česky english Vítejte, dnes je čtvrtek 29. únor 2024

Návrh, konstrukce a použití tantalových kondenzátorů

01.01. 2024 | Články
Autor: TME

t-kondenzatory-0-banner (jpg)

Dozvíte se více o nedostatcích a přednostech tantalových kondenzátorů.

Katalog TME obsahuje přes 1300 různých tantalových a polymerových tantalových kondenzátorů značky KYOCERA AVX, včetně 434 různých polymerových tantalových kondenzátorů pro povrchovou montáž (SMD) a 874 tantalových kondenzátorů (150 součástek THT a 724 součástek SMD). Jejich pracovní napětí jsou 2 V DC až 125 V DC a kapacita osciluje v rozmezí od 0,1 µF do 1500 µF. Díky svým unikátním vlastnostem nacházejí tantalové kondenzátory uplatnění v různých aplikacích, a v některých případech mohou posloužit jako náhrady hliníkových elektrolytických kondenzátorů nebo MLCC. V následujícím článku popíšeme principy jejich návrhu a také konstrukce, nedostatky a přednosti a uvedeme kritéria, kterými je nutno se při výběru kondenzátorů řídit.

  • Návrh, konstrukce a výroba kondenzátorů
  • Kondenzátory pro povrchovou montáž (SMD) – rozměry a specifikace
  • Kondenzátory pro vývodovou montáž (THT) – rozměry a specifikace
  • Přednosti a nedostatky


Návrh a konstrukce tantalových kondenzátorů

Výroba kondenzátorů je složitý proces, v rámci kterého je nutno s ideální přesností nastavit parametry každé etapy. V tomto článku představujeme popis takového procesu zpracovaný na základě specifikace Kyocera-AVX.


Anoda

Konstrukce tantalových kondenzátorů je založena na tantalu, který vzhledem připomíná houbu. Obsahuje anodu, katodu a dielektrikum. Proces výroby kondenzátorů tohoto typu začíná vytvořením anody stlačováním tantalového prášku kolem drátu vyrobeného z téhož materiálu a následně jeho spékáním při vysoké teplotě. Působení vysoké teploty způsobí spojování částic prášku (a vznik zde popisované struktury), avšak pro dosažení dané sestavy parametrů je nutno přesně stanovit vhodnou teplotu a dobu spékání. Příliš dlouhá doba spékání nebo příliš vysoká teplota způsobuje snížení kapacity kondenzátoru, naopak příliš krátká doba spékání nebo příliš nízká teplota způsobí její zvýšení. V praxi to znamená, že parametry kondenzátoru (kapacita a pracovní napětí) se určují již ve fázi výběru prášku. Je třeba také mít na paměti, na mnoho etap výrobního procesu mají vliv také faktory jako velikost (v řádu několika mikrometrů) a tvar částic prášku.


t-kondenzatory-1 (jpg)
Materiály výrobce


Kapacita tantalových kondenzátorů se stanovuje na základě následujícího vzorce:

t-kondenzatory-vzorec (png)

ε – permitivita dielektrika
ε0 – permitivita vakua
A – plocha dielektrika
d – tloušťka vrstvy dielektrika


Dielektrikum

Dielektrikum tvoří „srdce” každého kondenzátoru, jelikož „váže” energii ve svém elektrickém poli. U tantalových kondenzátorů se jako dielektrikum používá oxid tantaličný (Ta2O5). Jak již jsme uváděli dříve, po fázi spékání nastává fáze formování vrstvy dielektrika. Tantal je vodič, jako dielektrikum jej tedy nelze použít. Proto se také díly eloxují, tzn. ponořují do roztoku kyseliny ohřátého na 85 °C a nechá se na ně působit elektrický proud, který způsobuje chemickou reakci vytvářející oxid tantaličný (Ta2O5) na povrchu anody. Tloušťka vrstvy dielektrika závisí na napětí, přičemž proud je zpočátku udržován na konstantní úrovni, až do dosažení zvoleného napětí. Toto napětí se následně udržuje na této úrovni až do dosažení vrstvy dielektrika s jednolitou tloušťkou po celém povrchu dílu. Tantalové kondenzátory jsou polarizované z důvodu reakce probíhající během formování vrstvy dielektrika, protože mezi oxidem tantalu a čistým tantalem vzniká vrstva oxidu, který působí jako polovodič. Vrstva dielektrika se formuje při napětí vyšším, než je pracovní napětí kondenzátoru – v závislosti od řady napětí může ono být 2krát až 4krát větší než předpokládané pracovní napětí kondenzátoru.


Katoda

Další etapa výrobního procesu spočívá ve formování katody jako výsledek pyrolýzy dusičnanu manganatého (II) na oxid manganičitý (IV) (burel). To probíhá ponořením dílů do vodného roztoku dusičnanu manganatého (II) a jejich vystavení tepelnému zpracování za účelem odstranění vody. Tato činnost se několikrát opakuje, aby byla zajištěná dostatečná tloušťka katody. Prvky se následně pokrývají grafitem a na konec stříbrem. Grafit slouží k separaci stříbra a oxidu manganičitého, které by v opačném případě mohly spolu reagovat a negativně ovlivnit vlastnosti součástky. V procesu formování katody lze místo manganu použít též polymer – toto řešení má mnoho předností, i když zcela bez nedostatků není.


Tantalové a polymerové tantalové kondenzátory SMD

Kondenzátory pro povrchovou montáž (SMD) jsou nejpopulárnějším typem tantalových kondenzátorů. Tantalové kondenzátory SMD jsou rozměry přizpůsobeny standardním pouzdrům kondenzátorů MLCC, díky tomu lze kondenzátory MLCC nahradit tantalovými bez nutnosti úpravy velikosti desky PCB. V případě tantalových kondenzátorů je specifikovaná nejen jejich délka a šířka (jak v případě MLCC), ale také výška. Právě proto se k hodnotě každého z těchto rozměrů přiřazuje příslušné písmeno latinské abecedy. Na pouzdru kondenzátoru jsou uvedeny parametry, jako je jeho napětí, kapacita a polarita. V dalším se nachází podrobný popis těchto označení a rozměrů.

POUZDRO

KÓD EIA
(IMPERIÁLNÍ SYSTÉM)

KÓD EIA
(METRICKÝ SYSTÉM)

DÉLKA

ŠÍŘKA

VÝŠKA

A

1206

3216-18

3,2 mm / 0,126"

1,6 mm / 0,063"

1,6 mm / 0,063"

B

1210

3528-21

3,5 mm / 0,138"

2,8 mm / 0,11"

1,9 mm / 0,075"

C

2312

6032-28

6 mm / 0,236"

3,2 mm / 0,126"

2,6 mm / 0,102"

D

2917

7343-31

7,3 mm / 0,287"

4,3 mm / 0,169"

2,9 mm / 0,114"

E

2917

7343-43

7,3 mm / 0,287"

4,3 mm / 0,169"

4,1 mm / 0,162"

U

2924

7361-43

7,3 mm / 0,287"

6,1 mm / 0,24"

4,1 mm / 0,162"

V

2924

7361-38

7,3 mm / 0,287"

6,1 mm / 0,24"

3,55 mm / 0,14"

OZNAČENÍ NÍZKOPROFILOVÝCH KONDENZÁTORŮ

F

2312

6032-20

6 mm / 0,236"

3,2 mm / 0,126"

2 mm / 0,079"

H

1210

3528-15

3,2 mm / 0,126"

2,8 mm / 0,11"

1,5 mm / 0,059"

K

1206

3216-10

3,2 mm / 0,126"

1,6 mm / 0,063"

1 mm / 0,039"

P

0805

2012-15

2,05 mm / 0,081"

1,35 mm / 0,053"

1,5 mm / 0,059"

R

0805

2012-12

2,05 mm / 0,081"

1,3 mm / 0,051"

1,2 mm / 0,047"

S

1206

3216-12

3,2 mm / 0,126"

1,6 mm / 0,063"

1,2 mm / 0,047"

T

1210

3528-12

3,2 mm / 0,126"

2,8 mm / 0,11"

1,2 mm / 0,047"

W

2312

6032-15

6 mm / 0,236"

3,2 mm / 0,126"

1,5 mm / 0,059"

X

2917

7343-15

7,3 mm / 0,287"

4,3 mm / 0,169"

1,5 mm / 0,059"

Y

2917

7343-20

7,3 mm / 0,287"

4,3 mm / 0,169"

2 mm / 0,079"

Zdroj: dokumentace AVX

Jak jsme již vysvětlili dříve, jsou parametry kondenzátoru uvedeny na jeho pouzdru. Níže je uveden seznam označení různých druhů pouzder kondenzátorů typu KYOCERA-AVX TAJ.

t-kondenzatory-2 (jpg)
Materiály výrobce


Tantalové kondenzátory THT

V katalogu výrobků TME nalezneme rovněž tantalové kondenzátory s vývody pro vývodovou montáž (THT). Ve srovnání s kondenzátory SMD se proces jejich výroby liší pouze v poslední etapě, během které jsou k nim upevňovány vývody. Parametry tantalových kondenzátorů THT jsou rovněž standardně uváděny na pouzdru.

VÝVODY

C, F, G, H

B, S, D

 

POUZDRO

H

*H1

PRŮMĚR

A

8,5 mm / 0,33"

7 mm / 0,28"

4,5 mm / 0,18"

B

9 mm / 0,35"

7,5 mm / 0,3"

4,5 mm / 0,18"

C

10 mm / 0,39"

8,5 mm / 0,33"

5 mm / 0,2"

D

10,5 mm / 0,41"

9 mm / 0,35"

5 mm / 0,2"

E

10,5 mm / 0,41"

9 mm / 0,35"

5,5 mm / 0,22"

F

11,5 mm / 0,45"

10 mm / 0,39"

6 mm / 0,24"

G

11,5 mm / 0,45"

10 mm / 0,39"

6,5 mm / 0,26"

H

12 mm / 0,47"

10,5 mm / 0,41"

7 mm / 0,28"

J

13 mm / 0,51"

11,5 mm / 0,45"

8 mm / 0,31"

K

14 mm / 0,55"

12,5 mm / 0,49"

8,5 mm / 0,33"

L

14 mm / 0,55"

12,5 mm / 0,49"

9 mm / 0,35"

M

14,5 mm / 0,57"

13 mm / 0,51"

9 mm / 0,35"

N

16 mm / 0,63"

 

9 mm / 0,35"

P

17 mm / 0,67"

 

10 mm / 0,39"

R

18,5 mm / 0,73"

 

10 mm / 0,39"

 

Níže uvádíme typy tvarů vývodů a s nimi kompatibilní pouzdra.

t-kondenzatory-3 (jpg)
Materiály výrobce

 

TVAR VÝVODU

OBRÁZEK

ROZMĚR POUZDRA

DÉLKA VÝVODŮ (L)

ROZTEČ VÝVODŮ (S)

PRŮMĚR VÝVODŮ (D)

C

Obr. 1

A – R

16.00±4,00 mm
(0,630"±0,160")

5,00 mm±1,00 mm
(0,200"±0,040")

0,50 mm±0,05 mm
(0,020"±0,002")

B

Obr. 2

A – J

16,00±4,00 mm
(0,630"±0,160")

5,00 mm±1,00 mm
(0,200"±0,040")

0,50 mm±0,05 mm
(0,020"±0,002")

S

Obr. 3

A – J

16,00±4,00 mm
(0,630"±0,160")

2,50 mm±0,50 mm
(0,100"±0,020")

0,50 mm±0,05 mm
(0,020"±0,002")

F

Obr. 4

A – R

3,90±0,75 mm
(0,155"±0,030")

5,00 mm±1,00 mm
(0,200"±0,040")

0,50 mm±0,05 mm
(0,020"±0,002")

D

Obr. 5

A – H

16,00±4,00 mm
(0,630"±0,160")

2,50 mm±0,50 mm
(0,100"±0,020")

0,50 mm±0,05 mm
(0,020"±0,002")

G

Obr. 6

A – J

16,00±4,00 mm
(0,630"±0,160")

3,18 mm±0,50 mm
(0,125"±0,020")

0,50 mm±0,05 mm
(0,020"±0,002")

H

Podobně
jak Obr. 1

A – R

16,00±4,00 mm
(0,630"±0,160")

6,35 mm±1,00 mm
(0,250"±0,040")

0,50 mm±0,05 mm
(0,020"±0,002")

 


Přednosti tantalových kondenzátorů

Tantalové kondenzátory mají mnoho předností, proto se skvěle osvědčují v různorodých aplikacích, a také jimi lze nahrazovat nebo doplňovat hliníkové elektrolytické kondenzátory a MLCC a šetřit tak místem na deskách PCB. Jednou z nejdůležitějších vlastností tantalových kondenzátorů je stabilita parametrů v širokém rozsahu teplot, což znamená, že si udržují stabilní hodnoty kapacity při teplotách od -55 °C do 125 °C. Další předností těchto součástek je to, že se u nich neprojevuje jev označovaný jako „bias DC proudu” („DC bias”), jelikož na rozdíl od MLCC tantalové kondenzátory neztrácejí kapacitu, když se v signálové cestě objeví napětí se stejnosměrnou složkou (DC). Doplňkovou předností je fakt, že životnost tantalových kondenzátorů se velmi blíží životnosti keramických kondenzátorů. V této oblasti mají tantalové kondenzátory ještě jednu převahu nad kondenzátory MLCC, tzn. nestárnou (s čímž máme co do činění v případě kondenzátorů MLCC třídy 2), neboli hodnota jejich kapacity neklesá spolu s plynutím času. Tantalové kondenzátory nestárnou, udržují si tedy své parametry po mnoho let. Navíc jejich houbovitá struktura zajišťuje vysokou objemovou efektivitu. Například objemová efektivita standardních hliníkových elektrolytických kondenzátorů SMD je 11,8 µFV/mm3, zatímco v případě tantalových kondenzátorů je hodnota tohoto parametru na úrovni 63 µFV/mm3 nebo vyšší. To znamená, že tantalové kondenzátory mohou dosáhnout několikanásobně vyšší kapacity ve srovnání s hliníkovými elektrolytickými kondenzátory dané velikosti. Polymerové tantalové kondenzátory vykazují nízký ekvivalentní sériový odpor (ESR), což zajišťuje vyšší účinnost a jmenovitou hodnotu střídavé složky zvlněného proudu během provozu. Právě proto jsou polymerové tantalové kondenzátory skvělým řešením v aplikacích, jako jsou lékařské přístroje, IoT, měniče DC/DC a inteligentní měřicí přístroje. Díky nízké hodnotě ESR vyplývající z použití polymeru mohou být obvody využívané v projektech různého druhu značně menší, což je zvlášť přínosné v aplikacích s omezeným prostorem, např. v nositelné elektronice („wearables”), IoT a zařízeních pro zpracování signálů.


Nedostatky tantalových kondenzátorů

Tantalové kondenzátory mají bohužel také několik nedostatků, v důsledku kterých jsou vhodné pouze pro některé aplikace. Jedním z takových nedostatků je pokles jmenovitých hodnot, tzn. nutnost zvolit nižší pracovní napětí, než je jmenovité napětí součástky. V případě tantalových kondenzátorů se tato hodnota může snížit až o 70 %, což znamená, že kondenzátor s jmenovitým napětím 35 V musí pracovat při napětí 12 V, pokud se v obvodech s nízkou impedancí objevuje vysoký proud nebo vznikají značné napěťové skoky. Faktické pracovní napětí se proto snižuje, aby si kondenzátor udržel patřičný stupeň spolehlivosti. Je třeba poznamenat, že ve většině aplikací je přípustné snížení napětí o 50 %, k dalšímu dodatečnému snížení jmenovitých hodnot může dojít kvůli vyšší (přes 85 °C) pracovní teplotě. Je třeba pamatovat, že tantalové kondenzátory jsou náchylné k poruchám způsobeným příliš velkými proudy nebo napěťovými špičkami, a také vznikajícím v důsledku nesprávné montáže. Tantalové kondenzátory nelze montovat libovolným způsobem, protože mají definovanou polaritu, kterou je třeba dodržet, aby nedošlo k problémům s jejich fungováním. Z tohoto důvodu je nutné věnovat pozornost označení polarity a podmínkám montáže (reflow). Jiným nedostatkem tantalových kondenzátorů je způsob, jakým dochází k jejich poruše, tzn. lavinový průraz způsobuje zkrat. Polymerové tantalové kondenzátory jsou vůči tomuto odolnější, což je důsledkem malého ESR a necitlivosti na působení počátečního náběhového proudu. Bohužel jsou zároveň citlivé na vlhkost, tzn. tento parametr má hodnotu MSL 3 nebo vyšší v případě jednotlivých dílů (až MSL 5). Proto je nutné přesně kontrolovat podmínky jejich skladování a také montáže a provozu. Posledním nedostatkem tantalových kondenzátorů je jejich poměrně malé pracovní napětí, tzn. v případě kondenzátorů MLCC a elektrolytických kondenzátorů dosahuje jeho hodnota několika stovek V nebo i kV, přičemž maximální pracovní napětí tantalových kondenzátorů je 125 V.


Shrnutí

Faktory, jako je promyšlená konstrukce obvodu a pečlivý výběr tantalových kondenzátorů dovoluje ve značném stupni neutralizovat jejich nedostatky. Po desetiletí nacházejí uplatnění v mnoha různých oblastech, od komerčních mobilních zařízení po vysoce spolehlivé vybavení kosmických vozítek. Přes své nevelké rozměry skýtají tantalové kondenzátory velké hodnoty kapacit a výkonu, díky kterým se skvěle osvědčují v konstrukcích s omezenými rozměry/hmotností. Jsou též lepším řešením, je-li požadovaná dlouhodobá stabilita kapacity v širokém rozmezí teplot a podmínek obvodu. Jak jsme uvedli dříve, jsou výrobky dostupné v mnoha různých formátech a vybaveny různými druhy katod, což zajišťuje široký rozsah parametrů, díky kterým se hodí pro řadu rozličných aplikací.

Text připravila společnost Transfer Multisort Elektronik Sp. z o.o.