Преимущества танталовых конденсаторов над электролитическими

Содержание
  1. Танталовые конденсаторы
  2. Технология производства и конструкция
  3. Технические особенности
  4. Преимущества и недостатки
  5. Область использования
  6. Критерии выбора
  7. Меры предосторожности
  8. Видео
  9. Все о танталовых конденсаторах — максимально подробно
  10. Содержание статьи
  11. Почему тантал используют для производства конденсаторов
  12. Описание и назначение танталовых конденсаторов
  13. Устройство танталовых твердотельных конденсаторов
  14. Изготовление анода
  15. Формирование диэлектрического слоя
  16. Получение электролита
  17. Формирование катодного слоя
  18. Особенности танталовых конденсаторов
  19. Пробои танталовых конденсаторов
  20. Другие дефекты танталовых конденсаторов
  21. Недостатки танталовых конденсаторов
  22. Танталово-полимерные конденсаторы
  23. Основные характеристики танталовых конденсаторов
  24. Особенности проектирования плат и монтажа танталовых конденсаторов
  25. Маркировка танталовых конденсаторов

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.

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.

Технические особенности

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.

Вам понравится:  Как настраивать антенну rexant

Чип-конденсатор на 16 В

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.

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.

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.

Видео

Источник

Все о танталовых конденсаторах — максимально подробно

Многие радиолюбители могут вспомнить случай взрыва танталового конденсатора по причине неправильной переплюсовки. В этой статье я расскажу, что такое танталовый конденсатор, зачем он нужен и как вообще с ним работать. Если после прочтения у вас останутся вопросы – смело задавайте их в комментариях, а я постараюсь ответить.

Содержание статьи

Твердотельные танталовые конденсаторы по большинству параметров соответствуют требованиям к современным электронным устройствам. Они отличаются малыми габаритами, высокой удельной емкостью, надежностью (при соблюдении правил на всех этапах их жизни) и совместимостью с общепринятыми технологиями монтажа. Преимуществом является и то, что важный параметр конденсатора – ESR (эквивалентное последовательное сопротивление) – с ростом частоты не возрастает, а в некоторых случаях даже уменьшается. Чтобы сократить число отказов и продлить рабочий период устройства, необходимо учитывать его индивидуальные особенности при изготовлении, хранении, монтаже и во время работы.

Вам понравится:  Переключатель вольтметра что это

Так выглядят танталовые конденсаторы

Почему тантал используют для производства конденсаторов

Тантал способен при окислении формировать плотную оксидную пленку, толщину которой можно регулировать с помощью технологических приемов, тем самым изменяя параметры конденсатора.

Помимо тантала конденсаторы делают из керамики, слюды, бумаги и алюминиевой фольги.

Описание и назначение танталовых конденсаторов

Современные танталовые конденсаторы имеют малые размеры и относятся к чип-компонентам, которые предназначены для монтажа на плате. Иначе такие детали называются SMD, что расшифровывается как «компоненты поверхностного монтажа». SMD детали удобны для автоматизированных процессов монтажа и пайки на печатные платы.

Основное назначение электролитических поляризованных танталовых конденсаторов – действовать в комплексе с резистором с целью обработки сигнала и сглаживания его пиков и острых импульсов.

Конденсаторы широко используются в автомобильной, промышленной, цифровой, аэрокосмической технике.

Устройство танталовых твердотельных конденсаторов

Танталовый конденсатор относится к электролитическому типу. В его состав входят 4 основные части: анод, диэлектрик, твердый электролит, катод. Изготовление танталового конденсатора состоит из ряда достаточно сложных технологических операций.

Изготовление анода

Пористую гранулированную структуру получают прессованием из высокоочищенного танталового порошка. В процессе спекания в условиях глубокого вакуума при температурах +1300…+2000°C из порошка образуется губчатая структура с развитой площадью поверхности. Благодаря ей, обеспечивается высокая емкость при небольшом объеме. Танталовый конденсатор при одинаковой с алюминиевым устройством емкости имеет гораздо меньший объем.

Формирование диэлектрического слоя

Диэлектрический оксидный слой выращивают на поверхности анода из пентаоксида тантала в процессе электрохимического окисления. Толщину оксида можно регулировать изменением напряжения. Обычно толщина диэлектрической пленки составляет доли микрометра. Оксидный слой имеет не кристаллическую, а аморфную структуру, которая обладает значительным электросопротивлением.

Получение электролита

Электролитом служит твердотельный полупроводник – диоксид марганца, – который получают термообработкой солей марганца в ходе окислительно-восстановительного процесса. Для этого анодный губчатый слой покрывают солями марганца, а затем нагревают их до получения диоксида марганца. Процесс повторяют несколько раз до полного покрытия анода.

Формирование катодного слоя

Для улучшения контакта электролит покрывают графитовым, а затем металлическим слоем. В качестве металла обычно используют серебро. Сформированный композит запрессовывают в компаунд.

Особенности танталовых конденсаторов

В отличие от электролитических, танталовые конденсаторы при переплюсовке или пробое взрываются. Сила взрыва зависит от размеров конденсатора и может повредить как соседние элементы, так и монтажную плату.

Пробои танталовых конденсаторов

При использовании этих эффективных, но немного капризных устройств, необходимо контролировать появление состояния отказа, поскольку известны случаи их возгорания при отказе. Отказы связаны с тем, что при неправильной эксплуатации пентаоксид тантала меняет аморфную структуру на кристаллическую, то есть из диэлектрика он превращается в проводник. Смена структур может наступить из-за слишком высокого пускового тока. Пробой диэлектрика вызывает повышение токов утечки, которые в свою очередь приводят к пробою самого конденсатора.

Причиной неприятностей, связанных с эксплуатацией танталовых конденсаторов, может быть диоксид марганца. Кислород, который присутствует в этом соединении, вызывает появление локальных очагов возгорания. Пробои с возгоранием характерны для старых моделей. Новые технологии позволяют получать более надежную продукцию.

Пробои, которые произошли при высоких температурах и напряжении, могут вызывать эффект лавины. В этом случае повреждения часто распространяются на большую часть или всю площадь устройства. Если же площадь кристаллизованного пентаоксида тантала небольшая, то часто происходит эффект самовосстановления. Он возможен, благодаря преобразованиям, происходящим в электролите в случае пробоя диэлектрика. В результате всех превращений кристаллизованный участок-проводник оказывается окруженным оксидом марганца, который полностью нейтрализует его проводимость.

Вам понравится:  Кронштейн под розетку на прицеп

Другие дефекты танталовых конденсаторов

Кроме пробоя, в результате неправильной производственной технологии и нарушения правил транспортировки и хранения в конденсаторе возникают и другие дефекты:

    Механические. Первый вид таких дефектов может появиться на выращенном диэлектрике в результате его резкого удара о твердую поверхность. Второй – при образовании электролитного слоя из-за совместного действия теплового удара и внутреннего давления газов в порах.

Примеси и включения. При нарушении производственной технологии на поверхности тантала могут появиться посторонние вещества – углерод, железо, кальций, которые приводят к неравномерности диэлектрического слоя.

Кристаллизованные участки диэлектрика, которые появились при изготовлении устройства. Кристаллизация может происходить из-за несоответствия состава электролита технологическим требованиям и неправильного температурного режима процесса.

Недостатки танталовых конденсаторов

Танталово-полимерные конденсаторы

Большая часть проблем, характерных для танталовых конденсаторов, решена в танталово-полимерных аналогах. В качестве электролита в танталово-полимерных конденсаторах вместо диоксида марганца используется токопроводящий полимер. Он дает минимальный ESR, что позволяет пропускать гораздо большие токи, по сравнению с танталовыми предшественниками. Танталово-полимерные устройства успешно применяются в качестве сглаживающих конденсаторов в источниках питания и преобразователях напряжения.

Токопроводящий полимер обеспечивает низкую чувствительность к импульсам тока, стойкость к внешним факторам, отсутствие деградации структуры, более высокий срок службы. Высокая стабильность емкости в широком интервале частот и температур позволяет применять танталово-полимерные устройства в промышленной, телекоммуникационной и автомобильной электронике и других областях, для которых характерно колебание рабочих температур.

Основные характеристики танталовых конденсаторов

Для определения безопасного режима работы необходимо рассчитать уровни разрешенных значений тока и напряжения. Для расчетов необходимо знать следующие параметры танталовых конденсаторов, которые отражаются в документации:

  • Номинальная емкость. Эти устройства имеют высокую удельную емкость, которая может составлять тысячи микрофарад.
  • Номинальное напряжение. Современные модели этих устройств в большинстве рассчитаны на напряжения до 75 В. Причем, для нормальной работы в электрической схеме, деталь нужно использовать при напряжениях, которые меньше номинального. Эксплуатация танталовых конденсаторов при напряжениях, составляющих до 50% от номинального, снижает показатель отказов до 5%.
  • Импеданс (полное сопротивление). Содержит индуктивную составляющую, параллельное сопротивление, последовательное эквивалентное сопротивление (ESR).
  • Максимальная рассеиваемая мощность. При приложении к танталовому устройству переменного напряжения происходит выработка тепла. Допустимое повышение температуры конденсатора за счет выделяемой мощности устанавливается экспериментально.

Особенности проектирования плат и монтажа танталовых конденсаторов

Для этих устройств подходят практически все материалы печатных плат – FR4, FR5, G10, фторопласт, алюминий. Форма, размер посадочного места и способ монтажа указываются производителями деталей. Изменить рекомендуемые параметры монтажа может специалист, имеющий достаточно знаний и навыков, чтобы правильно скорректировать температуру пайки.

Перед монтажом на плату наносят паяльную пасту. Толщина слоя – 0,178+/-0,025 мм. Для того чтобы флюс, находящийся в пасте, эффективно растворил оксиды с мест контакта, подбирают оптимальный температурный режим пайки. Обычно это делают опытным путем.

Монтаж на плату осуществляется вручную или с помощью автоматизированного оборудования любого типа, применяемого сегодня. Пайка производится: вручную, волновым способом, в инфракрасных или конвекционных печах. Температурный режим предподогрева и пайки обычно предоставляют производители конкретной продукции.

Маркировка танталовых конденсаторов

В маркировке конденсаторов указывают стандартные параметры: емкость, номинальное напряжение, полярность. На корпусах типов B, C, D, E, V отображают все параметры, а на корпусе типа A вместо номинала напряжения указывают его буквенный код. В маркировке может указываться дополнительная информация – логотип производителя, код даты производства и другая.

Таблица буквенных кодов напряжения для корпусов типа A

Источник

Оцените статью
Частотные преобразователи