Параметры танталовых конденсаторов: Танталовые конденсаторы: особенности применения

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.

Содержание

1. Тантал как двигатель прогресса
2. Конструкция танталовых конденсаторов
3. Танталовые конденсаторы. Достоинства и недостатки
4. Маркировка танталовых конденсаторов
5. Цвет корпуса
6. Вольтаж
7. Точка
8. Множитель
9. Цвет полосы
10. Значение

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».

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.

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

Первые две цветные полосы означали цифры емкости (в микрофарадах)

Оцените качество статьи:

Танталовый конденсатор: конструкция, характеристики, 5 применений

Вопросы для обсуждения

1. Определение и обзор
2. Основной принцип
3. Стройка
4. Выберите
5. Электрические характеристики
6. Символ

Определение и обзор

Танталовый конденсатор — это один из видов электролитического конденсатора, который представляет собой пассивное электрическое устройство. В качестве анода используется капсула из губчатого металлического тантала. Изолирующий слой оксида покрывает анод. Оксидный слой дополнительно образует диэлектрик. Он окружен твердым или нетвердым электролитом, который служит катодом.

Танталовые конденсаторы характеризуются высокой емкостью на единицу объема или высокой объемной эффективностью из-за очень разумного диэлектрического слоя с высокой диэлектрической проницаемостью. Повышенное значение емкости отличает танталовый конденсатор от других типов электролитических конденсаторов. Кроме того, это более дорогой конденсатор, чем любой другой электролитический конденсатор.

Этот тип конденсатора поляризован по своей природе. Чтобы сформировать неполяризованный или биполярный танталовый конденсатор, два поляризованных конденсатора соединены последовательно. Их аноды ориентированы в противоположных направлениях.

Танталовый конденсатор, источник изображения -Матаресэфото, Танталовые конденсаторы, CC BY 3.0

Основной принцип

Электролитические конденсаторы хранят электрическую энергию как обычный конденсатор. Он удерживает электрическую мощность за счет разделения заряда в электрическом поле в диэлектрическом оксидном слое между двумя проводниками.

Твердый электролит — это катод, образующий еще один электрод конденсатора. Электролитический конденсатор отличается от суперконденсаторов или электрохимических конденсаторов, где электролит обычно является ионно-проводящим соединением.

На анодной стороне танталового электролитного конденсатора прикладывается положительное напряжение. Приложенное напряжение вызывает образование тонкого оксидного слоя. Этот оксидный слой действует как диэлектрический материал конденсаторов.

Характеристики окисленного слоя можно изобразить с помощью приведенной ниже таблицы.

Электролитик работает как катод для танталового электролитического конденсатора. Используются несколько типов электролитов. Обычно используются два типа электролитов — твердые и нетвердые.

Любая жидкая среда, обладающая ионной проводимостью, может рассматриваться как нетвердый электролит. Бетонные электролиты обладают электронной проводимостью, поэтому твердые электролиты более чувствительны к искрам напряжения. Оксидный слой может быть поврежден, если полностью поменять полярность входного напряжения.

Принцип работы электролитического танталового конденсатора основан на «пластинчатом конденсаторе». 

Емкость можно определить по приведенной ниже формуле — 

C = ε * (A / d)

C дает значение емкости; A показывает площадь электрода, d представляет собой расстояние между пластинами, а ε дает нам значение диэлектрической проницаемости.

Емкость можно увеличить, если увеличить площадь электрода и увеличить диэлектрическую проницаемость.

Если посмотреть подробно, танталовый электролитический конденсатор имеет оловянный диэлектрический слой, а его конструкция находится в диапазоне нм / вольт. Кроме того, напряженность сформированного оксидного слоя достаточно высока. Теперь этот тонкий диэлектрик объединен с высоковольтным оксидным диэлектриком и создает большую объемную емкость. Вот почему электролитический танталовый конденсатор имеет большую емкость, чем обычный конденсатор. Есть также некоторые факторы, влияющие на увеличение емкости. Это шероховатая поверхность из-за протравленных и спеченных анодов.

Требуемое номинальное напряжение электролитического конденсатора может быть легко получено, поскольку оксидный слой зависит от приложенного напряжения на аноде. Танталовые электролитические конденсаторы имеют высокий «продукт CV», который объясняется как произведение емкости конденсатора и напряжения, деленного на объем.

Узнайте больше о различных типах конденсаторов!

Стройка

Стандартный танталовый электролитический конденсатор — это дефектный конденсатор, состоящий из танталового порошка и спеченный в капсулу, которая работает как анод конденсатора. Оксидный слой, который работает как диэлектрик, состоит из пятиокиси тантала. Катод конденсатора представляет собой стабильный электролитический диоксид марганца.

Базовая структура, источник — индуктивная нагрузка, Параллельный пластинчатый конденсатор, помечено как общественное достояние, подробнее на Wikimedia Commons

Анод

Как упоминалось ранее, в танталовом конденсаторе в качестве анода используется танталовый порошок. Порошок изготовлен из чистого металлического тантала. Конденсатор, умноженный на вольт, является параметром для измерения добротности порошка. 

Металлический порошок связывается танталовой проволокой (вертикальная проволока) с образованием капсулы или «гранулы». Ограничительный провод работает как анодное соединение танталового конденсатора.

Чем больше площадь поверхности, тем выше значение емкости. Вот почему порошки с высоким CV / г и меньшим средним размером частиц используются для деталей с высокой емкостью и низким напряжением. Определенное напряжение может быть достигнуто, если мы сможем выбрать правильный тип порошка и почти идеальную температуру для спекания. Подходящая температура спекания может быть около — 1200-1800 градусов Цельсия.

диэлектрический

Электрохимический процесс, называемый анодированием, формирует диэлектрик над частицами тантала. Первичный шаг к созданию этого заключается в том, что «гранула» погружается в очень хрупкий раствор кислоты и подаваемого постоянного напряжения.

Как и у любого другого электролитического конденсатора, толщина диэлектрического слоя зависит от общего приложенного напряжения. В начале процесса источник питания поддерживает режим постоянного тока до тех пор, пока не будет достигнута толщина диэлектрика. После этого напряжение сохраняется, и ток может спадать до нулевого значения. Этот процесс обеспечивает неизменную согласованность во всем устройстве.

Химические уравнения представлены ниже.

2 Та → 2 Та ⁵⁺ + 10 e^—

2 Та ⁵⁺ + 10 ОН^— → Та₂O⁵ + 5H₂O

Во время процесса на поверхности материала также происходило образование оксидов. В конечном итоге оксид врастает в материал. Оксид растет особым образом. На каждую единицу толщины роста оксида две трети доли уходит внутрь, а одна треть — наружу. Предел максимального номинального напряжения также связан с ограничением роста оксида.

Есть запас прочности по толщине оксидного слоя.

Катод

Процесс образования катода — это пиролиз нитрата марганца до диоксида марганца. После погружения в воду гранулы запекаются для получения диоксидного покрытия при температуре около 250 градусов Цельсия. Химические уравнения представлены ниже.

Mn (НЕТ₃ )₂ → MnO₂ + 2 НЕТ₂

Чтобы создать толстый слой покрытия как на внутренних, так и на внешних зонах обслуживания, процесс повторяется многократно за счет изменения удельного веса нитратных растворов.

Типы танталовых конденсаторов

Есть несколько стилей танталовых конденсаторов.

Конденсаторы с танталовыми кристаллами: 80% танталовых конденсаторов относятся к этому типу. Они предназначены для поверхностного монтажа.

Танталовые «жемчужные» конденсаторы: они специально разработаны для монтажа на печатных платах. Их окунают в смолу.

Танталовые конденсаторы с осевыми выводами: в основном используются в военных, медицинских и космических приложениях. Он имеет как материальный, так и нетвердый электролит.

Знайте о керамических конденсаторах!

Электрические характеристики

Последовательная эквивалентная схема

Конденсаторы представляют собой идеальную последовательную эквивалентную схему с электрическими составляющими. Но танталовые конденсаторы нельзя назвать идеалистическими.

Схема ниже указывает модель.

Последовательная эквивалентная схема, источник изображения- Индуктивная нагрузка, Модель электролитического конденсатора, помечено как общественное достояние, подробнее на Wikimedia Commons

C — емкость конденсатора; р_СОЭ — эквивалентное последовательное сопротивление, учитывающее все омические потери. L_ESL — собственная индуктивность конденсатора. Bleak — это сопротивление утечке.

Емкость, стандартные значения и допуски

Конструкция электрода определяет электрические характеристики электролитического танталового конденсатора. Емкость также зависит от частотных и температурных параметров. Единица емкости электролитического танталового конденсатора зависит от микрофарад (мкФ).

• В конкретных приложениях определяется требуемый допуск емкости.
• Для этого не нужны узкие допуски.

Готовность и Категория напряжения

Допустимое рабочее напряжение для танталового электролитического конденсатора известно как номинальное напряжение или номинальное напряжение.

Подача напряжения выше номинального может привести к разрушению танталового электролитического конденсатора. Применение более низкого напряжения также повлияло на конденсатор. Более низкое напряжение может продлить срок службы. Иногда это увеличивает надежность.

Импульсное напряжение

Стандартизованное импульсное напряжение IEC / EN 60384 — это максимальное пиковое напряжение, которое подается на вход конденсаторов. Он измеряется для продолжительности использования конденсатора без циклов.

Переходное напряжение

Если на танталовые электролитические конденсаторы, которые имеют стабильный диоксид марганца в качестве электролитического материала, применяется переходное напряжение или всплеск тока, это приведет к выходу конденсатора из строя.

Обратное напряжение

Типичный танталовый электролитический конденсатор поляризован и, как правило, анод должен быть положительным по отношению к катоду. 

Танталовые конденсаторы могут выдерживать обратное напряжение в течение короткого периода времени. Иногда обратное напряжение может использоваться для приложений в постоянных цепях переменного тока.

полное сопротивление

Стандартный конденсатор считается элементом хранения электроэнергии. Иногда конденсаторы используются в цепях переменного тока в качестве резистивных элементов. Электролитический конденсатор используется в качестве разделительного конденсатора. Он блокирует постоянную составляющую сигнала с помощью диэлектрического материала.

Ток утечки

Ток утечки танталовых конденсаторов отличает эти типы конденсаторов или может быть идентичностью этих конденсаторов. Значение тока утечки зависит от приложенного напряжения и температуры анода.

Символ конденсатора

Электролитические конденсаторы имеют особый тип символа для обозначения цепей. Это почти похоже на обычный символ конденсатора, но знак плюса имеет значение.

Символ электролитических конденсаторов

Танталовые конденсаторы: характеристики и выбор компонентов

Конденсаторы являются одним из основных строительных блоков электрических цепей. Независимо от того, используются ли они для накопления энергии, фильтрации шума или проектирования времени/частоты, конденсаторы важны во многих распространенных электрических устройствах.

Сегодня доступны различные технологии конденсаторов, каждая из которых имеет свои уникальные преимущества и недостатки, что делает каждый тип идеальным для различных приложений.

Танталовые конденсаторы обладают многими интересными характеристиками, которые в совокупности предлагают уникальное решение многих конструкторских проблем.

Введение

Танталовые конденсаторы представляют собой конденсаторы, изготовленные из танталового материала, используемого для формирования анода конденсатора.

Танталовые конденсаторы являются электролитическими конденсаторами, что означает, что конденсатор образован оксидным слоем, сформированным на аноде, и, таким образом, поляризован.

Танталовый конденсатор включает анод из танталового порошка, диэлектрик из оксидного слоя Ta2O5 и катод, который может быть MnO2 или твердым полимером.

Танталовые конденсаторы изготавливаются путем прессования порошка тантала и формирования из него гранул путем спекания.

Танталовые конденсаторы выгодны тем, что они образуют чрезвычайно тонкий диэлектрик толщиной всего 20–400 нм. Эта таблетка пористая, как твердая губка, поэтому при формировании диэлектрического слоя на следующем этапе (анодное оксидирование) на значительной площади поверхности образуется тонкий оксидный слой. Это позволяет танталовым конденсаторам иметь намного более высокую емкость и напряжение на единицу объема (CV/cc), чем другие технологии.

Танталовые конденсаторы предлагают максимальные значения CV во много раз выше, чем типичные конденсаторные технологии, обычно используемые сегодня.

Сравнение тантала с конденсаторами других распространенных технологий

Тантал против алюминиевых корпусных конденсаторов

Основное структурное различие между танталовыми и алюминиевыми конденсаторами (кроме используемых материалов) заключается в электролите. Электролит представляет собой твердое вещество в танталовом конденсаторе и жидкость в конденсаторе из алюминиевой банки.

Проводимость жидкого электролита сильно зависит от температуры, а это означает, что все критические параметры конденсаторов в алюминиевых банках (емкость, ESR, ток утечки, DF и даже номинальное напряжение) нестабильны в более широком диапазоне температур. Жидкий электролит со временем может даже высохнуть, что приведет к сокращению ожидаемого срока службы.

В отличие от этого, в танталовых конденсаторах используется твердый электролит, который не высыхает, намного более стабилен при изменении температуры и имеет значительно более длительный ожидаемый срок службы конденсаторы, которые являются распространенными компонентами поверхностного монтажа во многих конструкциях. У устройств MLCC есть некоторые недостатки, которые могут сделать танталовые конденсаторы лучшим вариантом во многих системах.

Во-первых, керамические материалы обладают пьезоэлектрическим эффектом, поэтому устройства MLCC обладают этой характеристикой. Материалы с пьезоэлектрическими характеристиками физически перемещаются или вибрируют при приложении электрических сигналов и/или создают электрические сигналы при приложении физического давления. Этот эффект может привести к тому, что керамические конденсаторы «поют» или «гудят» при использовании электрических сигналов в зависимости от частотных гармоник. Танталовые конденсаторы не обладают пьезоэлектрическим эффектом.

Далее, устройства MLCC имеют характеристику смещения постоянного тока, что означает, что фактическая емкость конденсатора зависит от уровня напряжения, подаваемого на конденсатор. Танталовые конденсаторы не чувствительны к смещению постоянного тока.

Наконец, как было сказано выше, все параметры танталовых конденсаторов очень стабильны в широком диапазоне температур, от -55 до 125°C и даже до 175°C. Устройства MLCC имеют множество различных классов для различных температурных групп, таких как X5R, X7R и NP0. Танталовые конденсаторы, будучи стабильными в широком диапазоне температур, этого не делают.

Напряжение смещения постоянного тока — в MLCC емкость уменьшается по мере увеличения приложенного напряжения смещения. Танталовые конденсаторы не меняются в зависимости от напряжения смещения, и они физически меньше, чем устройства MLCC с той же емкостью.

Температура. В MLCC емкость зависит от температуры, уменьшаясь при низких и высоких температурах. Танталовые конденсаторы демонстрируют стабильную емкость при всех номинальных температурах.

Напряжение переменного тока (шум) — в MLCC подложка вибрирует при приложении напряжения переменного тока или шума. Эта вибрация может вызвать слышимый шум. Подложки из тантала не вибрируют, поэтому не могут создавать слышимых шумов.

Тантал против алюминиево-полимерного

В алюминиево-полимерных конденсаторах обычно используются материалы алюминиевых корпусов конденсаторов, но вместо жидкого электролита используется твердый полимерный материал. Этот твердый полимер снижает ESR этих конденсаторов до диапазона мОм, в то же время обеспечивая большую стабильность параметров по температуре, времени, напряжению и частоте.

В то время как алюминиево-полимерные конденсаторы предлагают технологические усовершенствования по сравнению с традиционными конденсаторами в алюминиевых банках, танталовые конденсаторы по-прежнему обладают некоторыми превосходными параметрами.

Во-первых, танталовые конденсаторы могут достигать еще более высокого CV благодаря своей пористой структуре. Во-вторых, танталовые конденсаторы могут обеспечить еще более низкое ESR из-за их внутренней структуры с параллельными слоями и несколькими анодами. Наконец, танталовые конденсаторы более устойчивы к вибрации, что особенно важно для автомобильных приложений.

Таким образом, танталовые конденсаторы обладают многими технологическими преимуществами по сравнению с другими стандартными конденсаторами, доступными сегодня.

Варианты танталовых конденсаторов

MnO2 Тантал

Танталовый конденсатор на основе диоксида марганца представляет собой обычную конструкцию танталового конденсатора. Танталовые конденсаторы

MnO2 подходят с точки зрения стабильности, надежности и длительного срока службы. Они не имеют смещения по постоянному току, пьезоэффекта и имеют хороший объемный КПД для приложений с ограниченным пространством.

Эти детали используются в высокотехнологичных приложениях, таких как точное оборудование, промышленный контроль, медицина, военные и аэрокосмические устройства.

Полимерные танталовые

Полимерные танталовые конденсаторы используются в новых и развивающихся технологиях, где применение требует дополнительной безопасности и низкого ESR. Например, в портативных или портативных устройствах безопасность является первостепенной задачей, а низкое ESR помогает уменьшить размер схемы и продлить срок службы батареи. Низкий ESR также снижает внутренний нагрев и продлевает срок службы.

Оксид ниобия Тантал

Танталовые конденсаторы на основе оксида ниобия под торговой маркой Oxicap® от AVX обеспечивают повышенную безопасность режима отказа. В наихудшем случае отказа танталовые конденсаторы на основе оксида ниобия открываются, а не замыкаются, что создает гораздо более безопасный режим отказа, предотвращая серьезное повреждение цепи или даже возгорание.

В приложениях, требующих экстремальных условий или безопасного отказа, это идеальный выбор. Они ограничены номинальным напряжением, при этом максимальное номинальное напряжение для AVX Oxicap® составляет 10 В.

Примеры применения включают портативные устройства, нефть, природный газ и другие применения, которые могут быть очень чувствительны к огню.

Информация по применению танталовых конденсаторов

Снижение номинальных характеристик

Как правило, полимерные и оксидно-ниобиевые конденсаторы имеют пониженное напряжение на 20 %, а конденсаторы MnO2 — на 50 %. Эти соображения по снижению номинальных характеристик основаны на импульсных или пусковых токах.

Если приложенное к конденсатору из полимера или оксида ниобия напряжение составляет 10 В или ниже, можно использовать снижение номинальных характеристик на 10 %. Для помощи в определении надлежащего снижения номинальных характеристик в вашем проекте и расчете данных MTBF и FITS для вашего приложения и заданных снижений номинальных характеристик команды DMTL и AVX могут помочь предоставить более подробную информацию, включая инструменты моделирования и формулы расчета MTBF.

Применение тантала MnO2

Для большинства применений в электрических цепях хорошим выбором являются танталовые конденсаторы MnO2. Они проверены в эксплуатации уже несколько десятилетий, поэтому их характеристики и надежность хорошо изучены. Они имеют высокий объемный КПД (CV) и очень стабильные параметры. Танталы MnO2 подходят для приложений потребительского класса, требующих небольшого физического размера и низкого уровня шума, таких как аудио- и видеооборудование.

Они также полезны в качестве замены конденсаторов в алюминиевых банках для промышленного применения с расчетом на долгий срок службы, поскольку они не высыхают.

Они также идеально подходят для приложений с более высокими температурами, таких как автомобильный электронный блок управления или управление вентилятором, где номинальная температура должна составлять 150° или 175°C. Из-за потенциальной возможности режима короткого замыкания, если этот отказ будет иметь катастрофические последствия для приложения, для конденсаторов MnO2 рекомендуется снижение номинального напряжения на 50%.

Крупномасштабные производственные испытания подтвердили преимущества снижения номинальных характеристик.

Полимерные танталовые конденсаторы

Полимерные танталовые конденсаторы имеют чрезвычайно низкий ESR и безвредный механизм отказа, что означает отсутствие катастрофических повреждений. Эти конденсаторы идеально подходят для потребительских приложений, а также для некоторых промышленных применений.

Из-за низкого ESR полимерные танталы подходят для сильноточных приложений и тех, где требуется низкое пульсирующее напряжение. Например, частичный источник питания 5G, графический процессор, искусственный интеллект, быстрое зарядное устройство GaN и некоторые приложения для светодиодного освещения. Эти компоненты также полезны для портативных устройств, таких как планшеты, смартфоны, носимые устройства и портативные медицинские устройства, благодаря их низкому уровню шума, небольшому размеру и безопасной работе.

Благодаря концептуальной структуре нижнего выступа полимер тантала имеет меньшую толщину, что может применяться в некоторых низкопрофильных приложениях, таких как ESSD, модуль ультразвуковой идентификации отпечатков пальцев.

Полимерные танталовые конденсаторы могут быть чувствительны к влаге и температуре, что несколько ограничивает их применение. Большинство из них имеют уровень чувствительности к влаге 3 (MSL3), поэтому они требуют строгого контроля на производственной линии.

Компания AVX разработала уникальные процессы для разработки усовершенствованного автомобильного полимерного танталового конденсатора. Это огромный технологический скачок, делающий эти детали идеальными для автомобильной техники. На основе этой новой технологии полимеры тантала теперь также доступны для приложений с высокой надежностью, таких как аэрокосмическая, военная промышленность и COTS-Plus.

Оксид ниобия Тантал Применение

Конденсаторы из оксида ниобия используются в приложениях безопасности. Они выходят из строя открытыми, с высоким импедансом, даже после перенапряжения. Конденсаторы из оксида ниобия подходят для приложений, где напряжение ниже 10 В, например, в большинстве цифровых схем. У них также есть опция со сверхнизким ESR для соответствия портам чипсета.

Конденсаторы из оксида ниобия могут использоваться в качестве альтернативы танталовым конденсаторам MnO2. Они имеют аналогичные электрические и механические параметры, но предлагают улучшенную безопасную работу в режиме отказа.

Загрузки

• Танталовые конденсаторы: технические характеристики и выбор компонентов Технический документ

Основы и преимущества танталовых конденсаторов по сравнению с керамическими

Танталовые (Ta) конденсаторы и многослойные керамические конденсаторы (MLCC) — две широко распространенные технологии изготовления конденсаторов, которые можно использовать в самых разных электронных устройствах.

Несмотря на то, что обе технологии выполняют одну и ту же основную функцию, они сильно различаются с точки зрения методов строительства, материалов и производительности в различных условиях, поэтому важно понимать потенциальное влияние выбора одной из них на другую.

Руководство по сравнительному выбору

Понимание присущих характеристик как танталовых конденсаторов, так и MLCC, включая их надежность и поведение при изменении температуры и напряжения, типовые возможности тестирования и последние разработки для каждого из них помогут сделать правильный выбор.

Рисунок 1: Площадь диэлектрической поверхности анода танталового конденсатора по сравнению с его окончательным размером0003

• C = емкость в фарадах (Ф)
• A = площадь перекрытия двух пластин в квадратных метрах (м ² )
• εr = относительная статическая диэлектрическая проницаемость или диэлектрическая проницаемость
• ε0 = электрическая постоянная (ε0 ≈ 8,854×10−12F/м)
• d = расстояние между пластинами в метрах или, по существу, толщина диэлектрика.

  Танталовые конденсаторы

Танталовые конденсаторы обеспечивают высокие значения емкости благодаря сочетанию факторов, включая пятиокись тантала (Ta ₂ O _5, εr = 27) диэлектрик, большая площадь пластины (A) и очень малая толщина диэлектрика (d). Положительно заряженная диэлектрическая пластина танталового конденсатора изготовлена ​​из чистого порошка тантала элементарного качества, который прессуется и спекается в гранулы. Эти гранулы чрезвычайно пористые и, как таковые, позволяют площади поверхности каждой отдельной частицы в совокупности составлять площадь эквивалентной пластины конденсатора. Кроме того, диэлектрический слой Ta ₂ O ₅ формируется со скоростью 17 Ангстрем на вольт, с толщиной, пропорциональной приложенному напряжению, что приводит к очень тонкому диэлектрическому слою и способствует большим значениям емкости.

Типы танталовых конденсаторов

Для приложений поверхностного монтажа AVX производит два типа танталовых конденсаторов, оба из которых содержат катод на основе MnO ₂ , чтобы использовать преимущества его характеристик самовосстановления, и показаны на рис. 2. Формованная конструкция (вверху) является более традиционной конфигурацией и использует танталовую проволоку, встроенную в таблетку для создания положительного соединения с цепью. Более новая, меньшая конфигурация в стиле микрочипа (внизу) была представлена ​​на рынке совсем недавно и используется в приложениях с высокой плотностью компонентов и минимальным доступным пространством на плате. Конфигурация в виде микрочипа имеет танталовую пластину с танталовым порошком, спрессованным и спеченным на ее поверхности, и определяет отдельные аноды с использованием операции высокоточного распила. Оба типа конденсаторов имеют одни и те же основные элементы, и оба доказали свою пригодность для приложений с высочайшей надежностью в течение десятилетий производства и испытаний.

Рис. 2a и 2b: Литой танталовый конденсатор (вверху) и танталовый конденсатор в виде микрочипа (внизу) слоев, но компенсируют такие недостатки за счет использования диэлектрических материалов с гораздо более высокой диэлектрической проницаемостью. Диоксид титана (εr ~ 86–173) и титанат бария (εr ~ 1250–10000) являются двумя наиболее популярными диэлектрическими материалами, используемыми для изготовления MLCC, и каждый материал включает в себя свой класс конденсаторов.

Рисунок 3: Многослойный керамический конденсатор

Керамические конденсаторы класса 1 и класса 2

Керамические конденсаторы класса 1 обладают наиболее стабильной емкостью по отношению к приложенному напряжению, температуре и, в некоторой степени, частоте. Основные элементы керамических конденсаторов класса 1 состоят из параэлектрических материалов, таких как диоксид титана, которые модифицированы добавками, включая цинк, цирконий и ниобий, для достижения требуемых характеристик линейной емкости, присущих танталу. Керамические конденсаторы класса 1 также имеют самый низкий объемный КПД среди керамических конденсаторов из-за относительно низкой диэлектрической проницаемости (εr ~ 6–200) используемых параэлектрических материалов и, как таковые, имеют значения емкости в нижнем диапазоне.

В керамических конденсаторах класса 2 используются ферроэлектрические диэлектрические материалы, такие как титанат бария (BaTiO), и они модифицированы добавками, включая силикат алюминия, силикат магния и оксид алюминия. Эти материалы имеют более высокую диэлектрическую проницаемость, чем конденсаторы класса 1 (εr ~ 200–14 000 в зависимости от напряженности поля), и обеспечивают лучшую объемную эффективность, но демонстрируют более низкую точность и стабильность. Конденсаторы класса 2 также имеют нелинейные значения емкости, которые зависят как от рабочих температур, так и от приложенного напряжения, и со временем изнашиваются, что может повлиять на производительность.

Коды диэлектриков керамических конденсаторов

Диэлектрики керамических конденсаторов определяются трехзначным кодом EIA, который определяет стабильность емкости материала в указанном диапазоне температур. Например, керамические конденсаторы, изготовленные с использованием диэлектрических материалов X5R, имеют диапазон рабочих температур от -55°C до +85°C с допустимым изменением емкости ±15% в этом диапазоне и демонстрируют нелинейную стабильность значения емкости в этом диапазоне.

Аналогично, любой материал, который позволяет устройству соответствовать или превосходить температурные характеристики X7R, изменение емкости ±15% в диапазоне температур от -55°C до +125°C, может называться X7R. Спецификации коэффициента напряжения для X7R или любого другого типа диэлектрика отсутствуют. Поставщик может назвать конденсатор X7R, X5R или любым другим кодом диэлектрика, если он соответствует спецификациям температурного коэффициента, независимо от того, насколько плох коэффициент напряжения.

Рисунок 4: Таблица кодов EIA для керамического конденсатора Dielectrics

Tantalum Vs. Ceramic Compacitor. конденсаторы, керамические конденсаторы класса 2 (X7R) и керамические конденсаторы класса 1 (NP0 или C0G). Танталовый конденсатор демонстрирует линейное изменение емкости в зависимости от температуры: изменение емкости от -5% при -55°C до 8+% при 125°C. Керамические конденсаторы класса 2 демонстрируют наиболее нелинейную реакцию на температуру, но могут быть созданы для достижения аналогичной желаемой линейной характеристики в приложениях с узким диапазоном рабочих температур (например, медицинские имплантируемые устройства) за счет учета температурной реакции при проектировании схемы.

Рисунок 5: Изменение емкости в зависимости от температуры для тантала, керамики класса 1 и керамических диэлектрических материалов класса 2

Тантал и керамический конденсатор. демонстрируют нестабильность емкости по отношению к приложенному напряжению. В отличие от танталовых конденсаторов, емкость керамических конденсаторов класса 2 изменяется в зависимости от приложенного напряжения, потому что диэлектрическая проницаемость диэлектрика уменьшается в ответ на более высокие приложенные напряжения. Эти изменения относительно линейны и поэтому легко учитываются при проектировании схем, но некоторые диэлектрики с более высокой диэлектрической проницаемостью могут терять до 70% или более своей начальной емкости при работе при номинальном напряжении или близком к нему.

Рисунок 6. Изменение емкости керамического конденсатора класса 2 (X5R) при перенапряжении

Сравнение тантала и керамического конденсатора со старением как старение. Деградация поляризованных доменов в этих сегнетоэлектрических диэлектриках со временем снижает диэлектрическую проницаемость, вызывая уменьшение емкости керамических конденсаторов класса 2 по мере старения компонента. Танталовые конденсаторы не подвержены подобному старению и не имеют известного механизма износа.

Рис. 7. Изменение емкости диэлектрических конденсаторов класса 2 X7R и X5R с течением времени

Танталовый и керамический конденсаторы IR и DCL

Сопротивление изоляции — это сопротивление, измеренное на диэлектрике конденсатора. По мере увеличения значений емкости (и, следовательно, площади диэлектрика) IR уменьшается. Таким образом, произведение (C x IR или RC) часто указывается в омах, фарадах или, чаще, в мегаомах. Ток утечки определяется путем деления номинального напряжения на IR (по закону Ома). Керамические конденсаторы обычно определяют сопротивление изоляции, тогда как танталовые конденсаторы классифицируются по утечке постоянного тока (или DCL). Эти единицы эквивалентны, и преобразование из одной меры в другую производится с использованием закона Ома.

Рисунок 8: Сравнение ИК -керамических конденсаторов с DCL с конденсаторами тантала

Tantalum против Ceramic Compacitor Testing

Tantal -Vs.1026 2

. условия испытаний на срок службы для различных типов керамических и танталовых конденсаторов, изготовленных несколькими разными производителями, и допустимое изменение сопротивления изоляции и/или DCL/CV. Как показано, условия ресурсных испытаний не стандартизированы, поэтому прямое сравнение керамических конденсаторов, изготовленных различными производителями, трудно провести с высокой степенью достоверности, а прямое сравнение керамических конденсаторов с танталовыми практически невозможно, за исключением несколько очень высоких рейтингов емкости.

Рис. 9. Различия в испытаниях на срок службы керамических и танталовых конденсаторов

Из-за заметных различий между большинством методов испытаний, используемых для оценки танталовых и керамических конденсаторов, прямое сравнение их относительных характеристик с помощью продукта получить непросто. литературные и технические данные. Таким образом, AVX провела следующее тестирование, чтобы обеспечить более прямое сравнение их соответствующей производительности.

Сравнительные испытания тантала и керамики

Команда AVX отобрала образцы керамических и танталовых конденсаторов, которые представляют собой общие характеристики для обеих технологий и обычно используемые значения для медицинских и других высоконадежных приложений.

• Танталовый конденсатор (TBCR106K016CRLB5000)
  • 10 мкФ, 16 В
  • 0805 Размер корпуса
• Керамический конденсатор (MQ05YD106KGT1AN)
  • 10 мкФ, 16 В
  • 0805 Размер корпуса
  • X5R диэлектрик

Группа отправила все части в один и тот же план испытаний, чтобы гарантировать, что специальные требования к испытаниям (например, частота испытаний емкости и смещение постоянного тока, время выдержки после испытаний в условиях окружающей среды и т. д.) можно было точно наблюдать, собирать и сравнивать для обоих основных типов продуктов. .

• Термостойкость (MIL-PRF-55365) – 13 шт.
• Термический удар (MIL-STD-202, метод 107) – 40 шт.
• Влагостойкость (MIL-STD-202, метод 106) – 40 шт. Большинство результатов испытаний показали одинаковые характеристики керамических и танталовых конденсаторов. Например, температурная стабильность показала, что керамические конденсаторы более стабильны в отношении эквивалентного последовательного сопротивления (ESR) и DCL, в то время как танталовые конденсаторы более стабильны в отношении значения емкости при изменении температуры. Танталовые конденсаторы также показали увеличение емкости при повышенной температуре, в то время как емкость керамических конденсаторов уменьшилась при тех же условиях. Кроме того, испытания на влагостойкость и термоудар обеспечивают стабильную работу обеих технологий.

  Рисунок 10: Сравнение параметров танталовых и керамических конденсаторов

  Заключение

  В заключение следует отметить, что как танталовые, так и керамические конденсаторы обладают рядом преимуществ и выгод, которые помогают в производстве эффективной и высоконадежной электроники в широком диапазоне ассортимент рынков.