Пристрій танталового конденсатора
Радіоелектроніка для початківців
Конструкція і особливості танталових конденсаторів
В даний час, крім усім відомих алюмінієвих електролітичних конденсаторів в електроніці активно застосовуються електролітичні конденсатори з танталові діелектриком.
Давайте дізнаємося, як влаштований танталовий електролітичний конденсатор, а також вивчимо його сильні і слабкі сторони. Ось так виглядає танталовий чіп-конденсатор для поверхневого монтажу ємністю 1 мкФ і робоча напруга 35V.
Як відомо, на ємність конденсатора впливає площа обкладок. а також товщина діелектрика. який знаходиться між ними.
Формування діелектрика.
Далі при виробництві конденсатора формується діелектрик. Це робиться за допомогою електрохімічного окислення.
Змінюючи величину прикладеної напруги, формують необхідну товщину шару діелектрика.
На пористої поверхні танталового анода утворюється найтонша плівка діелектрика - пентаоксиду танталу Ta2 O5. Завдяки цьому оксиду вдається отримати дуже тонку і непровідну плівку. Відзначимо, що отриманий діелектрик має аморфну структуру і не проводить струм. Також існує кристалічний Ta2 O5. але на відміну від аморфного він є провідником. Запам'ятаємо цю особливість.
Для порівняння. У рядових алюмінієвих електролітичних конденсаторів товщина діелектрика трохи менше 1 мкм (1 мкм = 0,000 001 метра). Це в 100 разів більше, ніж товщина найтоншої плівки пентаоксиду танталу в 10 нанометрів.
Твердотільний електроліт.
В якості електроліту в танталових конденсаторах використовується діоксид марганцю MnO2. Даний оксид є твердотілим напівпровідникових матеріалом.
Отриману раніше губчасту структуру з пористого танталового порошку з освіченим шаром діелектрика просочують солями марганцю. Далі за допомогою окисно-відновної реакції під нагріванням формують шар твердого електроліту. Процес повторюється кілька разів.
Особливості катода танталового конденсатора.
Отриману конструкцію запресовують в компаунд. Ось так в загальних рисах виглядає пристрій і технологія виготовлення танталового конденсатора.
ESR танталових конденсаторів.
ESR танталового конденсатора на низьких частотах визначається опором діелектрика Ta2 O5. а на високих частотах його визначає вже опір електроліту MnO2.
Як відомо, імпеданс (ємкісне опір) з ростом частоти падає аж до частот мегагерцового діапазону. А оскільки опір електроліту MnO2. яке входить в ESR також зменшується зі збільшенням температури, то на високих частотах ESR теж зменшується.
Завдяки цьому, танталові конденсатори прекрасно працюють в імпульсних джерелах живлення, робоча частота яких вище 100 кГц. На високих частотах ESR їх дуже малий.
Недоліки танталових конденсаторів.
Особливістю танталових конденсаторів є те, що пентаоксид танталу має аморфну структуру і не проводить струм. Але, ось кристалічний Ta2 O5 є прекрасним провідником. Під дією зовнішньої температури і високої напруги в діелектрику утворюються ділянки з кристалічним Ta2 O5. Це призводить до різкого зростання струмів витоку і пробою.
При малих областях кристалізації Ta2 O5 може проявлятися ефект відновлення. Збільшений ток через область пробою викликає сильне нагрівання і, як наслідок, хімічні реакції в структурі твердого електроліту MnO2. В результаті декількох перетворень утворюється непровідний оксид марганцю (MnO). Таким чином, місце пробою "закривається" непровідним ток оксидом.
Дефект конденсатора може бути викликаний не тільки експлуатацією в жорстких умовах.
Також причиною пробою можуть бути:
Механічні пошкодження діелектрика при виробництві, наприклад, при ударі і вібраціях;
Пошкодження шару діелектрика при формуванні твердого електроліту. Так як в результаті формування електроліту відбувається хімічна реакція з виділенням тепла і газу, то через це може бути пошкоджений діелектрик.
Будь-який, навіть самий чистий матеріал має включення і забруднення. Так і танталовий порошок має забруднення у вигляді домішок: заліза, кальцію, вуглецю і т.д. Якщо шар діелектрика буде занадто тонкий, щоб покрити ділянки забруднення, то в місці присутності домішок утворюється витік і пробою.
Наявність вкраплень кристалічного оксиду танталу, які можуть утворитися в процесі виробництва або бути результатом неякісної сировини.
Особливості застосування танталових конденсаторів.
В даний час в широкому продажі є танталові конденсатори на номінальну напругу до 75V. Як виявилося, танталові конденсатори дуже чутливі до перевищення номінальної напруги. Спостереження показали, що якщо знизити робочу напругу на 50%, то показник відмов знижується на 5%. Саме тому їх рекомендують використовувати в схемах, де робоча напруга нижче номінальної напруги.
Зазвичай танталові конденсатори зустрічаються на друкованих платах у вигляді SMD-елементів жовто-оранжевого кольору. Незважаючи на свої скромні розміри, вони мають ємністю в кілька десятків - сотень микрофарад і розраховані на робочу напругу від 4 до 75 вольт. З боку плюсового виведення на їх корпус наноситься смуга.
Танталові конденсатори для монтажу в отвори зазвичай мають каплевидную форму, покриті жовто-помаранчевим компаундом і мають з боку плюсового виведення мітку у вигляді лінії.
Маркування танталових конденсаторів схожа на маркування керамічних. Ємність вказується трьома цифрами, остання вказує на кількість нулів. Таким чином, запис 226 говорить нам про те, що ємність дорівнює 22 000 000 пикофарад = 22 000 нанофарадах = 22 мікрофарад. Номінальна напруга (Rated Voltage) вказується нижче. Далі на фото видно, що номінальна напруга конденсатора дорівнює 35 вольт (напис 35).
На деяких конденсаторах маркування інша. Після числового значення ємності ставиться буква μ (мікро), а після номінального напруги конденсатора вказується буква V.
На фото показаний танталовий конденсатор ємністю 10 мкФ і номінальну напругу 16V.