Все о танталовых конденсаторах — максимально подробно

Целью данной статьи является ознакомление пользователей с особенностями эксплуатации, монтажа и хранения танталовых конденсаторов. Статья содержит описание механизмов пробоя танталовых конденсаторов, предлагает вариант расчета допустимых уровней рабочих токов и напряжений для различных частотных диапазонов.

Электронная промышленность движется в сторону уменьшения габаритов электронных устройств и в сторону увеличения частот переключения: за последние десять лет рабочие частоты преобразователей возросли с 10 кГц до 100 кГц и выше. Требование высоких рабочих частот и малых габаритов приводят к расширению применения твердотельных танталовых конденсаторов. Твердотельные танталовые конденсаторы обладают отличными характеристиками: высокой удельной емкостью, малыми габаритами (рисунок 1, таблица 1) [1]. Значение ESR таких конденсаторов остается неизменным с ростом частоты или даже уменьшается, а значение импеданса на частотах 100 кГц и выше достигает минимального значения. Кроме того, они отличаются высокой надежностью и совместимы со всеми общепринятыми технологиями монтажа.

Рисунок 1 – Габариты танталовых чип-конденсаторов

Таблица 1 – Габариты общепринятых типоразмеров танталовых чип-конденсаторов

Главной задачей при эксплуатации танталовых конденсаторов является увеличения срока службы и сокращение числа отказов. Анализ показал, что это возможно только при учете их особенностей на всех этапах жизни: производстве, хранении, монтаже, эксплуатации. Для того чтобы определить причины выхода танталовых конденсаторов из строя, необходимо рассмотреть их конструкцию и особенности производства.

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.

Обозначение в схемах

Вообще при ремонте и перепайке современных печатных SMD-плат удобнее всего, когда под рукой все же имеется схема, глядя на которую намного проще разобраться с тем, что установлено, узнать расположение определенной детали, потому как SMD-конденсатор по виду может совершенно не отличаться от того же транзистора. Обозначения этих деталей в схемах остались такими же, как и были до прихода на рынок чипов, а потому и емкость, и другие нужные характеристики можно также без труда найти радиолюбителю, который не сталкивался с SMD-компонентами.

«>

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

• Доступная емкость этих радиодеталей – от 1 до нескольких сотен мкФ
• Относительно низкое эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) и наименьшее значение утечки. Благодаря этим свойствам, танталовые конденсаторы успешно работают в качественной аудиоаппаратуре, тестовых и измерительных приборах.
• Тонкий оксидный слой, который обеспечивает высокую диэлектрическую проницаемость. Сочетание значительной площади поверхности губчатого анода с хорошей диэлектрической проницаемостью обеспечивает хранение большого запаса энергии.

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.

Видео

Впервые столкнувшийся с видом SMD-конденсатора радиолюбитель недоумевает, как же разобраться во всех этих «квадратиках» и «бочонках», если на некоторых вообще отсутствует маркировка, а если и есть таковая, то и не поймешь, что же она обозначает. А ведь хочется идти в ногу со временем, а значит, придется разобраться все-таки, как определить принадлежность элемента платы, отличить один компонент от другого. Как оказалось, все же различия есть, и маркировка, хотя и не всегда и не на всех конденсаторах, дает представление о параметрах. Есть, конечно, SMD-компоненты и без опознавательных знаков, но обо всем по порядку. Для начала следует понять, что же представляет собой этот элемент и в чем его задача.

Работает такой компонент следующим образом. На каждую из двух пластинок, расположенных внутри, подаются разноименные заряды (полярность их разнится), которые стремятся один к другому согласно законам физики. Но «проникнуть» на противоположную пластину заряд не может по причине того, что между ними диэлектрическая прокладка, а следовательно, не найдя выхода и не имея возможности «уйти» от близлежащего противоположного полюса, накапливается в конденсаторе до заполнения его емкости.

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.

Критерии выбора

Конденсатор CBB61

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.

Другие дефекты танталовых конденсаторов

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

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.

Приборы без функции измерения емкости

Tакие модели используют в режиме омметра. Порядок действий: черный щуп включают в гнездо «СОМ» (отрицательный потенциал), красный — в «V/Ω» (положительный потенциал); переключатель устанавливают в сектор «Ω» на позицию 2 МОм; соблюдая полярность, касаются щупами выводов. B режиме омметра мультиметр подает на щупы напряжение. Оно заряжает конденсатор и сопротивление последнего, постепенно нарастает от мизерного до величины свыше 2 МОм или бесконечности (обозначается единицей на дисплее). Рост сопротивления объективнее всего отражает аналоговый (стрелочный) тестер. О неисправности свидетельствует такое поведение прибора, когда сопротивление: сразу стало бесконечным: оборван вывод; остановилось на отметке ниже 2 МОм: конденсатор пробит.

Приборы без функции измерения емкости.

По времени, за которое сопротивление возрастает от минимума до максимума, путем сравнения с заведомо исправными конденсаторами, можно приблизительно определить емкость исследуемого. Данный метод не подходит для проверки конденсаторов с малой емкостью — 20 мкФ и ниже. Они быстро заряжаются и даже у исправного элемента сопротивление практически сразу становится бесконечным. Для проверки на обратимый пробой конденсатор подключают к лабораторному источнику постоянного тока с регулятором напряжения, последовательно с ним — мультиметр в режиме амперметра. Напряжение плавно увеличивают до максимально допустимого. Если в течение этого процесса тестер отобразит отличную от нуля силу тока, значит имеет место обратимый пробой.

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.

Определение безопасных рабочих напряжений

При эксплуатации конденсаторов необходимо выбирать рабочие напряжения с учетом целого ряда особенностей [2,3].

1. Работа конденсаторов при напряжениях выше номинального не допускается

. Работа конденсатора на повышенных напряжениях снижает срок его службы (рисунок 6). В документации на конкретные серии часто приводятся рекомендуемые значения для уровней напряжения (таблица 5). Эти значения представляют собой компромисс между надежностью (потенциальным сроком службы) и необходимым напряжением питания

Таблица 5 – Рекомендуемые значения рабочих напряжений для серии 293D (Vishay)

* — для температуры окружающей среды ниже +85°С

2. Суммарное напряжение постоянной и переменной составляющих напряжения не должны превышать номинальное напряжение.

3. Максимально допустимое среднеквадратичное напряжение определяется с учетом наличия постоянной составляющей.

Если постоянное смещение больше половины предельного напряжения (Vbias>0.5·Vpp), то допустимое среднеквадратичное напряжение вычисляется по формуле:

Vrms = (Vpp-Vbias) / √2, (3)

Если Vbias<0.5·Vpp, то

Vrms = Vbias / √2, (4)

Как видно из таблицы 5, оптимальная составляющая равна примерно половине номинального напряжения. В этом случае Vbias=0.5·Vpp и формулы (3) и (4) примут вид:

Vrms = Vpp / 2√2, (5)

Не сложно рассчитать значения допустимого среднеквадратичного напряжения для этого случая (таблица 6).

Таблица 6 – Максимальное среднеквадратичное напряжение танталовых конденсаторов

4. Не допускается прикладывать к твердотельным танталовым конденсаторам обратного напряжения [1,4].

Согласно документации танталовые конденсаторы способны выдерживать броски обратного напряжения амплитудой до 10% от номинального напряжения при температуре +25°C, и 5% от номинального напряжения при температуре +85°C. Однако приложение обратного напряжения крайне не рекомендуется.

Определение безопасных уровней токов на низких частотах

Для определения максимально допустимого значения среднеквадратичного тока необходимо разделить значение Vrms на значение импеданса на заданной частоте:

Irms = Vrms / Z, (6)

Значение импеданса может быть определено графически (рисунок 8), взято из документации, либо рассчитано как:

Z = √X²+ESR², (7)

где

X = 1/Cω + Lω, (8)

Так как значение индуктивной составляющей (L) составляет всего несколько нГн, то индуктивная составляющая в формуле (8) начинает сказываться на значении импеданса только на частотах в несколько МГц. Для фильтрации сигналов в диапазоне 100 кГц и ниже, индуктивной составляющей импеданса можно пренебречь:

Z = √(1/Cω)²+(DF/Cω)² = (1/Cω)√1+DF², (9)

При значениях тангенса угла потерь DF<10%, его вклад в значение импеданса не превышает 1%, и им можно пренебречь. В результате формула для определения импеданса принимает вид

Z = 1/Cω = 1/2πfC, (10)

Из формулы (10) видно, что наибольшее значение импеданса получится при наименьших значениях емкости, поэтому в расчетах необходимо использовать минимальное значение емкости с учетом точности номинала

.

Рассмотрим частный случай: частота 120 Гц, постоянная составляющая равна половине номинального напряжения ( = 0.5·Vpp). С учетом формул (5), (6) и (10), можно получить расчетную формулу для максимального среднеквадратичного тока, выраженного в миллиамперах:

Irms = 0.266·CVpp, (11)

где – максимально допустимое среднеквадратичное значение тока (мА); С – минимальная емкость конденсатора с учетом точности (мкФ); Vpp – максимальное значение напряжения (В).

Определение безопасных уровней токов на высоких частотах

На частотах от 10 КГц до нескольких сотен кГц, значение тока ограничивается в первую очередь значением допустимой рассеиваемой мощности. Следующая формула позволяет рассчитать максимально допустимое среднеквадратичное значение переменного тока:

Irms = √Pmax/ESR, (12)

где Pmax – максимальная мощность, которую может рассеивать конденсатор; ESR – максимальное значение эквивалентного последовательного сопротивления на заданной частоте.

Как было указано выше значение максимальной рассеиваемой мощности определяется производителем экспериментально. Типовые значения находятся в документации на компоненты (таблица 4).

Максимальное значение ESR, как правило, приводится в документации в графической форме (рисунок 8), либо в виде значений для конкретных частот.

Учет влияния различных факторов на максимальное значение среднеквадратичного тока

Формула (12) применима при воздействии синусоидального напряжения высокой частоты при температуре +25°C. Очевидно, что если форма сигнала отлична от синусоидального, или температура среды отличается от +25°C, то необходимо дополнительно корректировать рассчитанные значения.

1. В случае несинусоидального сигнала, результат расчета по формуле (9) следует дополнительно разделить на коэффициент заполнения («duty cycle»).
2. Если температура выше +25°C, результат дополнительно необходимо умножить на корректирующий коэффициент (таблица 7).

Таблица 7 – Корректирующие множители для различных температур

Зависимость корректирующего множителя в документации приводится, как правило, в виде графика и дополнительно учитывает необходимость снижения тока при различных уровнях рабочего напряжения (рисунок 9).

Рисунок 9 – Корректирование расчетных значений тока

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

Номинальное напряжение

Типы корпусов танталовых конденсаторов и их размеры

Советы перед сборкой оборудования

Конденсатор не должен иметь внешних повреждений: трещин, вздутия корпуса и потёков электролита. Полярность выводов должна быть определена правильно. Ориентироваться необходимо на маркировку полярности, наносимую на корпус непосредственно возле выводов. Знак полярности может быть отмечен на вертикальной полосе, по цвету отличной от расцветки корпуса.

Разогрев выводов при пайке должен быть кратковременным, во избежание перегрева детали.

Если на плате есть обозначенные места для установки элемента, то заштрихованная половинка окружности – место для пайки плюсового вывода.

Полярность, обозначенная на плате

Особенности хранения конденсаторов

Танталовые конденсаторы способны сохранять рабочие характеристики в течение длительного времени. При соблюдении нужного режима (температура до +40°, относительная влажность 60%) конденсатор при длительном хранении теряет способность к пайке, сохраняя другие рабочие характеристики.

Общие рекомендации по продлению срока службы танталового конденсатора и повышению безопасности его эксплуатации:

• Соблюдение требований техпроцессов;
• Многоступенчатый контроль качества продукции;
• Соблюдение условий хранения;
• Выполнение требований к организации рабочего места для монтажа устройств на плату;
• Соблюдение рекомендуемого температурного режима пайки;
• Правильный выбор безопасных рабочих режимов;
• Соблюдение требований по эксплуатации.

Меры предосторожности при использовании ЭК

При работе с конденсаторами нельзя дотрагиваться до горячих корпусов. При вздутии корпуса элемента необходимо обесточить цепь, дождаться, пока он остынет, и демонтировать. Перед демонтажем двухполюсники большой ёмкости необходимо разрядить.

Электролитические конденсаторы любых типов требуют внимательного подхода. Соблюдение правил установки и эксплуатации продляет срок их службы и сохраняет величину основного параметра – ёмкость. При отсутствии необходимых номиналов параллельное и последовательное включение элементов позволяет добиваться необходимых рабочих характеристик. Параллельное соединение увеличивает ёмкость, последовательное – допустимое напряжение.