Ниобиевые конденсаторы: особенности конструкции, свойства и маркировка

6.1.2. Твердотельные танталовые и ниобиевые конденсаторы

Главным достоинством твердотельных танталовых конденсаторов является их высокая удельная ёмкость. Они имеют значительно более низкое максимальное напряжение, чем алюминиевые электролиты. Максимальное рабочее напряжение ко- [1]

леблется в пределах 30. 50 В, в зависимости от технологии производства. Ниобие- вые конденсаторы изготавливаются похожим образом и имеют сходные характеристики. Главным преимуществом танталовых и ниобиевых конденсаторов с монтажом на поверхность является их способность выдерживать температуру пайки.

В твердотельных танталовых конденсаторах в качестве диэлектрика используется оксид металла, так же как и в алюминиевых электролитах. Анод танталового конденсатора сначала формируется из смеси связующего вещества и маленьких крупиц тантала. Смесь прессуется в заготовку со вставленной в неё танталовой проволокой. Затем заготовка нагревается, чтобы удалить связующее вещество и получить пористую металлическую структуру с очень большой площадью поверхности. Заготовка спекается при высокой температуре, сплавляя крупицы тантала в пористую твердотельную структуру. Диэлектрик — пентоксид тантала — формируется погружением заготовки в раствор кислоты и пропусканием тока через заготовку и раствор при высокой температуре. Изменяя силу тока и время его протекания, можно контролировать толщину оксидного слоя и создаваемую ёмкость. В процессе использования конденсатора возможно появление тока утечки, причиной которого является наличие примесей в поверхностном слое диэлектрика. При формировании диэлектрика между металлическим танталом и пентоксид- ным слоем создаётся дополнительный слой оксида тантала. При этом образуется диодная структура металл-диэлектрик-полупроводник, похожая на структуру диода Шотки. Эта структура при подаче обратного напряжения смещения на конденсатор работает как настоящий физический диод. Заготовка окунается в раствор нитрата марганца, а затем сушится при температуре примерно 250°С. При этом создаётся слой диоксида марганца, который используется в качестве катода конденсатора. Механический контакт со слоем диоксида марганца создаётся следующим образом: слой диоксида марганца покрывается графитом, графит в свою очередь покрывается слоем серебра, а катодный вывод корпуса для поверхностного монтажа выполняется из посеребрённой эпоксидной смолы. Катодный вывод танталовых конденсаторов, предназначенных для монтажа в отверстия в плате, припаивается непосредственно к слою серебра.

Танталовые конденсаторы обычно выходят из строя с замыканием, возможным последствием чего является возгорание. Возгоранию способствует высвобождение кислорода из диоксида марганца. Выброс напряжения (даже в пределах рабочего напряжения) может быстро пробить диэлектрик. Конденсатор начнёт потреблять ток и вырабатывать тепло, что вызовет стремительный разогрев.

Танталовые конденсаторы имеют высокую отказоустойчивость, которая ещё и увеличивается со временем. В номинальных условиях они обладают длительным сроком службы без изнашивания, в отличие от алюминиевых электролитов. ЭПС танталовых конденсаторов снижается с ростом частоты. На низких частотах ЭПС складывается из сопротивления контактирующего материала (в первую очередь графита) и диоксида марганца. ЭПИ можно не учитывать, потому что её вклад в общее сопротивление очень мал по сравнению с ЭПС. Ёмкость и ЭПС конденсатора имеют некоторую зависимость от температуры, но она значительно меньше, чем в алюминиевых конденсаторах.

Танталовые конденсаторы обычно используются при напряжении 50% от номинального, чтобы снизить вероятность выхода из строя из-за выбросов. Алюминиевые конденсаторы в отличие от них способны выдерживать выбросы тока и напряжения выше номинального рабочего напряжения. Неудивительно, что тан- таловый конденсатор номиналом 35 В используется в цепи 12 В. Фирма AVX предлагает неплохую документацию (файл surgtant.pdf), в которой описано, как снизить вероятность отказа танталовых конденсаторов из-за выбросов.

Фирма AVX производит серию конденсаторов на основе оксида ниобия вместо металлического ниобия. Оксид ниобия проводит ток, но пентоксид ниобия является изолятором. Конденсатор на основе оксида ниобия обладает лучшей надёжностью и устойчивостью к возгоранию по сравнению с танталовыми или ниобие- выми конденсаторами. Металлический ниобий имеет схожие с металлическим танталом характеристики и не может рассматриваться в качестве альтернативы танталу. Тем не менее эти конденсаторы могут стать более привлекательными благодаря дешевизне и большей доступности ниобия по сравнению с танталом.

Что такое танталовый конденсатор

Конденсатор – радиодеталь, состоящая из электродов и диэлектрика, который их разделяет. Предназначен он для накопления в себе электроэнергии. Основная характеристика конденсатора – его емкость, которая определяется как разность между потенциалами. Танталовые конденсаторы появились более пятидесяти лет назад. От других видов их отличает, что в качестве диэлектрика здесь является оксид тантала (Та2О5).

Они отличаются от своих алюминиевых аналогов большой температурный режим работы, высокая надежность и длительный срок службы. Постепенно они совершенствовались, что увеличило их емкость. Разработчики старались увеличить емкость этих радиодеталей и одновременно уменьшить их физический размер.

В статье подробны подробным образом рассмотрены все тонкость танталовых конденсаторов и конденсаторов в принципе. В качестве бонуса в статье присутствует видеоролик и скачиваемый файл на данную тему.

Что такое тантал и какие у него особенности

Тантал не встречается в природе в чистом виде, его получают из оксидов, например, из ниобия. Такое соединение называют танталовой рудой, если содержание тантала составляет не менее 50%. Основные месторождения такой руды находятся в Австрии, Бразилии, Канаде, Китае и некоторых африканских странах. Синтетический тантал, производимый из оловосодержащих шлаков, выпускается в Малайзии, Таиланде и Бразилии. Большая часть добываемого тантала идет на производство танталовых конденсаторов, другие области применения – это медицинские импланты, режущие инструменты, высокотемпературные сплавы, химикообрабатываемая промышленность и др.

Танталовые конденсаторы имеют в 3 раза лучшее соотношение емкость-размер по сравнению с алюминиевыми конденсаторами. Это связано в тем, что тантал имеет диэлектрическую постоянную 26, а алюминий – 8.4. Лучшее значение диаэлектрической константы имеют керамические конденсаторы, от 12 до 400К. В число других преимуществ танталовых компонентов входят возможность выдерживать обратное напряжение в размере 10% от номинального, низкие термические параметры и отсутствие коррозии электролита.

Оксидные конденсаторы

Как известно, высокие удельные характеристики оксидных конденсаторов достигаются благодаря высокоразвитой поверхности исходного электрода из вентильного металла, на котором после формовки образуется необходимый слой соответствующего оксида. В алюминиевых конденсаторах высокоразвитая поверхность электрода образуется относительно просто в результате травления поверхности специальной алюминиевой фольги. В отличие от алюминия, повышенная химическая стойкость тантала вызывает технологические трудности, когда его подвергают травлению, чтобы получить развитую поверхность фольгового электрода. Кроме того, технология травления танталовой фольги экологически далеко не безопасна.

Поэтому в традиционном базовом конструктивно-технологическом решении наиболее массовых типов танталовых конденсаторов высокоразвитая поверхность электрода реализована в виде внутренней поверхности спрессованного из специальных танталовых порошков объемно-пористого тела, в центре которого расположен проволочный анодный вывод конденсатора. До недавнего времени совершенствование конденсаторов этого вида в части улучшения их массогабаритных характеристик основывалось на применении все более мелкодисперсных танталовых порошков, имеющих все более развитую поверхность и, соответственно, все более высокий исходный удельный заряд. Если в конце прошлого века наиболее распространенными были порошки с удельным зарядом порядка нескольких тысяч микрокулон на грамм, то в современных танталовых порошках удельный заряд уже превышает 100 тыс. мкКл/г.

В результате удельные заряды танталовых конденсаторов выросли более чем на порядок. Однако анализ тенденций и направлений в сфере применения танталовых конденсаторов показывает, что указанный путь развития конденсаторов недостаточно эффективен и не может полностью удовлетворить современные требования разработчиков радиоэлектронной аппаратуры. Так, в последние годы существенно расширился диапазон рабочих частот преобразователей в источниках вторичного электропитания аппаратуры (ИВЭП) – традиционной области применения танталовых конденсаторов.

Танталовые конденсаторы теперь должны работать и в импульсных режимах, в частности как высокоэффективные накопители энергии для питания приемно-передающих модулей активных фазированных антенных решеток (АФАР). Повысились требования к быстродействию вычислительных блоков аппаратуры, где танталовые низковольтные конденсаторы используются в качестве резервных источников питания. Если ранее традиционная область рабочих частот танталовых конденсаторов реально ограничивалась единицами и десятками килогерц, то сегодня спектр рабочих частот этих конденсаторов расширился до порядков сотен килогерц – единиц мегагерц.

Разновидности

Благодаря свойству быстро накапливать и отдавать электрическую энергию конденсаторы нашли широкое применение в качестве накопителей энергии в различных фильтрах и в импульсных устройствах. Конденсаторы различаются по следующим признакам: характеру изменения емкости, способу защиты от внешних воздействующих факторов, назначению, способу монтажа и виду диэлектрика.

По характеру изменения емкости они делятся на конденсаторы постоянной емкости, подстроенные конденсаторы и конденсаторы переменной емкости. Емкость постоянных конденсаторов является фиксированной, т.е. в процессе эксплуатации не регулируется.

Емкость подстроенных конденсаторов изменяется при разовой или периодической регулировке и не изменяется в процессе функционирования аппаратуры. Подстроенные конденсаторы используют для подстройки и выравнивания начальных емкостей сопрягаемых контуров, для периодической подстройки и регулировки цепей, где требуется незначительное изменение емкости. Конденсаторы переменной емкости допускают изменение емкости в процессе функционирования аппаратуры.

Управление емкостью может осуществляться механически, электрическим напряжением (вариконды) и температурой (термоконденсаторы). Такие конденсаторы применяют для плавной настройки колебательных конт> ров и в цепях автоматики.

По способу защиты от внешних воздействующих факторов конденсаторы выполняются незащищенными (допускают эксплуатацию при повышенной влажности только, в составе герметизированной аппаратуры), защищенными.

Неизолированными с покрытием или без покрытия (не допускают касания шасси); изолированными (с изоляционным покрытием), уплотненными органическими материалами; герметизированными с помощью керамических и металлических корпусов или стеклянных колб, что исключает взаимодействие внутреннего пространства с окружающей средой.

В зависимости от способа монтажа конденсаторы выполняются для печатного и навесного монтажа, а также для использования в составе микромодулей и микросхем. У большинства оксидных, проходных и опорных конденсаторов одна из обкладок соединена с корпусом, служащим вторым выводом. По назначению конденсаторы подразделяются на общего назначения (обычно низковольтные, без специальных требований) и специальные. Использование конденсаторов в конкретных цепях аппаратуры (низковольтные, высоковольтные, низкочастотные, высокочастотные, импульсные, пусковые, полярные, неполярные, помехоподавляющие, дозиметрические, нелинейные и др.) зависит от вида использованного в них диэлектрика. По виду диэлектрика конденсаторы делятся на группы: с органическим, неорганическим, оксидным и газообразным диэлектриком.

Конденсаторы с органическим диэлектриком

Конденсаторы с органическим диэлектриком изготовляются намоткой конденсаторной бумаги, пленок или их комбинации с металлизированными или фольговыми электродами. Они условно подразделяются на низковольтные (до 1000…1600 В, а для оксидных до 600 В) или высоковольтные (свыше 1600 В).

В свою очередь, низковольтные конденсаторы подразделяются на низкочастотные с рабочей частотой до 10 5 Гц (на основе полярных и слабополярных органических пленок: бумажные, металлобумажные, полиэтилентереф-талатные, комбинированные, лакопленочные, поликарбонатные и полипропиленовые) и высокочастотные с рабочими частотами до 107 Гц (на основе неполярных органических пленок: полистирольные, фторопластовые и некоторые полипропиленовые).

Высоковольтные конденсаторы подразделяются на высоковольтные постоянного напряжения (в качестве диэлектрика используются бумага, полистирол, фторопласт, лавсан и комбинированные) и высоковольтные импульсные (на основе бумажного и комбинированного диэлектриков).

Комбинированные конденсаторы обладают повышенной электрической прочностью по сравнению с бумажными Высоковольтные импульсные конденсаторы должны пропускать большие токи без искажений, т.е. должны иметь малую собственную индуктивность.

Пленочные конденсаторы

Выпускаются на основе синтетических пленок толщиной 1,4…30 мкм. В зависимости .от использованного диэлектрика они подразделяются на группы, из неполярных пленок (полистирольные, фторопластовые, полипропиленовые), из полярных пленок (полиэтилентерефталатные, т.е. лавсанполикарбонатные), комбинированные (ппенка и бумага) и лакопленочные. Каждый класс конденсаторов обладает определенным комплексом свойств, и в целом пленочные конденсаторы перекрывают широкий диапазон требований современной техники.

Пленочные конденсатооы отличаются более высокими электрическими и эксплуатаци энными характеристиками и меньшей трудоемкостью изготовления по сравнению с бумажными, поэтому производство их непрерывно растет. Конденсаторы выпускаются с фольговыми и металлизированными обкладками. Фольговые конденсаторы отличаются более высокими и стабильными электрическими характеристиками Конденсаторы с метал-пизированными обьладками отличаются от фольговых улучшенными удельными характеристиками. Это достигается за счет присущего таким конденсаторам свойстза самовосстановления, позволяющего повысить рабочие напряженности электрического поля.

Читайте также:  Лампа с датчиком движения: общие сведения, преимущества и недостатки, самостоятельная установка

Области применения фторопластовых и полистирольных конденсаторов почти не отличаются Фторопластовые конденсаторы применяют при повышенных температурах и более жестких требованиях к электрическим параметрам.

Конденсаторы с неорганическим диэлектриком

В качестве диэлектрика в них используются керамика, стекло, стеклоэмаль, стеклокерамика или слюда. Конденсаторы с такими диэлектриками подразделяются на низковольтные, высоковольтные и помехоподавляющие. Низковольтные конденсаторы, в свою очередь, делятся на низкочастотные и высокочастотные (с частотой до сотен мегагерц и более) и предназначаются: для использования в резонансных контурах и цепях, где требуются малые потери и высокая стабильность емкости (высокочастотные!. В цепях фильтров блокировки и развязки, где малые потери и стабильность емкости не имеют особого значения, используются керамические конденсаторы с большими диэлектрическими потерями (низкочастотные).

К высокочастотным конденсаторам относятся слюдяные, стеклоэмалевые, стеклокерамические и керамические; к низкочастотным – стеклокерамические и керамические. Высоковольтные конденсаторы выполняются с диэлектриком из керамики с большой диэлектрической проницаемостью и разделяются также на низкочастотные и высокочастотные. Они имеют конструкцию и выводы, рассчитанные на прохождение больших токов.

Помехоподавляющие конденсаторы разделяются на опорные с конструкцией дискового или трубчатого типа (один из выводов у них – опорная металлическая пластина с резьбовым соединением) и проходные коаксиальные и некоаксиальные); предназначены для подавления индустриальных, атмосферных и высокочастотных помех. Керамические конденсаторы являются самыми массовыми среди применяемых в радиоэлектронной аппаратуре. К основным достоинствам керамических конденсаторов относятся:

  • возможность реализации широкой шкалы емкостей от долей пикофарады до единиц и десятков микрофарад;
  • возможность реализации заданного температурного коэффициента емкости (ТКЕ,;
  • высокая устойчивость к воздействиям внешних факторов (температура, влажность воздуха и т.п.) и высокая надежность;
  • возможность использования керамических кристаллов совместно с микросхемами или в составе микросхем;
  • простота технологии, делающая керамические конденсаторы массовых серий самыми дешевыми.

Конденсаторы с оксидным диэлектриком

Оксидные конденсаторы (старое название – электролитические) разделяются на: общего назначения, неполярные, высокочастотные, импульсные, пусковые и помехоподавляющие. В качестве диэлектриками в них используется оксидный слой, образуемый электрохимическим путем на аноде – металлической обкладке из некоторых металлов. В зависимости от материала анода оксидные конденсаторы подразделяют на алюминиевые, танталовые и ниобиевые.

Второй обкладкой конденсатора (катодом) служит электролит, пропитывающий бумажную или тканевую прокладку в оксидно электролитических (жидкостных! алюминиевых и танталовых конденсаторах, жидкий или гелеобразный электролит в танталовых объемно-пористых конденсаторах и полупроводник (двуокись марганца) в оксидно-полупроводниковых конденсаторах.

Конденсаторы с оксидным диэлектриком – низковольтные, с относи!ельно большими потерями, но в отличие от других типов низковспьтных конденсаторов имеют несравнимо большие емкости (от единиц до сотен тысяч микрофарад). Они используются в фильтрах источников электропитания, цепях развязки, шунтирующих и переходных цепях полупроводниковых, устройств на низких частотах.

Алюминиевые оксидно-электролитические конденсаторы являются одними из самых массовых Они выпускаются на напряжения от 3 до 450 (500) В с диапазоном емкостей от десятых долей до сотен тысяч микрофарад и предназначены для работы в цепях постоянного и пульсирующего токов, а также в импульсных режимах. Конденсаторь: К50-35 из группы общего назначения имеют униполярную (одностороннюю) проводимость, вследствие чего их эксплуатация возможна только при положительном потенциале на аноде. Тем не менее это наиболее распространенные оксидные конденсаторы.

Неполярные конденсаторы выпускаются оксидно-электролитические (жидкостные) алюминиевые и танталовые, а также оксидно-полупроводниковые танталовые. Эти типы конденсаторов (алюминиевые, жидкостные и танталовые оксидно-полупроводниковые) широко применяются в источниках вторичного электропитания, в качестве накопительных и фильтрующих элементов в цепях развязок и переходных цепях полупроводниковых устройств в диапазоне частот пульсирующего тока от десятков герц до сотен килогерц. По частотным характеристикам они уступают конденсаторам на неорганической основе. Для расширения возможностей использования оксидных конденсаторов в более широком диапазоне частот необходимо снижать их полное сопротивление.

Это оказалось возможным при появлении совершенно новых конструктивных решений – четырехвыводных конструкций и плоской конструкции, позволяющих их эксплуатацию на значительно более высоких частотах. Импульсные конденсаторы К50-17 используются в электрических цепях с относительно длительным зарядом и быстрым разрядом, например в устройствах фотовспышек. Такие конденсаторы должны быть энергоемкими, иметь малое полное сопротивление и большое рабочее напряжение. Наилучшим образом этому требованию удовлетворяют оксидно-электролитическиг алюминиевые конденсаторы с напряжением до 500 В.

Пусковые конденсаторы К50-19 используются в асинхронных двигателях, в которых емкость включается только на момент пуска двигателя. При наличии пусковой емкости вращающееся поле двигателя при пуске приближается к круговому, а магнитный поток увеличивается. Все это способствует повышению пускового момента, улучшает характеристики двигателя. В связи с тем, что пусковые конденсаторы включаются в сеть переменного тока, они должны быть неполярными и иметь сравнительно большое для оксидных конденсаторов рабочее напряжение переменного тока, несколько превышающее напряжение промышленной сети.

На практике используются пусковые конденсаторы емкостью порядка десятков и сотен микрофарад, созданные на основе алюминиевых оксидных пленок с жидким электролитом. В группу оксидных помехоподавляющих конденсаторов входят только проходные оксидно-полупроводниковые танталовые конденсаторы. Они, как и проходные конденсаторы других типов, выполняют роль фильтра нижних частот, но в отличие от них имеют гораздо большие значения емкостей, что дает возможность сдвигать частотную характеристику в область более низких частот.

Более подробно о танталовых конденсаторах можно узнать прочитав статью “Маркировка конденсаторов”. Если у вас остались вопросы, можно задать их в комментариях на сайте. Также в нашей группе ВК можно задавать вопросы и получать на них подробные ответы от профессионалов.

Кремниевые 3D-конденсаторы от Murata

Развитие полупроводниковых технологий порой приводит к неожиданным последствиям. Так, например, некоторые производители пассивных компонентов используют полупроводниковую кремниевую технологию для создания кремниевых конденсаторов. В частности, 3D-конденсаторы SiCap от Murata отличаются малыми габаритами, высокой удельной емкостью и отличной стабильностью.

С точки зрения современных электронных устройств идеальный конденсатор должен обладать высокой емкостью, малыми габаритами и повышенной стабильностью электрических характеристик. К сожалению, объединить эти качества в одном конденсаторе не получается. Например, многослойные керамические конденсаторы (MLCC) с неполярным диэлектриком (NPO, C0G) отличаются высокой стабильностью, но имеют низкую емкость. Для MLCC-конденсаторов с полярным диэлектриком (X7R или X5R) удельная емкость оказывается существенно выше, но их применение не всегда возможно из-за большой температурной зависимости. К счастью, производители не стоят на месте и предлагают новые, порой неожиданные, решения. В частности, компания Murata производит кремниевые 3D-конденсаторы SiCap по интегральной технологии.

Способы увеличения удельной емкости конденсаторов

Современные приложения требуют чрезвычайно компактных конденсаторов. Однако для получения малых геометрических размеров необходимо обеспечить высокую удельную емкость. Хорошо известно, что емкость плоского конденсатора оказывается прямо пропорциональной его площади (рис. 1):

$$C=fracvarepsilon_S>qquad><1>>$$
где εr– диэлектрическая проницаемость материала, ε – диээлектрическая постоянная, S – площадь электродов, d – толщина диэлектрика.

Рис. 1. Емкость плоского конденсатора пропорциональна его площади

Разумеется, увеличить емкость можно и за счет уменьшения толщины диэлектрика, однако это приведет к снижению рабочего напряжения, что не всегда допустимо.

Существует несколько альтернативных способов увеличения площади электродов. В электролитических конденсаторах для этого используются пористые электроды с большой эффективной площадью поверхности. Еще одним способом увеличения эффективной площади является увеличение числа слоев, как в многослойных керамических конденсаторах (MLCC). Для них емкость определяется формулой (2):

$$C=fracvarepsilon_Sleft(N-1 right)>qquad><2>>$$
где N – число внутренних слоев конденсатора.

В современных интегральных микросхемах очень часто используют интегральные кремниевые конденсаторы, которые выращиваются на поверхности кристалла параллельно с другими полупроводниковыми компонентами (диодами, транзисторами и др.). Очевидно, что единый технологический процесс является очень привлекательным для производителей микросхем. Однако из-за низкой удельной емкости и, как следствие, большой занимаемой площади, самостоятельное использование кремниевых конденсаторов долгое время было ограничено. К счастью, развитие интегральных технологий помогает решить эту проблему.

Так как в случае с интегральными кремниевыми конденсаторами возможность создания многослойной конструкции, как в MLCC-конденсаторах, оказывается исключена, то производители пошли по пути электролитических конденсаторов и постарались увеличить эффективную площадь за счет применения пористой структуры (рис. 2). Благодаря созданию на поверхности кремния вертикальных канавок удалось повысить емкость примерно в 10 раз.

Рис. 2. Конденсатор с круглыми канавками

Компания Murata пошла еще дальше и создала собственную интегральную технологию, в которой на поверхности кремния вытравливаются сложные трехлепестковые островки, что еще больше повышает эффективную площадь электродов (рис. 3).

Рис. 3. Кремниевый конденсатор SiCap от Murata с трехмерной структурой и трехлепестковыми канавками

По оценкам Murata такая развитая поверхность электродов позволяет увеличить удельную емкость на единицу поверхности в 100 раз по сравнению с плоскими конденсаторами (рис. 4).

Рис. 4. Технология SiCap от Murata позволяет в 100 раз уменьшить площадь, занимаемую конденсатором

SiCap-конденсаторы от Murata

В настоящий момент Murata выпускает более двух десятков серий SiCap-конденсаторов (рис. 5):

  • Емкостью от единиц пФ до единиц мкФ;
  • Толщиной от 85 мкм;
  • С рабочей температурой до 250°C;
  • С частотным диапазоном до 100 Гц;
  • С отличной температурной стабильностью;
  • С отсутствием эффекта уменьшения емкости при приложении постоянного напряжения (эффект DC-bias).

Рис. 5. Конденсаторы SiCap от Murata представлены несколькими сериями

Существует две больших группы SiCap-конденсаторов от Murata (рис. 6):

  • предназначенные для обычного SMD-монтажа;
  • предназначенные для развари контактных площадок с помощью проволочных проводников.

Разварка выводов с помощью проволок является более сложным технологическим процессом, но позволяет обеспечить эффективное электрическое соединений, что особенно важно для высокочастотных систем.

Рис. 6. Монтаж конденсаторов SiCap от Murata

Что касается электрических свойств SiCap-конденсаторов, то они по многим параметрам превосходят характеристики обычных MLCC-конденсаторов.

Во-первых, удельная емкость SiCap-конденсаторов значительно выше, а толщина значительно меньше, чем у MLCC-конденсаторов с неполярным диэлектриком. Так, например, чтобы набрать емкость 100 нФ из NPO-конденсаторов, потребуется использовать 10 компонентов, в то время как в случае с SiCap будет достаточно одного конденсатора толщиной всего 100 мкм (рис. 7).

Рис. 7. Один конденсатор SiCap может заменить несколько MLCC-конденсаторов C0G

Во-вторых, температурная стабильность SiCap-конденсаторов лишь незначительно уступает NPO и существенно превосходит X7R (рис. 8). При этом производитель гарантирует работу некоторых серии SiCap даже при температурах до 250°С, тогда как для NPO и X7R верхняя граница температурного диапазона составляет «всего» 125°С. Таким образом, SiCap-конденсаторы могут использоваться не только в промышленных и автомобильных приложениях, но и в других областях с жесткими условиями эксплуатации.

Рис. 8. Конденсаторы SiCap отличаются великолепной температурной стабильностью

В третьих, популярные MLCC-конденсаторы с полярным диэлектриком (X7R или X5R), имеют очень неприятное свойство – их емкость уменьшается при приложении постоянного напряжения (эффект DC-bias) (рис. 9). SiCap-конденсаторы и MLCC-конденсаторы с неполярным диэлектриком свободны от этого недостатка, что позволяет им работать в составе измерительных систем, в различных цепях компенсации и калибровки.

Рис. 9. Конденсаторы SiCap отличаются минимальной зависимостью емкости от приложенного напряжения

Рассмотрим примеры некоторых серий SiCap-конденсаторов от Murata.

Серия HSSC (High stability & reliability) – высокостабильные и надежные SiCap-конденсаторы, обладающие следующими характеристиками:

  • Диапазон емкостей: 47 пФ … 3,3 мкФ;
  • Температурный коэффициент емкости: +60 ppm/°C;
  • Допуск: ±15%;
  • Максимальное рабочее напряжение: 11…30 В;
  • Сопротивление изоляции: 100 ГОм (3 В);
  • Диапазон рабочих температур: -55°C…150°C;
  • Высота: 0,4мм.
Читайте также:  Два выключателя на одну лампочку: особенности подключения, коридорная схема освещения, альтернативные варианты

Возможные типоразмеры конденсаторов серии HSSC представлены на рис. 10.

Рис. 10. Модельный ряд серии HSSC

Серия LPSC (Low profle) отличается от предыдущей серии сверхтонким исполнением 100 мкм (по запросу от 80 мкм). Возможные типоразмеры конденсаторов серии LPSC представлены на рис. 11.

Рис. 11. Модельный ряд серии LPSC

Серии HTSC, XTSC (Xtreme temperature) предназначены для работы при сверхвысоких температурах вплоть до 200 °С (HTSC) и до 250 °С (XTSC). Возможные типоразмеры конденсаторов данных серий представлены на рисунке 12.

Рис. 12. Модельный ряд серии HTSC и XTSC

Несколько серий конденсаторов SiCap предназначены для высокочастотных приложений:

  • XBSC с частотным диапазоном до 100 ГГц;
  • UBSC с частотным диапазоном до 60 ГГц;
  • BBSC с частотным диапазоном до 40 ГГц;
  • ULSC с частотным диапазоном до 20 ГГц.

Возможные типоразмеры конденсаторов данных серий представлены на рис. 13.

Рис. 13. Модельный ряд высокочастотных серий SiCap от Murata

В заключение хотелось бы отметить, что кремниевые конденсаторы также имеют и недостатки, среди которых следует отметить относительно высокую стоимость и ограниченный диапазон рабочих напряжений. Таким образом, не стоит ожидать, что SiCap-конденсаторы смогут вытеснить популярные MLCC-конденсаторы из таких устройств, как DC/DC-преобразователи, усилители, фильтры и т.д. Тем не менее, уже сейчас видно, что для ряда высокочастотных приложений и приложений с жесткими внешними условиями эксплуатации, конденсаторы SiCap могут стать отличным выбором.

Характеристики SiCap-конденсатора 935132429733-xxN:

  • Емкость: 3,3мкФ
  • Допуск: ±15%;
  • Максимальное рабочее напряжение: 11 В;
  • Эквивалентное последовательное сопротивление (ESR): 400 мОм;
  • Эквивалентная последовательная индуктивность (ESL): 100 пГн;
  • Диапазон рабочих температур: -55°C…200°C;
  • Типоразмер: 1812 (4532);
  • Высота: 0,41мм.

Что такое конденсатор и как он работает?

Если вы рассмотрите печатную плату даже самого простого электронного устройства, то обязательно увидите конденсатор, а чаще всего встретите множество этих элементов. Присутствие этих изделий на различных электронных схемах объясняется свойствами данных радиоэлементов, широким диапазоном функций, которые они выполняют.

В настоящее время промышленность поставляет на рынок конденсаторную продукцию различных видов (рис. 1). Параметры изделий варьируются в широких пределах, что позволяет легко подобрать радиодеталь для конкретной цели.

Рис. 1. Распространённые типы конденсаторов

Рассмотрим более подробно конструкции и основные параметры этих вездесущих радиоэлементов.

Что такое конденсатор?

В классическом понимании конденсатором является радиоэлектронное устройство, предназначенное для накопления энергии электрического поля, обладающее способностью накапливать в себе электрический заряд, с последующей передачей накопленной энергии другим элементам электрической цепи. Устройства очень часто используют в различных электрических схемах.

Конденсаторы способны очень быстро накапливать заряд и так же быстро отдавать всю накопленную энергию. Для их работы характерна цикличность данного процесса. Величина накапливаемого электричества и периоды циклов заряда-разряда определяется характеристиками изделий, которые в свою очередь зависят от типа модели. Параметры этих величин можно определить по маркировке изделий.

Конструкция и принцип работы

Простейшим конденсатором являются две металлические пластины, разделённые диэлектриком. Выступать в качестве диэлектрика может воздушное пространство между пластинами. Модель такого устройства изображена на рис. 2.

Рис. 2. Модель простейшего конденсаторного устройства

Если на конструкцию подать постоянное напряжение, то образуется кратковременная замкнутая электрическая цепь. На каждой металлической пластине сконцентрируются заряды, полярность которых будет соответствоать полярности приложенного тока. По мере накопления зарядов ток будет ослабевать, и в определенный момент цепь разорвётся. В нашем случае это произойдёт молниеносно.

При подключении нагрузки накопленная энергия устремится через нагрузочный элемент в обратном направлении. Произойдёт кратковременный всплеск электрического тока в образованной цепи. Количество накапливаемых зарядов (ёмкость, C) прямо зависит от размеров пластин.

Единицу измерения ёмкости принятоназывать фарадой (Ф). 1 F – очень большая величина, поэтому на практике часто применяют кратные величины: микрофарады (1 мкФ = 10 -6 F ), нанофарады ( 1 нФ = 10 -9 F = 10 -3 мкФ), пикофарады (1 пкФ = 10 -12 F = 10 -6 мкФ). Очень редко применяют величину милифараду (1 мФ = 10 -3 Ф).

Конструкции современных конденсаторов отличаются от рассматриваемой нами модели. С целью увеличения ёмкости вместо пластин используют обкладки из алюминиевой, ниобиевой либо танталовой фольги, разделённой диэлектриками. Эти слоеные ленты туго сворачивают в цилиндр и помещают в цилиндрический корпус. Принцип работы не отличается от описанного выше.

Существуют также плоские конденсаторы, конструктивно состоящие из множества тонких обкладок, спрессованных между слоями диэлектрика в форме параллелепипеда. Такие модели можно представить себе в виде стопки пластин, образующих множество пар обкладок, соединённых параллельно.

В качестве диэлектриков применяют:

  • бумагу;
  • полипропилен;
  • тефлон;
  • стекло;
  • полистирол;
  • органические синтетические плёнки;
  • эмаль;
  • титанит бария;
  • керамику и различные оксидные материалы.

Отдельную группу составляют изделия, у которых одна обкладка выполнена из металла, а в качестве второй выступает электролит. Это класс электролитических конденсаторов (пример на рисунке 3 ниже). Они отличаются от других типов изделий большой удельной ёмкостью. Похожими свойствами обладают оксидно-полупроводниковые модели. Второй анод у них – это слой полупроводника, нанесённый на изолирующий оксидный слой.

Рис. 3. Конструкция радиального электролитического конденсатора

Электролитические модели, а также большинство оксидно-полупроводниковых конденсаторов имеют униполярную проводимость. Их эксплуатация допустима лишь при наличии положительного потенциала на аноде и при номинальных напряжениях. Поэтому следует строго соблюдать полярность подключения упомянутых радиоэлектронных элементов.

На корпусе такого прибора обязательно указывается полярность (светлая полоска со значками «–», см. рис. 4) или значок «+» со стороны положительного электрода на корпусах старых отечественных конденсаторов.

Рисунок 4. Обозначение полярности выводов

Срок службы электролитического конденсатора ограничен. Эти приборы очень чувствительны к высоким напряжениям. Поэтому при выборе радиоэлемента старайтесь, чтобы его рабочее напряжение было значительно выше номинального.

Свойства

Из описания понятно, что для постоянного тока конденсатор является непреодолимым барьером, за исключением случаев пробоя диэлектрика. В таких электрических цепях радиоэлемент используется для накопления и сохранения электричества на его электродах. Изменение напряжения происходит лишь в случаях изменений параметров тока в цепи. Эти изменения могут считывать другие элементы схемы и реагировать на них.

В цепях синусоидального тока конденсатор ведёт себя подобно катушке индуктивности. Он пропускает переменный ток, но отсекает постоянную составляющую, а значит, может служить отличным фильтром. Такие радиоэлектронные элементы применяются в цепях обратной связи, входят в схемы колебательных контуров и т. п.

Ещё одно свойство состоит в том, что переменную емкость можно использовать для сдвига фаз. Существуют специальные пусковые конденсаторы (рис.5), применяемые для запусков трёхфазных электромоторов в однофазных электросетях.

Рис. 5. Пусковой конденсатор с проводами

Основные параметры и характеристики

Ёмкость.

Важным параметром конденсатора является его номинальная ёмкость. Для плоского конденсатора справедлива формула:

С = (ε*ε*S) / d,

где ε – диэлектрическая проницаемость диэлектрика, S – размеры обкладок (площадь пластин), d – расстояние между пластинами (обкладками).

Реальная емкость отдельных элементов обычно невелика, но можно получить конструкцию ёмкостью в несколько фарад, если параллельно соединить огромное число обкладок. В этом случае реальная ёмкость равняется сумме всех ёмкостей обкладок.

Максимальные емкости некоторых конденсаторов могут достигать нескольких фарад.

Удельная ёмкость.

Величина, характеризующая отношение ёмкости к объёму или к массе радиодетали. Данный параметр важен в микроэлектронике, где размеры деталей очень важны.

Номинальное напряжение.

Одной из важных электрических характеристик является номинальное напряжение – значение максимальных напряжений, при которых конденсатор может работать без потери значений других его параметров. При превышении критической величины равной напряжению пробоя происходит разрушение диэлектрика. Поэтому номинальное напряжение подбирают заведомо большее любых возможных максимальных амплитуд синусоидального тока в цепи конденсатора.

Существуют характеристики, такие как тангенс угла потерь, температурный коэффициент ёмкости, сопротивление утечки, диэлектрическая абсорбция и др., которые интересны только узким специалистам, а их параметры можно узнать из специальных справочников.

Классификация

Основные параметры конденсаторных изделий определяются типом диэлектрика. От материала зависит стабильность ёмкости, тангенс диэлектрических потерь, пьезоэффект и другие. Исходя из этого, классификацию моделей целесообразно осуществлять именно по виду диэлектрика.

По данному признаку различают следующие типы изделий:

  • вакуумные;
  • с воздушным диэлектриком;
  • радиоэлементы, в которых диэлектриком является жидкость;
  • с твёрдым неорганическим диэлектриком (стекло, слюда, керамика). Характеризуются малым током утечки;
  • модели с бумажным диэлектриком и комбинированные, бумажно-плёночные;
  • масляные конденсаторы постоянного тока;
  • электролитические;
  • категория оксидных конденсаторов, к которым относятся оксидно-полупроводниковые и танталовые конденсаторы;
  • твёрдотельные, у которых вместо жидкого электролита используется органический полимер или полимеризованный полупроводник.

В твёрдотельных моделях срок службы больший, чем у жидко-электролитических и составляет около 50 000 часов. У них меньшее внутренне сопротивление, то есть ЭПС почти не зависит от температуры, они не взрываются.

Классифицируют изделия и по другому важному параметру – изменению ёмкости. По данному признаку различают:

  • постоянные конденсаторы, то есть те, которые имеют постоянную емкость;
  • переменные, у которых можно управлять изменением ёмкости механическим способом либо с помощью приложенного напряжения (варикапы и вариконды), а также путём изменения температуры (термоконденсаторы);
  • класс подстроечных конденсаторов, которые используют для подстройки или выравнивания рабочих ёмкостей при настройке контуров, а также с целью периодической подстройки различных схем.

Все существующие конденсаторы можно условно разделить на общие и специальные. К изделиям общего назначения относятся самые распространённые низковольтные конденсаторы (см. рис. 6). К ним не предъявляют особых требований.

Рис. 6. Конденсаторы общего назначения

Все остальные ёмкостные радиоэлементы принадлежат к классу специального назначения:

  • импульсные;
  • пусковые;
  • высоковольтные (см. рис. 7);
  • помехоподавляющие,
  • дозиметрические и др.;

Рис. 7. Высоковольтные конденсаторы

Изображённые на фото устройства могут работать в высоковольтных цепях сравнительно низкой частоты.

Маркировка

Для маркировки отечественных изделий применялась буквенная система. Сегодня распространена цифровая маркировка. В буквенной системе применялись символы:

  • К – конденсатор;
  • Б, К, С, Э и т. д – тип диэлектрика, например: К – керамический, Э – электролитический;
  • На третьем месте стоял символ, обозначающий особенности исполнения.

В данной системе маркировки иногда первую букву опускали.

В новой системе маркировки на первом месте может стоять буква К, а после неё идёт буквенно-цифровой код. Для обозначения номинала, вида диэлектрика и номера разработки используют цифры. Пример такой маркировки показан на рисунке 8. Обратите внимание на то, что на корпусе электролитического конденсатора обозначена полярность включения.

Рис. 8. Маркировка конденсаторов

  • Ёмкость от 0 до 999 пФ указывают в пикофарадах, например: 250p:
  • от 1000 до 999999 пФ – в нанофарадах: n180;
  • от 1 до 999 мкФ – в микрофарадах: 2μ5;
  • от 1000 до 999999 мкФ – в миллифарадах: m150;
  • ёмкость, больше значения 999999 мкФ, указывают в фарадах.

Обозначение на схемах

Каждое семейство конденсаторов имеет своё обозначение, позволяющее визуально определить его тип (см. рис. 9).

Рис. 9. Обозначение на схемах

Соединение конденсаторов

Существует два способа соединения: параллельное и последовательное. При параллельном соединении общая ёмкость равна сумме ёмкостей отдельных элементов: Собщ. = С1 + С2 + … + Сn.

Для последовательного соединения расчёт ёмкости рассчитывается по формуле: Cобщ. = ( C1* C2 *…* Cm ) / ( C1 + C2+…+Cn )

Чтобы быстро посчитать общую емкость соединенных конденсаторов лучше воспользоваться нашими калькуляторами:

Применение

Конденсаторы применяются почти во всех областях электротехники. Перечислим лишь некоторые из них:

  • построение цепей обратной связи, фильтров, колебательных контуров;
  • использование в качестве элемента памяти;
  • для компенсации реактивной мощности;
  • для реализации логики в некоторых видах защит;
  • в качестве датчика для измерения уровня жидкости;
  • для запуска электродвигателей в однофазных сетях переменного тока.
Читайте также:  Светильники со встроенным датчиком движения и освещенности: установка в квартирах, светодиодные приборы

С помощью этого радиоэлектронного элемента можно получать импульсы большой мощности, что используется, например, в фотовспышках, в системах зажигания карбюраторных двигателей.

Танталовые и ниобиевые конденсаторы

Конструкция оксидно-электролитического танталового конденсатора К52-1Б приведена на рисунке 3.4.

1 – корпус из серебра;

2 – объемно-пористый анод;

4 – фторопластовые прокладки;

5 – резиновая втулка;

6 – текстолитовая прокладка;

Рис. 3.4 – Конструкция оксидно-электролитического танталового конденсатора

Объемно-пористый анод представляет собой спрессованное из порошка металла и спеченное в вакууме при высокой температуре (≈ 1700 – 1900 °С) пористое тело. Исходный танталовый порошок имеет размер зерен r менее 5 мкм. Путем электрохимического окисления (формовки) на поверхности зерен создается тонкий оксидный слой пятиокиси тантала, служащий диэлектриком конденсатора. Емкость анода равна сумме параллельно соединенных емкостей оксидированных зерен. Она определяется эмпирической формулой

, (1)

где – емкость анода, мкФ;

ε – диэлектрическая проницаемость оксида анодного материала;

h – высота анода, см;

r – радиус зерен порошка, см;

– напряжение формовки, в.

Как видим, емкость анода можно повышать, уменьшая размер частиц исходного порошка. Но при этом происходит интенсивное зарастание пор и сглаживание рельефа зерен. Поэтому необходимо одновременно снижать температуру спекания и время проведения этой операции . Таким образом, емкость зависит не только от параметров, указанных в формуле (1), но и от и

В качестве рабочего электролита в К52-1Б используется 38% раствор серной кислоты. Такая высокая концентрация необходима для уменьшения сопротивления электролита и расширения рабочих диапазонов температуры и частоты. В связи с применением кислоты корпус выполнен из серебра. Поскольку в конденсаторе анодная и катодная емкости включены последовательно, то емкость катода должна значительно превышать емкость анода. Для этого на внутренней поверхности корпуса нанесена палладиевая чернь.

В качестве второго примера рассмотрим оксидно-полупроводниковый конденсатор К53-18 (рис. 3.5). По сравнению с К52-1Б в нем использован более мелкий танталовый порошок, что позволило повысить и снизить расход дефицитного тантала.

1 – двуокись марганца;

2 – танталовый анод;

3 – стальной луженый корпус;

Рис. 3.5 – Оксидно-полупроводниковый конденсатор К53-18

Вместо жидкого электролита в этом конденсаторе используется двуокись марганца. Поскольку она обладает более высокой проводимостью, чем жидкий электролит, то подобные конденсаторы имеют лучшие частотные и температурные характеристики, чем оксидно-электролитические конденсаторы. Слой MnO2 наносится на анод методом пиролиза в среде водяного пара.

Проблема расширения диапазона рабочих частот оксидных конденсаторов решается главным образом посредством усовершенствования конструкции. Так, были разработаны танталовые и ниобиевые оксидно-полупроводниковые конденсаторы с плоскими объемно-пористыми анодами, что позволило расширить область рабочих частот до 10 МГц (конденсаторы типа К53-25 и др.). Такие аноды были изготовлены с помощью оригинального способа формообразования объемно-пористого тела путем электрофоретического осаждения танталового порошка из суспензии на плоский танталовый носитель.

Метод электрофореза (ЭФ) основан на перемещении частиц, взвешенных в жидкости, под влиянием приложенного электростатического поля. При движении частицы оседают на находящиеся на их пути поверхности и образуют тонкое, равномерное и плотное покрытие. Одно из основных преимуществ метода ЭФ – возможность изготовления анодов различных габаритов без какой-либо дополнительной оснастки: размеры анодов определяются глубиной погружения вывода, величиной поля и временем осаждения.

Применение способа ЭФ обеспечивает более однородную структуру объемно-пористого анода по сравнению с механическим прессованием, что улучшает частотные свойства конденсатора. При этом ESR и импеданс конденсатора на частотах до 100 кГц снижается в 5-7 раз, а изменение их емкости ∆С/С – в 1,5. 2 раза.

Все о танталовых конденсаторах [подробная статья]

Наверное, у каждого радиолюбителя хоть раз да взрывался танталовый конденсатор из-за 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.

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.

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 параметры 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

Добавить комментарий