40] [41]
Дисперсии PEDOT:PSS доступны в различных вариантах. Для конденсаторов с высокими значениями емкости с высокошероховатой алюминиевой анодной фольгой или мелкозернистыми танталовыми порошками предлагаются дисперсии с очень мелким размером частиц. Средний размер этих предварительно полимеризованных частиц составляет около 30 нм, что достаточно мало, чтобы проникнуть в самые тонкие анодные капилляры. Другой вариант дисперсии PEDOT:PSS был разработан с более крупными предварительно полимеризованными частицами, что приводит к образованию относительно толстого полимерного слоя, чтобы обеспечить обволакивающую защиту емкостной ячейки прямоугольных полимерных конденсаторов из Та и Al от механических и электрических напряжений. [33] [39]
Изготовленные из дисперсий PEDOT:PSS полимерно-алюминиевые электролитические конденсаторы хорошо подходят для достижения более высоких значений номинального напряжения 200 В [42] и 250 В. [43] Кроме того, значения тока утечки полимерных электролитических конденсаторов, которые производятся с этими Однако, помимо лучших значений ESR, более высокой температурной стабильности и более низких значений тока утечки, простота изготовления полимерных конденсаторов с предварительно полимеризованным PEDOT: Дисперсии ПСС, которые уже за три погружения практически полностью покрывают диэлектрик проводящим полимерным слоем. Такой подход существенно снизил затраты на производство. [37]
Гибридные полимерные алюминиевые электролитические конденсаторы сочетают в себе покрытие шероховатой и окисленной алюминиевой анодной структуры проводящим полимером вместе с жидким электролитом. Жидкий электролит пропитывается сепаратором (спейсером) и своей ионной проводимостью обеспечивает электрический контакт между двумя полимерными слоями, покрывающими диэлектрик, и катодной фольгой. Жидкий электролит может поставлять кислород для процессов самовосстановления конденсатора, что снижает ток утечки, так что могут быть достигнуты такие значения, как в обычном «мокром» электролитическом конденсаторе. Кроме того, можно уменьшить запас прочности для требуемой толщины оксида для желаемого номинального напряжения.
Вредное влияние жидкого электролита на СОЭ и температурные характеристики сравнительно невелико. За счет использования соответствующих органических электролитов и хорошей герметизации конденсаторов можно добиться длительного срока службы. [1] [17]
В зависимости от используемого анодного металла и сочетания полимерного электролита с жидким электролитом существует три различных типа:
Эти три разных типа или семейства производятся в двух разных стилях.
В начале 1990-х годов полимерные Ta-колпачки совпали с появлением плоских устройств, таких как мобильные телефоны и ноутбуки, с использованием технологии сборки SMD. Прямоугольная базовая поверхность обеспечивает максимальное монтажное пространство, что невозможно при использовании круглых базовых поверхностей. Спеченный элемент можно изготовить так, чтобы готовый компонент имел желаемую высоту, обычно такую же, как высота других компонентов. Типичная высота находится в диапазоне примерно от 0,8 до 4 мм.
Полимерные танталовые электролитические конденсаторы по сути представляют собой танталовые конденсаторы , в которых электролитом является проводящий полимер вместо диоксида марганца, см. также танталовый конденсатор # Материалы, производство и стили Танталовые конденсаторы изготавливаются из порошка относительно чистого элементарного металлического тантала . [44] [45] [46]
Порошок сжимается вокруг танталовой проволоки (анодного соединения) с образованием «таблетки». Эту комбинацию гранул и проволоки впоследствии спекают в вакууме при высокой температуре (обычно от 1200 до 1800 °C), в результате чего получаются механически прочные анодные таблетки. При спекании порошок приобретает губчатую структуру, все частицы которой соединены между собой в монолитную пространственную решетку. Эта структура имеет предсказуемую механическую прочность и плотность, но также очень пористая, что обеспечивает большую площадь поверхности анода.
Затем диэлектрический слой формируется на всех поверхностях частиц тантала анода посредством электрохимического процесса анодирования или формовки. Для этого «таблетку» погружают в очень слабый раствор кислоты и прикладывают к ней постоянное напряжение. Общая толщина диэлектрика определяется конечным напряжением, приложенным в процессе формования. После этого окисленный спеченный блок пропитывают предшественниками полимера для получения полимерного электролита — противоэлектрода. Эту полимеризованную таблетку теперь последовательно погружают в проводящий графит , а затем в серебро , чтобы обеспечить хорошее соединение с проводящим полимером. Эти слои обеспечивают катодное соединение конденсатора. Емкостная ячейка обычно отливается из синтетической смолы.
Полимерные танталовые электролитические конденсаторы имеют значения ESR, которые составляют примерно лишь 1/10 от значения танталовых электролитических конденсаторов с электролитом из диоксида марганца того же размера. С помощью многоанодной технологии, при которой в одном корпусе параллельно соединены несколько анодных блоков, значение ESR можно снова снизить. Преимуществом многоанодной технологии, помимо очень низких значений ESR, является более низкая индуктивность ESL, благодаря чему конденсаторы подходят для более высоких частот.
Недостатком всех полимерных танталовых конденсаторов является более высокий ток утечки, который примерно в 10 раз выше, чем у конденсаторов с электролитом из диоксида марганца. Полимерные танталовые электролитические конденсаторы SMD выпускаются размером до 7,3x4,3x4,3 мм (длина × ширина × высота) емкостью 1000 мкФ при 2,5 В. Они охватывают диапазон температур от −55 °C до +125 °C. и выпускаются с номинальным напряжением от 2,5 до 63 В.
Снижение ESR и ESL остается основной целью исследований и разработок всех полимерных конденсаторов. Некоторые конструктивные меры также могут оказать существенное влияние на электрические параметры конденсаторов. Меньшие значения ESR могут быть достигнуты, например, путем параллельного соединения нескольких обычных конденсаторных ячеек в одном корпусе. Три параллельных конденсатора с ESR 60 мОм каждый имеют результирующее ESR 20 мОм. Эта технология называется «мультианодной» конструкцией и используется в полимерных танталовых конденсаторах с очень низким ESR. [47] [48] В данной конструкции в одном корпусе подключается до шести отдельных анодов. Эта конструкция предлагается как полимерные танталовые чип-конденсаторы, а также более дешевые танталовые чип-конденсаторы с электролитом MnO 2 . Танталовые полимерные конденсаторы с несколькими анодами имеют значения ESR в однозначном диапазоне миллиом.
Еще одна простая конструктивная мера изменяет паразитную индуктивность конденсатора – ЭСЛ. Поскольку длина выводов внутри корпуса конденсатора составляет большую часть общей ESL, индуктивность конденсатора можно уменьшить за счет уменьшения длины внутренних выводов путем асимметричного спекания анодного вывода. Этот метод называется строительством «лицом вниз». Из-за более низкого ESL этой конструкции с лицевой стороной вниз резонанс конденсатора смещается в сторону более высоких частот, что учитывает более быстрое изменение нагрузки цифровых схем со все более высокими частотами переключения. [49]
Конденсаторы с полимерными танталовыми чипами с этими новыми усовершенствованиями конструкции, благодаря которым как ESR, так и ESL уменьшили характеристики достижения, приближаясь к характеристикам конденсаторов MLCC.
Прямоугольные полимерные алюминиевые колпачки имеют одну или несколько слоев алюминиевой анодной фольги и проводящий полимерный электролит. Слоистые анодные фольги с одной стороны контактируют друг с другом, этот блок анодно окисляется для достижения диэлектрика, а блок пропитывается предшественниками полимера для получения полимерного электролита, противоэлектрода. Как и в случае с полимерными танталовыми конденсаторами, этот полимеризованный блок теперь последовательно погружается в проводящий графит , а затем в серебро , чтобы обеспечить хорошее соединение с проводящим полимером. Эти слои обеспечивают катодное соединение конденсатора. Емкостная ячейка обычно отливается из синтетической смолы.
Слоистые анодные фольги в полимерных алюминиевых конденсаторах прямоугольной формы представляют собой одиночные конденсаторы, соединенные электрически параллельно. Таким образом, значения ESR и ESL подключаются параллельно, уменьшая ESR и ESL соответственно и позволяя им работать на более высоких частотах.
Эти прямоугольные полимерные алюминиевые чип-е-колпачки доступны в корпусе «D» размерами 7,3x4,3 мм и высотой от 2 до 4 мм. Они представляют собой конкурентоспособную альтернативу Ta-caps. [50] [ нужен лучший источник ]
Сравнение механически сравнимых полимерных Al-chip-e-caps и полимерных Ta-chip-e-caps показывает, что разные диэлектрические проницаемости оксида алюминия и пятиокиси тантала мало влияют на удельную емкость из-за разных запасов прочности в оксидных слоях. В полимерных колпачках Ta-e используется толщина оксидного слоя, которая примерно в четыре раза превышает номинальное напряжение, тогда как полимерные колпачки Al-e имеют примерно вдвое большее номинальное напряжение.
Цилиндрические полимерно-алюминиевые конденсаторы, основанные на технологии намотки алюминиевых электролитических конденсаторов с жидкими электролитами. Они доступны только с алюминием в качестве анодного материала.
Они предназначены для больших значений емкости по сравнению с прямоугольными полимерными конденсаторами. Благодаря своей конструкции они могут различаться по высоте на определенной поверхности монтажа, поэтому более высокие значения емкости могут быть достигнуты за счет более высокого корпуса без увеличения монтажной поверхности. Это в первую очередь полезно для печатных плат без ограничения по высоте.
Цилиндрические полимерные колпачки Al-e изготовлены из двух алюминиевых фольг, протравленного и формованного анода и катодной фольги, которые механически разделены сепаратором и намотаны вместе. Обмотку пропитывают предшественниками полимера для получения полимеризованного проводящего полимера с образованием катодного полимерного электрода, электрически соединенного с катодной фольгой. Обмотка тогда встроена в алюминиевый корпус и герметизирована резиновым уплотнителем. Для версии SMD (вертикальный чип = V-чип) корпус снабжен нижней пластиной.
Цилиндрические полимерные алюминиевые конденсаторы дешевле, чем соответствующие полимерные танталовые конденсаторы при заданном значении CV (емкость × номинальное напряжение). Они доступны размером до 10×13 мм (диаметр × высота) со значением CV 3900 мкФ×2,5 В [51]. Они могут работать в диапазоне температур от -55 °C до +125 °C и доступны в номинальном исполнении. значения напряжения от 2,5 до 200 В [42] соответственно 250 В. [43]
В отличие от «мокрых» Al-e-caps, корпуса полимерных Al-конденсаторов не имеют вентиляционного отверстия (выемки) в нижней части корпуса, так как при коротком замыкании не образуется газ, который бы повышал давление в корпусе. Следовательно, заранее заданная точка разрыва не требуется.
Гибридные полимерные конденсаторы доступны только в цилиндрической конструкции, что соответствует описанным выше цилиндрическим полимерным алюминиевым конденсаторам с выводами радиальной (несимметричной) конструкции или с опорной пластиной в версии SMD (V-chip). Отличие состоит в том, что полимер тонкими слоями покрывает только поверхность шероховатой структуры диэлектрика Al 2 O 3 и поверхность катодной фольги. При этом особенно высокоомные части в мелких порах анодной фольги можно сделать низкоомными, чтобы уменьшить ESR конденсаторов. Электрической связью между обоими полимерными слоями служит жидкий электролит, как в обычных влажных алюминиевых колпачках, пропитывающий сепаратор. Небольшое расстояние, на котором проходит нетвердый электролит, немного увеличивает СОЭ, но на самом деле незначительно. Преимущество данной конструкции в том, что жидкий электролит в процессе эксплуатации поставляет кислород, необходимый для самовосстановления диэлектрического слоя при наличии каких-либо мелких дефектов.
Ток, протекающий через небольшой дефект, приводит к избирательному нагреву, который обычно разрушает вышележащую полимерную пленку, изолируя, но не заживляя дефект. В гибридных полимерных конденсаторах жидкость может течь к дефекту, доставляя кислород и восстанавливая диэлектрик за счет образования новых оксидов, уменьшая ток утечки. Гибридные полимерные колпачки Al-e имеют гораздо меньший ток утечки, чем стандартные полимерные колпачки Al-e.
Полимерный электролит, два разных материала анода, алюминий и тантал, а также различные конструкции привели к созданию нескольких семейств полимерных электронных крышек с разными характеристиками. Для сравнения также приведены основные параметры танталовых электролитических конденсаторов с электролитом из диоксида марганца.
(По состоянию на апрель 2015 г.)
Электрические свойства полимерных конденсаторов лучше всего сравнивать, используя постоянную емкость, номинальное напряжение и размеры. Значения ESR и пульсирующего тока являются наиболее важными параметрами для использования полимерных конденсаторов в электронном оборудовании. Ток утечки значителен, поскольку он выше, чем у электронных колпачков с неполимерными электролитами. Включены соответствующие значения Ta-e-caps с электролитом MnO 2 и влажных Al-e-caps.
(По состоянию на июнь 2015 г.)
Преимущества полимерных электронных колпачков перед влажными алюминиевыми колпачками:
Недостатки полимерных электронных колпачков по сравнению с влажными алюминиевыми колпачками:
Преимущества гибридных полимерных Al-e-caps :
Недостатки гибридных полимерных Al-e-caps :
Преимущества полимерных Ta и Al-e-колпачков перед MLCC (керамикой):
Электрические характеристики конденсаторов согласованы с международной типовой спецификацией IEC 60384-1. В этом стандарте электрические характеристики конденсаторов описываются идеализированной последовательно-эквивалентной схемой с электрическими компонентами, моделирующими все омические потери, емкостные и индуктивные параметры электролитических конденсаторов:
Величина емкости полимерных электролитических конденсаторов зависит от частоты измерения и температуры. Электролитические конденсаторы с нетвердыми электролитами демонстрируют более широкую аберрацию в диапазоне частот и температур, чем полимерные конденсаторы.
Стандартизированными условиями измерения полимерных алюминиевых колпачков является метод измерения переменного тока с напряжением 0,5 В, частотой 100/120 Гц и температурой 20 °C. Во избежание Обратное напряжение.
Значение емкости, измеренное на частоте 1 кГц, примерно на 10% меньше значения 100/120 Гц. Следовательно, значения емкости полимерных электронных конденсаторов напрямую не сопоставимы и отличаются от значений емкости пленочных или керамических конденсаторов , емкость которых измеряется на частоте 1 кГц или выше.
Основной единицей емкости полимерного электролитического конденсатора является микрофарад (мкФ). Значение емкости, указанное в технических характеристиках производителя, называется номинальной емкостью C R или номинальной емкостью CN . Он дается согласно IEC 60063 в значениях, соответствующих серии E. Эти значения указаны с допуском по емкости в соответствии со стандартом IEC 60062, предотвращающим перекрытие.
Фактическое измеренное значение емкости должно находиться в пределах допуска.
В соответствии со стандартом IEC 60384-1 допустимое рабочее напряжение для полимерных электронных крышек называется «номинальным напряжением UR » . Номинальное напряжение U R представляет собой максимальное напряжение постоянного тока или пиковое импульсное напряжение, которое может применяться непрерывно при любой температуре в пределах номинального температурного диапазона T R .
Устойчивость электролитических конденсаторов к напряжению снижается с повышением температуры. Для некоторых применений важно использовать более высокий температурный диапазон. Снижение напряжения, приложенного при более высокой температуре, сохраняет запас безопасности. Поэтому для некоторых типов конденсаторов стандарт IEC определяет «напряжение пониженной температуры» для более высокой температуры, «категорию напряжения U C ». Категория напряжения — это максимальное напряжение постоянного тока или пиковое импульсное напряжение, которое может непрерывно прикладываться к конденсатору при любой температуре в температурном диапазоне категории T C . Связь между напряжениями и температурами показана на рисунке справа.
Применение более высокого напряжения, чем указано, может привести к разрушению электролитических конденсаторов.
Применение более низкого напряжения может оказать положительное влияние на полимерные электролитические конденсаторы. Для гибридных полимерных алюминиевых колпачков более низкое приложенное напряжение в некоторых случаях может продлить срок службы. [23] Для полимерных колпачков Ta-e снижение приложенного напряжения повышает надежность и снижает ожидаемую частоту отказов. [52]
Соотношение между номинальной температурой T R и номинальным напряжением U R , а также температурой более высокой категории T C и напряжением пониженной категории U C показано на рисунке справа.
Оксидные слои полимерной электронной крышки формируются по соображениям безопасности при более высоком напряжении, чем номинальное напряжение, называемом импульсным напряжением. Поэтому допускается подавать импульсное напряжение в течение короткого времени и ограниченного числа циклов.
Импульсное напряжение указывает максимальное значение пикового напряжения, которое может быть приложено во время их применения в течение ограниченного числа циклов. [23] Импульсное напряжение стандартизировано в IEC 60384-1.
Для полимерных алюминиевых колпачков импульсное напряжение в 1,15 раза превышает номинальное напряжение. Для полимерных колпачков Ta-e импульсное напряжение может быть в 1,3 раза больше номинального напряжения, округленного до ближайшего вольта. [46]
Импульсное напряжение, приложенное к полимерным конденсаторам, может повлиять на частоту отказов конденсатора. [53] [54] [55]
Переходные процессы – это быстрые скачки высокого напряжения . Полимерные электролитические конденсаторы, алюминиевые, а также танталовые полимерные конденсаторы не выдерживают переходных или пиковых напряжений, превышающих импульсное напряжение. Переходные процессы для этого типа электронных конденсаторов могут разрушить компоненты. [46] [53] [54]
Гибридные полимерные конденсаторы Al-e относительно нечувствительны к высоким и кратковременным переходным напряжениям, превышающим импульсное напряжение, если частота и энергосодержание переходных процессов низкие. [1] [17] Эта способность зависит от номинального напряжения и размера компонента. Переходные напряжения низкой энергии приводят к ограничению напряжения, аналогичному стабилитрону [56]. Однозначная и общая спецификация допустимых переходных процессов или пиковых напряжений невозможна. В каждом случае возникновения переходных процессов применение должно оцениваться индивидуально.
Полимерные электролитические конденсаторы, танталовые, а также алюминиевые полимерные конденсаторы являются поляризованными конденсаторами и обычно требуют, чтобы напряжение анодного электрода было положительным по отношению к напряжению катода. Тем не менее, они могут в течение коротких мгновений выдерживать обратное напряжение, зависящее от типа, в течение ограниченного числа циклов. [57] [58] Обратное напряжение, превышающее пороговый уровень, зависящий от типа, приложенное в течение длительного времени к конденсатору с полимерным электролитом, приводит к короткому замыканию и разрушению конденсатора.
Чтобы свести к минимуму вероятность неправильной установки поляризованного электролита в цепь, полярность должна быть очень четко указана на корпусе, см. раздел «Маркировка полярности» ниже.
См. Также: Электролитический конденсатор#Импеданс и Электролитический конденсатор#ESR и коэффициент рассеяния tan δ.
Импеданс представляет собой комплексное отношение напряжения к току в цепи переменного тока и выражается как сопротивление переменному току как по величине, так и по фазе на определенной частоте. В паспортах конденсаторов с полимерным электролитом только величина импеданса |Z| указывается и просто записывается как «Z» . Что касается стандарта IEC 60384-1, значения импеданса полимерных электролитических конденсаторов измеряются и указываются при частоте 100 кГц.
В частном случае резонанса , когда оба реактивных сопротивления X C и X L имеют одинаковое значение ( X C = X L ), импеданс будет определяться только эквивалентным последовательным сопротивлением ESR , которое суммирует все резистивные потери конденсатора. . На частоте 100 кГц импеданс и ESR имеют почти одинаковое значение для полимерных электронных конденсаторов со значениями емкости в диапазоне мкФ. На частотах выше резонанса импеданс снова увеличивается из-за ESL конденсатора, превращая конденсатор в катушку индуктивности.
Импеданс и СОЭ, как показано на кривых, сильно зависят от используемого электролита. Кривые показывают постепенное снижение значений импеданса и ESR «влажных» колпачков из Al-e и MnO 2 Ta-e-caps, электронных колпачков из Al/TCNQ и танталовых полимеров. Также показана кривая керамического конденсатора MLCC класса 2 с еще меньшими значениями Z и ESR, но емкость которого зависит от напряжения.
Преимуществом полимерных электронных колпачков перед нетвердыми алюминиевыми колпачками является низкая температурная зависимость и практически линейная кривая ЭПР в заданном температурном диапазоне. Это касается как полимера тантала, полимера алюминия, так и гибридных полимерных алюминиевых электронных крышек.
Импеданс и ESR также зависят от конструкции и материалов конденсаторов. Цилиндрические Al-e-колпачки с той же емкостью, что и прямоугольные Al-e-caps, имеют более высокую индуктивность, чем прямоугольные Al-e-caps со слоистыми электродами, и, следовательно, имеют более низкую резонансную частоту. Этот эффект усиливается за счет многоанодной конструкции, в которой отдельные индуктивности уменьшаются за счет их параллельного соединения [47] [48] и метода «лицевой стороной вниз». [49]
«Пульсирующий ток» — это среднеквадратичное значение (RMS) наложенного переменного тока любой частоты и любой формы кривой тока для непрерывной работы в указанном диапазоне температур. Он возникает преимущественно в источниках питания (в том числе импульсных ) после выпрямления переменного напряжения и протекает в виде тока заряда и разряда через развязывающий или сглаживающий конденсатор. [18]
Пульсации токов выделяют тепло внутри корпуса конденсатора. Эти потери мощности рассеяния P L вызваны ESR и представляют собой квадрат эффективного (RMS) пульсирующего тока I R .
Это внутреннее тепло, дополнительно к температуре окружающей среды и другим внешним источникам тепла, приводит к более высокой температуре корпуса конденсатора с разницей температур Δ T по сравнению с окружающей средой. Это тепло должно распределяться в виде тепловых потерь P th по поверхности конденсатора A и термического сопротивления β по отношению к окружающей среде.
Это тепло распространяется в окружающую среду посредством теплового излучения , конвекции и теплопроводности . Температура конденсатора, которая представляет собой чистый баланс между производимым и распределяемым теплом, не должна превышать максимальную заданную температуру конденсатора.
Пульсации тока для полимерных электронных крышек указаны как максимально эффективное (RMS) значение при частоте 100 кГц и верхней номинальной температуре. Несинусоидальные пульсации тока необходимо анализировать и разделять на отдельные частоты с помощью анализа Фурье и суммировать путем сложения квадратов для расчета среднеквадратического значения. [59]
Обычно значение пульсирующего тока рассчитывается для повышения температуры ядра на 2–6 °C по сравнению с окружающей средой, в зависимости от типа и производителя. [60] Пульсации тока можно увеличить при более низких температурах. Поскольку ESR зависит от частоты и возрастает в низкочастотном диапазоне, пульсации тока необходимо уменьшать на более низких частотах. [61]
В полимерных конденсаторах Ta-e тепло, выделяемое пульсациями тока, влияет на надежность конденсаторов. [62] [63] [64] [65] Превышение предела может привести к катастрофическим отказам с короткими замыканиями и возгоранием компонентов.
Тепло, выделяемое пульсирующим током, также влияет на срок службы алюминиевых и танталовых электролитических конденсаторов с твердыми полимерными электролитами. [18] [66]
Тепло пульсаций тока влияет на срок службы всех трех типов полимерных электронных крышек. [18]
Полимерные танталовые электролитические конденсаторы чувствительны к пиковым или импульсным токам. [53] [54] Полимерные колпачки Ta-e, которые подвергаются воздействию импульсных, пиковых или импульсных токов, например, в цепях с высокой индуктивностью, требуют снижения номинального напряжения. Если возможно, профиль напряжения должен представлять собой плавное включение, поскольку это снижает пиковый ток, испытываемый конденсатором.
Гибридные полимерные Al-e-caps не имеют ограничений по току скачка, пика или импульса. Однако суммарные токи не должны превышать указанный ток пульсаций.
Постоянный ток утечки (DCL) является уникальной характеристикой электролитических конденсаторов, которой нет у других обычных конденсаторов. Это постоянный ток, который течет при подаче постоянного напряжения правильной полярности. Этот ток представлен утечкой резистора R параллельно конденсатору в последовательной эквивалентной схеме электронных конденсаторов. Основными причинами ДКЛ для твердополимерных конденсаторов являются точки электрического пробоя диэлектрика после пайки, нежелательные токопроводящие пути из-за примесей или из-за плохого анодирования, а для прямоугольных типов обход диэлектрика из-за избытка MnO 2 , из-за путей попадания влаги или катода. проводники (углерод, серебро). [67]
Спецификация тока утечки в таблице данных дается путем умножения номинального значения емкости C R на значение номинального напряжения U R вместе с добавленной цифрой, измеренной через 2 или 5 минут, например, формула для нетвердых алюминиевых колпачков. :
Ток утечки в твердополимерных электронных крышках обычно очень быстро падает, но затем остается на достигнутом уровне. Значение зависит от приложенного напряжения, температуры, времени измерения и влияния влаги, вызванной условиями герметизации корпуса.
Полимерные электронные колпачки имеют относительно высокие значения тока утечки. Этот ток утечки невозможно уменьшить путем «восстановления» в смысле образования нового оксида, поскольку в нормальных условиях полимерные электролиты не могут доставлять кислород для процессов формования. Отжиг дефектов диэлектрического слоя может осуществляться только за счет локального перегрева и испарения полимера. Значения тока утечки для конденсаторов с полимерным электролитом составляют от 0,2 C R U R до 0,04 C R U R в зависимости от производителя и серии. При этом значение тока утечки для полимерных конденсаторов выше, чем для «мокрых» Al-e-caps и MnO 2 Ta-e-caps.
Этой более высокой утечки тока, являющейся недостатком твердых полимерных алюминиевых колпачков, можно избежать с помощью гибридных алюминиевых колпачков. Их жидкий электролит обеспечивает кислород, необходимый для реформирования оксидных дефектов, так что гибриды достигают тех же значений, что и влажные Al-e-caps. [17] [18]
Диэлектрическая абсорбция возникает, когда конденсатор, который оставался заряженным в течение длительного времени, разряжается лишь частично при кратковременном разряде. Хотя в идеальном конденсаторе после разряда напряжение достигает 0 В, в реальных конденсаторах возникает небольшое напряжение в результате дипольной разрядки с задержкой по времени, явления, которое также называется диэлектрической релаксацией , «пропитыванием» или «действием батареи».
Для полимерных танталовых, а также алюминиевых электролитических конденсаторов данные по диэлектрической абсорбции отсутствуют.
Надежность компонента – это свойство, которое показывает, насколько надежно этот компонент выполняет свою функцию в интервале времени . Оно подвержено случайному процессу и может быть описано качественно и количественно, но не поддается прямому измерению. Надежность электролитических конденсаторов определяют опытным путем путем выявления интенсивности отказов на производстве, сопровождающих ресурсные испытания . Надежность обычно отображается в виде кривой ванны и делится на три области: ранние отказы или отказы, связанные с детской смертностью, постоянные случайные отказы и отказы из-за износа. Отказы, суммируемые в интенсивности отказов, включают короткое замыкание, обрыв цепи и отказы из-за деградации (превышение электрических параметров). Для полимерных колпачков Ta-e на интенсивность отказов также влияет включенный в схему резистор, который не требуется для полимерных колпачков Al-e.
Для проверки уровня отказов в очень низком диапазоне уровней, необходимых сегодня для обеспечения безотказного производства больших количеств компонентов, необходимы миллиарды часов испытаний. Для этого необходимо около миллиона единиц, испытанных в течение длительного периода, а это означает большой штат сотрудников и значительное финансирование. [68] Протестированные показатели частоты отказов часто дополняются отзывами крупных пользователей с мест (частота отказов на местах), что в большинстве случаев снижает оценки частоты отказов.
По историческим причинам интенсивность отказов Ta-e-caps и Al-e-caps различна. Для Al-e-caps прогнозируемая надежность обычно выражается в частоте отказов λ с единицей отказов во времени ( FIT ) при стандартных рабочих условиях 40 ° C и 0,5 U R в период постоянных случайных отказов. Это количество отказов, которое можно ожидать за один миллиард (10 9 ) часов работы компонентов (например, 1000 компонентов за 1 миллион часов или 1 миллион компонентов за 1000 часов, что составляет 1 ppm/1000 часов) при стандартных условиях. условия эксплуатации. Эта модель интенсивности отказов неявно предполагает, что отказы носят случайный характер. Отдельные компоненты выходят из строя в случайное время, но с предсказуемой скоростью. Обратное значение FIT — это среднее время между отказами ( MTBF ) .
Для Ta-e-cap интенсивность отказов «F Ta » указана в единицах «n % отказов на 1000 часов» при 85 °C, U = U R и сопротивлении цепи 0,1 Ом/В. Это процент отказов, который можно ожидать за 1000 часов работы в гораздо более жестких условиях эксплуатации по сравнению с моделью «FIT». Интенсивность отказов «λ» и «F Ta » зависит от условий эксплуатации, включая температуру, приложенное напряжение и различные факторы окружающей среды, такие как влажность, удары или вибрация, а также от значения емкости конденсатора. [52] Интенсивность отказов является возрастающей функцией температуры и приложенного напряжения.
Частота отказов твердых Ta-e-caps и «мокрых» Al-e-caps может быть пересчитана с использованием коэффициентов ускорения, стандартизированных для промышленного [69] или военного [70] контекста. Последний внедрен в промышленность и часто используется для промышленного применения. Однако для полимерных колпачков Ta-e и полимерных Al-e-caps по состоянию на 2016 год коэффициенты ускорения не публиковались. Поэтому пример пересчета интенсивности отказов танталовых конденсаторов F Ta в интенсивность отказов λ можно дать только по формуле сравнение стандартных конденсаторов. Пример:
Интенсивность отказов F Ta = 0,1 %/1000 ч при 85 °С и U = UR должна быть пересчитана в интенсивность отказов λ при 40 °С и U = 0,5 UR .
Используются следующие коэффициенты ускорения из MIL-HDBK 217F:
Следует
По состоянию на 2015 год опубликованные показатели частоты отказов для полимерных танталовых, а также для полимерных алюминиевых конденсаторов находятся в диапазоне от 0,5 до 20 FIT. Эти уровни надежности в течение расчетного срока службы сопоставимы с другими электронными компонентами и обеспечивают безопасную работу в течение десятилетий при нормальных условиях.
Срок службы , срок службы , срок службы нагрузки или срок службы электролитических конденсаторов являются особой характеристикой нетвердых электролитических конденсаторов, жидкий электролит которых может испаряться с течением времени, что приводит к поломкам из-за износа. Твердые танталовые конденсаторы с электролитом MnO 2 не имеют механизма изнашивания, поэтому постоянная интенсивность отказов минимальна до момента выхода из строя всех конденсаторов. У них нет срока службы, как у нетвердых алюминиевых крышек.
Однако полимерные танталовые и полимерные алюминиевые электролитические конденсаторы имеют срок службы. Полимерный электролит имеет небольшое ухудшение проводимости из-за механизма термического разложения проводящего полимера. Электропроводность уменьшается в зависимости от времени, что соответствует зернистой структуре металлического типа, в которой старение происходит из-за сжатия зерен проводящего полимера. [66]
Время работоспособности конденсаторов (срок годности, ресурс нагрузки, срок службы) проверяют с помощью ускоряющего испытания на долговечность по МЭК 60384-24/-25/-26 [71] при номинальном напряжении при температуре верхней категории. Условия прохождения теста:
Указанные пределы деградации полимерных конденсаторов намного ближе, чем для нетвердых алюминиевых конденсаторов. Это означает, что поведение полимерных электронных крышек в течение всего срока службы гораздо более стабильно, чем у влажных алюминиевых электронных крышек.
Срок службы полимерных конденсаторов указан так же, как и для нетвердых алюминиевых конденсаторов, с указанием времени в часах при максимальном напряжении и температуре, например: 2000 ч/105 °C. Это значение можно использовать для оценки срока службы в индивидуальных условиях по формуле, называемой «правило 20 градусов»: [72] [73] [74]
Это правило характеризует изменение скорости термореакций полимеров в заданных пределах деградации. Согласно этой формуле теоретический ожидаемый срок службы полимерного конденсатора с ресурсом 2000 часов и температурой 105 °C, который работает при температуре 65 °C, можно рассчитать (более точно оценить) примерно в 200 000 часов или примерно в 20 лет.
Для гибридных полимерных колпачков Al-e правило 20 градусов не применяется. Ожидаемый срок службы этих полимерных гибридных электронных крышек можно рассчитать с помощью правила 10 градусов . В вышеуказанных условиях срок службы электронных крышек с жидким электролитом составит 32 000 часов или примерно 3,7 года.
Полимерные конденсаторы, как танталовые, так и алюминиевые, надежны на том же высоком уровне, что и другие электронные компоненты, с очень низкой интенсивностью отказов. Однако все танталовые электролитические конденсаторы, включая полимерный тантал, имеют уникальный режим отказа, называемый «кристаллизацией в поле». [75]
Полевая кристаллизация является основной причиной деградации и катастрофических отказов твердотельных танталовых конденсаторов. [76] Более 90% сегодняшних редких отказов Ta-e-cap вызваны короткими замыканиями или повышенным током утечки из-за этого вида отказа. [77]
Чрезвычайно тонкая оксидная пленка танталового электролитического конденсатора, диэлектрический слой, должна иметь аморфную структуру. Изменение аморфной структуры в кристаллизованную увеличивает проводимость, как сообщается, в 1000 раз, а также увеличивает объем оксида. [26] [78]
Полевая кристаллизация с последующим пробой диэлектрика характеризуется внезапным увеличением тока утечки в течение нескольких миллисекунд от величины наноампер до величины ампер в цепях с низким импедансом. Увеличение тока может ускориться как «лавинный эффект» и быстро распространиться по металлу/оксиду. Это может привести к разрушению различной степени: от довольно небольших обгоревших участков на оксиде до зигзагообразных обожженных полос, покрывающих большие площади окатышей, или полного окисления металла. [79] [80] Если источник тока не ограничен, кристаллизация поля может вызвать короткое замыкание конденсатора . Однако, если источник тока ограничен твердыми колпачками Ta-e из MnO 2 , происходит процесс самовосстановления, окисляющий MnO 2 до изолирующего Mn 2 O 3.
В полимерных колпачках Ta-e возгорание не представляет опасности. Однако может произойти полевая кристаллизация. В этом случае полимерный слой избирательно нагревается и выгорает за счет возрастающего тока утечки, чтобы изолировать неисправное место. Поскольку полимерный материал не обеспечивает кислород, ток утечки не может ускоряться. Однако неисправный участок больше не влияет на емкость конденсаторов.
Полимерные колпачки Al-e обладают тем же механизмом самовосстановления, что и полимерные колпачки Ta-e. После приложения напряжения к ослабленным местам оксида образуется локализованный путь повышенного тока утечки. Это приводит к локальному нагреву полимера; при этом полимер либо окисляется и становится высокорезистивным, либо испаряется. Кроме того, гибридные полимерные Al-e-caps демонстрируют этот механизм самовосстановления. Однако жидкий электролит может течь к поврежденному месту и доставлять кислород для образования нового диэлектрического оксида. Это является причиной относительно низких значений тока утечки гибридных полимерных конденсаторов.
Многие различные типы полимерных электролитических конденсаторов демонстрируют различия в электрическом долговременном поведении, характерных для них режимах отказа и механизме самовосстановления. Для обеспечения безопасной эксплуатации производители рекомендуют различные правила применения, ориентированные на тип поведения, см. следующую таблицу:
Символы электролитических конденсаторов
Маркировка полярности полимерных электролитических конденсаторов
Полимерные электролитические конденсаторы, если они занимают достаточно места, имеют выгравированную маркировку, обозначающую
Для очень маленьких конденсаторов маркировка невозможна.
Код маркировки зависит от производителя.
Стандартизация электронных компонентов и связанных с ними технологий осуществляется в соответствии с правилами Международной электротехнической комиссии (МЭК), [82] некоммерческой неправительственной международной организации по стандартизации . [83] [84]
Определение характеристик и порядок проведения методов испытаний конденсаторов, используемых в электронной аппаратуре, изложены в Типовой спецификации :
Испытания и требования, которым должны соответствовать полимерные танталовые и полимерные алюминиевые электролитические конденсаторы для использования в электронном оборудовании для утверждения в качестве стандартизированных типов, изложены в следующих разделах технических характеристик :
Характеристики ESR и ESL полимерных электролитических конденсаторов приближаются к характеристикам конденсаторов MLCC. И наоборот, удельная емкость конденсаторов класса 2-MLCC приближается к емкости танталовых чип-конденсаторов. [85] [86] Однако, помимо этой растущей сопоставимости, существуют аргументы в пользу или против определенных типов конденсаторов. Многие производители конденсаторов приводят эти решающие аргументы своих технологий против конкурентов в презентациях и статьях, [87] f. е.:
По состоянию на июль 2016 г.
{{cite web}}: Отсутствует или пусто |url=( помощь ){{cite web}}: Отсутствует или пусто |url=( помощь )
Определения из Викисловаря
СМИ из Commons
Новости из Викиновостей
Цитаты из Wikiquote
Тексты из Wikisource
Учебники из Wikibooks
Ресурсы из Викиверситета