Танталовые конденсаторы

Производство электроники последних лет характеризуется особенностью: увеличением характеристик компонентов при уменьшении размеров самого устройства. Все чаще используются танталовые конденсаторы, обладающие большей емкостью, чем алюминиевые, при малых габаритах.

Танталовые конденсаторы

Строение и технология производства

Тантал и алюминий – приоритетные металлы в производстве конденсаторов. Это объясняется возможностью регулировать толщину непроводящего оксидного слоя, что напрямую влияет на емкость. Сам конденсатор состоит из:

• положительного (анод) и отрицательного (катод) электродов;
• диэлектрика – оксидной пленки;
• электролита – токопроводящей среды, в данном случае твердотельной.

Структура конденсатора

Отличие тантала от алюминия становится понятно, если разобраться в процессе формирования конденсатора. Первая особенность – анод. Спрессованный танталовый порошок нагревают в вакууме для получения характерной «губки».

Формирование диэлектрика

Диэлектрик получается в результате окисления – на поверхности образуется непроводящая пленка. На этом этапе проявляется преимущество металла: толщину слоя можно контролировать, меняя подаваемое напряжение.

Твёрдотельный электролит

Используется диоксид марганца. Технология производства следующая:

1. «Губка» с диэлектрическим танталовым слоем пропитывается марганцевыми солями.
2. Структуру подвергают термической обработке. Это нужно для формирования диоксида.

Процедуру повторяют несколько раз до полного покрытия поверхности электролитом.

Особенности катода танталового конденсатора

Внимания заслуживает и отрицательный электрод. Контакт электролита с катодом улучшают при помощи слоя графита, покрытого серебром. Поэтому сам тантал – не единственный редкий и дорогой материал в производстве.

ESR танталовых конденсаторов

Эквивалентное сопротивление (ESR) определяется по частотам:

• низким – по сопротивлению пленки тантала;
• высоким – диоксида марганца.

Сопротивление, а с ним и ESR, во втором случае уменьшается с повышением температуры.

Пробой: причины и последствия

В любых конденсаторах причиной пробоя являются токи утечки. На их возрастание влияет кристаллический оксид, формирующийся под воздействием высокого напряжения.

Схема пробоя

Может произойти лавинообразное увеличение кристаллов по всему диэлектрику. Если участки небольшие, возможно самовосстановление слоя.

Основные параметры для расчетов

Необходимо рассчитать допустимые режимы работы. Для этого учитывается следующий набор характеристик:

1. Емкость. При использовании тантала достигаются ее высокие значения за счет площади структуры и ее пористости.
2. Номинальное напряжение. Танталовые электролитические конденсаторы рекомендуется использовать при значениях ниже заявленного номинального – 75В.
3. Импеданс – полное сопротивление. Уменьшается с ростом рабочей частоты.
4. Последовательное сопротивление – ESR.
5. Максимальный уровень перегрева. Он же – рассеиваемая мощность.

Точные значения параметров можно найти в технической документации, поставляемой с устройством.

Преимущества и недостатки

Благодаря своим особенностям, танталовые конденсаторы во многом превосходят алюминиевые:

• высокая емкость при малых габаритах;
• низкое сопротивление и индуктивность;
• малый ток утечки;
• широкий диапазон рабочих температур.

Однако использование тантала порождает и ряд недостатков:

• дороговизна в России;
• малая электрическая прочность;
• токсичность.

Сочетание этих особенностей не позволяет применять танталовые конденсаторы во всех областях электронной промышленности (звуковые тракты в аудиоаппаратуре), но в некоторых отраслях они незаменимы.

Область использования

Используют устройства в тех сферах, где на первом месте стоят надежность и долговечность. Это производство автомобилей, компьютеров, бытовой техники, блоков питания различной сложности.

Основные препятствия для расширения возможных отраслей – стоимость металла и сложность производства. Однако технологический прогресс приводит к постепенной роботизации всего процесса и уменьшению стоимости компонентов.

Вычисление безопасных рабочих напряжений

Для выбора правильного рабочего напряжения необходимо учитывать номинальный параметр. Значение не должно превышаться при сложении постоянного и переменного напряжений.

При расчете допустимых значений учитываются особенности танталовых конденсаторов.

График зависимости параметров из технической документации

На низких частотах

Индуктивный параметр сопротивления обычно не учитывают. Для более точного определения необходимо брать минимальное значение емкости, при этом будет получено наибольшее значение полного сопротивления.

На высоких частотах

Здесь главную роль играет рассеиваемая мощность. Поэтому необходимо обратиться к таблице типоразмеров и найти нужное значение.

Факторы, влияющие на максимальное значение среднеквадратичного тока

На него влияют два параметра: температура (25 градусов) и синусоида напряжения. Если эти условия изменяются, расчеты необходимо корректировать:

1. При превышении температуры – применить соответствующий множитель;
2. Если сигнал несинусоидальный – результаты делятся на другой коэффициент, заполнения.

В технических документах производитель обычно приводит таблицу, в которой можно отыскать значения с соответствующими множителями.

Пример расчета допустимых значений токов и напряжений

Рабочая частота конденсатора – 120 Гц. Как выглядят вычисления:

1. Определяется значение импеданса:

Z = 1/2πfC = 1/2π·120·(0.8·10-6) = 1.66 кОм, (10);

2. Вычисляется среднеквадратичное значение тока:

Irms = Vrms/Z = 12.37/1660 = 0.007 A.

Если вычисления сделаны правильно, остается учесть особенности монтажа.

Проектирование печатных плат

Несмотря на технологические различия, применение тантала в конденсаторах не накладывает требования на платы. Конденсаторы универсальны и монтируются на любые известные материалы. Инструкцию предоставляют производители конденсаторов.

Маркировка конденсаторов

Критерии выбора

При покупке конденсаторов стоит обратить внимание на набор параметров:

• номинальная емкость;
• максимально допустимое напряжение;
• диапазон температур.

На стоимость и размер влияет ESR: чем он ниже, тем конденсатор дороже и крупнее.

Маркировка танталовых конденсаторов

Маркировка отличается в зависимости от современности модели. На новых используются цвет и параметр рабочего напряжения.

Цвет корпуса

От меньшего значения напряжения к большему: розовый, белый, серый, голубой, зеленый, черный, желтый.

Вольтаж

Максимально допустимое рабочее напряжение ограничивается следующими значениями: 35, 30, 25, 20, 16, 10 и 6.3 В.

В старой системе определить параметры с первого взгляда было сложнее.

Точка

Ее цвет определял множитель емкости. Существовало три вида: черная, белая и серая.

Множитель

Соответственно цвету, емкость умножалась на 1, 0.1 или 0.01.

Цвет полосы

Две цветные полосы означали сам параметр емкости. Использовались фиолетовый, голубой, зеленый, желтый, оранжевый, красный, коричневый и черный.

Значение

Соответственно цвету, емкость в микрофарадах составляла 7, 6, 5, 4, 3, 2, 1 и 0.

Особенности монтажа танталовых конденсаторов

При установке конденсаторов рекомендуется:

• подбирать оптимальный режим при пайке;
• позиционировать чипы согласно маркировке – она указывает на емкость, напряжение и полярность;
• не использовать для очистки плат средства, растворяющие компаунд.

Также не стоит использовать ультразвуковую чистку.

Меры предосторожности

Основные рекомендации по эксплуатации:

• соблюдать безопасный режим работы;
• аккуратно монтировать конденсаторы;
• выполнять требования, указанные в технической документации.

Соблюдение этих мер – гарантия увеличения срока службы чипа.

Благодаря своим преимуществам, твердотельные конденсаторы используются во многих сферах электронной промышленности. Их перспективы огромны. Можно утверждать, что с годами число отраслей с их применением будет лишь увеличиваться.

Видео

Автор:

Винoгрaдов Aндрeй Aлексaндрoвич