Что такое танталовый конденсатор

Танталовые конденсаторы. Типы и область применения

что такое танталовый конденсатор

Современные танталовые конденсаторы являются  самостоятельной разновидностью  электролитических конденсаторов. Они имеют достаточно невысокое напряжение, обычно используются в случае необходимости применения конденсаторов с большой емкостью, но в маленьком корпусе.

Часто их называют «бусинками» из-за формы характерной формы корпуса. Принцип их работы основан на накоплении  электрического  заряда его обкладками при приложении напряжения между ними. Количественной мерой способности к накоплению  электрического  заряда является емкость конденсатора.

Эти конденсаторы имеют хорошие показатели и по удельной емкости.

Маркировка этих современных миниатюрных конденсаторов заложена в цвете их корпуса. Она похожа на маркировку для обычных электролитических конденсаторов. Хотя здесь есть и свои особенности. На корпусе у современных танталовых изделий нанесена полная информация: полярность, емкость, напряжение. Ранее цветовая маркировка имела две полоски и цветную точечку. Сочетание цветов и определяло тип изделия. При этом необходимо было сверяться с соответствующей таблицей типоразмеров изделия.

Конструкция этих конденсаторов в качестве диэлектрика имеет оксид тантала Та2О5. Благодаря ему танталовые конденсаторы обладают рядом важных преимуществ:

  • Повышенная надежность при длительной эксплуатации
  • Высокий срок стабильной службы
  • Сравнительно низкий ток утечки
  • Достаточно широкий диапазон рабочих температур

Типы корпусов

Сегодня эти виды конденсаторов изготавливаются в двух типах корпусов. Первая разновидность – SMD-корпус. Для изготовления корпусных  конденсаторов, применяемых при поверхностном монтаже, катод соединяется с его терминалом эпоксидной смолой с содержащим серебро наполнителем. Анод же приваривается к  электроду, сам стрингер обрезается. После окончательного формирования на конденсатор печатным способом наносится его код. Маркировка содержит значение его номинальной емкости, напряжения.

Когда происходит формирование второго типа корпусного конденсатора, то анодный проводник   приваривается к самому выводу анода, далее отрезается он от стрингера. В этом случае терминал катода припаян к телу конденсатора. В дальнейшем конденсатор заполняют герметиком (эпоксидным) и высушивают. После чего, как и в первом случае, наносят маркировку. Конденсаторы при SMD-исполнении оказываются при эксплуатации более надежными.

Область применения

  • Автомобильная электроника;
  • Компьютерная и вычислительная техника;
  • Телекоммуникационное оборудование;
  • Бытовая электротехника;
  • Различные блоки питания для материнских плат, дисководов, процессоров и аналогичного оборудования.

Перспективы расширения сферы применения

Сегодня танталовый конденсатор относится к наиболее востребованному типу конденсаторов. Современные производители конденсаторов ищут пути повышения прочности изделия, улучшения  их электрических характеристик, существенного снижения себестоимости и упрощения технологического процесса самого производства.

Для этого особенно важно удешевить основные компоненты, входящие в его состав. Дальнейшая роботизация всего технологического процесса способствует также его удешевлению. Важным моментов является и дальнейшая миниатюризация корпуса изделия при сохранении высоких эксплуатационных и электрических характеристик изделия.

Проходят технические испытания новые типы корпуса этого вида конденсаторов микроминиатюрного исполнения.

Источник: http://solo-project.com/articles/2/tantalovye-kondensatory-tipy-i-oblast-primeneniya.html

Танталовые SMD конденсаторы для поверхностного монтажа

что такое танталовый конденсатор
Упаковка: В блистр-ленте на катушке диаметром 180 мм по 2000 штук танталовых конденсаторов A и B case. Упаковка: В блистр-ленте на катушке диаметром 180 мм по 500 штук танталовых конденсаторов C и D case.

Упаковка: В блистр-ленте на катушке диаметром 180 мм по 500 штук танталовых конденсаторов серии T491 фирмы Kemet и по 400 штук других производителей.

Соответствие размеров X case конденсаторов производства Kemet, размерам E case прочих производителей

Размеры корпусов танталовых чип конденсаторов

Маркировка корпуса Типоразмер (inch) EIA код L W H s m a(min) k
J case 0603 1608 1,6 ± 0,3 0,8 ± 0,1 0,8 ± 0,1 0,6 ± 0,1 0,3 ± 0,15 
M case 0603 1608 1,6 ± 0,1 0,85 ± 0,1 0,8 ± 0,1 0,55 ± 0,1 0,5 ± 0,1
R case  0805 2012 2,0 ± 0,2 1,25 ± 0,2  0,95 ± 0,1 0,9 ± 0,1 0,5 ± 0,1 0,3
P case 0805 2012 2,0 ± 0,2 1,25 ± 0,2  1,2 ± 0,1  0,9 ± 0,1 0,5 ± 0,1 0,3
A case 1206 3216 3,2 ± 0,2 1,6 ± 0,2 1,6 ± 0,2 1,2 ± 0,1 0,8 ± 0,3 0,8 0,9 ± 0,2 
B case 1411 3528 3,5 ± 0,2 2,8 ± 0,2 1,9 ± 0,2 2,2 ± 0,1 0,8 ± 0,3 1,1 1,1 ± 0,2 
C case 2312 6032 6,0 ± 0,3 3,2 ± 0,3 2,5 ± 0,3 2,2 ± 0,1 1,3 ± 0,3 2,5 1,4 ± 0,2 
V case 2824 7342-20 7,3 ± 0,3 4,3 ± 0,3 2,0 ± 0,3 2,4 ± 0,1 1,3 ± 0,3 3,8
D case 2816 7343 7,3 ± 0,3 4,3 ± 0,3 2,8 ± 0,3 2,4 ± 0,1 1,3 ± 0,3  3,8 1,5 ± 0,2 
E case 2816 7343H 7,3 ± 0,3 4,3 ± 0,3 4,0 ± 0,3 2,4 ± 0,1 1,3 ± 0,3  3,8 1,5 ± 0,2

Маркировка емкости состоит из 3-х знаков, где последняя цифра обозначает количество нулей в номинале, измеряемом в пикофарадах. На все типоразмеры наносится маркировка емкости, а на типоразмеры B, C, D — маркировка рабочего напряжения.

Маркировка напряжений танталовых чип конденсаторов

Маркировка G J A C D E W T
Напряжение, В 4 6,3 10 16 20 25 35 5
Max. RIPPLE  100kHz (А)
Номинал VISHAY серия 293D KEMET серия T491D
10мкФ ± 20% 35B 0.43 0.387
10мкФ ± 10% 50B 0.45 0.433
15мкФ ±20% 35B 0.46 0.433
22мкФ ±10% 25B 0.46 0.433
22мкФ ±20% 35B 0.52 0.463
33мкФ ±10% 25B 0.46 0.463
33мкФ ±20% 35B 0.46 0.5
47мкФ ±20% 16B 0.46 0.433
47мкФ ±20% 20B 0.46 0.463
47мкФ ±20% 25B 0.46 0.463
68мкФ ±20% 16B 0.50 0.463
68мкФ ±10% 20B 0.46 0.463
100мкФ ±20% 16B 0.50 0.463
100мкФ ±20% 20В 0.50 0.408
330мкФ ±20% 6,3  0.50 0.612
330мкФ ±20% 10B 0.57 0.548
470мкФ ±20% 6,3В 0.55 0.612

Диапазон номинальных ёмкостей танталовых конденсаторов 2,2 мкФ470 мкФ, ряд Е6

Номинальные напряжения танталовых конденсаторов 4 В, 6,3 В,10 В, 16 В, 20 В, 25 В, 35 В, 50 В

Допустимые отклонения ёмкости танталового конденсатора 10 и 20%

Полное сопротивление при F= 100 кГц 0,725 Ом

Тангенс угла диэл. потерь, не более 0,060,08

Ток утечки 0,44 мкА (0,008*CV), но не менее 0,4 мкА

Диапазон рабочих температур танталовых конденсаторов -55+85°С

Технические характеристики и маркировка танталовых конденсаторов VISHAY SPRAGUE, серия 293D

Технические характеристики и маркировка танталовых конденсаторов KEMET, серия T491, R, S. T, U, W, V — Case

Технические характеристики и маркировка танталовых конденсаторов KEMET, серия T491, A, B, C, D, E, M, S, T, U, V, W, X — Case

Технические характеристики и маркировка танталовых конденсаторов NEC ELECTRONICS

Технические характеристики и маркировка танталовых конденсаторов AVX, серия TAJ

Технические характеристики и маркировка танталовых конденсаторов PANASONIC (MATSUSHITA ELECTRIC INDUSTRIAL), серия ECST1

Технические характеристики и маркировка танталовых конденсаторов EPCOS AG (SIEMENS MATSUSHITA COMPONENTS), серия B45198

Технические характеристики и маркировка танталовых конденсаторов SAMSUNG ELECTRONICS

Технические характеристики и маркировка танталовых конденсаторов HITACHI AIC

Танталовые конденсаторы для поверхностного монтажа инкапсулированы в корпус из эпоксидной смолы. Анод конденсатора изготовлен из спеченного танталового порошка, твердый (сухой) полупроводник — окисел марганца используется для формирования электролита, он же собственно и является катодом, электрическое подключения к которому обеспечивает покрытие из серебра.

Конденсаторы имеющие такую конструкцию называются Solid Tantalum Capacitors. Танталовые конденсаторы имеют высокую надежность, наработка на отказ составляет свыше 500 000 часов. Низкую собственную индуктивность, малый ток утечки и тангенс угла потерь в диэлектрике. Стабильность параметров в широком температурном диапазоне -55С +85С.

Отличают танталовые конденсаторы для поверхностного монтажа с малым значением эквивалентного последовательного сопротивления — Low ESR танталовые конденсаторы. Низкое последовательное сопротивление позволяет работать с большим током пульсаций. Не так давно созданы Ultra Low ESR полимерные алюминиевые конденсаторы. При цене, сравнимой с танталовыми, имеют значение ESR меньшее в разы.

Выпускаются в типоразмерах танталовых конденсаторов, в частности, в низкопрофильном D case — толщиной 1,8мм. Использования танталового порошка при изготовление конденсаторов определяет их достаточно высокую цену. В большинстве случаев танталовые электролитические конденсаторы могут быть с успехом заменены на неполярные многослойные керамические конденсаторы большой емкости.

При меньшей цене керамические конденсаторы имеют лучшие значения последовательного сопротивления для больших частот, меньший ток утечки, и это позволяет использовать конденсаторы меньшей емкости в высокочастотных цепях.

Для низкочастотных применений, где максимальных значений емкости танталовых конденсаторов недостаточно, выпускаются электролитические алюминиевые конденсаторы для поверхностного монтажа с жидким диэлектриком. В таком же исполнение выпускаются алюминиевые конденсаторы в которых сухой органический полимер используется в качестве электролита. Последние имеют низкий ESR и могут работать с большими токами пульсаций.

Производитель — NEC, AVX, KEMET, SPRAGUE, EPCOS, PANASONIC, SAMSUNG, HITACHI.

Источник: https://www.smd.ru/katalog/kondensatory/polyarnye/tantalovye/

Конденсаторы для «чайников»

что такое танталовый конденсатор

Если вы регулярно занимаетесь созданием электрических схем, вы наверняка использовали конденсаторы. Это стандартный компонент схем, такой же, как сопротивление, который вы просто берёте с полки без раздумий.

Мы используем конденсаторы для сглаживания пульсаций напряжения/тока, для согласования нагрузок, в качестве источника энергии для маломощных устройств, и других применений. Но конденсатор – это не просто пузырёк с двумя проводочками и парой параметров – рабочее напряжение и ёмкость.

Существует огромный массив технологий и материалов с разными свойствами, применяемых для создания конденсаторов.

И хотя в большинстве случаев для любой задачи сгодится практически любой конденсатор подходящей ёмкости, хорошее понимание работы этих устройств может помочь вам выбрать не просто нечто подходящее, а подходящее наилучшим образом. Если у вас когда-нибудь была проблема с температурной стабильностью или задача поиска источника дополнительных шумов – вы оцените информацию из этой статьи.

Начнём с простого

Лучше начать с простого и описать основные принципы работы конденсаторов, прежде чем переходить к настоящим устройствам. Идеальный конденсатор состоит из двух проводящих пластинок, разделённых диэлектриком. Заряд собирается на пластинах, но не может перетекать между ними – диэлектрик обладает изолирующими свойствами. Так конденсатор накапливает заряд.

Ёмкость измеряется в фарадах: конденсатор в один фарад выдаёт напряжение в один вольт, если в нём находится заряд в один кулон. Как и у многих других единиц системы СИ, у неё непрактичный размер, поэтому, если не брать в расчёт суперконденсаторы, о которых мы здесь говорить не будем, вы скорее всего встретитесь с микро-, нано- и пикофарадами.

Ёмкость любого конденсатора можно вывести из его размеров и свойств диэлектрика – если интересно, формулу для этого можно посмотреть в Википедии. Запоминать её не нужно, если только вы не готовитесь к экзамену – но в ней содержится один полезный факт.

Ёмкость пропорциональна диэлектрической проницаемости εr использованного диэлектрика, что в результате привело к появлению в продаже различных конденсаторов, использующих разные диэлектрические материалы для достижения больших ёмкостей или улучшения характеристик напряжения.

Паразитные индуктивность и сопротивление реального конденсатора С использованием диэлектриков в конденсаторах есть одна проблемка, наряду с тем, что диэлектрик с нужными характеристиками обладает неприятными побочными эффектами. У всех конденсаторов есть небольшие паразитные сопротивление и индуктивность, которые иногда могут влиять на его работу. Электрические постоянные меняются от температуры и напряжения, пьезоэлектричества или шума. Некоторые конденсаторы стоят слишком дорого, у некоторых существуют состояния отказа. И вот мы подошли к основной части статьи, в которой расскажем о разных типах конденсаторов, и об их свойствах, полезных и вредных. Мы не будем освещать все возможные технологии, хотя большинство обычных мы опишем.

Алюминиевые электролитические

Алюминиевые электролитические конденсаторы используют анодно-оксидированный слой на алюминиевом листе в качестве одной пластины-диэлектрика, и электролит из электрохимической ячейки в качестве другой пластины.

Наличие электрохимической ячейки делает их полярными, то есть напряжение постоянного тока должно прикладываться в одном направлении, и анодированная пластина должна быть анодом, или плюсом. На практике их пластины выполнены в виде сэндвича из алюминиевой фольги, завёрнутой в цилиндр и расположенной в алюминиевой банке.

Рабочее напряжение зависит от глубины анодированного слоя. У электролитических конденсаторов наибольшая среди распространённых ёмкость, от 0,1 до тысяч мкФ.

Из-за плотной упаковки электрохимической ячейки у них наблюдается большая эквивалентная последовательная индуктивность (equivalent series inductance, ESI, или эффективная индуктивность), из-за чего их нельзя использовать на высоких частотах. Обычно они используются для сглаживания питания и развязывания, а также связывания на аудиочастотах.

Танталовые электролитические

Танталовый конденсатор поверхностного размещения Танталовые электролитические конденсаторы изготавливаются в виде спечённого танталового анода с большой площадью поверхности, на которой выращивается толстый слой оксида, а затем в качестве катода размещается электролит из диоксида марганца.

Комбинация большой площади поверхности и диэлектрических свойств оксида тантала приводит к высокой ёмкости в пересчёте на объём. В результате такие конденсаторы выходят гораздо меньше алюминиевых конденсаторов сравнимой ёмкости. Как и у последних, у танталовых конденсаторов есть полярность, поэтому постоянный ток должен идти в строго одном направлении.

Их доступная ёмкостью варьируется от 0,1 до нескольких сотен мкФ. У них гораздо меньше сопротивление утечки и эквивалентное последовательное сопротивление (ESR), в связи с чем они используются в тестировании, измерительных приборах и высококачественных аудиоустройствах – там, где эти свойства полезны.

В случае танталовых конденсаторов необходимо особенно следить за состоянием отказа, бывает, что они загораются. Аморфный оксид тантала – хороший диэлектрик, а в кристаллической форме он становится хорошим проводником.

Неправильное использование танталового конденсатора – например, подача слишком большого пускового тока может привести к переходу диэлектрика в другую форму, что увеличит проходящий через него ток. Правда, репутация, связанная с возгораниями, появилась у более ранних поколений танталовых конденсаторов, и улучшенные методы производства привели к созданию более надёжной продукции.

Полимерные плёнки

Целое семейство конденсаторов использует полимерные плёнки в качестве диэлектриков, а плёнка либо находится между витыми или перемежающимися слоями металлической фольги, либо имеет металлизированный слой на поверхности. Их рабочее напряжение может доходить до 1000 В, но высокими ёмкостями они не обладают – это обычно от 100 пФ до единиц мкФ.

У каждого вида плёнки есть свои плюсы и минусы, но в целом всё семейство отличается более низкими ёмкостью и индуктивностью, чем у электролитических. Посему они используются в высокочастотных устройствах и для развязывания в электрически шумных системах, а также в системах общего назначения. Полипропиленовые конденсаторы используются в схемах, требующих хорошей тепловой и частотной стабильности.

Также они используются в системах питания, для подавления ЭМП, в системах, использующих переменные токи высокого напряжения. Полиэстеровые конденсаторы, хотя и не обладают такими температурными и частотными характеристиками, получаются дешёвыми и выдерживают большие температуры при пайке для поверхностного монтажа.

В связи с этим они используются в схемах, предназначенных для использования в некритичных приложениях. Полиэтилен-нафталатовые конденсаторы. Не обладают стабильными температурными и частотными характеристиками, но могут выдерживать гораздо большие температуры и напряжения по сравнению с полиэстеровыми.

ЭТО ИНТЕРЕСНО:  Как найти энергию конденсатора

Полиэтилен-сульфидовые конденсаторы обладают температурными и частотными характеристиками полипропиленовых, и в дополнение выдерживают высокие температуры. В старом оборудовании можно наткнуться на поликарбонатные и полистиреновые конденсаторы, но сейчас они уже не используются.

Керамика

История керамических конденсаторов довольно длинная – они использовались с первых десятилетий прошлого века и по сей день. Ранние конденсаторы представляли собою один слой керамики, металлизированной с обеих сторон. Более поздние бывают и многослойными, где пластины с металлизацией и керамика перемежаются.

В зависимости от диэлектрика их ёмкости варьируются от 1 пФ до десятков мкФ, а напряжения достигают киловольт. Во всех отраслях электроники, где требуется малая ёмкость, можно встретить как однослойные керамические диски, так и многослойные пакетные конденсаторы поверхностного монтажа. Проще всего классифицировать керамические конденсаторы по диэлектрикам, поскольку именно они придают конденсатором все свойства.

Диэлектрики классифицируют по трёхбуквенным кодам, где зашифрована их рабочая температура и стабильность. C0G лучшая стабильность в ёмкости по отношению к температуре, частоте и напряжению. Используются в высокочастотных схемах и других контурах высокого быстродействия. X7R не обладают такими хорошими характеристиками по температуре и напряжению, посему используются в менее критичных случаях.

Обычно это развязывание и различные универсальные приложения. Y5V обладают гораздо большей ёмкостью, но характеристики температуры и напряжения у них ещё ниже. Также используются для развязывания и в различных универсальных приложениях. Поскольку керамика часто обладает и пьезоэлектрическими свойствами, некоторые керамические конденсаторы демонстрируют и микрофонный эффект.

Если вы работали с высокими напряжениями и частотами в аудиодиапазоне, например, в случае ламповых усилителей или электростатики, вы могли услышать, как «поют» конденсаторы. Если вы использовали пьезоэлектрический конденсатор для обеспечения частотной стабилизации, вы могли обнаружить, что его звук модулируется вибрацией его окружения.

Как мы уже упоминали, статья не ставит целью охватить все технологии конденсаторов. Взглянув в каталог электроники вы обнаружите, что некоторые технологии, имеющиеся в наличии, здесь не освещены. Некоторые предложения из каталогов уже устарели, или же имеют такую узкую нишу, что с ними чаще всего и не встретишься.

Мы надеялись лишь развеять некоторые тайны по поводу популярных моделей конденсаторов, и помочь вам в выборе подходящих компонентов при разработке собственных устройств. Если мы разогрели ваш аппетит, вы можете изучить нашу статью по катушкам индуктивности.

Об обнаруженных вами неточностях и ошибках прошу писать через личные сообщения сайта. Спасибо.

Источник: https://habr.com/ru/post/369421/

Сравнение характеристик танталовых и алюминиевых конденсаторов

Заказать этот номер

2000№8

Существует множество различных типов танталовых и алюминиевых конденсаторов. В этой статье рассматриваются только конденсаторы в корпусах для поверхностного монтажа (SMT) как наиболее перспективные и часто применяемые. В табл. 1 приведены результаты сравнения этих двух типов конденсаторов по основным техническим и потребительским параметрам.

Размеры и эффективность использования объема

Для танталовых конденсаторов эффективность использования объема (отношение запасаемой энергии к объему корпуса конденсатора) очень велика и может достигать значений, в 18 раз лучших соответствующего показателя для алюминиевых конденсаторов. В табл. 2 приведены типичные значения емкостей танталовых конденсаторов для различных типов корпусов, а в табл. 3 — аналогичные показатели для алюминиевых конденсаторов.

Стандартные электрические параметры

В табл. 4 приведены результаты сравнения стандартных электрических параметров танталовых и алюминиевых конденсаторов одинаковой емкости. Следует заметить, что приведенные в таблице коды типоразмера корпуса соответствуют разным физическим размерам для танталовых и алюминиевых конденсаторов (см. табл. 2 и 3).

Надежность

Танталовые конденсаторы имеют большую, по сравнению с алюминиевыми, надежность. Это связано с технологией производства, а также с практически полным отсутствием износа с течением времени.

При использовании алюминиевых конденсаторов потеря емкости в процессе эксплуатации может стать существенной проблемой. На рис. 1 приведены графики зависимости частоты отказов от времени наработки для рассматриваемых типов конденсаторов, а на рис.

2 — графики зависимости потери емкости алюминиевых конденсаторов в зависимости от времени и рабочей температуры.

Частотные и температурные характеристики

В целом, такой параметр, как эквивалентное последовательное сопротивление на частотах выше 1 кГц оказывается лучшим у алюминиевых конденсаторов (см. рис. 3). Однако с ростом рабочей температуры разница становится минимальной, поскольку у танталовых конденсаторов имеется ярко выраженная зависимость ESR от температуры (рис. 4). В то же время зависимость емкости от температуры у танталовых конденсаторов гораздо менее жесткая, чем у алюминиевых (рис. 5).

Индуктивность

Алюминиевые конденсаторы не рекомендуются для использования в тех областях, где индуктивность является критичным параметром, например, в цепях питания цифровых схем с малым временем смены уровня сигнала.

Высокая индуктивность не позволяет конденсатору достаточно быстро обеспечивать цепи необходимой энергией, поэтому возможны значительные провалы питающего напряжения. На рис.

6 приведены осциллограммы испытаний алюминиевых и танталовых конденсаторов на работу в цепях питания с быстрым изменением тока, потребляемого нагрузкой. Красным кружком на рисунке отмечено то место, где напряжение опустилось ниже допустимого предела.

Скачать статью в формате PDF  

Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке

Если Вы заметили какие-либо неточности в статье (отсутствующие рисунки, таблицы, недостоверную информацию и т.п.), просьба сообщить нам об этом. Пожалуйста укажите ссылку на страницу и описание проблемы.

Источник: https://www.kit-e.ru/articles/condenser/2000_08_74.php

Танталовые конденсаторы. Достоинства и недостатки. Маркировка

Электролитические конденсаторы, имеющие полярные выводы, широко применяются в электротехнике и радиоэлектронике. Они сглаживают пульсирующее напряжение в силовых цепях постоянного тока после выпрямительных диодных мостов, формируют пилообразное напряжение в схемных решениях аналоговой развертки и памяти, обеспечивают работу мультивибраторов, определяя моменты отпирания и запирания транзисторов, тиристоров, семисторов, других ключевых элементов.

Тантал как двигатель прогресса

Одним из магистральных направлений в борьбе за уменьшение размеров элементной базы, которая ведется с первых дней существования радиоэлектроники, является увеличение частоты сигнала, проходящего по цепям. Например, силовой трансформатор, рассчитанный для работы на частоте 400 Гц, в восемь раз меньше такого же по мощности, но пятидесятигерцового.

Однако на пути прогресса встает устаревшая конструкция электролитических конденсаторов. Они сделаны на основе двух свернутых в рулон листов алюминиевой фольги, а потому большая емкость может быть достигнута только экстенсивно – путем увеличения размеров.

Кроме того, из-за огромной паразитной индуктивности они плохо работают на частотах свыше 100 КГц и не могут обеспечить функционирование высокочастотных инверторных – преобразующих постоянное напряжение в последовательность прямоугольных импульсов переменной полярности – схем.

Решить проблему (сохранить большую электрическую емкость конденсатора и одновременно уменьшить его размер) удалось, используя в конструкции этого элемента редкоземельный металл тантал. По цене он превышает золото, а сложность его добычи сходна с мучениями мифического Тантала. Причина того, что именно этот металл был необходим для создания современного элемента радиотехнических схем, оказалась весьма прозаичной.

Дело в том, что непременным условием работы электролитического конденсатора является наличие оксидной пленки-диэлектрика на поверхности анода. Слой с необходимыми диэлектрическими свойствами может образовываться, например, на поверхности титана, иридия, алюминия, тантала.

Но из всего ряда металлов только у последних двух его толщину можно технологически контролировать. А без этого создать элемент электронной схемы с заданными параметрами невозможно. Так что другого решения дилеммы – использовать дорогой тантал или отказаться от прогресса – просто не было.

Небольшим утешением явилось то, что этого металла в конденсаторе совсем немного – сотые доли грамма.

Конструкция танталовых конденсаторов

Как идея, она не претерпела изменений со времен изобретения так называемой Лейденской банки. В конструкцию танталового конденсатора входят:

1. Два электрода – анод (положительный) и катод (отрицательный).

2. Слой диэлектрика, роль которого в Лейденской банке играло стекло. В современных конденсаторах – оксид металла, из которого сделан анод.

3. Электролит – любая проницаемая для электричества среда с определенным сопротивлением. Им может быть вода, кислота, щелочь, твердое или пластичное вещество.

Особенными свойствами его наделяет способ изготовления анода. Физико-механические свойства тантала позволяют создавать из него пористую губчатую структуру. Для этого используется сложная технология спекания очищенного танталового порошка в среде глубокого вакуума. В результате получается, что площадь внутренней поверхности анода многократно превышает внешнюю. Именно это позволяет накапливать огромный электрический заряд внутри небольшого с виду кусочка металла.

Диэлектрическую пленку на поверхности анода получают путем пропускания электрического тока через анод и провоцирования процесса электрохимической коррозии. Полученное вещество – пентоксид тантала – имеет аморфную структуру.

Она может оказаться и кристаллической, но тогда – это уже производственный брак, поскольку кристаллический оксид тантала является токопроводящим.

Толщина диэлектрической пленки ничтожна, она не превышает нескольких тысяч ангстрем, что в пятьсот раз тоньше человеческого волоса.

В качестве электролита используется твердое вещество, полупроводник – диоксид марганца. Он отделяет катод от анода. Для улучшения проводимости внутреннюю часть отрицательного электрода делают из серебра, а между ним и электролитом устраивают подложку из графита.

Весь этот «бутерброд» заливают компаундом – похожим на пластмассу диэлектриком. Снаружи остаются два металлических вывода. За небольшой размер танталовые конденсаторы нередко зовут «горошинами».

Танталовые конденсаторы. Достоинства и недостатки

Большая электрическая емкость при малых размерах (элементы, используемые для поверхностного монтажа, не превышают 7,5 мм в длину) – главное достоинство конденсаторов с танталовым анодом. Кроме того, они имеют очень малый ток утечки. Однако их электрическая прочность очень небольшая – самые мощные из них рассчитаны на 35 вольт.

Маркировка танталовых конденсаторов

Сейчас на таких конденсаторах указывается численное значение емкости и плюсовой вывод. Рабочее напряжение определяется цветом корпуса.

Розовый 35
Белый 30
Серый 25
Голубой 20
Зеленый 16
Черный 10
Желтый 6,3

Старая маркировка была более сложной, она состояла из трех цветных полос и точки. Цвет точки определял множитель значения емкости:

Черная 1,0
Белая 0,1
Серая 0,01

Первые две цветные полосы означали цифры емкости (в микрофарадах)

Фиолетовый 7
Голубой 6
Зеленый 5
Желтый 4
Оранжевый 3
Красный 2
Коричневый 1
Черный

Источник: http://electric-tolk.ru/tantalovye-kondensatory/

Танталовые конденсаторы

> Теория > Танталовые конденсаторы

На современном рынке электроники предлагается множество различных типов конденсаторов, каждый из которых обладает своими особенностями: существенными различиями в характеристиках, преимуществами и недостатками. Кроме этого существует множество подтипов каждого типа, маркируемых производителями по сериям. В этой статье будет рассмотрен танталовый конденсатор, который малоизвестен владельцам электронной техники, тем не менее, он заслуживает особого внимания.

Электронный чип-компонент

Для информации. Тантал, называемый колтан по-местному, – это один из самых дорогостоящих минералов, добываемых в мире, точнее в восточном Конго. Тантал играет важную роль в электронике: его используют при изготовлении электронных конденсаторов. Последние применяются для хранения электроэнергии в сотовых телефонах и портативной электронике.

Технология производства и конструкция

Производство чип-конденсаторов с танталовым диэлектриком достаточно сложное и многоэтапное. Порошок из тантала перемешивается со специальным связующим составом. Далее порошок прессуется вокруг танталового проводника. При нагревании до 150 0 С за несколько минут в вакууме связка исчезает.

Прессование и спекание танталового порошка производится при 1500-2000 0 С в специальной вакуумной установке.

Губкообразная структура из пористого порошка с образованным диэлектрическим слоем из пятиокиси тантала Ta2O5 получается механически надежной и прочной.

В большей степени это достигается за счет превышения напряжения в 3-4 раза в процессе изготовления по сравнению с рабочим. В зависимости от температуры и времени спекания устройств получаются изделия с различными по объему емкостями.

Далее с помощью окислительно-восстановительной реакции под нагревом формируется твёрдый электролитический слой. Диэлектрическая пленка покрывает всю поверхность анода. В качестве катодного электрода используется диоксид марганца MnO2. Слаги окунаются в раствор, а затем спекаются при t =250 0 С. Процесс повторяется неоднократно при разной концентрации раствора.

Затем формируются внешние выводы устройства. По завершении изделие опускается в графитовую смесь. Лучшее сцепление слагов обеспечивается подсушиваем в печи. Процесс повторяется с серебряной смесью для улучшения электрических соединений слоев. В готовом виде в корпусе содержится около 70 компоновочных элементов, объединенных в монолитную конструкцию.

Важно! По сравнению с обычными электростатическими конденсаторами, диэлектрическая проницаемость здесь значительно выше, так как толщина оксидного слоя намного тоньше.

Этот фактор в сочетании с большей площадью анода обуславливает гораздо более высокие ценности: данные устройства способны хранить большую энергию, чем остальные электролитические конденсаторы.

Объемнопористые танталовые изделия также отличаются от остальных тем, что токи утечки у них на порядки меньше, а долговечность – практически не ограничена.

Конструкция чип-конденсатора

Технические особенности

Высоковольтные конденсаторы

Для производства танталовых чип-конденсаторов используют своего рода химическую реакцию между анодом и катодом, изготовленных из двух разных видов материалов для образования тонкого изолирующего слоя. Из-за диэлектрической поляризации положительные заряды смещаются в сторону поля, а отрицательные заряды – в противоположном направлении. Это создает внутреннее электрическое поле, которое уменьшает общее поле внутри самого диэлектрика.

Танталовые конденсаторы способны работать при рабочем напряжении от 2 до 300 В. Однако, устройства поддерживают напряжение только в одном направлении (в силу своей полярности). Химическая реакция может протекать как в прямом, так и в обратном направлении.

При обратном направлении возможно повреждение тонкого изолирующего оксидного слоя, вследствие чего может возникнуть короткое замыкание. После того, как диэлектрик будет пробит, восстановлению устройство не подлежит.

Поэтому при включении в схему важно строгое соблюдение полярности.

Преимущества и недостатки

Танталовые конденсаторы являются предпочтительными по сравнению, к примеру, с алюминиевыми, потому что они меньше, легче и более устойчивы.

Основные технические достоинства:

  • более низкое последовательное сопротивление;
  • низкая индуктивность,
  • наименьшее значение утечки.

По крайней мере, одно из этих свойств крайне важно, иначе инженеры использовали бы более дешевые чип-компоненты. Примерная цена танталового компонента составляет 40 долларов за килограмм, а иногда скачет свыше 100 $.

Недостатки устройств выражаются в поляризации, токсичности и дороговизне. Танталовые конденсаторы могут взорваться или течь, если будут подвержены слишком большому напряжению или обратному напряжению. В отличие от неполяризованного конденсатора, поляризованный может быть разрушен обратным напряжением и поэтому не должен использоваться в чистых цепях переменного тока без защитных диодов.

Импортные чип-конденсаторы

Область использования

Танталовые конденсаторы представляют собой микроскопические ячейки, которые содержат 1 бит информации. Устройства используют в логических схемах, содержащих в основном транзисторы и резисторы. Крошечные чип-компоненты устанавливаются на внешней стороне чип-пакета или на материнской плате компьютера. При обработке сигналов чип-конденсатор в совокупности с резистором сглаживает пики и острые импульсы сигнала.

Устройства могут использоваться в такой технике, где превыше всего ценится надежность:

  • автомобильной,
  • промышленной,
  • военно-аэрокосмической.

Электрическая и механическая надежность

Критерии выбора

На современном рынке можно легко запутаться из-за наличия различных типов и подтипов чип-конденсаторов. Все они различаются по своим характеристикам, и каждый имеет свои плюсы и минусы.

ЭТО ИНТЕРЕСНО:  Транзистор кто создал и в каком году

Критерии выбора конкретных типов устройств определяются следующими факторами:

  • способность работы при высоком напряжении;
  • значительная емкость;
  • величина пробивного напряжения;
  • собственная индуктивность;
  • стабильность и долгосрочность работы;
  • стоимость.

Твердотельные танталовые конденсаторы благодаря отличным характеристикам имеют большую популярность в области производства электронной техники.

Меры предосторожности

Первая задача заключается в увеличении срока службы танталовых конденсаторов. Задачу решают на всех этапах жизни изделия следующими мерами:

  • контроль соблюдения установленной технологии производства;
  • контроль процесса аттестации готовой продукции и хранения;
  • выполнение требований к организации выполнения работ по монтажу;
  • оптимальный выбор безопасного режима работы, соблюдение предельно допустимых уровней напряжений и токов;
  • соответствие требованиям эксплуатации.

Конденсаторы из танталового электролита

Преимущества конденсаторов с танталовыми диэлектриками заключаются в том, что они имеют очень большие значения емкости и небольшие размеры. Это делает их идеальными в качестве фильтрующих конденсаторов в блоках питания.

Источник: https://elquanta.ru/teoriya/tantalovye-kondensatory.html

Тенденции в производстве танталовых конденсаторов компании EXXELIA FIRADEC

30 Ноя 2017

Бенжамин Ронс (Benjamin Ronse)

( в журнале «Вестник Электроники» №2 2015)

Скачать статью в формате PDF (186 КБ)

Каждая технология преследует свои собственные интересы и имеет свои слабые и сильные стороны. Тантал в электролитических конденсаторах занимает особую нишу.

Танталовые конденсаторы: в сердцевине технологий

Если рассматривать такие характеристики, как эквивалентное последовательное сопротивление (Equivalent Series Resistance, ESR) и токи утечки, то пленочные и керамические конденсаторы смотрятся явно лучше, чем танталовые или, например, алюминиевые (табл. 1). А если мы обратим внимание на срок службы и способность выдерживать жесткие условия внешней среды, то танталовые, пленочные и керамические конденсаторы имеют показатели гораздо выше, чем алюминиевые.

Эта особенность привела к тому, что, например, алюминиевые конденсаторы запрещены ЕКА (Европейское космическое агентство) для использования в космической технике. С другой стороны, существует два параметра, по которым алюминиевые и танталовые (танталовые объемно-пористые) смотрятся гораздо привлекательнее, чем пленочные и керамические, а именно по таким параметрам, как удельная энергоемкость (плотность энергии на единицу объема) и относительная стоимость (€/Ф).

Таблица 1. Сравнение конденсаторов, выполненных по различным технологиям Примечание: Зеленым цветом отмечены высокие показатели, оранжевым – низкие.

В самом деле, по этим двум параметрам танталовые конденсаторы (ТК) хоть и выглядят гораздо лучше, чем пленочные и керамические, все же они еще очень далеки от алюминиевых. И это ставит ТК в некоторое «промежуточное» положение среди упомянутых технологий.

Пути совершенствования

Рис. 1. Зависимость емкость/напряжение у предлагаемых на рынке объемно-пористых ТК

Поскольку такие параметры, как относительная стоимость и удельная энергоемкость, являются связанными между собой, то вполне логично, что потребитель остановит свой выбор именно на ТК, ибо он всегда хочет получить как можно больше, и это в полной мере относится к указанным параметрам.

В итоге у потребителя появляется возможность миниатюризировать свои проекты, снизив, соответственно, их стоимость.

А если обратить внимание на объемно-пористые ТК, то становится очевидным, что многие проекты могут быть реализованы с оптимальным соотношением этих специфических характеристик в конечных продуктах.

Если обратить внимание на двух крупных американских производителей, то обе компании используют своего рода гибридные технологии, позволяющее, например, получить емкость до 750 мкФ с рабочим напряжением 75 В в корпусе Т4 (типоразмер класса MIL) из типоразмеров CLR 79.

Компания Exxelia Firadec предпочла иной путь. В итоге значительный успех имело семейство конденсаторов ST79, номинальная емкость которых была ограничена 470 мкФ для рабочего напряжения 75 В. Эти конденсаторы были сертифицированы для использования в космической технике и включены в предпочтительный перечень элементов ЕКА–EPPL (ESA Prefered Part List, EPPL).

Впрочем, это касается вовсе не оксидно-полупроводниковых танталовых конденсаторов. Чтобы стать потенциальным лидером в этом направлении, компании Exxelia Firadec необходимо было увеличить максимальное значение номинальной емкости конденсаторов, что и было достигнуто в случае с устройствами семейства WT83. Их номинальная емкость вдвое выше по сравнению с конденсаторами ST79, что делает их более конкурентно-способными.

Сравнение этих новых конденсаторов с конкурентными продуктами показано на рис 1.

Рис. 2. Характеристики предлагаемых объемно-пористых ТК, выпускаемых компанией Exxelia Firadec

Серия ТК WT83 позволяет Exxelia Firadec практически на 30% повысить уровень номинальной емкости для нескольких рабочих напряжений. Кроме того, инновационные технологии должны позволить компании совершить еще один рывок в этом направлении в ближайшие три года, а также выпустить высокотемпературную версию рассмотренной серии высокоемкостных конденсаторов с рабочей температурой до +200 °C.

Соотношение емкость/рабочее напряжение изделий компании Exxelia Firadec представлено на рисунке 2.

Применение ТК для проектирования вторичных шин питания космических аппаратов

Общий источник питания (ИП) в космических аппаратах (КА), например спутниках, как правило, представляет собой мощный DC/DC-преобразователь с двумя шинами. Одна шина является первичной и обычно характеризуется высоким рабочим напряжением, а вторая является вторичной и рассчитана на более низкие напряжения (10–100 В).

На этом вторичном уровне некоторые его особенности требуют применения конденсаторов, но наиболее важной функцией является фильтрация выходного напряжения — как основного, так и вторичного.

Для реализации этой функции, поскольку алюминиевые конденсаторы для использования в космической технике из-за сброса давления и надежности запрещены, могут быть использованы только три технологии изготовления конденсаторов:

  • керамические;
  • пленочные;
  • танталовые (оксидно-полупроводниковые или объемно-пористые, в зависимости от имеющихся ограничений).

Керамические и пленочные конденсаторы имеют свои преимущества, такие как малое эквивалентное последовательное сопротивление ESR, возможность выдерживать обратное напряжение и безопасность при отказе.

Но, как уже было сказано, ТК имеют два основных преимущества, которые делают их основным и наилучшим решением во многих случаях: удельная энергоемкость (табл. 2) и относительная стоимость.

Таблица 2. Энергоемкость конденсаторов, выполненных по различным технологиям

Для фильтрации выходного напряжения в большинстве случаев требуются конденсаторы большой емкости (например, в несколько десятков миллифарад). Таким образом, это означает, что необходимо использовать большое количество пленочных или керамических конденсаторов, которые будут занимать значительную площадь на печатной плате. В результате фильтрация выходного напряжения в этой конфигурации становится чересчур дорогой и громоздкой.

Большинство конструкторов при проектировании сталкивается с тем, что рабочее напряжение ТК не превышает 100 В для оксидно-полупроводниковых с твердым электро-литом и 150 В для объемно-пористых с жидким электролитом (рис. 3).

Рис. 3. Максимальное номинальное напряжение ТК различных типов

Рис. 4. Объемно-пористый ТК, габаритные размеры

В 2014 г. компания Exxelia Firadec исследовала данную тему, и ее специалистам удалось найти выход из сложившейся ситуации.

Чтобы получить, как минимум, те же характеристики конденсаторов, рассчитанных на рабочее напряжение в 150 В, но при более высоких напряжениях (пусть даже при определенных ограничениях в части условий эксплуатации), был использован весь наколенный годами опыт целого ряда подразделений Exxelia.

Например, поставленная задача могла быть реализованной для более узкого диапазона рабочих температур, но с более высоким коэффициентом использования объема конденсатора. Все это, в итоге, привело к разработке нескольких новых конденсаторов в корпусах различных типоразмеров, которые соответствуют T3 и T4 по стандартам MIL (рис. 4, табл. 3).

Таблица 3. Характеристики корпусов новых конденсаторов

Емкость рассматриваемых конденсаторов:

  • 33 мкФ 160 В в корпусе C;
  • 47 мкФ 160 В в корпусе D;
  • 82 мкФ 160 и 170 В в корпусе D.

Учитывая необходимый запас по рабочему напряжению для КА, это позволяет проектировщикам использовать такие конденсаторы до рабочего напряжения в 100 В (100/0,6 = 168,5 В).

Рис. 5. Типовая блок-схема DC/DC-преобразователя

Доказательство длительного срока службы новых конденсаторов

Приведенные выше характеристики — это лишь первый шаг на пути к достижению максимально высокой надежности. В данном случае проведенные испытания показали отличную стабильность конденсаторов после 1000 ч наработки в ходе испытаний на срок службы (табл. 4).

Таблица 4. Результаты испытаний конденсаторов серии WT83 на длительность срока службы

Кроме того, есть еще интересные теоретические расчеты. В реальной практике мы используем формулы, которые были разработаны для стандартов MIL, их также иногда использует и Европейский координационный комитет по компонентам для КА — ESCC. Таким образом, у нас есть возможность вычислить интенсивность отказов:

FR = 3 × πT × πV × πC × πE × πq × 10-9/ч,

где коэффициенты имеют следующий смысл: πT — влияние температуры; πV — влияние напряжения; πC— емкость конденсатора; πE — окружающие условия эксплуатации; πq— квалификационный коэффициент, класс элемента.

Зададим максимальную температуру в 0 °С, что является обычным для КА. Тогда:

πT = exp (1,8 × (T/Tmax)²) = exp (1,8) = 6,05;

πV = exp (Up/Ur)² = exp (0,6)² = 1,43;

πC = 1,2, что соответствует конденсатору емкостью в 82 мкФ; πq= 2, поскольку этот элемент не сертифицирован как изделия для КА (0,5 — если бы был сертифицирован); πE= 0,5 для орбитального КА (спутника) или 20 для космического ракетоносителя.

Отсюда имеем:

  • FR = 31 × 10-9/ч для орбитального спутника;
  • FR = 12,4 × 10-7/ч для космического ракетоносителя.

Это соответствует предполагаемому сроку службы в 32 300 тыс. ч для орбитального космического аппарата и 806 000 ч для космического ракетоносителя.

Конечно, эти цифры являются сугубо теоретическими. Такие большие сроки службы достаточно трудно доказать экспериментально, но все же эти результаты являются достаточно информативными для оценки поведения описываемых изделий в устройствах космического назначения.

Такие же, как и для всех иных сертифицированных для использования в космической промышленности продуктов, Exxelia Firadec может применить к предлагаемым конденсаторам 100%-й контроль по правилам Европейского космического агентства (ЕКА) и соответствующие приемо-сдаточные испытания (ПСИ), в том числе по программе, включающей различные проверки и тесты (схема на рис. 6).

Таким образом, благодаря новым высоковольтным объемно-пористым танталовым конденсаторам WT82 компании Exxelia Firadec оборудование для космоса можно будет сделать менее габаритным и более дешевым.

Рис. 6. Схема приемо-сдаточных испытаний по ESCC (Общие технические условия № 3003)

Источник: https://ptelectronics.ru/stati/tendentsii-v-proizvodstve-tantalovyih-kondensatorov-kompanii-exxelia-firadec/

Танталовые конденсаторы для поверхностного монтажа

[PDF] Весь раздел танталовых SMD конденсаторов

Технические характеристики

 Диапазон номинальных значений емкости от  0.1 мкф  до  1500мкф
 Допустимое отклонение от номинала, % 10,  20
 Рабочее напряжение, В 4,  6.3,  10,  16,  20,  25,  35,  50
 Ток утечки, мкА 0,01 CU, но не менее 0,5 мкА
 Температурный диапазон -55° / +85°С (до +125°C с понижением напряжения)
 Отечественные аналоги К53-15,  К53-22,  К53-25, К53-37,  К53-38

 

Типичные габаритные размеры

Корпус L W H Р Tw Тh (Min.)
А 0,126 ± 0,008 0,063 ± 0,008 0,063 ± 0,008 0,031 ± 0,012 0,047 ± 0,004 0,028
(3,2 ± 0,20) (1,6 ± 0,20) (1,6 ± 0,20) (0,80 ± 0,30) (1,2 ± 0,10) (0,70)
В 0,138 ± 0,008 0,110 ± 0,008 0,075 ± 0,008 0,031 ± 0,012 0,087 ± 0,004 0,028
(3,5 ± 0,20) (2,8 ± 0,20) (1,9 ± 0,20) (0,80 ± 0,30) (2,2 ± 0,10) (0,70)
С 0,236 ± 0,012 0,126± 0,012 0,098 ± 0,012 0,051 ± 0,012 0,087 ± 0,004 0,039
(6,0 ± 0,30) (3,2 ± 0,30) (2,5 ± 0,30) (1,3 ± 0,30) (2,2 ± 0,10) (1,0)
D 0,287 ± 0,012 0,170 ± 0,012 0,110 ± 0,012 0,051 ± 0,012 0,095 ± 0,004 0,039
(7,3 ± 0,30) (4,3 ± 0,30) (2,8 ± 0,30) (1,3 ± 0,30) (2,4 ± 0,10) (1,0)
Е 0,287 ± 0,012 0,170 ± 0,012 0,158 ± 0,012 0,051 ± 0,012 0,095 ± 0,004 0,039
(7,3 ± 0,30) (4,3 ± 0,30) (4,0 ± 0,30) (1,3 ± 0,30) (2,4 ± 0,10) (1,0)

 

Таблица ёмкостей и корпусов

4 В 6,3 В 10 В 16 В 20 В 25 В 35 В 50 В
мкФ Std. Ext. Std. Ext. Std. Ext. Std. Ext. Std. Ext. Std. Ext. Std. Ext. Std. Ext.
0,1 A A
0,15 A B A
0,22 A B A
0,33 A B A
0,47 A B A B/C A/B
0,68 A A B A C B
1,0 A A B A B A C B
1,5 A A A A B A C B D C
2,2 A A A/B A B A B A C B D C
3,3 A A A A A/B A B A C B C B D C
4,7 A A A A/B A B A B/C A/B C B D В/C D
6,8 A A A/B A B A B/C A/B C B C/D B/C V/D C D/E
10 A/B A B A B/C A/B C A/B C B/C V/D C D C/V D/E
15 B A B/C A/B C A/B C B/C V/D B/C D C/V С/D/E E
22 B A/B C A/B C A*/B/C V/D B/C V/D B/C C/D D/E
33 C A/B C A/B/C V/D А/B/C V/D B/C D C/D D/E D/E
47 C A/B/C V/D A/B/C V/D B/C D C/V/D D/E D/E E
68 D/V A/B/C V/D B/C D В/C/V/D C/D D/E E
100 D/V B/C D B/C/V/D C/D D/E D/E
150 D B/C/V/D E C/D C*/D/E D/E
220 E C/D C/D/E С/D/E E
330 C*/D/E C/D/E D/E
470 C/D/E D/E E Std — стандартный ряд
680 D/E E E* Ext — расширенный ряд
1000 E E* * — возможность поставки требует уточнения
1500 E*

 

Упаковка

 

Корпус Количество (шт.) Минимальное отпускное количество (шт.)
катушка, Ø 180 мм катушка, Ø 330 мм
A 2000 9000 50
B 2000 8000 50
C 500/750 3000 50
D 500/750 2800 50
E 400 1800 50

 

Источник: http://old.symmetron.ru/suppliers/chiptantal/chiptantal.shtml

Устройство танталового конденсатора

Радиоэлектроника для начинающих

В настоящее время, кроме всем знакомых алюминиевых электролитических конденсаторов, в электронике применяются электролитические конденсаторы с диэлектриком из пентаоксида тантала. Вот о них и пойдёт речь далее.

Давайте узнаем, как устроен танталовый электролитический конденсатор, а также изучим его сильные и слабые стороны. Вот так выглядит танталовый чип-конденсатор для поверхностного монтажа ёмкостью 1 мкФ и рабочее напряжение 35V.

Как известно, на ёмкость конденсатора влияет площадь обкладок, а также толщина диэлектрика, который находится между ними.

В качестве анода в танталовом конденсаторе выступает порошок из тантала высокой степени очистки. Этот порошок прессуют и нагревают в вакууме до высокой температуры (1300 – 20000С). В результате получается пористая структура, похожая на губку. За счёт высокой пористости удаётся получить большую площадь анодной обкладки.

Формирование диэлектрика

Далее при производстве конденсатора формируется диэлектрик. Это делается с помощью электрохимического окисления.

Меняя величину приложенного напряжения, формируют необходимую толщину слоя диэлектрика.

На пористой поверхности танталового анода образуется тончайшая плёнка диэлектрика – пентаоксида тантала Ta2O5. Благодаря этому оксиду удаётся получить очень тонкую и непроводящую плёнку. Отметим, что полученный диэлектрик имеет аморфную структуру и не проводит ток. Также существует кристаллический Ta2O5, но в отличие от аморфного он является проводником. Запомним эту особенность.

Только вдумайтесь, толщина плёнки диэлектрика Ta2O5 может составлять несколько сотен – тысяч ангстрем! Чтобы было более наглядно, переведём ангстремы в доли метра. 1 ангстрем = 1,0 * 10-10 метра, другими словами 1 ангстрем = 0,1 нанометра. Таким образом, толщина слоя диэлектрика у танталового конденсатора составляет от 10 до 100 нанометров! Так что, нанотехнологии уже давно применяются на практике и удивляться этому не стоит.

Для сравнения. У рядовых алюминиевых электролитических конденсаторов толщина диэлектрика чуть менее 1 мкм (1 мкм = 0,000 001 метра). Это в 100 раз больше, чем толщина самой тонкой плёнки пентаоксида тантала в 10 нанометров.

ЭТО ИНТЕРЕСНО:  Как определить напряжение конденсатора

Твёрдотельный электролит

В качестве электролита в танталовых конденсаторах используется диоксид марганца MnO2. Данный оксид является твёрдотельным полупроводниковым материалом.

Полученную ранее губчатую структуру из пористого танталового порошка с образованным слоем диэлектрика пропитывают солями марганца. Далее с помощью окислительно-восстановительной реакции под нагревом формируют слой твёрдого электролита. Процесс повторяется несколько раз.

Особенности катода танталового конденсатора

Для наилучшего контакта с выводом катода твёрдый электролит MnO2 покрывают слоем графита, а на его поверхность наносят металл, обычно это серебро. Так что в танталовых конденсаторах присутствует один из самых востребованных драгоценных металлов. О драгметаллах в радиодеталях читайте здесь.

Полученную конструкцию запрессовывают в компаунд. Вот так в общих чертах выглядит устройство и технология изготовления танталового конденсатора.

ESR танталовых конденсаторов

ESR танталового конденсатора на низких частотах определяется сопротивлением диэлектрика Ta2O5, а на высоких частотах его определяет уже сопротивление электролита MnO2.

Как известно, импеданс (ёмкостное сопротивление) с ростом частоты падает вплоть до частот мегагерцового диапазона. А поскольку сопротивление электролита MnO2, которое входит в ESR также уменьшается с увеличением температуры, то на высоких частотах ESR тоже уменьшается.

Благодаря этому, танталовые конденсаторы прекрасно работают в импульсных источниках питания, рабочая частота которых выше 100 кГц. На высоких частотах ESR их очень мал.

Недостатки танталовых конденсаторов

Особенностью танталовых конденсаторов является то, что пентаоксид тантала имеет аморфную структуру и не проводит ток. Но, вот кристаллический Ta2O5 является прекрасным проводником. Под действием внешней температуры и высокого напряжения в диэлектрике образуются участки с кристаллическим Ta2O5. Это приводит к резкому возрастанию токов утечки и пробою.

При малых областях кристаллизации Ta2O5 может проявляться эффект восстановления. Возросший ток через область пробоя вызывает сильный нагрев и, как следствие, химические реакции в структуре твёрдого электролита MnO2. В результате нескольких преобразований образуется непроводящий оксид марганца (MnO). Таким образом, место пробоя «закрывается» непроводящим ток оксидом.

Дефект конденсатора может быть вызван не только эксплуатацией в жёстких условиях.

Также причиной пробоя могут быть:

  • Механические повреждения диэлектрика при производстве, например, при ударе и вибрациях;
  • Повреждение слоя диэлектрика при формировании твёрдого электролита. Так как в результате формирования электролита происходит химическая реакция с выделением тепла и газа, то из-за этого может быть повреждён диэлектрик.
  • Любой, даже самый чистый материал имеет включения и загрязнения. Так и танталовый порошок имеет загрязнения в виде примесей: железа, кальция, углерода и т.д. Если слой диэлектрика будет слишком тонкий, чтобы покрыть участки загрязнения, то в месте присутствия примесей образуется утечка и пробой.
  • Наличие вкраплений кристаллического оксида тантала, которые могут образоваться в процессе производства или быть результатом некачественного сырья.

При пайке методом оплавления, который применяется на массовом производстве, наблюдается так называемая «газация» танталовых чип-конденсаторов. Дело в том, что при их неправильном хранении или из-за низкого качества самих изделий, конденсаторы впитывают влагу. Это приводит к тому, что при нагреве влага превращается в пар и вырывается наружу. Это приводит к повреждению корпуса и смещению рядом установленных компонентов.

В настоящее время в широкой продаже имеются танталовые конденсаторы на номинальное напряжение до 75V. Как оказалось, танталовые конденсаторы очень чувствительны к превышению номинального напряжения. Наблюдения показали, что если снизить рабочее напряжение на 50%, то показатель отказов снижается на 5%. Именно поэтому их рекомендуют использовать в схемах, где рабочее напряжение ниже номинального напряжения.

Обычно танталовые конденсаторы встречаются на печатных платах в виде SMD-элементов жёлто-оранжевого цвета. Несмотря на свои скромные размеры, они обладают ёмкостью в несколько десятков – сотен микрофарад и рассчитаны на рабочее напряжение от 4 до 75 вольт. Со стороны плюсового вывода на их корпус наносится полоса.

Танталовые конденсаторы для монтажа в отверстия обычно имеют каплевидную форму, покрыты жёлто-оранжевым компаундом и имеют со стороны плюсового вывода метку в виде линии.

Маркировка танталовых конденсаторов похожа на маркировку керамических. Ёмкость указывается тремя цифрами, последняя указывает на количество нулей. Таким образом, запись 226 говорит нам о том, что ёмкость равна 22 000 000 пикофарад = 22 000 нанофарад = 22 микрофарады. Номинальное напряжение (Rated Voltage) указывается ниже. Далее на фото видно, что номинальное напряжение конденсатора равно 35 вольтам (надпись 35).

На некоторых конденсаторах маркировка иная. После числового значения ёмкости ставится буква µ (микро), а после номинального напряжения конденсатора указывается буква V.

На фото показан танталовый конденсатор ёмкостью 10 мкФ и номинальное напряжение 16V.

» Радиоэлектроника для начинающих » Текущая страница

Также Вам будет интересно узнать:

Источник: https://go-radio.ru/ustroystvo-tantalovogo-kondensatora.html

Керамика: выход из танталового кризиса

Современное развитие электронного оборудования требует от производителей компонентов создания новых элементов и усовершенствования старых.

Без преувеличения можно сказать, что керамический конденсатор является одним из самых распространенных элементов в современной электронике. Например, видеокамера содержит от 300 до 500 керамических конденсаторов поверхностного монтажа.

Признанным лидером по производству электронных компонентов из керамических материалов является фирма Murata.

Murata была создана в 1944 г. и стала первым производителем керамических конденсаторов на основе оксида титана (TiO2).

Со дня своего основания она вела научно-исследовательские разработки в области керамических материалов и их применения, производила широкий спектр электронных компонентов, использующих уникальные свойства керамики.

Например, Murata является одним из пионеров в области разработки керамических материалов на основе титанита бария (BaTiO3), имеющих очень высокий коэффициент диэлектрической проницаемости.

Керамика — материал, похожий на обожженную глину. Изготовляется в процессе спекания в специальных печах различных, очищенных на атомном уровне материалов. Путем добавления различных примесей, варьирования температурных и других характеристик процесса обжига можно изменять электрические свойства керамических материалов.

Полностью замкнутый цикл производства, включающий в себя все этапы от заготовки и отчистки исходных материалов до упаковки готовой продукции, позволяет производить тщательный контроль качества продукции на каждом этапе производства.

Сегодня Murata значительно преуспела в деле разработки и производства электронных компонентов на основе керамики: доли рынка электронных компонентов, занимаемых ею, распределились следующим образом (рис. 1):

  • керамические конденсаторы — 45 %;
  • керамические резонаторы/фильтры — 65–70 %;
  • сверхвысокочастотные фильтры — 50 %;
  • EMI-фильтры — 35 %;
  • PTC-термисторы — 20 %.

Каждый второй керамический конденсатор, используемый в электронном оборудовании, произведен фирмой Murata. Таким образом, Murata производит больше электронных компонентов на основе керамических материалов, чем все остальные производители вместе взятые.

Основные тенденции совершенствования качественных характеристик керамических конденсаторов

Можно выделить несколько основных направлений развития многослойных керамических конденсаторов (MLCC — Мulti-layer ceramic capacitor) для поверхностного монтажа:

  • миниатюризация;
  • увеличение удельной емкости конденсаторов;
  • исключение из производственного процесса драгоценных материалов (палладий и серебро), что приводит к удешевлению конечного продукта.

Рассмотрим каждое из этих направлений по отдельности.

Миниатюризация

С течением времени спрос на конденсаторы больших размеров падает и увеличивается спрос на более миниатюрные. По прогнозу аналитиков фирмы Murata, мировой спрос на конденсаторы различных размеров с период с 1980 по 2006 гг. отражает диаграмма, приведенная на рис. 2.

Рис. 2. Изменение спроса на керамические конденсаторы поверхностного монтажа

Диаграмма говорит сама за себя. Уже сейчас многие отечественные производители успели испытать трудности с приобретением конденсаторов типоразмера 1206, заставившие их перейти на конденсаторы типоразмера 0805 и менее.

Однако в ближайшее время им, очевидно, придется столкнуться с похожей проблемой, связанной с поставками конденсаторов типоразмера 0805, в настоящее время уже практически полностью вытесненных конденсаторами 0603 и 0402. Не за горами эра господства сверхминиатюрных конденсаторов типоразмера 0201 и менее.

В течение ближайших 2–3 лет конденсаторы 0201 вытеснят 75 % конденсаторов 0402. Следовательно, необходимо задуматься о модернизации монтажного оборудования уже сейчас.

Увеличение удельной емкости конденсаторов

Миниатюризация не должна привести к снижению верхней границы емкости в линейке конденсаторов. Следовательно, каждый этап миниатюризации требует разработки новых материалов и технологий. Но, с другой стороны, новые материалы и технологии позволяют изготавливать керамические конденсаторы достаточно большой емкости.

Рассмотрим график роста производства конденсаторов с высокой удельной емкостью (рис. 3).

Рис. 3. Рост производства конденсаторов с высокой удельной емкостью

Тенденции увеличения удельной емкости конденсаторов можно разделить на несколько направлений. Первое из них — увеличение емкости конденсаторов общего назначения.

Данное направление потребовало разработки нового диэлектрического материала, который получил индекс X5R. Конденсаторы на основе этого диэлектрика имеют емкость до 220 мкФ при рабочем напряжении до 6,3 В. При всех достоинствах сразу бросается в глаза их сравнительно низкое рабочее напряжение.

В принципе это не является серьезным фактором, ограничивающим применение этих конденсаторов, так как современные электронные изделия не требуют для своей работы напряжения выше 5 В.

Однако фирма Murata выпускает и конденсаторы высокой емкости с увеличенным рабочим напряжением (10 мкФ ґ 50 В, 47 мкФ ґ 16 В и т. д.).

Вторым направлением является увеличение емкости сверхминиатюрных конденсаторов (0402 и менее). В настоящее время освоено производство конденсаторов размером 0201 емкостью до 100 нФ.

Третье направление — это увеличение емкости конденсаторов при сохранении их высокой температурной стабильности. Для этих целей специалистами фирмы Murata разработан диэлектрик SL, сочетающий в себе, с одной стороны, большое значение относительной диэлектрической проницаемости, а с другой — высокую температурную стабильность. В настоящее время освоен выпуск керамических конденсаторов с диэлектриком SL емкостью до 1 мкФ при рабочем напряжении 25 В.

Использование альтернативных материалов

Долгое время в керамических конденсаторах использовались дорогостоящие электроды Ag/Pd. Из-за достаточно большого спроса на палладий и его малой распространенности в природе мировые цены на него нестабильны, что сказывается и на ценах керамических конденсаторов. Эти причины заставили инженеров фирмы Murata приступить к поиску альтернативных материалов для обкладок конденсаторов.

В результате замена была найдена, однако по ряду причин это потребовало существенного изменения всего производственного процесса. В настоящее время в более чем 90 % конденсаторов, выпускаемых фирмой Murata, содержатся никелевые электроды (рис. 4).

Использование электродов этого типа позволяет устанавливать достаточно низкие и стабильные цены на керамические конденсаторы при сохранении высокого качества выпускаемой продукции.

Замена танталовых конденсаторов

В настоящее время танталовые конденсаторы являются причиной головной боли начальников отделов комплектации крупных и мелких предприятий. Отдельные номиналы и целые ряды то исчезают с рынка, то вновь неожиданно появляются. Цены на них нестабильны, спрогнозировать ситуацию на рынке танталовых конденсаторов не берутся даже «зубры» электронного бизнеса, такие как Arrow Electronics и Avnet Electronics.

Некоторые конструкторы даже ценой ухудшения параметров выпускаемого изделия стремятся избавиться от использования танталовых конденсаторов путем замены их алюминиевыми аналогами с малым током утечки — благо в последнее время приобрести алюминиевые электролитические SMD-конденсаторы не составляет проблемы.

Но есть и другой выход — отказ от использования танталовых конденсаторов и замена их керамическими с высокой удельной емкостью.

Давайте разберемся, какие функции выполняет танталовый конденсатор в электронном приборе. С помощью конденсатора отфильтровывается более высокочастотная, по сравнению с самим сигналом, помеха. Танталовый конденсатор используется как фильтр в низкочастотных цепях. Классическая область его применения — выпрямители источников питания. Кроме того, танталовые конденсаторы используются для развязки по переменному току.

Из-за более низкого значения полного сопротивления и ESR фильтрующие свойства керамических конденсаторов ярко выражены по сравнению с аналогичными по емкости танталовыми конденсаторами (рис. 5).

Рис. 5. Зависимость полного и эквивалентного последовательного сопротивления конденсаторов от частоты

Особенно это сказывается при работе на высоких частотах. По этой причине рекомендуется замена на керамический конденсатор емкостью в несколько раз меньшей, чем танталовый (рис. 6).

Рис. 6. Рекомендуемые замены танталовых конденсаторов при работе в схеме сглаживающего фильтра

Во-вторых, емкость керамических конденсаторов практически не изменяется в очень широком диапазоне частот (рис. 7).

Рис. 7. Зависимость емкости конденсатора от рабочей частоты

В-третьих, керамические конденсаторы выдерживают значительные перегрузочные напряжения по сравнению с танталовыми, что позволяет использовать их в тех цепях, где возможны выбросы высокого напряжения (рис. 8).

Рис. 8. Напряжение пробоя диэлектрика конденсатора

В-четвертых, температурные характеристики керамических конденсаторов значительно лучше танталовых, что позволяет использовать их в устройствах, работающих в тяжелых климатических условиях (рис. 9).

Рис. 9. Температурные характеристики конденсаторов

Рассмотрим практический пример использования керамической замены танталового конденсатора. На рис. 10 приведена упрощенная схема нерезонансного преобразователя DC/DC. Его характеристики:

  • входное напряжение — 12 В;
  • выходное напряжение — 5 В;
  • выходной ток — 4 А;
  • мощность — 20 Вт;
  • частота преобразования — 400 кГц.

Рис. 10. Упрощенная схема преобразователя DC/DC

Пульсация напряжения на выходе преобразователя при использовании керамического и танталового конденсаторов имеет следующий вид, как показано на рис. 11. Очевидно, что пульсация напряжения при установке керамического конденсатора в несколько раз меньше, чем при установке равного по емкости танталового конденсатора, что подтверждает возможность и справедливость замены танталовых конденсаторов керамическими.

Рис. 11. Пульсация напряжения на выходе преобразователя

Следует также учесть тот факт, что по своим размерам керамические конденсаторы во многих случаях меньше своих танталовых собратьев. Это позволяет несколько уменьшить размеры устройства. А возможность работы керамического конденсатора на высоких частотах дает возможность, например, увеличить частоту преобразования преобразователя DC/DC, тем самым не только уменьшая его размер, но и повышая КПД преобразования.

Не стоит забывать, что запасы тантала не бесконечны. И если сейчас вы нашли надежного поставщика танталовых конденсаторов, это не значит, что в будущем он не повысит цены на отпускаемую продукцию или не сократит ее ассортимент. Использование керамических конденсаторов избавит вас от этой проблемы надолго.

Подводя итоги, можно сделать вывод, что в обозримом будущем намечается тотальное господство электронных компонентов на основе керамических материалов. С течением времени емкость керамических конденсаторов будет расти, а размеры и рабочее напряжение — уменьшаться. Керамические конденсаторы будут постепенно вытеснять из электронных устройств алюминиевые и танталовые конденсаторы.

Более подробную информацию о продукции фирмы Murata можно получить по адресу http://www.alkon.net/murata/. Там же содержится информация о семинарах для разработчиков электронной аппаратуры, посвященных продукции фирмы.

Андрей Скрипников

Источник: http://www.compitech.ru/html.cgi/arhiv/01_06/stat_86.htm

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
220 вольт
Как сделать подсветку в шкафу

Закрыть