Танталовый электролитический конденсатор — электролитический конденсатор , пассивный компонент электронных схем . Он состоит из гранулы пористого металлического тантала в качестве анода , покрытой изолирующим оксидным слоем, образующим диэлектрик, окруженного жидким или твердым электролитом в качестве катода . Благодаря очень тонкому диэлектрическому слою с относительно высокой диэлектрической проницаемостью танталовый конденсатор отличается от других обычных и электролитических конденсаторов высокой удельной емкостью (высокий объемный КПД) и меньшим весом.
Тантал – конфликтный минерал . Танталовые электролитические конденсаторы значительно дороже, чем сопоставимые алюминиевые электролитические конденсаторы .
Танталовые конденсаторы по своей сути являются поляризованными компонентами. Обратное напряжение может разрушить конденсатор. Неполярные или биполярные танталовые конденсаторы изготавливаются путем эффективного последовательного соединения двух поляризованных конденсаторов с анодами, ориентированными в противоположных направлениях.
В электролитических конденсаторах используются химические свойства некоторых специальных металлов, исторически называемых вентильными металлами , которые могут образовывать изолирующий оксидный слой. Приложение положительного напряжения к танталовому анодному материалу в электролитической ванне образует оксидный барьерный слой толщиной, пропорциональной приложенному напряжению. Этот оксидный слой служит диэлектриком в электролитическом конденсаторе. Свойства этого оксидного слоя по сравнению со слоем оксида ниобия приведены в следующей таблице:
После образования диэлектрического оксида на шероховатых анодных структурах необходим катод. Электролит действует как катод электролитических конденсаторов. Существует много различных электролитов. Обычно электролиты подразделяют на два вида: нетвердые и твердые электролиты. Нетвердые электролиты представляют собой жидкую среду, проводимость которой ионная . Оксидный слой может разрушиться, если изменить полярность приложенного напряжения.
Каждый электролитический конденсатор в принципе представляет собой пластинчатый конденсатор , емкость которого тем больше, чем больше площадь электрода A и диэлектрическая проницаемость ε и чем тоньше толщина d диэлектрика.
Толщина диэлектрика электролитических конденсаторов очень мала, в пределах нанометров на вольт. Несмотря на это, диэлектрическая прочность этих оксидных слоев достаточно высока. Таким образом, танталовые конденсаторы могут достигать более высокой объемной емкости по сравнению с другими типами конденсаторов.
Все травленные или спеченные аноды имеют гораздо большую общую площадь поверхности по сравнению с гладкой поверхностью тех же габаритных размеров. Увеличение площади поверхности увеличивает значение емкости твердотельных танталовых электролитических конденсаторов до 200 раз (в зависимости от номинального напряжения). [2]
Объем электролитического конденсатора определяется произведением емкости и напряжения, так называемым CV-объемом . Однако при сравнении диэлектрической проницаемости различных оксидных материалов видно, что диэлектрическая проницаемость пентаоксида тантала примерно в 3 раза выше, чем оксида алюминия. Поэтому танталовые электролитические конденсаторы с заданным значением CV могут быть меньше, чем алюминиевые электролитические конденсаторы.
Типичный танталовый конденсатор представляет собой чип-конденсатор и состоит из порошка тантала, спрессованного и спеченного в таблетку в качестве анода конденсатора, с оксидным слоем пятиокиси тантала в качестве диэлектрика и твердого электролита из диоксида марганца в качестве катода .
Танталовые конденсаторы изготавливаются из порошка относительно чистого элементарного металлического тантала . [3] [4] [5] Обычный показатель качества для сравнения объемной эффективности порошков выражается в емкости (C, обычно в мкФ), умноженной на вольт (В) на грамм (г). С середины 1980-х годов производимые танталовые порошки продемонстрировали примерно десятикратное улучшение значений CV/г (примерно с 20 до 200 тыс.). [2] Типичный размер частиц составляет от 2 до 10 мкм. На рисунке 1 показаны порошки с последовательно более мелким зерном, что приводит к увеличению площади поверхности на единицу объема. Обратите внимание на очень большую разницу в размерах частиц между порошками.
Порошок сжимается вокруг танталовой проволоки (известной как стояк), образуя «таблетку». [6] Вертикальный провод в конечном итоге становится анодным соединением с конденсатором. Эту комбинацию гранул и проволоки впоследствии спекают в вакууме при высокой температуре (обычно от 1200 до 1800 °C), в результате чего получаются механически прочные таблетки и удаляются многие примеси из порошка. 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 внутренней поверхности (см. Рисунок 2).
Большая площадь поверхности обеспечивает более высокую емкость; таким образом, порошки с высоким CV / г, которые имеют меньший средний размер частиц, используются для деталей с низким напряжением и высокой емкостью. Путем выбора правильного типа порошка и температуры спекания можно достичь определенного номинального значения емкости или напряжения. Например, конденсатор емкостью 220 мкФ и напряжением 6 В будет иметь площадь поверхности, близкую к 346 см 2 , или 80% размера листа бумаги (бумага размером 8,5×11 дюймов имеет площадь ~413 см 2 ), хотя общий объем гранулы составляет всего около 0,0016 см 3 .
Диэлектрик затем формируется на всех поверхностях частиц тантала в результате электрохимического процесса анодирования . 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. Первоначально источник питания поддерживается в режиме постоянного тока до тех пор, пока не будет достигнуто правильное напряжение (т. е. толщина диэлектрика); затем он удерживает это напряжение, и ток падает почти до нуля, чтобы обеспечить равномерную толщину по всему устройству и производственной партии. Химические уравнения, описывающие процесс образования диэлектрика на аноде , имеют следующий вид: [5]
Оксид образуется на поверхности тантала, но он также врастает в материал. На каждую единицу толщины роста оксида одна треть вырастает, а две трети вырастают внутрь. Из-за пределов роста оксида существует ограничение на максимальное номинальное напряжение оксида тантала для каждого из доступных в настоящее время танталовых порошков (см. Рисунок 3). ).
Толщина диэлектрического слоя, создаваемого формирующим напряжением, прямо пропорциональна стойкости электролитических конденсаторов к напряжению. [7] Электролитические конденсаторы изготавливаются с запасом прочности по толщине оксидного слоя, который представляет собой соотношение между напряжением, используемым для электролитического создания диэлектрика, и номинальным напряжением конденсатора, чтобы обеспечить надежную работу.
Запас прочности для твердотельных танталовых конденсаторов с электролитом из диоксида марганца обычно составляет от 2 до 4. Это означает, что для танталового конденсатора на 25 В с запасом прочности 4 диэлектрическое напряжение может выдерживать 100 В, что обеспечивает более прочный диэлектрик. [8] Столь высокий запас прочности обусловлен механизмом разрушения твердотельных танталовых конденсаторов — «полевой кристаллизацией». [9] [10] [11] [12] [13] Для танталовых конденсаторов с твердым полимерным электролитом запас прочности намного ниже, обычно около 2. [12] [14]
Следующим этапом для твердотельных танталовых конденсаторов является нанесение катодной пластины (в мокрых танталовых конденсаторах в качестве катода используется жидкий электролит вместе с корпусом). Это достигается пиролизом нитрата марганца в диоксид марганца . «Пеллету» погружают в водный раствор нитрата, а затем обжигают в печи при температуре примерно 250 °C для получения диоксидного покрытия. Химическое уравнение: [5]
Этот процесс повторяется несколько раз с изменением удельного веса раствора нитрата, чтобы создать толстый слой на всех внутренних и внешних поверхностях «таблетки», как показано на рисунке 4.
В традиционной конструкции «таблетку» последовательно погружают в графит , а затем в серебро [15] , чтобы обеспечить хорошее соединение катодной пластины диоксида марганца с внешним выводом катода (см. Рисунок 5).
На рисунке ниже показан процесс производства танталовых электролитических конденсаторов со спеченным анодом и твердым электролитом из диоксида марганца.
Танталовые электролитические конденсаторы изготавливаются в трех различных стилях: [5]
Более 90% всех танталовых электролитических конденсаторов производятся по методу SMD в виде танталовых чип-конденсаторов. Он имеет контактные поверхности на торцах корпуса и изготавливается разных размеров, обычно в соответствии со стандартом EIA -535-BAAC. Различные размеры также можно определить по буквенным обозначениям корпуса. Для корпусов некоторых размеров (от A до E), которые производятся в течение многих десятилетий, размеры и кодировка корпусов всех производителей по-прежнему в основном одинаковы. Однако новые разработки в области танталовых электролитических конденсаторов, такие как многоанодная технология для уменьшения ESR или технология «лицевой стороной вниз» для уменьшения индуктивности, привели к гораздо более широкому диапазону размеров микросхем и их корпусов. Эти отклонения от стандартов EIA означают, что устройства разных производителей больше не всегда одинаковы.
Обзор размеров обычных танталовых конденсаторов прямоугольной формы и их кодировка приведены в следующей таблице: [16]
Основной особенностью современных нетвердых (мокрых) танталовых электролитических конденсаторов является их плотность энергии по сравнению с плотностью энергии твердых танталовых и мокрых алюминиевых электролитических конденсаторов в том же температурном диапазоне. Благодаря своим свойствам самовосстановления (нетвердый электролит может доставлять кислород для образования нового оксидного слоя в слабых участках диэлектрика), толщина диэлектрика может быть сформирована с гораздо меньшим запасом прочности и, следовательно, с гораздо более тонким диэлектриком, чем для твердых типов. , что приводит к более высокому значению CV на единицу объема. Кроме того, мокрые танталовые конденсаторы способны работать при напряжениях от 100 до 630 В, имеют относительно низкое ESR и самый низкий ток утечки среди всех электролитических конденсаторов.
Оригинальные мокрые танталовые конденсаторы, разработанные в 1930-х годах, представляли собой осевые конденсаторы с намотанной ячейкой, состоящей из танталового анода и фольгового катода, разделенных бумажной полоской, пропитанной электролитом, установленной в серебряном корпусе и загерметизированной негерметичным эластомером. [17] Из-за инертности и стабильности диэлектрического оксидного слоя тантала по отношению к сильным кислотам, влажные танталовые конденсаторы могут использовать серную кислоту в качестве электролита, что обеспечивает им относительно низкое ESR.
Поскольку в прошлом серебряные корпуса имели проблемы с миграцией серебра и усами , что приводило к увеличению токов утечки и коротким замыканиям, в новых типах мокрых танталовых конденсаторов используются ячейки из спеченных танталовых гранул и гелеобразный сернокислотный электролит, установленные в корпусе из чистого тантала.
Из-за относительно высокой цены мокрые танталовые электролитические конденсаторы имеют мало потребительского применения. Они используются в тяжелых промышленных условиях, например, в зондах для разведки нефти. Типы, получившие военные разрешения, могут обеспечивать расширенные номинальные значения емкости и напряжения, а также высокий уровень качества, необходимый для авионики, военной и космической техники.
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 начали промышленно производиться 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. [17]
Танталовые конденсаторы с твердым электролитом были изобретены Bell Laboratories в начале 1950-х годов в качестве миниатюрных и более надежных низковольтных вспомогательных конденсаторов в дополнение к их недавно изобретенному транзистору . Решение, найденное Р. Л. Тейлором и Х. Э. Харингом из Bell Labs для нового миниатюрного конденсатора, обнаруженного в начале 1950 года, 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 (2730 и 3630 ° F) в условиях вакуума в таблетку («слиток»). [18] [19]
В этих первых спеченных танталовых конденсаторах использовался жидкий электролит. В 1952 году исследователи Bell Labs обнаружили возможность использования диоксида марганца в качестве твердого электролита для спеченного танталового конденсатора. [20]
Хотя фундаментальные изобретения были сделаны в лабораториях Белла, инновации для производства коммерчески жизнеспособных танталовых электролитических конденсаторов были сделаны исследователями Sprague Electric Company . Престон Робинсон, директор по исследованиям Sprague, считается настоящим изобретателем танталовых конденсаторов в 1954 году . ] значительное улучшение, при котором диэлектрик конденсатора восстанавливался после каждого цикла погружения и преобразования осаждения MnO 2 . Это резко снизило ток утечки готовых конденсаторов.
Этот первый диоксид марганца с твердым электролитом имел проводимость в 10 раз лучшую, чем все другие типы конденсаторов с нетвердым электролитом. Подобно танталовому жемчугу, 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 ). [25] [26] Требования к конденсаторам возросли, особенно требование снижения потерь. Эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) для байпасных и развязывающих конденсаторов стандартных электролитических конденсаторов необходимо было уменьшить. [27]
Хотя твердотельные танталовые конденсаторы имели более низкие значения ESR и тока утечки, чем алюминиевые электролитики, в 1980 году ценовой шок на тантал в промышленности резко снизил удобство использования танталовых конденсаторов, особенно в бытовой развлекательной электронике. [28] [29] В поисках более дешевых альтернатив промышленность снова переключилась на использование алюминиевых электролитических конденсаторов.
Разработка проводящих полимеров Аланом Дж. Хигером , Аланом МакДиармидом и Хидеки Сиракавой в 1975 году стала прорывом в области снижения СОЭ. [30] Проводимость проводящих полимеров, таких как полипиррол (PPy) [31] или PEDOT [32], в 1000 раз лучше, чем у диоксида марганца, и близка к проводимости металлов. В 1993 году NEC представила свои полимерные танталовые электролитические конденсаторы SMD под названием NeoCap. В 1997 году компания Sanyo выпустила полимерные танталовые чипы POSCAP.
Новый проводящий полимер для танталовых полимерных конденсаторов был представлен компанией Kemet на конференции «Carts» 1999 года. [33] В этом конденсаторе использовался недавно разработанный органический проводящий полимер PEDT Poly (3,4-этилендиокситиофен), также известный как PEDOT (торговое название Baytron). [34]
Разработка конденсаторов с низким ESR и высоким объемом CV в стиле микросхем для быстро развивающейся технологии SMD в 1990-х годах резко увеличила спрос на танталовые чипы. Однако очередной взрыв цен на тантал в 2000/2001 годах заставил разработать ниобиевые электролитические конденсаторы с электролитом из диоксида марганца, которые доступны с 2002 года. [35] [36] Материалы и процессы, используемые для производства ниобиевых диэлектрических конденсаторов, по сути, являются такой же, как и для существующих конденсаторов с танталовым диэлектриком. Характеристики ниобиевых электролитических конденсаторов и танталовых электролитических конденсаторов примерно сопоставимы. [37]
Танталовые электролитические конденсаторы как дискретные компоненты не являются идеальными конденсаторами, так как имеют потери и паразитные индуктивные части. Все свойства могут быть определены и заданы с помощью последовательной эквивалентной схемы, состоящей из идеализированной емкости и дополнительных электрических компонентов, которые моделируют все потери и индуктивные параметры конденсатора. В этой последовательно-эквивалентной схеме электрические характеристики определяются:
Использование последовательной эквивалентной схемы вместо параллельной эквивалентной схемы указано в стандарте 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 характеристиках производителей, называется номинальной емкостью C R или номинальной емкостью C N и представляет собой значение, на которое рассчитан конденсатор. Стандартизированными условиями измерения электролитических конденсаторов является метод измерения переменного тока с частотой от 100 до 120 Гц. Электролитические конденсаторы отличаются от конденсаторов других типов, емкость которых обычно измеряется на частоте 1 кГц или выше. Для танталовых конденсаторов во время измерения можно прикладывать напряжение смещения постоянного тока 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 ограниченном пространстве буквенный код для каждого допуска указан в IEC 60062.
Требуемый допуск емкости определяется конкретным применением. Электролитические конденсаторы, которые часто используются для фильтрации и обхода конденсаторов, не требуют узких допусков, поскольку они в основном не используются для приложений с точной частотой, таких как генераторы .
В соответствии со стандартом 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 напряжение постоянного тока или пиковое импульсное напряжение, которое может применяться непрерывно при любой температуре в пределах номинального температурного диапазона T R (IEC/EN 60384-1).
Номинальное напряжение электролитических конденсаторов 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 МЭК 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.
Более низкое приложенное напряжение может оказать положительное влияние на танталовые электролитические конденсаторы. Снижение приложенного напряжения повышает надежность и снижает ожидаемую частоту отказов. [38]
Применение более высокого напряжения, чем указано, 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 интенсивность отказов конденсаторов. [39] [40]
Переходное напряжение или всплеск тока, приложенный к танталовым электролитическим конденсаторам с твердым электролитом из диоксида марганца, может привести к выходу из строя некоторых танталовых конденсаторов и непосредственно к короткому замыканию. [39] [41]
Танталовые электролитики поляризованы и обычно требуют, чтобы напряжение анодного электрода было положительным по отношению к напряжению катода.
При подаче обратного напряжения обратный ток утечки протекает по очень малым участкам 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 появление крошечной горячей точки. Это может вызвать некоторое преобразование аморфного пентаоксида тантала в более проводящую кристаллическую форму. При наличии высокого тока этот эффект может лавинообразным, и конденсатор может полностью закоротиться.
Тем не менее, танталовые электролитические конденсаторы могут кратковременно выдерживать обратное напряжение в течение ограниченного числа циклов. Наиболее распространенные рекомендации по обратному напряжению тантала:
Эти рекомендации применимы для кратковременного отклонения и никогда не должны использоваться для определения максимального обратного напряжения, при котором конденсатор может использоваться постоянно. [42] [43]
Танталовые электролитические конденсаторы, как и другие обычные конденсаторы, выполняют две электрические функции. В таймерах и подобных приложениях конденсаторы рассматриваются как накопительные компоненты для хранения электрической энергии. Но в приложениях сглаживания, шунтирования или развязки , например, в источниках питания , конденсаторы дополнительно работают как резисторы переменного тока для фильтрации нежелательных компонентов переменного тока от шин напряжения. Для этой (смещенной) функции переменного тока частотно-зависимое сопротивление переменного тока ( импеданс «Z» ) так же важно, как и значение емкости.
Импеданс — это комплексное отношение напряжения к току как по величине, так и по фазе на определенной частоте в цепи переменного тока. В этом смысле импеданс является мерой способности конденсатора ослаблять переменный ток и может использоваться как закон Ома.
Импеданс представляет собой сопротивление переменного тока, зависящее от частоты, и имеет как величину, так и фазу на определенной частоте. В паспортах электролитических конденсаторов указана только величина импеданса |Z| указывается и просто записывается как «Z» . Что касается стандарта IEC/EN 60384-1, значения импеданса танталовых электролитических конденсаторов измеряются и указываются на частоте 10 кГц или 100 кГц в зависимости от емкости и напряжения конденсатора.
Помимо измерения, импеданс также можно рассчитать с использованием идеализированных компонентов последовательно-эквивалентной цепи конденсатора, включая идеальный конденсатор C , резистор ESR и индуктивность ESL . Таким образом , в этом случае импеданс на угловой частоте ω определяется геометрическим (комплексным) сложением ESR и емкостного реактивного сопротивления X C
и индуктивным реактивным сопротивлением X L ( Inductance )
.
Тогда Z определяется выражением
В частном случае резонанса , когда оба реактивных сопротивления X C и X L имеют одинаковое значение ( X C = X L ), тогда импеданс будет определяться только ESR . При частотах выше резонанса импеданс снова увеличивается из-за ESL конденсатора. В этот момент конденсатор начинает вести себя прежде всего как индуктивность.
Эквивалентное последовательное сопротивление ( ESR ) суммирует все резистивные потери конденсатора. Это оконечные сопротивления, контактное сопротивление контакта электродов, линейное сопротивление электродов, сопротивление электролита и диэлектрические потери в диэлектрическом оксидном слое. [44]
ESR влияет на оставшиеся пульсации переменного тока, накладываемые после сглаживания, и может влиять на функциональность схемы. Связанное с конденсатором ESR отвечает за внутреннее выделение тепла, если по конденсатору протекает #пульсирующий ток. Это внутреннее тепло может влиять на надежность танталовых электролитических конденсаторов.
Обычно СОЭ снижается с увеличением частоты и температуры. [45]
Исторически при обсуждении электролитических конденсаторов в соответствующих таблицах данных иногда упоминался коэффициент рассеяния tan δ вместо ESR . Коэффициент рассеяния определяется тангенсом фазового угла между вычитанием емкостного реактивного сопротивления X C из индуктивного реактивного сопротивления X L и ESR . Если индуктивность конденсатора ESL мала, коэффициент рассеяния можно аппроксимировать следующим образом:
Коэффициент рассеяния tan δ используется для конденсаторов с очень низкими потерями в цепях определения частоты или резонансных цепях , где обратное значение коэффициента рассеяния называется добротностью ( Q ), которая представляет собой полосу пропускания резонатора .
«Пульсирующий ток» — это среднеквадратичное значение наложенного переменного тока любой частоты на постоянный ток. 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.
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 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 сравнению с температурой окружающей среды. Это тепло должно быть распределено в виде тепловых потерь P th по поверхности конденсатора A и термического сопротивления β по отношению к окружающей среде.
Внутреннее генерируемое тепло должно распространяться в окружающую среду посредством теплового излучения , конвекции и теплопроводности . Температура конденсатора, которая устанавливается по балансу между выделяемым и распределяемым теплом, не должна превышать максимальную заданную температуру конденсатора.
Пульсации тока указываются как эффективное (RMS) значение при 100 или 120 Гц или 10 кГц при температуре высшей категории. Несинусоидальные пульсации тока необходимо анализировать и разделять на составляющие синусоидальные частоты посредством анализа Фурье , а эквивалентный пульсирующий ток рассчитывать как квадратный корень из суммы квадратов отдельных токов. [46]
В твердотельных танталовых электролитических конденсаторах тепло, выделяемое пульсациями тока, влияет на надежность конденсаторов. [47] [48] [49] Превышение предела может привести к катастрофическим отказам с короткими замыканиями и возгоранием компонентов.
Твердые танталовые электролитические конденсаторы могут быть повреждены импульсными, пиковыми или импульсными токами. [39] [40] Танталовые конденсаторы, подвергающиеся воздействию импульсных, пиковых или импульсных токов, следует использовать со снижением напряжения до 70 % в цепях с высокой индуктивностью. Если возможно, профиль напряжения должен представлять собой плавное включение, поскольку это уменьшает пиковый ток, воспринимаемый конденсатором.
Ток утечки постоянного тока — это особая характеристика электролитических конденсаторов, которой нет у других обычных конденсаторов. Этот ток представлен утечкой резистора R параллельно конденсатору в последовательной схеме замещения электролитических конденсаторов. Основными причинами тока утечки твердотельных танталовых конденсаторов являются электрический пробой диэлектрика, токопроводящих путей из-за примесей или из-за плохого анодирования, шунтирование диэлектрика из-за избытка диоксида марганца, из-за путей влаги или из-за катодных проводников (углеродных, серебряных). ). [50] Этот ток утечки в конденсаторах с твердым электролитом не может быть уменьшен путем «восстановления» в смысле образования нового оксида, поскольку в нормальных условиях твердые электролиты не способны доставлять кислород для процессов формования. Это утверждение не следует путать с процессом самовосстановления во время полевой кристаллизации, описанным в разделе «Надежность (частота отказов)».
Спецификация тока утечки в таблицах данных часто дается путем умножения номинального значения емкости C R на значение номинального напряжения U R вместе с дополнительным значением, измеренным после времени измерения 2 или 5 минут, например:
Величина 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 возникает, когда конденсатор, который оставался заряженным в течение длительного времени, сохраняет некоторый заряд 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».
Диэлектрическая абсорбция может вызвать проблемы в схемах, где используются очень малые токи, например, в интеграторах с большой постоянной времени или в схемах выборки и хранения . [53] [54] Однако в большинстве случаев, когда 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 случайному процессу и может быть описано качественно и количественно; это не поддается прямому измерению. Надежность электролитических конденсаторов определяется эмпирическим путем путем определения частоты отказов в ходе производственных испытаний на долговечность (см. раздел «Инженерия надежности» № «Испытания надежности» ).
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. Типы отказов, включенные в общую интенсивность отказов, включают короткое замыкание, обрыв цепи и отказы из-за деградации (превышение электрических параметров).
Прогноз надежности обычно выражается интенсивностью отказов λ, аббревиатурой FIT (отказы во времени). 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 фиксированных условиях работы. в период постоянных случайных отказов. Эта модель интенсивности отказов неявно предполагает идею «случайного отказа». Отдельные компоненты выходят из строя в случайное время, но с предсказуемой скоростью. Стандартные условия эксплуатации для интенсивности отказов FIT составляют 40 °C и 0,5 U R .
Обратное значение FIT — это среднее время наработки на отказ (MTBF).
Для танталовых конденсаторов интенсивность отказов часто указывается при температуре 85 °C и номинальном напряжении UR в качестве эталонных условий и выражается в процентах вышедших из строя компонентов на тысячу часов (n %/1000 ч). Это «n» количество вышедших из строя 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 приложенных температур и напряжения, для токовой нагрузки, значения емкости, сопротивления цепи, механических воздействий и влажности, значение FIT может быть пересчитано с использованием коэффициентов ускорения, стандартизированных для промышленности [ 55] или военный [56] контекст. Например, более высокая температура и приложенное напряжение приводят к увеличению частоты отказов.
Наиболее часто упоминаемым источником для перерасчета интенсивности отказов является MIL-HDBK-217F, «библия» расчета интенсивности отказов электронных компонентов. SQC Online, статистический онлайн-калькулятор для приемочного отбора проб и контроля качества, предоставляет онлайн-инструмент для краткой проверки и расчета заданных значений частоты отказов в зависимости от условий применения. [57]
Некоторые производители танталовых конденсаторов могут иметь свои собственные таблицы расчета FIT. [58] [59]
Танталовые конденсаторы являются надежными компонентами. Постоянное совершенствование технологий танталового порошка и конденсаторов привело к значительному снижению количества присутствующих примесей, которые раньше вызывали большинство неудачной кристаллизации в полевых условиях. Коммерчески доступные танталовые конденсаторы теперь в качестве стандартной продукции достигли высокого уровня стандарта MIL «C», который составляет 0,01%/1000 часов при 85 °C и U R или 1 отказ за 10 7 часов при 85 °C и U R. [11] Пересчитанная в FIT с коэффициентами ускорения, полученными из MIL HDKB 217F, при 40 °C и 0,5 U R , это интенсивность отказов для танталового чип-конденсатора 100 мкФ/25 В, используемого с последовательным сопротивлением 0,1 Ом, интенсивность отказов составляет 0,02. СООТВЕТСТВОВАТЬ.
Срок службы , срок службы , срок службы под нагрузкой или срок службы танталовых электролитических конденсаторов полностью зависит от используемого электролита:
Полимерный электролит имеет небольшое ухудшение проводимости из-за механизма термического разложения проводящего полимера. Электропроводность уменьшалась в зависимости от времени, что соответствует зернистой структуре металлического типа, в которой старение происходит из-за сжатия зерен проводящего полимера. [60] Срок службы полимерных электролитических конденсаторов определяется аналогично сроку службы нетвердых электролитических конденсаторов, но расчет срока службы следует другим правилам, которые приводят к значительному увеличению срока службы. [61] [62] [63]
Танталовые конденсаторы демонстрируют различное электрическое долговременное поведение в зависимости от используемого электролита. Правила применения для типов с характерным видом отказа определены для обеспечения высокой надежности и длительного срока службы.
Танталовые конденсаторы надежны на том же самом высоком уровне, что и другие электронные компоненты, с очень низкой интенсивностью отказов. Однако у них есть единственный уникальный режим отказа, называемый «полевой кристаллизацией». [9] Полевая кристаллизация является основной причиной деградации и катастрофических отказов твердотельных танталовых конденсаторов. [13] Более 90% сегодняшних редких отказов танталовых твердотельных электролитических конденсаторов вызваны короткими замыканиями или повышенным током утечки из-за этого вида отказа. [66]
Чрезвычайно тонкая оксидная пленка танталового электролитического конденсатора — диэлектрический слой — должна иметь аморфную структуру. Сообщается, что изменение аморфной структуры в кристаллизованную увеличивает проводимость в 1000 раз в сочетании с увеличением объема оксида. [11] 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 вызвать «лавинный эффект» и быстро распространиться по металлу/оксиду. Это может привести к разной степени разрушения: от сравнительно небольших обгоревших участков на оксиде до зигзагообразных обожженных полос, покрывающих большие площади окатышей, или полного окисления металла. [6] Если источник тока не ограничен, кристаллизация поля может вызвать короткое замыкание конденсатора . В этом случае отказ может быть катастрофическим, если нет ничего, что ограничивало бы доступный ток, поскольку последовательное сопротивление конденсатора может стать очень низким.
Примеси, крошечные механические повреждения или дефекты диэлектрика могут повлиять на структуру, изменив ее из аморфной в кристаллическую и тем самым снизив диэлектрическую прочность. Чистота порошка тантала является одним из наиболее важных параметров, определяющих риск его кристаллизации. С середины 1980-х годов чистота производимых танталовых порошков возросла.
Импульсные токи после напряжений, вызванных пайкой, могут начать кристаллизацию, что приведет к пробою изоляции. [67] Единственный способ избежать катастрофических сбоев — это ограничить ток, который может течь от источника, чтобы уменьшить пробой до ограниченной области. Ток, протекающий через закристаллизованную область, вызывает нагрев катода диоксида марганца вблизи места повреждения. 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. [6] [64]
Твердотельные танталовые конденсаторы с кристаллизацией чаще всего выходят из строя при включении питания. [68] Считается, что напряжение на диэлектрическом слое является пусковым механизмом пробоя и что ток включения подталкивает коллапс к катастрофическому отказу. Чтобы предотвратить такие внезапные сбои, производители рекомендуют: [11] [64] [69]
Символы электролитических конденсаторов
Электролитические конденсаторы небольшого или низкого напряжения можно безопасно подключать параллельно. Конденсаторы больших размеров, особенно большие и высоковольтные, должны быть индивидуально защищены от внезапного разряда всей батареи из-за отказа конденсатора.
Некоторые приложения, такие как преобразователи переменного тока в переменный ток со звеном постоянного тока для регулирования частоты в трехфазных сетях, требуют более высоких напряжений, чем обычно предлагают алюминиевые электролитические конденсаторы. Для таких применений электролитические конденсаторы могут быть соединены последовательно для повышения устойчивости к напряжению. Во время зарядки напряжение на каждом из конденсаторов, соединенных последовательно, пропорционально обратному току утечки отдельного конденсатора. Поскольку каждый конденсатор немного отличается по индивидуальному току утечки, конденсаторы с более высоким током утечки будут получать меньшее напряжение. Баланс напряжений на последовательно соединенных конденсаторах несимметричен. Должен быть обеспечен пассивный или активный баланс напряжения для стабилизации напряжения на каждом отдельном конденсаторе. [70]
Все танталовые конденсаторы представляют собой поляризованные компоненты с четко обозначенными положительными или отрицательными клеммами. При изменении полярности (даже на короткое время) конденсатор деполяризуется и оксидный слой диэлектрика разрушается, что может привести к его выходу из строя даже при последующей эксплуатации с правильной полярностью. [71] Если неисправностью является короткое замыкание (наиболее распространенное явление), а ток не ограничен безопасным значением, может произойти катастрофический тепловой разгон. Этот сбой может даже привести к тому, что конденсатор принудительно вытолкнет горящий сердечник.
Танталовые электролитические конденсаторы с твердым электролитом на положительном выводе отмечены чертой или знаком «+». Танталовые электролитические конденсаторы с нетвердым электролитом (осевые выводы) маркируются на отрицательной клемме чертой или знаком «-» (минус). Полярность лучше определить по фасонной стороне корпуса, имеющей положительный вывод. Различные стили маркировки могут привести к опасной путанице.
Особая причина путаницы заключается в том, что на танталовых конденсаторах для поверхностного монтажа положительная клемма отмечена полоской. В то время как на алюминиевых конденсаторах для поверхностного монтажа такой маркировкой является отрицательная клемма.
Для танталовых конденсаторов начала 1970-х годов полярность обозначается точкой. Положительное отведение — это отведение справа, когда сторона с точкой обращена к вам. Положительное опережение также может быть немного длиннее. [72] Кроме того, полярность обозначается 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 измерение соединения с контактами заземления, отрицательного или положительного напряжения).
Танталовые конденсаторы, как и большинство других электронных компонентов, при наличии достаточного места имеют напечатанную маркировку с указанием производителя, типа, электрических и тепловых характеристик, а также даты изготовления. Но большинство танталовых конденсаторов относятся к микросхемам, поэтому уменьшенное пространство ограничивает напечатанные знаки емкостью, допуском, напряжением и полярностью.
Конденсаторы меньшего размера используют сокращенное обозначение. Наиболее часто используемый формат: XYZ J/K/M «V», где XYZ представляет емкость (рассчитывается как XY × 10 Z пФ), буквы K или M обозначают допуск (±10% и ±20% соответственно). а «V» представляет рабочее напряжение.
Примеры:
Емкость, допуск и дата изготовления могут быть указаны кратким кодом, указанным в IEC/EN 60062. Примеры сокращенной маркировки номинальной емкости (микрофарады): 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 методы испытаний электрических и электронных компонентов и связанных с ними технологий публикуются Международной электротехнической комиссией (МЭК), [73] некоммерческой неправительственной международной организацией по стандартизации , [74] [75] которые подчиняются стандарты других отраслевых организаций для конкретных характеристик применения, например, стандарты размеров EIA, стандарты пайки IPC и т. д. Стандарты качества и надежности и методы спецификаций US MIL-STD используются для компонентов, требующих более высокой надежности или менее безопасной эксплуатации. необходима среда.
Определение характеристик и порядок проведения методов испытаний конденсаторов, применяемых в электронной аппаратуре, изложены в Типовой спецификации :
Испытания и требования, которым должны соответствовать алюминиевые и танталовые электролитические конденсаторы для использования в электронном оборудовании для утверждения в качестве стандартизированных типов, изложены в следующих разделах технических характеристик :
Танталовые конденсаторы являются основным применением элемента тантала. Танталовая руда является одним из конфликтных минералов . Некоторые неправительственные организации работают вместе над повышением осведомленности о взаимосвязи между потребительскими электронными устройствами и конфликтными минералами.
Рынок танталовых электролитических конденсаторов в 2008 году составил примерно 2,2 миллиарда долларов США, что составило примерно 12% от общего рынка конденсаторов. [76]
Низкая утечка и высокая емкость танталовых конденсаторов способствуют их использованию в схемах выборки и хранения для достижения длительного времени хранения, а также в некоторых схемах синхронизации с большой продолжительностью, где точная синхронизация не имеет решающего значения. Их также часто используют 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 постоянному нагреву внутренней среды и где важна высокая надежность. В таком оборудовании, как медицинская электроника и космическое оборудование, требующее высокого качества и надежности, используются танталовые конденсаторы.
Особенно распространенным применением низковольтных танталовых конденсаторов является фильтрация источников питания на материнских платах компьютеров и в периферийных устройствах из-за их небольших размеров и долгосрочной надежности. [77] [78]
{{cite web}}: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка ){{cite web}}: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка )
СМИ, связанные с танталовыми конденсаторами, на Викискладе?