Танталовый электролитический конденсатор — это электролитический конденсатор , пассивный компонент электронных схем . Он состоит из гранулы пористого металла тантала в качестве анода , покрытой изолирующим оксидным слоем, который образует диэлектрик, окруженный жидким или твердым электролитом в качестве катода . Благодаря своему очень тонкому и относительно высокому диэлектрическому слою диэлектрика танталовый конденсатор отличается от других обычных и электролитических конденсаторов высокой емкостью на единицу объема (высокая объемная эффективность) и меньшим весом.
Тантал является конфликтным ресурсом . Танталовые электролитические конденсаторы значительно дороже, чем сопоставимые алюминиевые электролитические конденсаторы .
Танталовые конденсаторы изначально являются поляризованными компонентами. Обратное напряжение может разрушить конденсатор. Неполярные или биполярные танталовые конденсаторы изготавливаются путем эффективного последовательного соединения двух поляризованных конденсаторов, при этом аноды ориентированы в противоположных направлениях.
Танталовые электролитические конденсаторы широко используются в электронных устройствах , которым требуется стабильная емкость , низкий ток утечки и где надежность имеет решающее значение. [1] Благодаря своей надежности, долговечности и производительности в экстремальных условиях они используются в медицинском оборудовании, [2] аэрокосмической и военной технике. [3] Другие области применения включают блоки питания , измерительные приборы , телекоммуникационное оборудование и компьютерную периферию. [4]
Электролитические конденсаторы используют химическую особенность некоторых специальных металлов, исторически называемых вентильными металлами , которые могут образовывать изолирующий оксидный слой. Приложение положительного напряжения к анодному материалу тантала в электролитической ванне образует оксидный барьерный слой толщиной, пропорциональной приложенному напряжению. Этот оксидный слой служит диэлектриком в электролитическом конденсаторе. Свойства этого оксидного слоя сравниваются со свойствами оксидного слоя ниобиевого электролитического конденсатора в следующей таблице:
После формирования диэлектрического оксида на грубых анодных структурах необходим катод. Электролит действует как катод электролитических конденсаторов. Существует много различных электролитов, которые используются. Как правило, электролиты будут различаться на два вида: нетвердые и твердые электролиты. Нетвердые электролиты представляют собой жидкую среду, проводимость которой является ионной . Оксидный слой может быть разрушен, если полярность приложенного напряжения будет изменена на обратную.
Каждый электролитический конденсатор в принципе представляет собой плоский конденсатор , емкость которого тем больше, чем больше площадь электрода A и диэлектрическая проницаемость ε, а также чем меньше толщина диэлектрика d.
Толщина диэлектрика электролитических конденсаторов очень мала, в диапазоне нанометров на вольт. Несмотря на это, диэлектрическая прочность этих оксидных слоев довольно высока. Таким образом, танталовые конденсаторы могут достигать высокой объемной емкости по сравнению с другими типами конденсаторов.
Все протравленные или спеченные аноды имеют гораздо большую общую площадь поверхности по сравнению с гладкой поверхностью тех же общих размеров. Это увеличение площади поверхности увеличивает значение емкости до 200 раз (в зависимости от номинального напряжения) для твердотельных танталовых электролитических конденсаторов. [6]
Объем электролитического конденсатора определяется произведением емкости и напряжения, так называемым CV-объемом . Однако, сравнивая диэлектрические проницаемости различных оксидных материалов, можно увидеть, что пентаоксид тантала имеет примерно в 3 раза большую диэлектрическую проницаемость, чем оксид алюминия. Танталовые электролитические конденсаторы с заданным значением CV могут быть, следовательно, меньше алюминиевых электролитических конденсаторов.
Типичный танталовый конденсатор представляет собой чип-конденсатор и состоит из танталового порошка, спрессованного и спеченного в таблетку, которая служит анодом конденсатора, со слоем оксида пентаоксида тантала в качестве диэлектрика и твердым электролитом из диоксида марганца в качестве катода .
Танталовые конденсаторы изготавливаются из порошка относительно чистого элементарного тантала . [7] [8] [9] Обычный показатель качества для сравнения объемной эффективности порошков выражается в емкости (C, обычно в мкФ), умноженной на вольты (В) на грамм (г). С середины 1980-х годов изготовленные танталовые порошки демонстрируют примерно десятикратное улучшение значений CV/g (примерно с 20k до 200k). [6] Типичный размер частиц составляет от 2 до 10 мкм. На рисунке 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.
Порошок сжимается вокруг танталовой проволоки (известной как стояк), образуя «таблетку». [10] В конечном итоге стояк становится анодным соединением с конденсатором. Эта комбинация таблетки/провода впоследствии спекается в вакууме при высокой температуре (обычно от 1200 до 1800 °C), что дает механически прочную таблетку и удаляет многие примеси из порошка. Во время спекания порошок приобретает губчатую структуру, в которой все частицы связаны в монолитную пространственную решетку. Эта структура имеет предсказуемую механическую прочность и плотность, но также является высокопористой, создавая большую внутреннюю площадь поверхности (см. Рисунок 2).
Большие площади поверхности обеспечивают более высокую емкость; таким образом, порошки с высоким CV /g, которые имеют меньший средний размер частиц, используются для деталей с низким напряжением и высокой емкостью. Выбрав правильный тип порошка и температуру спекания, можно получить определенную емкость или номинальную мощность напряжения. Например, конденсатор 220 мкФ 6 В будет иметь площадь поверхности, близкую к 346 см 2 , или 80% от размера листа бумаги (бумага US Letter, 8,5×11 дюймов имеет площадь ~413 см 2 ), хотя общий объем гранулы составляет всего около 0,0016 см 3 .
Затем диэлектрик формируется на всех поверхностях частиц тантала с помощью электрохимического процесса анодирования . Для этого «таблетка» погружается в очень слабый раствор кислоты и подается постоянное напряжение. Общая толщина диэлектрика определяется конечным напряжением, приложенным в процессе формирования. 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, а ток спадает почти до нуля, чтобы обеспечить равномерную толщину по всему устройству и производственной партии. Химические уравнения, описывающие процесс образования диэлектрика на аноде, следующие: [9]
Оксид образуется на поверхности тантала, но он также прорастает в материал. Для каждой единицы толщины роста оксида, одна треть прорастает наружу и две трети прорастают внутрь. Из-за пределов роста оксида существует ограничение на максимальное номинальное напряжение оксида тантала для каждого из имеющихся в настоящее время танталовых порошков (см. Рисунок 3).
Толщина диэлектрического слоя, создаваемого формовочным напряжением, прямо пропорциональна напряжению, выдерживаемому электролитически конденсаторами. [11] Электролитические конденсаторы изготавливаются с запасом 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 твердых 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, обеспечивая более надежный диэлектрик. [12] Этот очень высокий запас прочности подтверждается механизмом отказа твердых танталовых конденсаторов, «полевой кристаллизацией». [13] [14] [15] [16] [17] Для танталовых конденсаторов с твердым полимерным электролитом запас прочности намного ниже, обычно около 2. [16] [18]
Следующим этапом для твердотельных танталовых конденсаторов является нанесение катодной пластины (влажные танталовые конденсаторы используют жидкий электролит в качестве катода в сочетании с их корпусом). Это достигается путем пиролиза нитрата марганца в диоксид марганца . «Гранулу» окунают в водный раствор нитрата, а затем обжигают в печи при температуре около 250 °C для получения диоксидного покрытия. Химическое уравнение: [9]
Этот процесс повторяется несколько раз с использованием раствора нитрата разной плотности, чтобы образовать толстое покрытие на всех внутренних и внешних поверхностях «гранулы», как показано на рисунке 4.
В традиционной конструкции «таблетка» последовательно окунается в графит , а затем в серебро [19] , чтобы обеспечить хорошее соединение катодной пластины из диоксида марганца с внешним выводом катода (см. рисунок 5).
На рисунке ниже показана технологическая линия по производству танталовых электролитических чип-конденсаторов со спеченным анодом и твердым электролитом из диоксида марганца.
Танталовые электролитические конденсаторы изготавливаются в трех различных исполнениях: [9]
Более 90% всех танталовых электролитических конденсаторов производятся в стиле SMD как танталовые чип-конденсаторы. Он имеет контактные поверхности на торцах корпуса и производится в разных размерах, как правило, в соответствии со стандартом EIA -535-BAAC. Различные размеры также можно идентифицировать по буквам кода корпуса. Для некоторых размеров корпуса (от A до E), которые производятся в течение многих десятилетий, размеры и кодировка корпуса у всех производителей по-прежнему в основном одинаковы. Однако новые разработки в области танталовых электролитических конденсаторов, такие как многоанодная технология для снижения ESR или технология «лицом вниз» для снижения индуктивности, привели к гораздо более широкому диапазону размеров чипов и их кодов корпусов. Эти отклонения от стандартов EIA означают, что устройства от разных производителей больше не всегда единообразны.
Обзор размеров обычных танталовых прямоугольных чип-конденсаторов и их кодировка приведены в следующей таблице: [20]
Главной особенностью современных нетвердых (мокрых) танталовых электролитических конденсаторов является их плотность энергии по сравнению с плотностью энергии твердотельных танталовых и мокрых алюминиевых электролитических конденсаторов в том же температурном диапазоне. Благодаря своим самовосстанавливающимся свойствам (нетвердый электролит может доставлять кислород для образования нового оксидного слоя в слабых областях диэлектрика), толщина диэлектрика может быть сформирована с гораздо меньшим запасом прочности и, следовательно, с гораздо более тонким диэлектриком, чем для твердых типов, что приводит к более высокому значению CV на единицу объема. Кроме того, мокрые танталовые конденсаторы способны работать при напряжениях свыше 100 В до 630 В, имеют относительно низкое ESR и имеют самый низкий ток утечки среди всех электролитических конденсаторов.
Первоначальные влажные танталовые конденсаторы, разработанные в 1930-х годах, представляли собой аксиальные конденсаторы, имеющие намотанный элемент, состоящий из танталового анода и фольгированного катода, разделенных бумажной полосой, пропитанной электролитом, установленные в серебряном корпусе и негерметично запечатанные эластомером. [21] Благодаря инертности и устойчивости диэлектрического оксидного слоя тантала к сильным кислотам влажные танталовые конденсаторы могли использовать серную кислоту в качестве электролита, что обеспечивало им относительно низкое ESR.
Поскольку в прошлом серебряные корпуса имели проблемы с миграцией серебра и образованием усов , что приводило к увеличению токов утечки и коротким замыканиям, в новых типах танталовых конденсаторов с жидким электролитом используются ячейки из спеченных танталовых таблеток и гелеобразный сернокислотный электролит, установленные в корпусе из чистого тантала.
Из-за своей относительно высокой цены, мокрые танталовые электролитические конденсаторы имеют мало потребительских применений. Они используются в промышленных приложениях повышенной прочности, например, в зондах для разведки нефти. Типы с военными одобрениями могут обеспечить расширенные номиналы емкости и напряжения, а также высокие уровни качества, необходимые для авионики, военных и космических приложений.
Группа «вентильных металлов», способных образовывать изолирующую оксидную пленку, была открыта в 1875 году. В 1896 году Кароль Поллак запатентовал конденсатор с алюминиевыми электродами и жидким электролитом. Алюминиевые электролитические конденсаторы были серийно изготовлены 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. [21]
Твердоэлектролитные танталовые конденсаторы были изобретены Bell Laboratories в начале 1950-х годов как миниатюрный и более надежный низковольтный опорный конденсатор для дополнения их недавно изобретенного транзистора . Решение, которое RL Taylor и HE Haring из Bell Labs нашли для нового миниатюрного конденсатора, найденного в начале 1950-х годов, было основано на опыте работы с керамикой. Они измельчили металлический тантал в порошок, спрессовали 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»). [22] [23]
Эти первые спеченные танталовые конденсаторы использовали жидкий электролит. В 1952 году исследователи Bell Labs открыли возможность использования диоксида марганца в качестве твердого электролита для спеченного танталового конденсатора. [24]
Хотя фундаментальные изобретения были сделаны в Bell Labs, инновации для производства коммерчески жизнеспособных танталовых электролитических конденсаторов были сделаны исследователями Sprague Electric Company . Престон Робинсон, директор по исследованиям Sprague, считается фактическим изобретателем танталовых конденсаторов в 1954 году. [25] [26] Его изобретение было поддержано RJ Millard, который ввел этап «реформы» в 1955 году, [27] [28] значительное улучшение, при котором диэлектрик конденсатора восстанавливался после каждого цикла погружения и преобразования осаждения MnO 2. Это значительно снизило ток утечки готовых конденсаторов.
Этот первый твердый электролит диоксида марганца имел в 10 раз лучшую проводимость, чем все другие типы нетвердоэлектролитных конденсаторов. В стиле танталовых жемчужин они вскоре нашли широкое применение в радио- и новых телевизионных устройствах.
В 1971 году Intel выпустила свой первый микрокомпьютер (MCS 4), а в 1972 году Hewlett Packard выпустила один из первых карманных калькуляторов ( HP-35 ). [29] [30] Требования к конденсаторам возросли, особенно потребность в меньших потерях. Эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) для шунтирующих и развязывающих конденсаторов стандартных электролитических конденсаторов необходимо было уменьшить. [31]
Хотя твердые танталовые конденсаторы имели более низкие значения ESR и тока утечки, чем алюминиевые электролитические конденсаторы, в 1980 году ценовой шок на тантал в промышленности резко снизил возможность использования танталовых конденсаторов, особенно в бытовой развлекательной электронике. [32] [33] В поисках более дешевых альтернатив промышленность вернулась к использованию алюминиевых электролитических конденсаторов.
Разработка проводящих полимеров Аланом Дж. Хигером , Аланом МакДиармидом и Хидеки Сиракавой в 1975 году стала прорывом в области более низкого ESR. [34] Проводимость проводящих полимеров, таких как полипиррол (PPy) [35] или PEDOT [36], в 1000 раз лучше, чем у диоксида марганца, и близка к проводимости металлов. В 1993 году NEC представила свои полимерные танталовые электролитические конденсаторы SMD, названные «NeoCap». В 1997 году Sanyo последовала за ними со своими полимерными танталовыми чипами «POSCAP».
Новый проводящий полимер для танталовых полимерных конденсаторов был представлен Kemet на конференции "1999 Carts". [37] В этом конденсаторе использовался недавно разработанный органический проводящий полимер PEDT Poly(3,4-этилендиокситиофен), также известный как PEDOT (торговое название Baytron). [38]
Эта разработка конденсаторов с низким ESR и высоким CV-объемом в стиле чипа для быстрорастущей технологии SMD в 1990-х годах резко увеличила спрос на танталовые чипы. Однако очередной ценовой взрыв на тантал в 2000/2001 годах вынудил разработать ниобиевые электролитические конденсаторы с электролитом из диоксида марганца, которые стали доступны с 2002 года. [39] [40] Материалы и процессы, используемые для производства ниобиевых диэлектрических конденсаторов, по сути, такие же, как и для существующих танталовых диэлектрических конденсаторов. Характеристики ниобиевых электролитических конденсаторов и танталовых электролитических конденсаторов примерно сопоставимы. [41]
Танталовые электролитические конденсаторы как дискретные компоненты не являются идеальными конденсаторами, поскольку имеют потери и паразитные индуктивные части. Все свойства могут быть определены и указаны последовательной эквивалентной схемой, состоящей 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 регламентируется стандартом IEC /EN 60384-1.
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. Основной единицей емкости электролитических конденсаторов является микрофарад (мкФ).
Значение емкости, указанное в технических паспортах производителей, называется номинальной емкостью C R или номинальной емкостью C N и является значением, на которое рассчитан конденсатор. Стандартизированным условием измерения для электролитических конденсаторов является метод измерения переменного тока с частотой от 100 до 120 Гц. Электролитические конденсаторы отличаются от других типов конденсаторов, емкости которых обычно измеряются на частоте 1 кГц или выше. Для танталовых конденсаторов во время измерения может применяться постоянное напряжение смещения от 1,1 до 1,5 В для типов с номинальным напряжением ≤2,5 В или от 2,1 до 2,5 В для типов с номинальным напряжением >2,5 В, чтобы избежать обратного напряжения.
Процент допустимого отклонения измеренной емкости от номинального значения называется допуском емкости. Электролитические конденсаторы доступны в различных классификациях серий допусков, значения которых указаны в серии E, указанной в IEC 60063. Для сокращенной маркировки в узких местах буквенный код для каждого допуска указан в IEC 60062.
Требуемый допуск емкости определяется конкретным применением. Электролитические конденсаторы, которые часто используются для фильтрации и шунтирования , не нуждаются в узких допусках, поскольку они в основном не используются для точных частотных приложений, таких как генераторы .
Согласно стандарту IEC/EN 60384-1 допустимое рабочее напряжение для танталовых 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).
Номинальное напряжение электролитических конденсаторов уменьшается с ростом температуры. Для некоторых применений важно использовать более высокий температурный диапазон. Снижение напряжения, приложенного при более высокой температуре, сохраняет запасы безопасности. Поэтому для некоторых типов конденсаторов стандарт IEC указывает «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.
Более низкое приложенное напряжение может иметь положительное влияние на танталовые электролитические конденсаторы. Снижение приложенного напряжения увеличивает надежность и снижает ожидаемую частоту отказов. [42]
Применение напряжения, превышающего указанное значение, может привести к разрушению танталовых 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 танталовых электролитических конденсаторов импульсное напряжение должно быть в 1,3 раза больше номинального напряжения, округленного до ближайшего вольта. Импульсное напряжение, приложенное к танталовым конденсаторам, может влиять на частоту отказов конденсаторов. [43] [44]
Переходное напряжение или скачок тока, приложенные к танталовым электролитическим конденсаторам с твердым электролитом из диоксида марганца, могут привести к выходу из строя некоторых танталовых конденсаторов и могут напрямую привести к короткому замыканию. [43] [45]
Электролитические элементы тантала поляризованы и, как правило, требуют, чтобы напряжение анодного электрода было положительным относительно напряжения катода.
При приложении обратного напряжения обратный ток утечки протекает в очень малых 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 пентаоксида тантала в более проводящую кристаллическую форму. При наличии высокого тока этот эффект может лавинообразно нарастать, и конденсатор может стать полностью коротким.
Тем не менее, танталовые электролитические конденсаторы могут выдерживать кратковременное обратное напряжение в течение ограниченного числа циклов. Наиболее распространенные рекомендации для обратного напряжения тантала:
Эти рекомендации применимы для кратковременных скачков и никогда не должны использоваться для определения максимального обратного напряжения, при котором конденсатор может использоваться постоянно. [46] [47]
Танталовые электролитические конденсаторы, как и другие обычные конденсаторы, имеют две электрические функции. Для таймеров или подобных приложений конденсаторы рассматриваются как компонент хранения для хранения электрической энергии. Но для сглаживающих, шунтирующих или развязывающих приложений, таких как источники питания , конденсаторы работают дополнительно как резисторы переменного тока для фильтрации нежелательных компонентов переменного тока из шин напряжения. Для этой (смещенной) функции переменного тока зависящее от частоты сопротивление переменного тока ( импеданс «Z» ) так же важно, как и значение емкости.
Импеданс — это комплексное отношение напряжения к току с амплитудой и фазой на определенной частоте в цепи переменного тока. В этом смысле импеданс — это мера способности конденсатора ослаблять переменные токи и может использоваться подобно закону Ома.
Импеданс — это частотно-зависимое сопротивление переменному току, которое обладает как величиной, так и фазой на определенной частоте. В технических паспортах электролитических конденсаторов указывается только величина импеданса |Z| , которая просто записывается как «Z» . Согласно стандарту 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 можно также рассчитать, используя идеализированные компоненты из последовательной эквивалентной цепи конденсатора, включая идеальный конденсатор C , резистор ESR и индуктивность ESL . В этом случае импеданс на угловой частоте ω, следовательно, определяется геометрическим (комплексным) сложением ESR и емкостного реактивного сопротивления X C
и индуктивным сопротивлением X L ( индуктивность )
.
Тогда Z определяется как
В особом случае резонанса , когда оба реактивных сопротивления X C и X L имеют одинаковое значение ( X C =X L ), то импеданс будет определяться только ESR . При частотах выше резонанса импеданс снова увеличивается из-за ESL конденсатора. В этой точке конденсатор начинает вести себя в первую очередь как индуктивность.
Эквивалентное последовательное сопротивление ( ESR ) суммирует все резистивные потери конденсатора. Это терминальные сопротивления, контактное сопротивление электродного контакта, линейное сопротивление электродов, сопротивление электролита и диэлектрические потери в диэлектрическом оксидном слое. [48]
ESR влияет на оставшуюся наложенную пульсацию переменного тока после сглаживания и может повлиять на функциональность схемы. В связи с конденсатором ESR отвечает за внутреннюю генерацию тепла, если ток #пульсации протекает через конденсатор. Это внутреннее тепло может повлиять на надежность танталовых электролитических конденсаторов.
Как правило, СОЭ уменьшается с ростом частоты и температуры. [49]
Обсуждения электролитических конденсаторов исторически иногда ссылаются на коэффициент рассеяния , tan δ , в соответствующих технических описаниях вместо ESR . Коэффициент рассеяния определяется тангенсом фазового угла между вычитанием емкостного сопротивления X C из индуктивного сопротивления X L и ESR . Если индуктивность конденсатора ESL мала, коэффициент рассеяния можно приблизительно вычислить как:
Коэффициент рассеяния tan δ используется для конденсаторов с очень малыми потерями в цепях определения частоты или резонансных контурах , где обратная величина коэффициента рассеяния называется добротностью ( Q ), которая представляет собой полосу пропускания резонатора .
«Пульсирующий ток» — это среднеквадратичное значение переменного тока любой частоты, наложенного на постоянный ток. Он возникает в основном в источниках питания (включая импульсные источники питания ) после выпрямления переменного напряжения и протекает как ток заряда и разряда через развязывающий или сглаживающий конденсатор.
Пульсирующие токи генерируют тепло внутри корпуса конденсатора. Эта рассеиваемая мощность потерь P L вызвана ESR и представляет собой квадрат эффективного (RMS) пульсирующего тока I R .
Это внутреннее генерируемое тепло, в дополнение к температуре окружающей среды и, возможно, другим внешним источникам тепла, приводит к тому, что температура корпуса конденсатора имеет разницу температур Δ T по отношению к окружающей среде. Это тепло должно быть распределено в виде тепловых потерь P th по поверхности конденсатора A и теплового сопротивления β по отношению к окружающей среде.
Внутренне вырабатываемое тепло должно распределяться в окружающую среду посредством теплового излучения , конвекции и теплопроводности . Температура конденсатора, которая устанавливается на основе баланса между вырабатываемым и распределяемым теплом, не должна превышать максимальную указанную температуру конденсатора.
Пульсирующий ток определяется как эффективное (RMS) значение при 100 или 120 Гц или при 10 кГц при температуре верхней категории. Несинусоидальные пульсирующие токи должны быть проанализированы и разделены на их составляющие синусоидальные частоты с помощью анализа Фурье и эквивалентного пульсирующего тока, рассчитанного как квадратный корень из суммы квадратов отдельных токов. [50]
В твердотельных танталовых электролитических конденсаторах тепло, выделяемое пульсирующим током, влияет на надежность конденсаторов. [51] [52] [53] Превышение предела, как правило, приводит к катастрофическим отказам с короткими замыканиями и сгоранием компонентов.
Твердые танталовые электролитические конденсаторы могут быть повреждены скачками, пиковыми или импульсными токами. [43] [44] Танталовые конденсаторы, которые подвергаются скачкам, пиковым или импульсным токам, следует использовать с понижением напряжения до 70% в высокоиндуктивных цепях. Если возможно, профиль напряжения должен быть линейно нарастающим, так как это снижает пиковый ток, воспринимаемый конденсатором.
Постоянный ток утечки является особой характеристикой для электролитических конденсаторов, которой нет у других обычных конденсаторов. Этот ток представлен резистором R утечки параллельно конденсатору в последовательной эквивалентной цепи электролитических конденсаторов. Основными причинами тока утечки для твердых танталовых конденсаторов являются электрический пробой диэлектрика, проводящие пути из-за примесей или из-за плохого анодирования, обход диэлектрика из-за избыточного диоксида марганца, из-за путей влаги или из-за катодных проводников (углерод, серебро). [54] Этот ток утечки в твердоэлектролитных конденсаторах не может быть уменьшен путем «лечения» в смысле образования нового оксида, поскольку в нормальных условиях твердые электролиты не способны поставлять кислород для процессов формирования. Это утверждение не следует путать с процессом самовосстановления во время полевой кристаллизации, как описано в разделе «Надежность (интенсивность отказов)».
Спецификация тока утечки в технических паспортах часто приводится путем умножения номинального значения емкости C R на значение номинального напряжения U R вместе с добавочной цифрой, измеренной после времени измерения 2 или 5 минут, например:
Значение тока утечки зависит от приложенного напряжения, температуры конденсатора, времени измерения и влияния влаги, вызванной условиями герметизации корпуса. Обычно они имеют очень низкий ток утечки, в большинстве случаев намного ниже указанного наихудшего случая.
Диэлектрическая абсорбция происходит, когда конденсатор, который оставался заряженным в течение длительного времени, сохраняет некоторый заряд при кратковременной разрядке. Хотя идеальный конденсатор достиг бы нуля вольт после разрядки, реальные конденсаторы вырабатывают небольшое напряжение из-за задержанной во времени дипольной разрядки, явления, которое также называется диэлектрической релаксацией , «пропитыванием» или «действием батареи».
Диэлектрическая абсорбция может вызвать проблему в схемах, где используются очень малые токи, таких как интеграторы с большой постоянной времени или схемы выборки и хранения . [57] [58] Однако в большинстве приложений, где танталовые электролитические конденсаторы поддерживают линии электропитания, диэлектрическая абсорбция не является проблемой.
Надежность компонента — это свойство, которое показывает, насколько хорошо компонент выполняет свою функцию в течение определенного интервала времени. Оно подвержено стохастическому процессу и может быть описано качественно и количественно; оно не поддается непосредственному измерению. Надежность электролитических конденсаторов определяется эмпирически путем определения интенсивности отказов в испытаниях на выносливость , сопровождающих производство , см. Надежность техники#Испытания надежности .
Надежность обычно отображается в виде кривой ванны и делится 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 по деградации (превышение электрических параметров).
Прогноз надежности обычно выражается в интенсивности отказов λ, аббревиатуре FIT (failures in time). Это количество отказов, которое можно ожидать за один миллиард (10 9 ) часов работы компонента (например, 1000 компонентов за 1 миллион часов или 1 миллион компонентов за 1000 часов, что составляет 1 ppm/1000 часов) при фиксированных рабочих условиях в течение периода постоянных случайных отказов. Эти модели интенсивности отказов неявно предполагают идею «случайного отказа». Отдельные компоненты выходят из строя в случайные моменты времени, но с предсказуемой скоростью. Стандартные условия эксплуатации для интенсивности отказов FIT составляют 40 °C и 0,5 U R .
Обратной величиной FIT является среднее время наработки на отказ (MTBF).
Для танталовых конденсаторов часто указывается частота отказов при 85 °C и номинальном напряжении U R в качестве исходных условий и выражается в процентах отказавших компонентов за тысячу часов (n %/1000 ч). Это "n" число отказавших компонентов за 10 5 часов или в FIT десятитысячное значение за 10 9 часов.
Для условий, отличных от стандартных условий эксплуатации 40 °C и 0,5 U R , для других температур и напряжений, для токовой нагрузки, значения емкости, сопротивления цепи, механических воздействий и влажности, показатель FIT может быть пересчитан с коэффициентами ускорения, стандартизированными для промышленных [59] или военных [60] контекстов. Например, более высокая температура и приложенное напряжение приводят к увеличению интенсивности отказов.
Наиболее часто цитируемый источник для пересчета интенсивности отказов — MIL-HDBK-217F, «библия» расчетов интенсивности отказов для электронных компонентов. SQC Online, онлайн-статистические калькуляторы для приемочной выборки и контроля качества, предоставляют онлайн-инструмент для краткой проверки для расчета заданных значений интенсивности отказов в соответствии с условиями применения. [61]
Некоторые производители танталовых конденсаторов могут иметь собственные таблицы расчета FIT. [62] [63]
Танталовые конденсаторы являются надежными компонентами. Постоянное совершенствование технологий танталового порошка и конденсаторов привело к значительному сокращению количества присутствующих примесей, которые ранее вызывали большинство отказов полевой кристаллизации. Коммерчески доступные танталовые конденсаторы теперь достигли в качестве стандартных продуктов высокого уровня стандарта MIL "C", который составляет 0,01%/1000 ч при 85 °C и U R или 1 отказ на 10 7 часов при 85 °C и U R . [15] Пересчитанный в FIT с коэффициентами ускорения, взятыми из MIL HDKB 217F при 40 °C и 0,5 U R , этот показатель отказов для танталового чип-конденсатора 100 мкФ/25 В, используемого с последовательным сопротивлением 0,1 Ом, показатель отказов составляет 0,02 FIT.
Срок службы , срок службы , срок службы под нагрузкой или полезный срок службы танталовых электролитических конденсаторов полностью зависит от используемого электролита:
Полимерный электролит имеет небольшое ухудшение проводимости из-за механизма термической деградации проводящего полимера. Электропроводность уменьшилась со временем в соответствии со структурой гранулированного типа металла, в которой старение происходит из-за усадки зерен проводящего полимера. [64] Срок службы полимерных электролитических конденсаторов определяется в тех же терминах, что и для нетвердых электролитических конденсаторов, но расчет срока службы следует другим правилам, которые приводят к гораздо более длительному сроку эксплуатации. [65] [66] [67]
Танталовые конденсаторы демонстрируют различное электрическое долгосрочное поведение в зависимости от используемого электролита. Правила применения для типов с присущим 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 низкими показателями отказов. Однако у них есть один уникальный режим отказа, называемый «полевая кристаллизация». [13] Полевая кристаллизация является основной причиной деградации и катастрофических отказов твердых танталовых конденсаторов. [17] Более 90% сегодняшних редких отказов в танталовых твердотельных электролитических конденсаторах вызваны короткими замыканиями или повышенным током утечки из-за этого режима отказа. [70]
Чрезвычайно тонкая оксидная пленка танталового электролитического конденсатора, диэлектрический слой, должна быть сформирована в аморфной структуре. Сообщается, что изменение аморфной структуры в кристаллическую структуру увеличивает проводимость в 1000 раз в сочетании с увеличением объема оксида. [15] Кристаллизация поля, за которой следует пробой диэлектрика , характеризуется внезапным ростом тока утечки в течение нескольких миллисекунд, от величины наноампера до величины ампера в цепях с низким импедансом. Увеличение тока может ускориться в «лавинном эффекте» и быстро распространиться по металлу/оксиду. Это может привести к различным степеням разрушения от довольно небольших, обожженных областей на оксиде до зигзагообразных обожженных полос, покрывающих большие площади гранулы или полное окисление металла. [10] Если источник тока неограничен, кристаллизация поля может вызвать короткое замыкание конденсатора . В этом случае отказ может быть катастрофическим, если нет ничего, что ограничивало бы доступный ток, поскольку последовательное сопротивление конденсатора может стать очень низким.
Примеси, мелкие механические повреждения или дефекты диэлектрика могут повлиять на структуру, изменив ее с аморфной на кристаллическую и, таким образом, снизив диэлектрическую прочность. Чистота танталового порошка является одним из важнейших параметров для определения риска его кристаллизации. С середины 1980-х годов производимые танталовые порошки демонстрируют повышение чистоты.
Токи импульсов после напряжений, вызванных пайкой, могут начать кристаллизацию, что приведет к пробою изоляции. [71] Единственный способ избежать катастрофических отказов — ограничить ток, который может течь от источника, чтобы уменьшить пробой до ограниченной области. Ток, протекающий через кристаллизованную область, вызывает нагрев в катоде из диоксида марганца вблизи неисправности. При повышенных температурах химическая реакция затем восстанавливает окружающий проводящий диоксид марганца до изолирующего оксида марганца (III) (Mn 2 O 3 ) и изолирует кристаллизованный оксид в слое оксида тантала, останавливая локальный ток. [10] [68]
Твердые танталовые конденсаторы с кристаллизацией чаще всего выходят из строя при включении питания. [72] Считается, что напряжение на диэлектрическом слое является пусковым механизмом пробоя, а ток включения подталкивает коллапс к катастрофическому отказу. Для предотвращения таких внезапных отказов производители рекомендуют: [15] [68] [73]
Символы электролитических конденсаторов
Небольшие или низковольтные электролитические конденсаторы можно безопасно подключать параллельно. Конденсаторы больших размеров, особенно больших размеров и высокого напряжения, должны быть индивидуально защищены от внезапного разряда всей батареи из-за неисправного конденсатора.
Некоторые приложения, такие как преобразователи переменного тока в переменный с DC-link для управления частотой в трехфазных сетях, требуют более высоких напряжений, чем обычно предлагают алюминиевые электролитические конденсаторы. Для таких приложений электролитические конденсаторы могут быть соединены последовательно для повышения способности выдерживать напряжение. Во время зарядки напряжение на каждом из конденсаторов, соединенных последовательно, пропорционально обратной величине тока утечки отдельного конденсатора. Поскольку каждый конденсатор немного отличается по индивидуальному току утечки, конденсаторы с более высоким током утечки получат меньшее напряжение. Баланс напряжения на последовательно соединенных конденсаторах не симметричен. Пассивный или активный баланс напряжения должен быть обеспечен для стабилизации напряжения на каждом отдельном конденсаторе. [74]
Все танталовые конденсаторы являются поляризованными компонентами с четко обозначенными положительными или отрицательными 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. [75] Если отказ представляет собой короткое замыкание (наиболее распространенное явление), а ток не ограничен безопасным значением, может произойти катастрофический тепловой разгон. Этот отказ может даже привести к тому, что конденсатор принудительно выбросит свое горящее ядро.
Танталовые электролитические конденсаторы с твердым электролитом маркируются на положительном выводе полосой или знаком «+». Танталовые электролитические конденсаторы с нетвердым электролитом (аксиально-выводной стиль) маркируются на отрицательном выводе полосой или знаком «-» (минус). Полярность лучше всего можно определить по фигурной стороне корпуса, которая имеет положительный вывод. Различные стили маркировки могут привести к опасной путанице.
Конкретной причиной путаницы является то, что на танталовых конденсаторах поверхностного монтажа полосой обозначен положительный вывод, тогда как на алюминиевых конденсаторах поверхностного монтажа так обозначен отрицательный вывод.
Для танталовых конденсаторов начала 1970-х годов полярность обозначена точкой. Положительный вывод — это вывод справа, когда сторона с точкой обращена к вам. Положительный вывод также может быть немного длиннее. [76] Кроме того, полярность обозначена на печатных платах точками пайки разной формы, если на печатной плате нет знаков «+» или «-». Например, для положительной полярности используется точка пайки квадратной формы (необходимо проверить в конкретном случае, измерив соединение с землей, отрицательным или положительным напряжением).
Танталовые конденсаторы, как и большинство других электронных компонентов, и если есть достаточно места, имеют отпечатанную маркировку, указывающую производителя, тип, электрические и тепловые характеристики и дату изготовления. Но большинство танталовых конденсаторов являются чиповыми, поэтому ограниченное пространство ограничивает отпечатанные знаки емкостью, допуском, напряжением и полярностью.
Для меньших конденсаторов используется сокращенная запись. Наиболее часто используемый формат: XYZ J/K/M "V", где XYZ представляет емкость (рассчитывается как XY × 10 Z пФ), буквы K или M указывают на допуск (±10% и ±20% соответственно), а "V" представляет рабочее напряжение.
Примеры:
Емкость, допуск и дата изготовления могут быть указаны с помощью сокращенного кода, указанного в IEC/EN 60062. Примеры сокращенной маркировки номинальной емкости (микрофарад): μ47 = 0,47 мкФ, 4μ7 = 4,7 мкФ, 47μ = 47 мкФ
Дата изготовления часто печатается в соответствии с международными стандартами.
Для очень маленьких конденсаторов маркировка невозможна, для полной идентификации компонента можно использовать только упаковку компонента или записи производителя сборки об используемых компонентах.
Стандартные определения характеристик и методов испытаний для электрических и электронных компонентов и связанных с ними технологий публикуются Международной электротехнической комиссией (МЭК) [77] , некоммерческой неправительственной международной организацией по стандартизации [ 78] [79], которая опирается на стандарты других отраслевых организаций для конкретных характеристик применения, например, стандарты размеров EIA, стандарты паяемости IPC и т. д. Стандарты качества и надежности, а также методы спецификаций MIL-STD США используются для компонентов, требующих более высокой надежности или менее благоприятных условий эксплуатации.
Определение характеристик и порядок проведения методов испытаний конденсаторов для использования в электронном оборудовании изложены в Общих технических условиях :
Испытания и требования, которым должны соответствовать алюминиевые и танталовые электролитические конденсаторы, предназначенные для использования в электронном оборудовании с целью утверждения в качестве стандартизированных типов, изложены в следующих разделах технических условий :
Танталовые конденсаторы являются основным применением элемента тантала. Танталовая руда является одним из конфликтных минералов . Некоторые неправительственные организации работают вместе, чтобы повысить осведомленность о связи между потребительскими электронными устройствами и конфликтными минералами.
Рынок танталовых электролитических конденсаторов в 2008 году составил около 2,2 млрд долларов США, что составляет около 12% от общего рынка конденсаторов. [80]
Низкая утечка и высокая емкость танталовых конденсаторов способствуют их использованию в схемах выборки и хранения для достижения длительной продолжительности удержания и некоторых длительных схемах синхронизации, где точная синхронизация не является критической. Они также часто используются для развязки шин питания параллельно с пленочными или керамическими конденсаторами , которые обеспечивают низкое ESR и низкое реактивное сопротивление на высокой частоте. Танталовые конденсаторы могут заменить алюминиевые электролитические конденсаторы в ситуациях, когда внешняя среда или плотная упаковка компонентов приводят к устойчивой горячей внутренней среде и где важна высокая надежность. Такое оборудование, как медицинская электроника и космическое оборудование, которое требует высокого качества и надежности, использует танталовые конденсаторы.
Особенно распространенным применением низковольтных танталовых конденсаторов является фильтрация питания на материнских платах компьютеров и в периферийных устройствах из-за их небольшого размера и долговременной надежности. [81] [82]
{{cite web}}: CS1 maint: архивная копия как заголовок ( ссылка ){{cite web}}: CS1 maint: архивная копия как заголовок ( ссылка )
Медиа, связанные с танталовыми конденсаторами на Wikimedia Commons