Ниобиевый электролитический конденсатор (исторически также колумбийный конденсатор [1] [2] ) — это электролитический конденсатор , анод (+) которого изготовлен из пассивированного ниобия или монооксида ниобия , на котором в качестве диэлектрика находится изолирующий слой пентаоксида ниобия . Твердый электролит на поверхности оксидного слоя служит катодом конденсатора (−).
Ниобиевые конденсаторы доступны в корпусе SMD и конкурируют с танталовыми чип-конденсаторами по определенным значениям напряжения и емкости. Они доступны с твердым электролитом из диоксида марганца .
Как и большинство электролитических конденсаторов, ниобиевые конденсаторы являются поляризованными компонентами. Обратные напряжения или пульсирующие токи, превышающие указанные допуски, могут разрушить диэлектрик и, следовательно, конденсатор; возникающее в результате короткое замыкание может привести к возгоранию или взрыву в более крупных устройствах.
Ниобиевые конденсаторы были разработаны в Соединенных Штатах и Советском Союзе в 1960-х годах. С 2002 года они стали коммерчески доступны на Западе, используя преимущества более низкой стоимости и большей доступности ниобия по сравнению с танталом.
Ниобий является родственным танталу металлом. Ниобий имеет схожую с танталом температуру плавления (2744 °C) и проявляет схожие химические свойства. Материалы и процессы, используемые для производства ниобиевых диэлектрических конденсаторов, по сути, такие же, как и для существующих танталовых диэлектрических конденсаторов. Однако ниобий как сырье гораздо более распространен в природе, чем тантал, и он менее дорогой. Характеристики ниобиевых электролитических конденсаторов и танталовых электролитических конденсаторов примерно сопоставимы.
Ниобиевые электролитические конденсаторы могут быть изготовлены с использованием ниобия высокой чистоты в качестве анода, но диффузия кислорода из диэлектрика (Nb2O5 ) в металлический анод ниобия очень высока, что приводит к нестабильности тока утечки или даже к отказам конденсатора. Существует два возможных способа уменьшить диффузию кислорода и улучшить стабильность тока утечки — либо путем легирования металлических порошков нитрида ниобия в пассивированный нитрид ниобия , либо используя оксид ниобия (NbO) в качестве анодного материала. Оксид ниобия — это твердый керамический материал, характеризующийся высокой металлической проводимостью. Порошок оксида ниобия может быть получен в структуре, аналогичной структуре порошка тантала, и может быть обработан аналогичным образом для производства конденсаторов. Его также можно окислить путем анодного окисления ( анодирование , формовка) для создания изолирующего диэлектрического слоя. Таким образом, на рынке представлены два типа ниобиевых электролитических конденсаторов: с пассивированным ниобиевым анодом и с анодом из оксида ниобия. Оба типа используют в качестве диэлектрического слоя пентоксид ниобия (Nb 2 O 5 ).
Ниобий, подобно танталу и алюминию, является так называемым вентильным металлом . При контакте такого металла с электролитической ванной и приложении к нему положительного напряжения образуется слой электроизолирующего оксида, толщина которого соответствует приложенному напряжению . Этот оксидный слой действует как диэлектрик в электролитическом конденсаторе .
Это свойство ниобия было известно с начала 20 века. Хотя ниобий более распространен в природе и менее дорог, чем тантал, его высокая температура плавления 2744 °C препятствовала разработке ниобиевых электролитических конденсаторов.
В 1960-х годах более высокая доступность ниобиевой руды по сравнению с танталовой рудой побудила к исследованиям ниобиевых электролитических конденсаторов в Советском Союзе. [3] Здесь они служили той же цели, что и танталовые конденсаторы на Западе. С падением железного занавеса технология стала более известной на Западе, и основные производители конденсаторов проявили интерес к ней в конце 1990-х годов. Материалы и процессы, используемые для производства ниобиевых конденсаторов, по сути, такие же, как и для танталовых конденсаторов. Рост цен на тантал в 2000 и 2001 годах стимулировал разработку ниобиевых электролитических конденсаторов с диоксидом марганца и полимерными электролитами, которые стали доступны с 2002 года. [4] [5]
Каждый электролитический конденсатор можно рассматривать как «плоский конденсатор», емкость которого увеличивается с площадью электрода (A) и диэлектрической проницаемостью (ε), и уменьшается с толщиной диэлектрика (d).
Толщина диэлектрика ниобиевых электролитических конденсаторов очень мала и составляет порядка нанометров на вольт. [6] Этот очень тонкий диэлектрический слой в сочетании с достаточно высокой диэлектрической прочностью позволяет ниобиевым электролитическим конденсаторам достигать высокой объемной емкости, сравнимой с танталовыми конденсаторами.
Материал анода из ниобия изготавливается из порошка, спеченного в гранулу с шероховатой структурой поверхности, предназначенной для увеличения площади поверхности электрода A по сравнению с гладкой поверхностью с той же площадью. Это увеличение площади поверхности может увеличить емкость в 200 раз для твердых ниобиевых электролитических конденсаторов в зависимости от номинального напряжения. [7]
Свойства диэлектрического слоя пентаоксида ниобия по сравнению со слоем пентаоксида тантала приведены в следующей таблице: [8]
Более высокая диэлектрическая проницаемость и более низкое напряжение пробоя пентаоксида ниобия по сравнению с пентаоксидом тантала приводят к тому, что ниобиевые и танталовые конденсаторы имеют схожие размеры при заданной емкости и номинальном напряжении.
Типичный ниобиевый конденсатор представляет собой чип-конденсатор и состоит из порошка ниобия или оксида ниобия, спрессованного и спеченного в таблетку, которая служит анодом конденсатора, со слоем оксида пентаоксида ниобия в качестве диэлектрика и твердым электролитом из диоксида марганца в качестве катода .
Комбинация анодных материалов для ниобиевых и танталовых электролитических конденсаторов и используемых электролитов сформировала широкий спектр типов конденсаторов с различными свойствами. Краткое описание основных характеристик различных типов приведено в таблице ниже.
Электролитические конденсаторы из тантала и ниобия с твердым электролитом в качестве поверхностно монтируемых чип-конденсаторов в основном используются в электронных устройствах, в которых мало места или требуется низкий профиль. Они надежно работают в широком диапазоне температур без больших отклонений параметров. [4] [6] [8] [9] [10]
Для сравнения различных характеристик различных типов электролитических чип-конденсаторов в следующей таблице сравниваются образцы с одинаковыми размерами и сопоставимой емкостью и напряжением. При таком сравнении значения ESR и пульсирующего тока являются наиболее важными параметрами для использования электролитических конденсаторов в современном электронном оборудовании. Чем ниже ESR, тем выше пульсирующий ток на единицу объема, тем лучше функциональность конденсатора в цепи.
(1) 100 мкФ/10 В, если не указано иное,
(2) рассчитано для конденсатора 100 мкФ/10 В,
Явление, при котором электрохимически может образовываться оксидный слой на алюминии и металлах, таких как тантал или ниобий, блокируя электрический ток в одном направлении, но позволяя ему течь в другом направлении, было открыто в 1875 году французским исследователем Эженом Дюкрете . Он ввел термин «вентильный металл» для таких металлов. Шарль Поллак (урожденный Кароль Поллак ) использовал это явление для идеи поляризованного «электрического жидкостного конденсатора с алюминиевыми электродами». В 1896 году Поллак получил патент на первый электролитический конденсатор. [11] Первые танталовые электролитические конденсаторы с намотанной танталовой фольгой и нетвердым электролитом были разработаны в 1930 году компанией Tansitor Electronics Inc., США, и использовались в военных целях. [12]
Разработка танталовых конденсаторов с твердым электролитом началась в начале 1950-х годов как миниатюрного, более надежного низковольтного опорного конденсатора для дополнения недавно изобретенного транзистора . Решение, найденное RL Taylor и HE Haring из Bell Labs, было основано на опыте работы с керамикой. Они измельчали тантал в порошок, прессовали этот порошок в цилиндрическую форму, а затем спекали частицы порошка в таблетку («слиток») при высоких температурах, от 1500 до 2000 °C, в условиях вакуума. [13] [14] Эти первые спеченные танталовые конденсаторы использовали нетвердый электролит, не соответствующий концепции твердотельной электроники. 1952 целенаправленный поиск твердого электролита в Bell Labs DA McLean и FS Power привел к изобретению диоксида марганца в качестве твердого электролита для спеченного танталового конденсатора. [15]
Ниобиевые электролитические конденсаторы как дискретные компоненты не являются идеальными конденсаторами, они имеют потери и паразитные индуктивные части. Все свойства могут быть определены и указаны последовательной эквивалентной схемой, составленной из идеализированной емкости и дополнительных электрических компонентов, которые моделируют все потери и индуктивные параметры конденсатора. В этой последовательно-эквивалентной схеме электрические характеристики определяются следующим образом:
Использование последовательной эквивалентной схемы вместо параллельной эквивалентной схемы регламентируется стандартом IEC /EN 60384-1.
Электрические характеристики ниобиевых электролитических конденсаторов зависят от структуры анода и типа электролита. Значение емкости конденсатора зависит от частоты измерения и температуры. Номинальное значение емкости или номинал указывается в технических паспортах производителей и обозначается символом C R C N . Стандартизированным условием измерения для электролитических конденсаторов является метод измерения переменного тока с частотой 100/120 Гц. Измерительное напряжение переменного тока не должно превышать 0,5 В AC- RMS .
Процент допустимого отклонения измеренной емкости от номинального значения называется допуском емкости. Электролитические конденсаторы выпускаются в различных сериях допусков, значения которых указаны в серии E, указанной в IEC 60063. Для сокращенной маркировки в узких местах в IEC 60062 указан буквенный код для каждого допуска.
Согласно стандарту IEC/EN 60384-1 допустимое рабочее напряжение для ниобиевых конденсаторов называется «номинальным напряжением U R » или «номинальным напряжением U N ». Номинальное напряжение U R — это максимальное постоянное напряжение или пиковое импульсное напряжение, которое может быть приложено непрерывно при любой температуре в пределах номинального температурного диапазона T R (IEC/EN 60384-1).
Напряжение, выдерживаемое электролитически конденсаторами, уменьшается с ростом температуры. Для некоторых применений важно использовать более высокий температурный диапазон. Снижение напряжения, прикладываемого при более высокой температуре, сохраняет запасы безопасности. Поэтому для некоторых типов конденсаторов стандарт IEC определяет «температурное пониженное напряжение» для более высокой температуры, «категориальное напряжение U C ». Категориальное напряжение — это максимальное постоянное напряжение или пиковое импульсное напряжение, которое может непрерывно подаваться на конденсатор при любой температуре в пределах температурного диапазона категории T C . Соотношение между напряжениями и температурами показано на рисунке справа (или выше на мобильных устройствах).
Более низкое приложенное напряжение может иметь положительное влияние на танталовые (и ниобиевые) электролитические конденсаторы. Снижение приложенного напряжения увеличивает надежность и снижает ожидаемую частоту отказов. [16]
Применение напряжения, превышающего указанное значение, может привести к разрушению электролитических конденсаторов.
Импульсное напряжение указывает максимальное пиковое значение напряжения, которое может быть приложено к электролитическим конденсаторам во время их применения в течение ограниченного числа циклов. Импульсное напряжение стандартизировано в IEC/EN 60384-1. Для ниобиевых электролитических конденсаторов импульсное напряжение не должно превышать 1,3 номинального напряжения, округленного до ближайшего вольта. Импульсное напряжение, приложенное к ниобиевым конденсаторам, может влиять на интенсивность отказов конденсаторов.
Как и другие электролитические конденсаторы, ниобиевые электролитические конденсаторы поляризованы и требуют, чтобы напряжение анодного электрода было положительным относительно напряжения катода.
Общая информация об импедансе, эквивалентном последовательном сопротивлении, коэффициенте рассеяния tan δ, токе пульсации и токе утечки см. в разделе «Электролитический конденсатор».
Общую информацию о надежности и частоте отказов см. в разделе Электролитический конденсатор .
Срок службы , срок службы , срок службы под нагрузкой или полезный срок службы электролитических конденсаторов является особой характеристикой нетвердых электролитических конденсаторов, особенно нетвердых алюминиевых электролитических конденсаторов. Их жидкий электролит может испаряться с течением времени, что приводит к отказам из-за износа. Твердые ниобиевые конденсаторы с электролитом из диоксида марганца не имеют механизма износа, поэтому постоянная интенсивность отказов продолжается до момента, когда все конденсаторы выйдут из строя. У них нет спецификации срока службы, как у нетвердых алюминиевых электролитических конденсаторов.
Однако, твердотельные полимерные ниобиевые электролитические конденсаторы имеют спецификацию срока службы. Электролит ухудшается из-за механизма термической деградации проводящего полимера. Электропроводность уменьшается как функция времени в соответствии с гранулированной структурой, в которой старение происходит из-за усадки зерен проводящего полимера. [17] Срок службы полимерных электролитических конденсаторов указывается в тех же терминах, что и для нетвердых электронных конденсаторов, но расчет срока службы следует другим правилам, что приводит к гораздо более длительному сроку эксплуатации. [18] [19] [20]
Различные типы электролитических конденсаторов демонстрируют разное поведение в долгосрочной стабильности, присущих режимах отказа и механизмах их самовосстановления. Правила применения для типов с присущим режимом отказа указаны для обеспечения высокой надежности и длительного срока службы конденсаторов.
Редким отказом в твердотельных электролитических конденсаторах является пробой диэлектрика, вызванный дефектами или примесями. В ниобиевых электролитических конденсаторах диэлектриком является пентаоксид ниобия (Nb2O5 ) . Помимо этого пентаоксида существует дополнительный субоксид ниобия, диоксид ниобия ( NbO2 ) . NbO2 является полупроводниковым материалом с более высокой проводимостью, чем Nb2O5 , но намного ниже, чем у короткого замыкания. В случае дефектов или примесей в диэлектрике, которые вызывают частичный диэлектрический пробой , проводящий канал будет эффективно изолирован путем восстановления Nb2O5 до высокоомного NbO2 , если энергия ограничена.
По мере того, как больше энергии прикладывается к неисправному твердому ниобию, в конечном итоге либо высокоомный канал NbO 2 , либо диэлектрик Nb 2 O 5 выходят из строя, и конденсатор проявляет тепловой отказ. По сравнению с твердыми танталовыми конденсаторами тепловой отказ ниобиевых анодов будет происходить примерно при в три раза большей мощности, чем у танталовых анодов. Это дает значительное снижение (95%) режима отказа зажигания по сравнению с твердыми танталовыми конденсаторами.
Диэлектрический слой Nb 2 O 5 твердотельных ниобиевых электролитических конденсаторов имеет более низкое пробивное напряжение, чем Ta 2 O 5 в танталовых конденсаторах, и поэтому становится толще за каждый приложенный вольт и, таким образом, работает при более низкой напряженности поля для заданного номинального напряжения с более низким электрическим напряжением диэлектрика. В сочетании с анодами из оксида ниобия, которые более устойчивы к диффузии кислорода, что приводит к более низким правилам снижения напряжения по сравнению с пассивированными анодами из ниобия или тантала. [8]
Символы электролитических конденсаторов
Ниобиевые конденсаторы в целом являются поляризованными компонентами с четко обозначенными положительными клеммами. При воздействии обратной полярности (даже кратковременно) конденсатор деполяризуется, и диэлектрический оксидный слой разрушается, что может привести к его отказу даже при последующей эксплуатации с правильной полярностью. Если отказ представляет собой короткое замыкание (наиболее распространенное явление), а ток не ограничен безопасным значением, может произойти катастрофический тепловой разгон.
Стандартизация всех электрических , электронных компонентов и связанных с ними технологий следует правилам, установленным Международной электротехнической комиссией (МЭК), [25] некоммерческой неправительственной международной организацией по стандартизации . [26] [27] Определение характеристик и порядок проведения методов испытаний конденсаторов для использования в электронном оборудовании изложены в общей спецификации:
До настоящего времени (2014 г.) не существует подробной спецификации МЭК для ниобиевых электролитических конденсаторов.
Для производителей электроники в США EIA публикует стандарт для ниобиевых и танталовых чип-конденсаторов:
