Танталовые конденсаторы — что это такое, особенности и маркировка

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.

Особенности проектирования печатных плат

Твердотельные танталовые конденсаторы не накладывают каких-либо специфических ограничений на материал печатной платы. Могут быть использованы все общепринятые материалы: FR4, FR5, G10, алюминиевые платы, фторопластовые (PTFE) платы.

Форма и размер контактных площадок, как правило, предоставляются производителями конденсаторов. Чертеж посадочного места сопровождается указанием способа монтажа.

Если требуется использовать форму или размеры площадок отличные от рекомендуемых, следует позаботиться об отладке процесса монтажа. Это может потребовать корректировки температурных режимов пайки.

Меры предосторожности

Основные рекомендации по эксплуатации:

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

Соблюдение этих мер – гарантия увеличения срока службы чипа.

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

Техника безопасности работы с танталовым конденсатором

Каких правил необходимо придерживаться, чтобы данные устройства не выходили из строя? В общем, их всего только 3:

1. Танталовые конденсаторы не должны работать с напряжением, которое выше номинального. Даже функционирование на грани разрешенного негативно сказывается на их сроке службы.
2. Сумма переменной и постоянной составляющих напряжения не должна превышать номинал. Поэтому всегда необходимо проверять, не выйдет ли прибор из строя.
3. Допустимый максимум определяется всегда с учетом постоянной составляющей напряжения.

Но это, так сказать, специфические правила. Есть ещё и общие вроде никаких мокрых рук, но, наверное, их вы и так знаете.

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.

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.

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.

Материал в тему: устройство подстроечного резистора.

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.

Таким образом, возникла объективная предпосылка для повышения частотной стабильности параметров, и в первую очередь – емкости конденсаторов. Однако практикуемый способ повышения удельного заряда конденсаторов за счет использования высокозарядных порошков (в рамках традиционного конструктивно-технологического решения с центральным анодным выводом) дает, к сожалению, совершенно обратный результат.

Критерии выбора

При покупке конденсаторов стоит обратить внимание на набор параметров:

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

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

Обратите внимание! Для слаботочных схем танталовые конденсаторы не подойдут из-за токов утечки.

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.

Будет интересно➡  Несколько фактов об электролитических конденсаторах

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.

Разновидности конденсаторов.

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.

Виды конденсаторов.

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 105 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.

Дозиметрические конденсатооы (обычно фторопластовые) работают в цепях с низким уровнем токовых нагрузок, имеют большие сопротивления изоляции и постоянные времени Помехоподавляющие конденсаторы (обычно бумажные, комбинированные и лавсановые) предназначены для ослабления электромагнитных помех, имеют высокое сопротивление изоляции, малую собственную индуктивность, что повышает полосу подавляемых частот.

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.

Будет интересно➡  Как обозначаются конденсаторы на схеме?

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.

Материал по теме: Как проверить варистор мультиметром.

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.

Керамические конденсаторы можно разделить на две группы: постоянной емкости, среди которых различают низковольтные (Uном < 1600 Б) и высоковольтные (Uном ≥ 1600 В), и подстроенные. По базовым конструкциям низковольтные керамические конденсаторы можно разделить на:

• трубчатые (КТ-1, 2, 3; К10-38);
• дисковые (КД-1, 2; K10-i9; К10-29; К10-78);
• пластинчатые (К10-7В);
• полупроводниковые (с барьерным слоем К10У-5)
• монолитные (К10-17, К10-27, К10-42; К10-43; К10-47; К10-49, К10-50, К10-60, К22-5);
• специальные – проходные и опорные (КТП. К10П-4, КО, КДО).

Однослойные конденсаторы трубчатой, дисковой и пластинчатой конструкции – самые распространенные. Они выпускаются в диапазоне емкостей от 0,47 пФ до 0,063 мкФ и напряжением до 800 В Разнообразие конструктивных вариантов исполнения однослойных конденсаторов и широкий диапазон их видоразмеров позволяют потребителю выбрать наилучший вариант по сочетанию параметров и стоимости изделий.

Различные конденсаторы.

Тест электролитических конденсаторов

Конденсаторы построены в порядке убывания качества звука. Все протестированные электролитические конденсаторы здорово уступают среднему по стоимости и качеству звука плёночному конденсатору Sоlеn.

• Blаск Gаtе n – самый сбалансированный по звуку конденсатор среди всех тестируемых. Давно снят с производства – есть современные анти звуковые подделки.
• Еvох Rifа – звук напоминает бумажный конденсатор – глубокие низкие частоты и красивая середина, немного не хватает верхних частот – это легко выправляется шунтированием “быстрой плёночной” ёмкостью 0.15- 0.01мкф. Выпускается в ограниченном количестве и применяется в военной – бортовой / силовой электронике, в авто / судо / космос / самолётостроении. Конденсатор низкоимпедансный, высокотемпературный – 150гр/ц и обладает повышенной надёжностью.
• Blаск Wаtеr FК – правильно сбалансирован по всему частотному диапазону, но проиграл “ЕVОХ RIFА РЕG 124” по качеству воспроизведения низких и средних частот. Давно снят с производства – есть современные анти звуковые подделки.
• Sаnyо Оsсоn – самый непонятный электролитический конденсатор, в разных схемах разный звуковой подчерк. По сравнению с другими звук трудно объяснимый – можно сказать “сладкий”. В начале подкупает, а потом чувствуешь искусственность, ненатуральность. Лучшее применение – шунтирование катодного резистора. В полупроводниковой схеме хорошо показал себя в обратной связи.
• Еlnа Саrifunе – провал на средних частотах, излишний акцент на высоких. Применяется в современных дорогостоящих High Еnd Аudiо изделиях. Выдаёт звук на уровне “РАNАSОNIС FМ” и здорово уступает всем другим протестированным конденсаторам.

Надпись “Аudiо” на современных электролитических конденсаторах констатирует – это обыкновенный, серийный, низкоимпедансный, электролитический конденсатор повышенной стоимости (только за надпись “Аudiо”).

Интересно почитать: принцип действия и основные характеристики варисторов.

Всем пользователям хорошо знакомы с “глюки” мониторов, компьютеров, телеприёмников и.т.д. – это наглядная и негативная работа электролитических конденсаторов (любых производителей). Самые нелепые неполадки радиоаппаратуры происходящие в электронной природе провоцируют исключительно электролиты. Если схема тупо “глючит” – меняйте “кондёры” и проблема будет решена на 100%. Малейшее вздутие верхней части корпуса говорит – конденсатор пробит и никаким заряд/разрядом его не восстановить.

Будет интересно➡ Что такое ионистор?

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)

Номинальное напряжение, В	Рекомендуемое рабочее напряжение (стандартные условия, например выходной фильтр), В	Рекомендуемое рабочее напряжение (тяжелые условия, например входной фильтр), В
4.0	2.5	2.5
6.3	3.6	3.3
10	6.0	5.0
16	10	8.0
20	12	10
25	15	12
35	24	15
50	28	24
63	36	31
75	42	37

* — 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

Номинальное напряжение, В	Vrms max, В
4	1.42
10	5.30
20	7.07
25	8.84
35	12.37
40	14.14
50	17.68

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

Температура, °C	Корректирующий множитель
+25	1.0
+85	0.9
+125	0.4

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

Пример расчета допустимых значений токов и напряжений

Рабочая частота конденсатора – 120 Гц. Как выглядят вычисления:

1. Определяется значение импеданса:

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

1. Вычисляется среднеквадратичное значение тока:

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

Если вычисления сделаны правильно, остается учесть особенности монтажа.

Область использования

Что измеряется в фарадах

Читайте также:  Схема высокоосного вольтметра постоянного напряжения (стрелочный)

Танталовые конденсаторы представляют собой микроскопические ячейки, которые содержат 1 бит информации. Устройства используют в логических схемах, содержащих в основном транзисторы и резисторы. Крошечные чип-компоненты устанавливаются на внешней стороне чип-пакета или на материнской плате компьютера. При обработке сигналов чип-конденсатор в совокупности с резистором сглаживает пики и острые импульсы сигнала.

Устройства могут использоваться в такой технике, где превыше всего ценится надежность:

• автомобильной,
• промышленной,
• военно-аэрокосмической.

Электрическая и механическая надежность

Диагностика возможных неисправностей

Чаще всего встречается такая неисправность, как пробой диэлектрической пленки на аноде. Ее толщина составляет всего несколько тысяч ангстрем, а это тоньше человеческого волоса примерно в 500 раз.

Незначительный скачок напряжения может привести к пробою, при котором диэлектрическая пленка приобретает кристаллическую структуру и становится проводником электричества. В этом случае конденсатор становится проводником и сопротивление между анодом и катодом приближается к нулевому значению. На корпусе при пробое часто визуально заметно потемнение и иногда обугливание защитного покрытия из краски.

Более сложно диагностировать потерю номинального значения емкости. В домашних условиях выявить такую неисправность невозможно, для этого требуется специализированное диагностическое оборудование.

Стоимость танталовых и ниобиевых конденсаторов настолько мала, что проводить сложные измерительные работы нет смысла. Подозрительный элемент просто заменяют на новый или заведомо исправный.

Пробой: причины и последствия

SDM конденсаторы без маркировки

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

Схема пробоя

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

Другие дефекты танталовых конденсаторов

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

Читайте также:  Расчет ударного тока КЗ в сети свыше 1 кВ

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.

Строение и технология производства

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

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

Структура конденсатора

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

Формирование диэлектрика

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

Твёрдотельный электролит

Используется диоксид марганца. Технология производства следующая:

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

Процедуру повторяют несколько раз до полного покрытия поверхности электролитом.

Особенности катода танталового конденсатора

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

ESR танталовых конденсаторов

Эквивалентное сопротивление (ESR) определяется по частотам:

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

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

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.

Преимущества и недостатки

Преимущества электролитических конденсаторов:

• Большая емкость;
• Компактность.

Недостатки:

• Со временем электролит высыхает, теряется емкость;
• Работает только на низких частотах;
• Ограничения по эксплуатационным условиям и риск вздутия/взрыва.

Разберём подробнее преимущества и недостатки электролитов.

Большая емкость

Электролитические конденсаторы обладают большой емкостью, и это их отличительная и самая главная особенность среди остальных конденсаторов.

Емкость обозначается в микрофарадах (мкФ), поскольку электролиты с меньшими значениями не выпускают.

Они обычно выпускаются от нескольких мкФ, до нескольких Ф (1 000 000 мкФ).

Компактность

Благодаря химическим источникам, конденсаторы большой емкости намного компактнее, чем если бы их делали керамическими или пленочными.

Емкость конденсатора можно увеличить только за счет его обкладок, диэлектрика и геометрии. Поэтому электролиты лидируют по соотношению емкость/габариты.

Ионисторы

Разновидность электролитических конденсаторов — это ионисторы. Они обладают большей емкостью (например, 3000 Ф), и работают в основном как резервный или автономный низковольтный источник питания схемы. А также поддерживает схему в спящем режиме без другого источника.

Высыхание электролита

Основная проблема таких конденсаторов – это высыхание электролита. Обычно такая проблема проявляется из-за того, что техникой долго не пользуются или нарушаются условия эксплуатации (перегрев корпуса). Из-за этого электролит начинает высыхать, поэтому происходит потеря емкости.

Можно восстановить емкость конденсатора путем разбавления засохшего электролита дистиллированной водой (как аккумулятор), но это не выгодно. Лучше и надежнее всего заменить старый на новый, аналогичный по параметрам.

Работа на низких частотах

Это скорее особенность, чем недостаток. Большие емкости — это высокое реактивное сопротивление для высоких частот.

Поэтому, такие конденсаторы используются в низкочастотных цепях. Например, в блоках питания в качестве фильтров и сглаживания пульсаций.

Читайте также:  Омметр устройство и принцип действия

Когда конденсатор вздувается и взрывается

Так как конденсаторы такого типа являются химическими источниками, то необходимо соблюдать полярность подключения.

Конденсаторы как и аккумуляторы могут вздуваться и взрываться. Иногда это происходит из-за неправильного включения или перегрева.

Если вы подключите минус источника к плюсу конденсатора и плюс источника к минусу конденсатора, то сразу же начнется вскипание электролита. Такой эффект возникает из-за обратной химической реакции. Конденсатор может взорваться.

В старых конденсаторах типа К-50 корпус монолитный, и он взрывался громко и достаточно разрушительно.

В современных электролитах на корпусе есть небольшой надрез, который в случае вскипания электролита позволяет горячему пару выйти наружу.

Иногда они просто вдуваются без нарушения герметизации, а бывают и такие случаи, когда конденсатор полностью теряет герметичность.

Тем не менее, надрез на корпусе значительно уменьшил взрывы, поэтому конденсаторы теперь чаще вздуваются, а не взрываются.

На корпусах современных конденсаторов вертикальной чертой указывается минусовой контакт.

Внимательно устанавливайте и записывайте прежнее положение, ибо многие производители ставят свои обозначения.

Например, среди радиолюбителей обычно минусовые контакты рисуют в виде квадрата.

А производители печатных плат наоборот, рисуют квадратные контактные площадки под плюс конденсатора. И то, так делают не все.

Так как есть такая путаница среди и радиолюбителей и производителей, всегда обращайте на то. где указан плюсовой контакт. И записывайте прежнее положение детали, иначе это чревато взрывом.