Un condensador electrolítico de tantalio es un condensador electrolítico , un componente pasivo de los circuitos electrónicos . Consiste en un gránulo de metal de tantalio poroso a modo de ánodo , cubierto por una capa de óxido aislante que forma el dieléctrico, rodeado de electrolito líquido o sólido a modo de cátodo . Debido a su capa dieléctrica de permitividad muy delgada y relativamente alta , el capacitor de tantalio se distingue de otros capacitores convencionales y electrolíticos por tener una alta capacitancia por volumen (alta eficiencia volumétrica) y menor peso.
El tantalio es un mineral conflictivo . Los condensadores electrolíticos de tantalio son considerablemente más caros que los condensadores electrolíticos de aluminio comparables .
Los condensadores de tantalio son componentes inherentemente polarizados. El voltaje inverso puede destruir el condensador. Los condensadores de tantalio no polares o bipolares se fabrican conectando efectivamente dos condensadores polarizados en serie, con los ánodos orientados en direcciones opuestas.
Información básica
Principio básico
Los condensadores electrolíticos utilizan una característica química de algunos metales especiales, históricamente llamados metales de válvula , que pueden formar una capa de óxido aislante. La aplicación de un voltaje positivo al material del ánodo de tantalio en un baño electrolítico forma una capa de barrera de óxido con un espesor proporcional al voltaje aplicado. Esta capa de óxido sirve como dieléctrico en un condensador electrolítico. Las propiedades de esta capa de óxido en comparación con la capa de óxido de tantalio se dan en la siguiente tabla:
Material del ánodo | Dieléctrico | Permitividad relativa | Estructura de óxido | Voltaje de ruptura (V / μm) | Espesor de la capa dieléctrica (nm / V) |
---|---|---|---|---|---|
Tantalio | Pentóxido de tantalio, Ta 2 O 5 | 27 | Amorfo | 625 | 1,7 |
Niobio u óxido de niobio | Pentóxido de niobio, Nb 2 O 5 | 41 | Amorfo | 400 | 2.5 |
Después de formar un óxido dieléctrico en las estructuras rugosas del ánodo, se necesita un cátodo. Un electrolito actúa como cátodo de condensadores electrolíticos. Se utilizan muchos electrolitos diferentes. Generalmente, los electrolitos se distinguirán en dos especies, electrolitos sólidos y no sólidos . Los electrolitos no sólidos son un medio líquido cuya conductividad es iónica . Los electrolitos sólidos tienen conductividad electrónica y, por lo tanto, los capacitores electrolíticos sólidos son más sensibles contra picos de voltaje o sobrecargas de corriente [ cita requerida ] . La capa de óxido puede destruirse si se invierte la polaridad del voltaje aplicado.
Todo condensador electrolítico en principio forma un condensador de placa cuya capacitancia es mayor cuanto mayor es el área del electrodo, A, y la permitividad , ε, y más delgado es el espesor, d, del dieléctrico.
El espesor dieléctrico de los condensadores electrolíticos es muy delgado, en el rango de nanómetros por voltio. A pesar de esto, las resistencias dieléctricas de estas capas de óxido son bastante altas. Por lo tanto, los capacitores de tantalio pueden alcanzar una capacitancia volumétrica alta en comparación con otros tipos de capacitores.
Todos los ánodos grabados o sinterizados tienen un área de superficie total mucho mayor en comparación con una superficie lisa de las mismas dimensiones generales. Este aumento de área de superficie aumenta el valor de capacitancia en un factor de hasta 200 (dependiendo de la tensión nominal) para los condensadores electrolíticos de tantalio sólido. [2]
El volumen de un condensador electrolítico se define por el producto de la capacitancia y el voltaje, el llamado volumen CV . Sin embargo, al comparar las permitividades de diferentes materiales de óxido, se ve que el pentóxido de tantalio tiene una permitividad aproximadamente 3 veces mayor que el óxido de aluminio. Por lo tanto, los condensadores electrolíticos de tantalio de un valor CV dado pueden ser más pequeños que los condensadores electrolíticos de aluminio.
Construcción básica de condensadores electrolíticos de tantalio sólido
Un condensador de tantalio típico es un condensador de chip y consta de polvo de tantalio prensado y sinterizado en una pastilla como ánodo del condensador, con la capa de óxido de pentóxido de tantalio como dieléctrico y un electrolito sólido de dióxido de manganeso como cátodo .
Materiales, producción y estilos
Ánodo
Los condensadores de tantalio se fabrican a partir de un polvo de metal de tantalio elemental relativamente puro . [3] [4] [5] Una cifra común de mérito para comparar la eficiencia volumétrica de los polvos se expresa en capacitancia (C, generalmente en μF) multiplicada por voltios (V) por gramo (g). Desde mediados de la década de 1980, los polvos de tantalio fabricados han mostrado una mejora de alrededor de diez veces en los valores de CV / g (de aproximadamente 20k a 200k). [2] El tamaño de partícula típico está entre 2 y 10 µm. La Figura 1 muestra polvos de grano sucesivamente más fino, lo que da como resultado una mayor superficie por unidad de volumen. Nótese la gran diferencia de tamaño de partícula entre los polvos.
El polvo se comprime alrededor de un alambre de tantalio (conocido como alambre de elevación) para formar una "pastilla". [6] El cable ascendente finalmente se convierte en la conexión del ánodo al capacitor. Esta combinación de gránulos / alambre se sinteriza posteriormente al vacío a alta temperatura (normalmente de 1200 a 1800 ° C), lo que produce un gránulo mecánicamente fuerte y elimina muchas impurezas del polvo. Durante la sinterización, el polvo adquiere una estructura similar a una esponja, con todas las partículas interconectadas en una red espacial monolítica. Esta estructura tiene una resistencia mecánica y una densidad predecibles, pero también es muy porosa, lo que produce una gran superficie interna (ver Figura 2).
Las áreas de superficie más grandes producen una mayor capacitancia; por lo tanto , los polvos de alto CV / g, que tienen tamaños de partícula promedio más bajos, se utilizan para piezas de baja tensión y alta capacitancia. Al elegir el tipo de polvo y la temperatura de sinterización correctos, se puede lograr una capacitancia o voltaje nominal específico. Por ejemplo, un condensador de 220 μF 6 V tendrá un área de superficie cercana a 346 cm 2 , o el 80% del tamaño de una hoja de papel (Carta de EE. UU., Papel de 8.5 × 11 pulgadas tiene un área de ~ 413 cm 2 ), aunque el el volumen total del gránulo es solo de aproximadamente 0,0016 cm 3 .
Dieléctrico
A continuación, se forma el dieléctrico sobre todas las superficies de las partículas de tántalo mediante el proceso electroquímico de anodización . Para lograr esto, el "pellet" se sumerge en una solución muy débil de ácido y se aplica voltaje de CC. El espesor dieléctrico total está determinado por el voltaje final aplicado durante el proceso de formación. Inicialmente, la fuente de alimentación se mantiene en un modo de corriente constante hasta que se alcanza el voltaje correcto (es decir, el espesor dieléctrico); luego mantiene este voltaje y la corriente decae hasta cerca de cero para proporcionar un espesor uniforme en todo el dispositivo y el lote de producción. Las ecuaciones químicas que describen el proceso de formación dieléctrica en el ánodo son las siguientes: [5]
- 2 Ta → 2 Ta 5+ + 10 e -
- 2 Ta 5+ + 10 OH - → Ta 2 O 5 + 5 H 2 O
El óxido se forma en la superficie del tantalio, pero también crece en el material. Por cada unidad de espesor de crecimiento de óxido, un tercio crece y dos tercios crece. Debido a los límites del crecimiento de óxido, existe un límite en la clasificación de voltaje máximo del óxido de tantalio para cada uno de los polvos de tantalio disponibles actualmente (ver Figura 3). ).
El espesor de la capa dieléctrica generado por la tensión de formación es directamente proporcional a la prueba de tensión de los condensadores electrolíticos. [7] Los condensadores electrolíticos se fabrican con un margen de seguridad en el espesor de la capa de óxido, que es la relación entre el voltaje utilizado para la creación electrolítica del dieléctrico y el voltaje nominal del condensador, para garantizar una funcionalidad confiable.
El margen de seguridad para capacitores de tantalio sólido con electrolito de dióxido de manganeso es típicamente entre 2 y 4. Eso significa que para un capacitor de tantalio de 25 V con un margen de seguridad de 4, la prueba de voltaje dieléctrico puede soportar 100 V para proporcionar un dieléctrico más robusto. [8] Este factor de seguridad muy alto está respaldado por el mecanismo de falla de los condensadores de tantalio sólido, "cristalización de campo". [9] [10] [11] [12] [13] Para los condensadores de tantalio con electrolito de polímero sólido, el margen de seguridad es mucho más bajo, por lo general alrededor de 2. [12] [14]
Cátodo
La siguiente etapa para los condensadores de tantalio sólido es la aplicación de la placa del cátodo (los condensadores de tantalio húmedo utilizan un electrolito líquido como cátodo junto con su carcasa). Esto se logra mediante la pirólisis de nitrato de manganeso en dióxido de manganeso . El "gránulo" se sumerge en una solución acuosa de nitrato y luego se cuece en un horno a aproximadamente 250 ° C para producir la capa de dióxido. La ecuación química es: [5]
- Mn (NO 3 ) 2 → MnO 2 + 2 NO 2
Este proceso se repite varias veces a través de diferentes densidades específicas de solución de nitrato, para formar una capa gruesa sobre todas las superficies internas y externas del "gránulo", como se muestra en la Figura 4.
En la construcción tradicional, la "pastilla" se sumerge sucesivamente en grafito y luego en plata para proporcionar una buena conexión desde la placa del cátodo de dióxido de manganeso a la terminación del cátodo externo (ver Figura 5).
Flujo de producción
La siguiente imagen muestra el flujo de producción de condensadores de chip electrolítico de tantalio con ánodo sinterizado y electrolito de dióxido de manganeso sólido.
Estilos de condensadores de tantalio
Los condensadores electrolíticos de tantalio se fabrican en tres estilos diferentes: [5]
- Condensadores de chip de tantalio: estilo SMD para montaje en superficie, el 80% de todos los condensadores de tantalio son SMD
- "Perlas" de tantalio, bañadas en resina, estilo de un solo extremo para montaje en PCB
- Condensadores de tantalio con terminales axiales, con electrolitos sólidos y no sólidos, utilizados principalmente para aplicaciones militares, médicas y espaciales.
Condensadores de chip de tantalio
"Perlas" de tantalio para montaje en PCB
Condensadores de tantalio axiales
Condensadores de chip (tamaño de caja)
Más del 90% de todos los condensadores electrolíticos de tantalio se fabrican en estilo SMD como condensadores de chip de tantalio. Tiene superficies de contacto en los extremos de la caja y se fabrica en diferentes tamaños, típicamente siguiendo el estándar EIA -535-BAAC. Los diferentes tamaños también se pueden identificar mediante letras de código de caja. Para algunos tamaños de cajas (A a E), que se han fabricado durante muchas décadas, las dimensiones y la codificación de las cajas en todos los fabricantes siguen siendo en gran medida las mismas. Sin embargo, los nuevos desarrollos en los condensadores electrolíticos de tantalio, como la técnica de múltiples ánodos para reducir la ESR o la técnica "boca abajo" para reducir la inductancia, han llevado a una gama mucho más amplia de tamaños de chip y sus códigos de caja. Estas desviaciones de los estándares EIA significan que los dispositivos de diferentes fabricantes ya no son siempre uniformes.
En la siguiente tabla se muestra una descripción general de las dimensiones de los condensadores de chip rectangulares de tantalio convencionales y su codificación: [15]
Métrica del código EIA | L ± 0,2 (mm) | W ± 0,2 (mm) | H máx. (Mm) | Pulgadas del código EIA | Código de caso AVX | Código de caso Kemet | Código de caso Vishay |
---|---|---|---|---|---|---|---|
EIA 1608-08 | 1,6 | 0,8 | 0,8 | 0603 | - | - | - |
EIA 1608-10 | 1,6 | 0,85 | 1.05 | 0603 | L | - | M, M0 |
EIA 2012-12 | 2,05 | 1,35 | 1.2 | 0805 | R | R | W |
EIA 2012-15 | 2,05 | 1,35 | 1,5 | 0805 | PAG | - | R |
EIA 3216-10 | 3.2 | 1,6 | 1.0 | 1206 | K | I | Q, A0 |
EIA 3216-12 | 3.2 | 1,6 | 1.2 | 1206 | S | S | - |
EIA 3216-18 | 3.2 | 1,6 | 1.8 | 1206 | A | A | A |
EIA 3528-12 | 3,5 | 2.8 | 1.2 | 1210 | T | T | norte |
EIA 3528-15 | 3,5 | 2.8 | 1,5 | 1210 | H | METRO | T |
EIA 3528-21 | 3,5 | 2.8 | 2.1 | 1210 | B | B | B |
EIA 6032-15 | 6.0 | 3.2 | 1,5 | 2312 | W | U | - |
EIA 6032-20 | 6.0 | 3.2 | 2.0 | 2312 | F | L | - |
EIA 6032-28 | 6.0 | 3.2 | 2.8 | 2312 | C | C | C |
EIA 7343-15 | 7.3 | 4.3 | 1,5 | 2917 | X | W | - |
EIA 7343-20 | 7.3 | 4.3 | 2.0 | 2917 | Y | V | V |
EIA 7343-30 | 7.3 | 4.3 | 3,0 | 2917 | norte | - | - |
EIA 7343-31 | 7.3 | 4.3 | 3.1 | 2917 | D | D | D |
EIA 7343-40 | 7.3 | 4.3 | 4.0 | 2917 | - | Y | - |
EIA 7343-43 | 7,3 | 4.3 | 4.3 | 2917 | mi | X | mi |
EIA 7360-38 | 7.3 | 6.0 | 3.8 | 2623 | - | mi | W |
EIA 7361-38 | 7.3 | 6.1 | 3.8 | 2924 | V | - | - |
EIA 7361-438 | 7.3 | 6.1 | 4.3 | 2924 | U | - | - |
- Nota: La métrica EIA 3528 también se conoce como EIA 1411 imperial (pulgadas).
Condensadores de tantalio húmedo
La característica principal de los condensadores electrolíticos de tantalio no sólidos (húmedos) modernos es su densidad de energía en comparación con la del tantalio sólido y los condensadores electrolíticos de aluminio húmedo dentro del mismo rango de temperatura. Debido a sus propiedades de autocuración (el electrolito no sólido puede suministrar oxígeno para formar una nueva capa de óxido en las áreas débiles del dieléctrico), el espesor del dieléctrico se puede formar con márgenes de seguridad mucho más bajos y, en consecuencia, con un dieléctrico mucho más delgado que para los tipos sólidos. , lo que resulta en un valor CV más alto por unidad de volumen. Además, los condensadores de tantalio húmedo pueden funcionar a voltajes superiores a 100 V hasta 630 V, tienen una ESR relativamente baja y tienen la corriente de fuga más baja de todos los condensadores electrolíticos.
Los condensadores de tantalio húmedo originales desarrollados en la década de 1930 eran condensadores axiales, con una celda enrollada que constaba de un ánodo de tantalio y un cátodo de lámina separados por una tira de papel empapada con un electrolito, montados en una caja plateada y sellada con elastómero no hermético. [16] Debido a la inercia y estabilidad de la capa de óxido dieléctrico de tantalio frente a ácidos fuertes, los condensadores de tantalio húmedo podrían utilizar ácido sulfúrico como electrolito, proporcionándoles así una ESR relativamente baja.
Debido a que en el pasado, las tripas de plata tenían problemas con la migración de la plata y los bigotes que conducían a un aumento de las corrientes de fuga y cortocircuitos, los nuevos estilos de condensadores de tantalio húmedo utilizan una celda de gránulos de tantalio sinterizado y un electrolito de ácido sulfúrico gelificado montado en una caja de tantalio puro.
Debido a su precio relativamente alto, los condensadores electrolíticos de tantalio húmedo tienen pocas aplicaciones para el consumidor. Se utilizan en aplicaciones industriales reforzadas, como sondas para exploración petrolera. Los tipos con aprobaciones militares pueden proporcionar capacidades extendidas y clasificaciones de voltaje, junto con los niveles de alta calidad requeridos para aplicaciones de aviónica, militares y espaciales.
Historia
El grupo de "metales de válvula" capaces de formar una película de óxido aislante se descubrió en 1875. En 1896, Karol Pollak patentó un condensador que utiliza electrodos de aluminio y un electrolito líquido. Los condensadores electrolíticos de aluminio se fabricaron comercialmente en la década de 1930.
Los primeros condensadores electrolíticos de tantalio con láminas de tantalio enrolladas y electrolito no sólido fueron desarrollados en 1930 por Tansitor Electronic Inc. (EE. UU.) Y se utilizaron con fines militares. [dieciséis]
Los capacitores de tantalio de electrolito sólido fueron inventados por Bell Laboratories a principios de la década de 1950 como un capacitor de soporte de bajo voltaje miniaturizado y más confiable para complementar su transistor recién inventado . La solución que encontraron RL Taylor y HE Haring de Bell Labs para el nuevo condensador miniaturizado encontrado a principios de 1950 se basó en la experiencia con la cerámica. Moleron tántalo metálico hasta convertirlo en polvo, presionaron este polvo en forma cilíndrica y luego sinterizaron las partículas de polvo a alta temperatura entre 1.500 y 2.000 ° C (2.730 y 3.630 ° F) en condiciones de vacío, en una pastilla ("slug"). [17] [18]
Estos primeros condensadores de tantalio sinterizado utilizaban un electrolito líquido. En 1952, los investigadores de Bell Labs descubrieron el uso de dióxido de manganeso como electrolito sólido para un condensador de tantalio sinterizado. [19]
Aunque los inventos fundamentales provienen de Bell Labs, las innovaciones para fabricar condensadores electrolíticos de tantalio comercialmente viables fueron realizadas por los investigadores de Sprague Electric Company . Preston Robinson , Director de Investigación de Sprague, es considerado el inventor real de los condensadores de tantalio en 1954. [20] [21] Su invención fue apoyada por RJ Millard, quien introdujo el paso de "reforma" en 1955, [22] [23 ] una mejora significativa en la que se reparó el dieléctrico del condensador después de cada ciclo de inmersión y conversión de la deposición de MnO 2 . Esto redujo drásticamente la corriente de fuga de los condensadores terminados.
Este primer dióxido de manganeso de electrolito sólido tenía una conductividad 10 veces mejor que todos los demás tipos de condensadores de electrolito no sólido. Al estilo de las perlas de tantalio, pronto encontraron un amplio uso en la radio y en los nuevos dispositivos de televisión.
En 1971, Intel lanzó su primera microcomputadora (la MCS 4) y en 1972 Hewlett Packard lanzó una de las primeras calculadoras de bolsillo (la HP 35 ). [24] [25] Los requisitos de condensadores aumentaron, especialmente la demanda de pérdidas más bajas. La resistencia en serie equivalente (ESR) para la derivación y condensadores de desacoplamiento de condensadores electrolíticos estándar necesarias para ser disminuida. [26]
Aunque los condensadores de tantalio sólidos ofrecían valores de corriente de fuga y ESR más bajos que los electrolíticos de aluminio, en 1980 un impacto en el precio del tantalio en la industria redujo drásticamente la usabilidad de los condensadores de tantalio, especialmente en la industria del entretenimiento. [27] [28] En busca de alternativas más económicas, la industria volvió a utilizar condensadores electrolíticos de aluminio.
El desarrollo de polímeros conductores por Alan J. Heeger , Alan MacDiarmid y Hideki Shirakawa en 1975 fue un gran avance en el punto de ESR más bajo. [29] Las conductividades de polímeros conductores como el polipirrol (PPy) [30] o PEDOT [31] son mejores en un factor de 1000 que las del dióxido de manganeso y están cerca de la conductividad de los metales. En 1993, NEC presentó sus condensadores electrolíticos de polímero de tantalio SMD, llamados "NeoCap". En 1997 Sanyo siguió con sus chips de tantalio de polímero "POSCAP".
Kemet presentó un nuevo polímero conductor para condensadores de polímero de tantalio en la conferencia "1999 Carts". [32] Este condensador utilizó el polímero conductor orgánico recientemente desarrollado PEDT Poly (3,4-etilendioxitiofeno), también conocido como PEDOT (nombre comercial Baytron). [33]
Este desarrollo de condensadores de baja ESR con altos volúmenes de CV en estilo chip para la tecnología SMD de rápido crecimiento en la década de 1990 aumentó drásticamente la demanda de chips de tantalio. Sin embargo, otra explosión del precio del tantalio en 2000/2001 obligó al desarrollo de condensadores electrolíticos de niobio con electrolito de dióxido de manganeso, que están disponibles desde 2002. [34] [35] Los materiales y procesos utilizados para producir condensadores dieléctricos de niobio son esencialmente los lo mismo que para los condensadores dieléctricos de tantalio existentes. Las características de los condensadores electrolíticos de niobio y los condensadores electrolíticos de tantalio son aproximadamente comparables. [36]
Características electricas
Circuito equivalente en serie
Los condensadores electrolíticos de tantalio como componentes discretos no son condensadores ideales, ya que tienen pérdidas y partes inductivas parásitas. Todas las propiedades se pueden definir y especificar mediante un circuito equivalente en serie compuesto por una capacitancia idealizada y componentes eléctricos adicionales que modelan todas las pérdidas y los parámetros inductivos de un capacitor. En este circuito equivalente en serie, las características eléctricas están definidas por:
- C , la capacitancia del condensador
- R fuga , la resistencia que representa la corriente de fuga del condensador
- R ESR , la resistencia en serie equivalente que resume todas las pérdidas óhmicas del condensador, generalmente abreviado como "ESR"
- L ESL , la inductancia en serie equivalente que es la autoinductancia efectiva del condensador, generalmente abreviada como "ESL".
El uso de un circuito equivalente en serie en lugar de un circuito equivalente en paralelo se especifica en IEC / EN 60384-1.
Tolerancias y valores estándar de capacitancia
Las características eléctricas de los condensadores electrolíticos de tantalio dependen de la estructura del ánodo y del electrolito utilizado. Esto influye en el valor de capacitancia de los condensadores de tantalio, que dependen de la frecuencia y temperatura de funcionamiento. La unidad básica de capacitancia de los condensadores electrolíticos es el microfaradio (μF).
El valor de capacitancia especificado en las hojas de datos de los fabricantes se denomina capacitancia nominal C R o capacitancia nominal C N y es el valor para el cual se ha diseñado el capacitor. La condición de medición estandarizada para condensadores electrolíticos es un método de medición de CA con una frecuencia de 100 a 120 Hz. Los capacitores electrolíticos se diferencian de otros tipos de capacitores, cuyas capacitancias se miden típicamente a 1 kHz o más. Para los condensadores de tantalio, se puede aplicar una tensión de polarización de CC de 1,1 a 1,5 V para los tipos con una tensión nominal de ≤2,5 V o de 2,1 a 2,5 V para los tipos con una tensión nominal de> 2,5 V durante la medición para evitar la tensión inversa.
El porcentaje de desviación permitida de la capacitancia medida del valor nominal se llama tolerancia de capacitancia. Los condensadores electrolíticos están disponibles en diferentes clasificaciones de series de tolerancia, cuyos valores se especifican en la serie E especificada en IEC 60063. Para el marcado abreviado en espacios reducidos, se especifica un código de letra para cada tolerancia en IEC 60062.
- capacitancia nominal, serie E3 , tolerancia ± 20%, código de letra "M"
- capacitancia nominal, serie E6 , tolerancia ± 20%, código de letra "M"
- capacitancia nominal, serie E12 , tolerancia ± 10%, código de letras "K"
La tolerancia de capacitancia requerida está determinada por la aplicación particular. Los condensadores electrolíticos, que a menudo se utilizan para filtrar y desviar condensadores, no necesitan tolerancias estrechas porque en su mayoría no se utilizan para aplicaciones de frecuencia precisas como osciladores .
Voltaje nominal y de categoría
Con referencia a la norma IEC / EN 60384-1, la tensión de funcionamiento permitida para los condensadores de tantalio se denomina "tensión nominal U R " o "tensión nominal U N ". La tensión nominal U R es la tensión de CC máxima o la tensión de pulso pico que se puede aplicar de forma continua a cualquier temperatura dentro del rango de temperatura nominal T R (IEC / EN 60384-1).
La tensión nominal de los condensadores electrolíticos disminuye al aumentar la temperatura. Para algunas aplicaciones, es importante utilizar un rango de temperatura más alto. Reducir el voltaje aplicado a una temperatura más alta mantiene los márgenes de seguridad. Por lo tanto, para algunos tipos de condensadores, la norma IEC especifica un "voltaje con reducción de temperatura" para una temperatura más alta, el "voltaje de categoría U C ". La tensión de categoría es el voltaje máximo de tensión o de pico de pulso de corriente continua que se puede aplicar de forma continua a un condensador a cualquier temperatura dentro del rango de temperatura categoría T C . La relación entre los voltajes y las temperaturas se muestra en la imagen de la derecha.
Un voltaje más bajo aplicado puede tener influencias positivas para los capacitores electrolíticos de tantalio. Bajar el voltaje aplicado aumenta la confiabilidad y reduce la tasa de falla esperada. [37]
La aplicación de un voltaje superior al especificado puede destruir los condensadores electrolíticos de tantalio.
Sobretensión
La sobretensión indica el valor máximo de tensión pico que se puede aplicar a los condensadores electrolíticos durante su aplicación durante un número limitado de ciclos. La sobretensión está estandarizada en IEC / EN 60384-1. En el caso de los condensadores electrolíticos de tantalio, la sobretensión debe ser 1,3 veces la tensión nominal, redondeada al voltio más cercano. La sobretensión aplicada a los capacitores de tantalio puede influir en la tasa de falla de los capacitores. [38] [39]
Voltaje transitorio
El voltaje transitorio o un pico de corriente aplicado a los capacitores electrolíticos de tantalio con electrolito de dióxido de manganeso sólido puede hacer que algunos capacitores de tantalio fallen y puedan provocar directamente un cortocircuito. [38] [40]
Tensión inversa
Los electrolíticos de tantalio están polarizados y generalmente requieren que el voltaje del electrodo del ánodo sea positivo en relación con el voltaje del cátodo.
Con una tensión inversa aplicada, una corriente de fuga inversa fluye en áreas muy pequeñas de microfisuras u otros defectos a través de la capa dieléctrica hasta el ánodo del condensador electrolítico. Aunque la corriente puede ser solo de unos pocos microamperios, representa una densidad de corriente localizada muy alta que puede causar un pequeño punto caliente. Esto puede causar cierta conversión de pentóxido de tantalio amorfo a la forma cristalina más conductora. Cuando se dispone de una corriente alta, este efecto puede producir una avalancha y el condensador puede convertirse en un cortocircuito total.
No obstante, los condensadores electrolíticos de tantalio pueden soportar durante breves instantes una tensión inversa durante un número limitado de ciclos. Las pautas más comunes para el voltaje inverso de tantalio son:
- 10% de la tensión nominal hasta un máximo de 1 V a 25 ° C,
- 3% de la tensión nominal hasta un máximo de 0,5 V a 85 ° C,
- 1% de la tensión nominal hasta un máximo de 0,1 V a 125 ° C.
Estas pautas se aplican para excursiones cortas y nunca deben usarse para determinar el voltaje inverso máximo bajo el cual se puede usar un capacitor de manera permanente. [41] [42]
Impedancia
Los condensadores electrolíticos de tantalio, así como otros condensadores convencionales, tienen dos funciones eléctricas. Para los temporizadores o aplicaciones similares, los condensadores se consideran un componente de almacenamiento para almacenar energía eléctrica. Pero para aplicaciones de suavizado, derivación o desacoplamiento como en las fuentes de alimentación , los condensadores funcionan además como resistencias de CA para filtrar los componentes de CA no deseados de los rieles de voltaje. Para esta función de CA (polarizada), la resistencia de CA dependiente de la frecuencia ( impedancia "Z" ) es tan importante como el valor de capacitancia.
La impedancia es la relación compleja entre el voltaje y la corriente con magnitud y fase a una frecuencia particular en un circuito de CA. En este sentido, la impedancia es una medida de la capacidad del condensador para atenuar corrientes alternas y puede usarse como la ley de Ohm.
La impedancia es una resistencia de CA dependiente de la frecuencia y posee magnitud y fase a una frecuencia particular. En las hojas de datos de los condensadores electrolíticos, solo la magnitud de impedancia | Z | se especifica y simplemente se escribe como "Z" . Con respecto a la norma IEC / EN 60384-1, los valores de impedancia de los condensadores electrolíticos de tantalio se miden y especifican a 10 kHz o 100 kHz en función de la capacidad y la tensión del condensador.
Además de medir, la impedancia también se puede calcular utilizando los componentes idealizados de un circuito equivalente en serie de un condensador, incluido un condensador C ideal , una resistencia ESR y una inductancia ESL . En este caso, la impedancia a la frecuencia angular ω viene dada por la suma geométrica (compleja) de ESR , por una reactancia capacitiva X C
y por una reactancia inductiva X L ( inductancia )
.
Entonces Z viene dado por
- .
En el caso especial de resonancia , en el que ambas resistencias reactivas X C y X L tienen el mismo valor ( X C = X L ), entonces la impedancia solo será determinada por ESR . Con frecuencias por encima de la resonancia, la impedancia aumenta nuevamente debido al ESL del capacitor. En este punto, el capacitor comienza a comportarse principalmente como una inductancia.
ESR y factor de disipación tan δ
Impedancia típica y ESR en función de la frecuencia
Curvas típicas de impedancia y ESR sobre frecuencia para diferentes estilos de condensadores electrolíticos en comparación con MLCC
La resistencia en serie equivalente ( ESR ) resume todas las pérdidas resistivas del condensador. Estas son las resistencias terminales, la resistencia de contacto del contacto del electrodo, la resistencia de línea de los electrodos, la resistencia del electrolito y las pérdidas dieléctricas en la capa de óxido dieléctrico. [43]
La ESR influye en la ondulación de CA superpuesta restante detrás del suavizado y puede influir en la funcionalidad del circuito. Relacionado con el condensador, la ESR es responsable de la generación de calor interno si una corriente de ondulación fluye sobre el condensador. Este calor interno puede influir en la fiabilidad de los condensadores electrolíticos de tantalio.
Generalmente, la ESR disminuye al aumentar la frecuencia y la temperatura. [44]
Las discusiones sobre condensadores electrolíticos históricamente a veces se refieren al factor de disipación , tan δ , en las hojas de datos relevantes en lugar de ESR . El factor de disipación está determinado por la tangente del ángulo de fase entre la resta de la reactancia capacitiva X C de la reactancia inductiva X L y la ESR . Si la inductancia ESL del capacitor es pequeña, el factor de disipación se puede aproximar como:
El factor de disipación tan δ se utiliza para condensadores con pérdidas muy bajas en circuitos determinantes de frecuencia o circuitos resonantes donde el valor recíproco del factor de disipación se denomina factor de calidad ( Q ), que representa el ancho de banda de un resonador .
Corriente de rizado
Una "corriente de ondulación" es el valor eficaz de una corriente CA superpuesta de cualquier frecuencia sobre una corriente CC. Surge principalmente en las fuentes de alimentación (incluidas las fuentes de alimentación de modo conmutado ) después de rectificar un voltaje de CA y fluye como corriente de carga y descarga a través del condensador de desacoplamiento o suavizado.
Las corrientes onduladas generan calor dentro del cuerpo del condensador. Esta pérdida de potencia de disipación P L es causada por ESR y es el valor al cuadrado de la eficaz (RMS) rizado de corriente I R .
Este calor generado interno, además de la temperatura ambiente y posiblemente otras fuentes de calor externas, conduce a una temperatura del cuerpo del condensador que tiene una diferencia de temperatura de Δ T con respecto a la ambiente. Este calor tiene que ser distribuido como pérdidas térmicas P º en los condensadores de superficie A y la resistencia térmica β a la ambiente.
El calor interno generado debe distribuirse al ambiente mediante radiación térmica , convección y conducción térmica . La temperatura del condensador, que se establece en el equilibrio entre el calor producido y distribuido, no debe exceder la temperatura máxima especificada del condensador.
La corriente de ondulación se especifica como un valor efectivo (RMS) a 100 o 120 Hz oa 10 kHz a una temperatura de categoría superior. Las corrientes de ondulación no sinusoidales deben analizarse y separarse en sus frecuencias sinusoidales componentes mediante el análisis de Fourier y la corriente de ondulación equivalente calculada como la raíz cuadrada de la suma de los cuadrados de las corrientes individuales. [45]
En los condensadores electrolíticos de tantalio sólido, el calor generado por la corriente de ondulación influye en la fiabilidad de los condensadores. [46] [47] [48] Exceder el límite tiende a resultar en fallas catastróficas con cortocircuitos y componentes en llamas.
Aumento de corriente, pico o corriente de pulso
Los condensadores electrolíticos de tantalio sólido pueden dañarse por sobretensiones, picos o impulsos de corriente. [38] [39] Los capacitores de tantalio, que están expuestos a corrientes de impulso, pico o pulso, deben usarse con una reducción de voltaje de hasta un 70% en circuitos altamente inductivos. Si es posible, el perfil de voltaje debe ser una rampa de encendido, ya que esto reduce la corriente máxima vista por el capacitor.
Corriente de fuga
La corriente de fuga de CC es una característica especial de los condensadores electrolíticos que otros condensadores convencionales no tienen. Esta corriente está representada por la fuga de la resistencia R en paralelo con el condensador en el circuito equivalente en serie de condensadores electrolíticos. Las principales causas de fuga de corriente para los condensadores de tantalio sólido son la ruptura eléctrica del dieléctrico, las rutas conductoras debido a impurezas o debido a una mala anodización, la derivación del dieléctrico debido al exceso de dióxido de manganeso, debido a las rutas de humedad o debido a los conductores del cátodo (carbono, plata ). [49] Esta corriente de fuga en los condensadores de electrolitos sólidos no puede reducirse mediante la "curación" en el sentido de generar nuevo óxido porque, en condiciones normales, los electrolitos sólidos no pueden suministrar oxígeno para los procesos de formación. Esta afirmación no debe confundirse con el proceso de autocuración durante la cristalización del campo, como se describe en Fiabilidad (tasa de falla) .
La especificación de la corriente de fuga en las hojas de datos a menudo se dará multiplicando el valor de capacitancia nominal C R por el valor de la tensión nominal U R junto con una cifra adicional, medida después de un tiempo de medición de 2 o 5 minutos, por ejemplo:
El valor de la corriente de fuga depende del voltaje aplicado, de la temperatura del condensador, del tiempo de medición y de la influencia de la humedad causada por las condiciones de sellado de la carcasa. Normalmente tienen una corriente de fuga muy baja, la mayoría mucho más baja que el peor de los casos especificado.
Absorción dieléctrica (remojo)
La absorción dieléctrica ocurre cuando un capacitor que ha permanecido cargado durante mucho tiempo retiene algo de carga cuando se descarga brevemente. Aunque un capacitor ideal alcanzaría cero voltios después de la descarga, los capacitores reales desarrollan un pequeño voltaje a partir de la descarga de dipolo retardada, un fenómeno que también se llama relajación dieléctrica , "remojo" o "acción de la batería".
Tipo de condensador | Absorción dieléctrica |
---|---|
Condensadores electrolíticos de tantalio con electrolito sólido | 2 a 3%, [50] 10% [51] |
La absorción dieléctrica puede causar problemas en circuitos donde se utilizan corrientes muy pequeñas, como integradores de constantes de tiempo prolongado o circuitos de muestreo y retención . [52] [53] Sin embargo, en la mayoría de las aplicaciones donde los condensadores electrolíticos de tantalio soportan líneas de suministro de energía, la absorción dieléctrica no es un problema.
Fiabilidad y vida útil
Fiabilidad (tasa de fallos)
La confiabilidad de un componente es una propiedad que indica qué tan bien un componente realiza su función en un intervalo de tiempo. Está sujeto a un proceso estocástico y puede describirse cualitativa y cuantitativamente; no se puede medir directamente. La confiabilidad de los capacitores electrolíticos se determina empíricamente mediante la identificación de la tasa de fallas en las pruebas de resistencia que acompañan a la producción , consulte Ingeniería de confiabilidad # Pruebas de confiabilidad .
La confiabilidad normalmente se muestra en una curva de bañera y se divide en tres áreas: fallas tempranas o fallas de mortalidad infantil, fallas aleatorias constantes y fallas por desgaste. Los tipos de fallas incluidos en la tasa total de fallas son fallas de cortocircuito, circuito abierto y degradación (que exceden los parámetros eléctricos).
La predicción de confiabilidad generalmente se expresa en una tasa de fallas λ, abreviatura FIT (fallas en el tiempo). Este es el número de fallas que se pueden esperar en mil millones (10 9 ) componentes-horas de operación (por ejemplo, 1000 componentes por 1 millón de horas). , o 1 millón de componentes durante 1000 horas, que es 1 ppm / 1000 horas) en condiciones de trabajo fijas durante el período de fallas aleatorias constantes. Este modelo de tasa de fallas asume implícitamente la idea de "falla aleatoria". Los componentes individuales fallan en momentos aleatorios pero en una tasa predecible. las condiciones de operación estándar para el FIT tasa de fracaso son 40 ° C y 0,5 U R .
El valor recíproco de FIT es MTBF (tiempo medio entre fallos).
Para los capacitores de tantalio, a menudo la tasa de falla se especifica a 85 ° C y el voltaje nominal U R como condiciones de referencia y se expresa como porcentaje de componentes fallados por mil horas (n% / 1000 h). Eso es "n" número de componentes fallidos por 10 5 horas o en FIT el valor de diez mil veces por 10 9 horas.
Para condiciones distintas de las condiciones de operación estándar 40 ° C y 0.5 U R , para otra temperatura y voltaje aplicados, para carga de corriente, valor de capacitancia, resistencia del circuito, influencias mecánicas y humedad, la cifra FIT puede recalcularse con factores de aceleración estandarizados para [ 54] o contextos militares [55] . Por ejemplo, una temperatura más alta y un voltaje aplicado hacen que aumente la tasa de fallas.
La fuente más citada para recalcular la tasa de fallas es MIL-HDBK-217F, la "biblia" de los cálculos de la tasa de fallas para componentes electrónicos. SQC Online, las calculadoras estadísticas en línea para el muestreo de aceptación y el control de calidad, brinda una herramienta en línea para un examen breve para calcular los valores de tasa de falla dados a las condiciones de la aplicación. [56]
Algunos fabricantes de condensadores de tantalio pueden tener sus propias tablas de cálculo FIT. [57] [58]
Los condensadores de tantalio son componentes fiables. La mejora continua en las tecnologías de polvo de tantalio y condensadores ha dado como resultado una reducción significativa en la cantidad de impurezas presentes, que anteriormente habían causado la mayoría de las fallas de cristalización de campo. Comercialmente condensadores de tántalo disponibles han alcanzado ahora como productos estándar el alto nivel de MIL "C" nivel que es 0,01% / 1000h a 85 ° C y U R o 1 fallo por 10 7 horas a 85 ° C y U R . [11] Recalculado en FIT con los factores de aceleración provenientes de MIL HDKB 217F a 40 ° C y 0.5 U R es esta tasa de falla para un capacitor de chip de tantalio de 100 μF / 25 V usado con una resistencia en serie de 0.1 Ω la tasa de falla es 0.02 ENCAJAR.
Toda la vida
El tiempo de vida , vida útil , la vida de carga o vida útil de los condensadores electrolíticos de tantalio depende enteramente de electrolito utilizado:
- Aquellos que usan electrolitos líquidos no tienen una especificación de vida útil. (Cuando está sellado herméticamente)
- Aquellos que usan electrolitos de dióxido de manganeso no tienen una especificación de vida útil.
- Aquellos que utilizan electrolitos poliméricos hacer una especificación de tiempo de vida.
El polímero electrolito tiene un pequeño deterioro de la conductividad por un mecanismo de degradación térmica del polímero conductor. La conductividad eléctrica disminuyó, en función del tiempo, de acuerdo con una estructura de tipo metal granular, en la que el envejecimiento se debe al encogimiento de los granos de polímero conductor. [59] El tiempo de vida de los condensadores electrolíticos de polímero se especifica en términos similares a los de las tapas electrolíticas no sólidas, pero su cálculo del tiempo de vida sigue otras reglas que conducen a tiempos de vida operativos mucho más largos. [60] [61] [62]
Modos de falla y mecanismo de autorreparación
Los condensadores de tantalio muestran diferentes comportamientos eléctricos a largo plazo según el electrolito utilizado. Las reglas de aplicación para tipos con un modo de falla inherente se especifican para garantizar una alta confiabilidad y una larga vida útil.
Tipo de condensadores electrolíticos | Comportamiento eléctrico a largo plazo | Modos de fallo | Mecanismo de autocuración | Reglas de aplicación |
---|---|---|---|---|
Electrolito sólido de MnO 2 de tantalio e-caps | estable | Cristalización de campo [11] | Aislamiento inducido térmicamente de fallas en el dieléctrico por reducción del electrolito MnO 2 en Mn 2 O 3 aislante si la disponibilidad de corriente es limitada | Reducción de voltaje 50% Resistencia en serie 3 Ω / V [63] [64] |
Electrolito de polímero sólido de tantalio e-caps | Deterioro de la conductividad, aumenta la ESR | Cristalización de campo [6] [11] | Aislamiento de fallas en el dieléctrico por oxidación o evaporación del electrolito polimérico | Reducción de voltaje 20% [63] [64] |
Los capacitores de tantalio son confiables al mismo nivel muy alto que otros componentes electrónicos con tasas de falla muy bajas. Sin embargo, tienen un único modo de falla llamado "cristalización de campo". [9] La cristalización de campo es la principal razón de la degradación y fallas catastróficas de los condensadores de tantalio sólidos. [13] Más del 90% de las raras fallas actuales en los condensadores electrolíticos de estado sólido de tantalio son causadas por cortocircuitos o aumento de la corriente de fuga debido a este modo de falla. [sesenta y cinco]
La película de óxido extremadamente delgada de un condensador electrolítico de tantalio, la capa dieléctrica, debe formarse en una estructura amorfa. Se informa que el cambio de la estructura amorfa a una estructura cristalizada aumenta la conductividad 1000 veces, combinado con un aumento del volumen de óxido. [11] La cristalización del campo seguida de una ruptura dieléctrica se caracteriza por un aumento repentino de la corriente de fuga en unos pocos milisegundos, desde una magnitud de nanoamperios a una magnitud de amperios en circuitos de baja impedancia. El aumento del flujo de corriente puede acelerarse en un "efecto de avalancha" y extenderse rápidamente a través del metal / óxido. Esto puede resultar en varios grados de destrucción, desde áreas quemadas bastante pequeñas en el óxido hasta rayas quemadas en zigzag que cubren grandes áreas del gránulo o la oxidación completa del metal. [6] Si la fuente de corriente es ilimitada, la cristalización de un campo puede provocar un cortocircuito en el condensador . En esta circunstancia, la falla puede ser catastrófica si no hay nada que limite la corriente disponible, ya que la resistencia en serie del capacitor puede llegar a ser muy baja.
Las impurezas, pequeños daños mecánicos o imperfecciones en el dieléctrico pueden afectar la estructura, cambiándola de estructura amorfa a cristalina y disminuyendo así la rigidez dieléctrica. La pureza del polvo de tantalio es uno de los parámetros más importantes para definir su riesgo de cristalización. Desde mediados de la década de 1980, los polvos de tantalio fabricados han mostrado un aumento de pureza.
Las sobrecorrientes después de las tensiones inducidas por la soldadura pueden iniciar la cristalización, lo que lleva a la ruptura del aislamiento. [66] La única forma de evitar fallas catastróficas es limitar la corriente que puede fluir desde la fuente para reducir la ruptura a un área limitada. La corriente que fluye a través del área cristalizada provoca un calentamiento en el cátodo de dióxido de manganeso cerca de la falla. A temperaturas elevadas, una reacción química reduce el dióxido de manganeso conductor circundante al óxido de manganeso (III) aislante (Mn 2 O 3 ) y aísla el óxido cristalizado en la capa de óxido de tantalio, deteniendo el flujo de corriente local. [6] [63]
Evitación de fallas
Los condensadores de tantalio sólidos con cristalización tienen más probabilidades de fallar al encenderlos. [67] Se cree que el voltaje a través de la capa dieléctrica es el mecanismo de activación de la ruptura y que la corriente de encendido empuja el colapso a una falla catastrófica. Para evitar estos fallos repentinos, los fabricantes recomiendan: [11] [63] [68]
- Reducción de voltaje de aplicación del 50% en comparación con el voltaje nominal
- utilizando una resistencia en serie de 3 Ω / V o
- uso de circuitos con modos de encendido lento (circuitos de arranque suave).
Información Adicional
Símbolos de condensadores
Símbolos de condensadores electrolíticos
Condensador electrolítico polarizado | Condensador electrolítico polarizado | Condensador electrolítico polarizado | Condensador electrolítico bipolar |
Coneccion paralela
Los condensadores electrolíticos de voltaje pequeño o bajo se pueden conectar de forma segura en paralelo. Los condensadores de gran tamaño, especialmente los de gran tamaño y los tipos de alto voltaje, deben protegerse individualmente contra la descarga repentina de todo el banco debido a un condensador defectuoso.
Conexión en serie
Algunas aplicaciones, como los convertidores CA / CA con enlace CC para controles de frecuencia en redes trifásicas, necesitan voltajes más altos que los que suelen ofrecer los condensadores electrolíticos de aluminio. Para tales aplicaciones, los condensadores electrolíticos se pueden conectar en serie para aumentar la capacidad de resistencia a la tensión. Durante la carga, el voltaje en cada uno de los condensadores conectados en serie es proporcional a la inversa de la corriente de fuga del condensador individual. Dado que cada condensador difiere un poco en la corriente de fuga individual, los condensadores con una corriente de fuga más alta obtendrán menos voltaje. El equilibrio de voltaje sobre los condensadores conectados en serie no es simétrico. Se debe proporcionar un equilibrio de voltaje pasivo o activo para estabilizar el voltaje en cada condensador individual. [69]
Marcado de polaridad
Todos los condensadores de tantalio son componentes polarizados, con terminales positivos o negativos claramente marcados. Cuando se somete a polaridad inversa (aunque sea brevemente), el condensador se despolariza y la capa de óxido dieléctrico se rompe, lo que puede provocar que falle incluso cuando se opere posteriormente con la polaridad correcta. [70] Si la falla es un cortocircuito (la ocurrencia más común), y la corriente no se limita a un valor seguro, puede ocurrir una fuga térmica catastrófica. Esta falla incluso puede resultar en que el capacitor expulse con fuerza su núcleo en llamas.
Los condensadores electrolíticos de tantalio con electrolito sólido están marcados en su terminal positivo con una barra o un "+". Los condensadores electrolíticos de tantalio con electrolito no sólido (estilo con terminales axiales) están marcados en el terminal negativo con una barra o un "-" (menos). La polaridad se puede identificar mejor en el lado con forma de la caja, que tiene el terminal positivo. Los diferentes estilos de marcado pueden causar una confusión peligrosa.
Una causa particular de confusión es que en los capacitores de tantalio de montaje en superficie, el terminal positivo está marcado con una barra. Mientras que en los condensadores de montaje en superficie de aluminio es el terminal negativo el que está marcado.
Marcas impresas
Los condensadores de tantalio, como la mayoría de los demás componentes electrónicos y si hay suficiente espacio disponible, tienen marcas impresas para indicar el fabricante, el tipo, las características eléctricas y térmicas y la fecha de fabricación. Pero la mayoría de los condensadores de tantalio son de tipo chip, por lo que el espacio reducido limita los signos impresos a capacitancia, tolerancia, voltaje y polaridad.
Los condensadores más pequeños utilizan una notación abreviada. El formato más utilizado es: XYZ J / K / M "V", donde XYZ representa la capacitancia (calculada como XY × 10 Z pF), las letras K o M indican la tolerancia (± 10% y ± 20% respectivamente) y "V" representa el voltaje de trabajo.
Ejemplos:
- 105K 330V implica una capacitancia de 10 × 10 5 pF = 1 μF (K = ± 10%) con una tensión de trabajo de 330 V.
- 476M 100V implica una capacitancia de 47 × 10 6 pF = 47 μF (M = ± 20%) con un voltaje de trabajo de 100 V.
La capacitancia, la tolerancia y la fecha de fabricación se pueden indicar con un código corto especificado en IEC / EN 60062. Ejemplos de marcación corta de la capacitancia nominal (microfaradios): μ47 = 0,47 μF, 4μ7 = 4.7 μF, 47μ = 47 μF
La fecha de fabricación se imprime a menudo de acuerdo con las normas internacionales.
- Versión 1: codificación con código numérico año / semana, "1208" es "2012, semana número 8".
- Versión 2: codificación con código de año / código de mes. Los códigos de año son: "R" = 2003, "S" = 2004, "T" = 2005, "U" = 2006, "V" = 2007, "W" = 2008, "X" = 2009, "A" = 2010, "B" = 2011, "C" = 2012, "D" = 2013, "E" = 2014, etc. Los códigos de mes son: "1" a "9" = enero a septiembre, "O" = Octubre, "N" = noviembre, "D" = diciembre. "X5" es entonces "2009, mayo"
Para condensadores muy pequeños no es posible marcar. Aquí solo la trazabilidad de los fabricantes puede garantizar la identificación de un tipo.
Estandarización
La estandarización para todos los componentes eléctricos , electrónicos y tecnologías relacionadas sigue las reglas dadas por la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC), [71] una organización internacional de estándares no gubernamental y sin fines de lucro . [72] [73]
La definición de las características y el procedimiento de los métodos de prueba de los condensadores para su uso en equipos electrónicos se establecen en la especificación genérica :
- IEC / EN 60384-1: Condensadores fijos para uso en equipos electrónicos
Las pruebas y requisitos que deben cumplir los condensadores electrolíticos de aluminio y tantalio para su uso en equipos electrónicos para su aprobación como tipos estandarizados se establecen en las siguientes especificaciones seccionales :
- IEC / EN 60384-3— Condensadores electrolíticos de tantalio fijos de montaje en superficie con electrolito sólido de dióxido de manganeso
- IEC / EN 60384-15: condensadores de tantalio fijos con electrolito sólido y no sólido
- IEC / EN 60384-24— Condensadores electrolíticos de tantalio fijos de montaje en superficie con electrolito sólido de polímero conductor
Mineral de tantalio
Los condensadores de tantalio son el uso principal del elemento tantalio. El mineral de tantalio es uno de los minerales conflictivos . Algunas organizaciones no gubernamentales están trabajando juntas para crear conciencia sobre la relación entre los dispositivos electrónicos de consumo y los minerales conflictivos.
Mercado
El mercado de condensadores electrolíticos de tantalio en 2008 fue de aproximadamente 2.200 millones de dólares, lo que representa aproximadamente el 12% del mercado total de condensadores. [74]
Fabricante | Versiones disponibles | |||||
---|---|---|---|---|---|---|
Ta-MnO 2 : chips SMD | Ta-Polímero- SMD-Chips | Ta-MnO 2 - radial | Axial-sólido-MnO 2 - MIL-PRF-39003 | Axial-Húmedo- MIL-PRF-39006 | ||
AVX | X | X | X | - | X | |
Cornell-Dubillier | X | - | - | - | - | |
Grupo Exxelia | X | - | X | X | X | |
Kemet | X | X | X | X | - | |
NCC-Matsuo | X | X | X | X | X | |
NEC / Tokin | X | X | - | - | - | |
NIC | X | X | - | - | - | |
ROHM | X | X | - | - | - | |
Electromecánica Samsung | X | X | - | - | - | |
Vishay | X | X | X | X | X |
Usos
La baja fuga y la alta capacidad de los condensadores de tantalio favorecen su uso en circuitos de muestreo y retención para lograr una larga duración de retención, y algunos circuitos de temporización de larga duración donde la sincronización precisa no es crítica. También se utilizan a menudo para el desacoplamiento de rieles de suministro de energía en paralelo con condensadores de película o cerámica que proporcionan una ESR baja y una reactancia baja a alta frecuencia. Los condensadores de tantalio pueden reemplazar a los condensadores electrolíticos de aluminio en situaciones en las que el entorno externo o el empaque de componentes densos dan como resultado un entorno interno caliente sostenido y donde es importante una alta confiabilidad. Los equipos como la electrónica médica y los equipos espaciales que requieren alta calidad y confiabilidad utilizan condensadores de tantalio.
Una aplicación especialmente común para los condensadores de tantalio de bajo voltaje es el filtrado de la fuente de alimentación en las placas base de las computadoras y en los periféricos, debido a su pequeño tamaño y confiabilidad a largo plazo. [75] [76]
Ver también
- Condensador electrolítico de aluminio
- Minería y ética del coltán
- Capacitor electrolítico
- Lista de fabricantes de condensadores
- Condensador de niobio
- Condensador de polímero
- Condensador de aluminio sólido (SAL)
- Tecnología de montaje superficial
- Tipos de condensador
Referencias
- ^ Tomáš Kárník, AVX, ÓXIDO DE NIOBIUM PARA LA FABRICACIÓN DE CONDENSADORES, METAL 2008, 13. –15. 5. 2008, Hradec nad Moravicí PDF
- ^ a b I. Horacek, T. Zednicek, S. Zednicek, T. Karnik, J. Petrzilek, P. Jacisko, P. Gregorova, AVX, "Condensadores de tantalio de alto CV: desafíos y limitaciones" PDF
- ^ HC Starck GmbH, Información del producto Polvo de condensador de tantalio
- ^ H. Haas, HC Starck GmbH, Polvos de tantalio reducidos con vapor de magnesio con capacitancias muy altas [1]
- ^ a b c d J. Gill, AVX, TECNOLOGÍA BÁSICA DEL CONDENSADOR DE TANTALO, PDF o [2]
- ^ a b c d VISHAY, MODO DE FALLA DE FUGAS DE CC, PDF
- ^ KH Thiesbürger: Der Elektrolyt-Kondensator. 4. Auflage. Roederstein, Landshut 1991, OCLC 313492506
- ^ J. Qazi, Kemet, Una descripción general del análisis de fallas de los condensadores de tantalio
- ^ a b B. Goudswaard, FJJ Driesens, Mecanismo de falla de capacitores de tantalio sólidos, Philips, Ciencia y tecnología de electrocomponentes, 1976, Vol. 3. págs. 171-179 [3]
- ^ HW Holland, Kemet, Mecanismo de falla del capacitor de tantalio sólido y determinación de las tasas de falla
- ^ a b c d e f T.Zednicek, AVX, Un estudio de cristalización de campo en capacitores de tantalio y su efecto sobre DCL y confiabilidad, [4]
- ^ a b P. Vasina, T. Zednicek, AVX, J. Sikula, J. Pavelka, AVX, Modos de falla de los condensadores de tantalio fabricados por diferentes tecnologías, CARTS USA 2001 [5]
- ^ a b Y. Pozdeev-Freeman, Vishay, Hasta dónde podemos llegar con capacitores de tantalio de alto CV, PCI, enero / febrero de 2005, página 6, PDF archivado el 24 de enero de 2016 en la Wayback Machine.
- ^ R. Faltus, AVX Corp. EET Asia, Elección de los condensadores adecuados para garantizar la estabilidad del circuito de control a largo plazo [6]
- ^ Sistemas de numeración de piezas de condensadores de chip de tantalio y referencia cruzada del fabricante; F3075D; Kemet; Noviembre de 2004> PDF
- ^ a b D. F. Tailor, tantalio y compuestos de tantalio, Fansteel Inc., Enciclopedia de tecnología química, vol. 19, 2ª ed. 1969 John Wiley & sons, Inc.
- ^ RL Taylor y HE Haring, "Un condensador semiconductor de metal", J. Electrochem. Soc., Vol. 103, pág. 611, noviembre de 1956.
- ^ EK Reed, Laboratorio de propulsión a chorro, Caracterización de condensadores de polímero de tantalio, Tarea NEPP 1.21.5, Fase 1, FY05] [7]
- ^ DA McLean, FS Power, Proc. Inst. Radio Engrs. 44 (1956) 872
- ^ Preston Robinson, Sprague, Patente de EE. UU. 3066247, 25 de agosto de 1954 - 27 de noviembre de 1962
- ^ Sprague, Dr. Preston Robinson concedió la patente número 103 desde que se unió a la empresa en 1929 [8] [ enlace muerto permanente ]
- ^ A. Fraioli, avances recientes en el condensador electrolítico de estado sólido, transacciones IRE en componentes, junio de 1958
- ^ RJ Millard, Sprague, patente estadounidense 2936514, 24 de octubre de 1955-17 de mayo de 1960
- ^ Computerposter
- ↑ K. Lischka, Spiegel 27.09.2007, 40 Jahre Elektro-Addierer: Der erste Taschenrechner wog 1,5 Kilo, [9]
- ^ Larry E. Mosley, Intel Corporation, Necesidades de impedancia de condensador para futuros microprocesadores, CARTS USA 2006, [10] Archivado el 14 de diciembre de 2014 en la Wayback Machine.
- ↑ W. Serjak, H. Seyeda, Cap. Cymorek, Tantalum Availability: 2000 and Beyond, PCI, marzo / abril de 2002, "Copia archivada" (PDF) . Archivado desde el original (PDF) el 8 de agosto de 2014 . Consultado el 2 de enero de 2015 .CS1 maint: copia archivada como título ( enlace )
- ^ La cadena de suministro de tantalio: un análisis detallado, PCI, marzo / abril de 2002 Archivado el 8 de agosto de 2014 en la Wayback Machine.
- ^ Sobre el Premio Nobel de Química 2000, Información avanzada, 10 de octubre de 2000, [11]
- ^ YK ZHANG, J. LIN, Y. CHEN, Condensadores electrolíticos de polímero de aluminio con polipirrol químicamente polimerizado (PPy) como materiales catódicos, Parte I.Efecto de la concentración de monómeros y oxidantes en las propiedades eléctricas de los condensadores, PDF archivado 2014-12-14 en la Wayback Machine.
- ^ U. Merker, K. Wussow, W. Lövenich, HC Starck GmbH, Nuevas dispersiones de polímeros conductores para condensadores de electrolitos sólidos, PDF archivado el 4 de marzo de 2016 en la Wayback Machine.
- ^ John Prymak, Kemet, Reemplazo de MnO2 con polímeros, CARROS 1999
- ^ F. Jonas, HCStarck, Baytron, Propiedades físicas y químicas básicas, Präsentation 2003, [www.hcstarck.de]
- ^ Cap. Schnitter, A. Michaelis, U. Merker, HC Starck, Bayer, Nuevos materiales a base de niobio para capacitores de electrolitos sólidos, Carros 2002
- ↑ T. Zednicek, WA Millman, Cap. PDF de hoja de ruta de la tecnología Reynolds, AVX, tantalio y niobio
- ^ Y. Pozdeev-Freeman, P. Maden, Vishay, Condensadores de niobio de electrolito sólido exhiben un rendimiento similar al tantalio, 1 de febrero de 2002, [12]
- ^ Cap. Reynolds, AVX, información técnica, gestión de la fiabilidad de los condensadores de tantalio, PDF
- ^ a b c J. Gill, AVX, Surge in Solid Tantalum Capacitors, PDF Archivado el 9 de enero de 2015 en la Wayback Machine.
- ^ a b A. Teverovsky, NASA, Efecto de las pruebas de sobrecorriente sobre la confiabilidad de los capacitores de tantalio sólidos PDF Archivado 14/12/2014 en la Wayback Machine.
- ^ A. Teverovsky, Perot Systems Code 562, NASA GSFCE, Effect of Surge Current Testing on Reliability of Solid Tantalum Capacitors PDF Archivado 2014-12-14 en Wayback Machine
- ^ I. Bishop, J. Gill, AVX Ltd., Comportamiento de voltaje inverso de capacitores de tantalio sólidos [13]
- ^ P. Vasina, T. Zednicek, Z. Sita, J. Sikula, J. Pavelka, AVX, Desglose térmico y eléctrico versus confiabilidad de Ta2O5 en ambos - Condiciones de polarización bipolar PDF
- ^ A. Berduque, Kemet, condensadores electrolíticos de aluminio de baja ESR para aplicaciones de voltaje medio a alto, PDF [ enlace muerto permanente ]
- ^ Joelle Arnold, Actualización de condensadores electrolíticos, Soluciones DfR
- ^ Vishay BCcomponents, Introducción a los condensadores de aluminio, Revisión: 10-Sep-13 1 Número de documento: 28356, PDF archivado 2016-01-26 en Wayback Machine
- ^ I. Salisbury, AVX, PDF de gestión térmica de condensadores de tantalio montados en superficie
- ^ RW Franklin, AVX, Clasificación de ondulación de los condensadores de chip de tantalio PDF
- ^ KEMET, Capacidades actuales de ondulación, Actualización técnica 2004
- ^ RW Franklin, AVX, UNA EXPLORACIÓN DE LA CORRIENTE DE FUGAS
- ^ Kemet, condensadores de chip de tantalio de polímero
- ^ RW Franklin, AVX, ANÁLISIS DEL PDF ACTUAL DE FUGAS DEL CONDENSADOR DE TANTALO SÓLIDO
- ^ "Comprender el empapado de condensadores para optimizar sistemas analógicos" por Bob Pease 1982 "Copia archivada" . Archivado desde el original el 23 de enero de 2010 . Consultado el 26 de enero de 2010 .CS1 maint: copia archivada como título ( enlace )
- ^ * "Modelado de absorción dieléctrica en condensadores", por Ken Kundert
- ^ IEC / EN 61709, Componentes eléctricos. Fiabilidad. Condiciones de referencia para tasas de falla y modelos de estrés para conversión.
- ^ Predicción de confiabilidad MIL-HDBK-217F de equipos electrónicos
- ^ Calculadora de tabla en línea SQC, modelo de tasa de falla de capacitor, MIL-HDBK-217, Rev. F — Aviso 2 [14]
- ^ Hitachi, Precauciones en el uso de condensadores de tantalio, 4.2 Fórmula de cálculo de tasa de falla "Copia archivada" (PDF) . Archivado desde el original (PDF) el 14 de diciembre de 2014 . Consultado el 2 de enero de 2015 .CS1 maint: copia archivada como título ( enlace )
- ^ Software de calculadora KEMET FIT
- ^ E. Vitoratos, S. Sakkopoulos, E. Dalas, N. Paliatsas, D. Karageorgopoulos, F. Petraki, S. Kennou, SA Choulis, Mecanismos de degradación térmica de PEDOT: PSS, Organic Electronics, Volumen 10, Número 1, febrero 2009, páginas 61–66, [15]
- ^ Nichicon, Guía técnica, Fórmula de cálculo de PDF de por vida
- ^ Estimación de la vidaútilde FUJITSU MEDIA DEVICES LIMITED PDF Archivado el 24 de diciembre de 2013 en la Wayback Machine.
- ^ Guía técnica de NIC, fórmula de cálculo de la vida útil Archivado el 15 de septiembre de 2013 en la Wayback Machine.
- ^ a b c d J. Gill, T. Zednicek, AVX, REGLAS DE DERIVACIÓN DE VOLTAJE PARA CONDENSADORES DE TANTALO SÓLIDO Y NIOBIUM, PDF
- ^ a b R. Faltus, AVX, los condensadores avanzados garantizan la estabilidad del circuito de control a largo plazo, 2/7/2012, EDT [16]
- ^ Elna, Tasas de falla de los condensadores de chip de tantalio
- ^ A. Teverovsky, DERECHO DE CORRIENTES DE SOBRETENSIÓN PARA CONDENSADORES DE TANTALO, Dell Services Federal Government, Inc. NASA / GSFC Greenbelt, MD20771, Estados Unidos [17]
- ^ D. Liu, MEI Technologies, Inc. Centro de vuelo espacial Goddard de la NASA, modos de falla en capacitores cuando se prueban bajo un estrés que varía en el tiempo [18]
- ^ Jim Keith, ¡Qué cap-astrophe!, EDN, 27 de mayo de 2010
- ^ Epcos, condensadores electrolíticos de aluminio, PDF de información técnica general
- ^ "COMPORTAMIENTO DE VOLTAJE INVERSO DE CONDENSADORES DE TANTALO SÓLIDO" (PDF) .
- ^ Página de inicio de IEC
- ^ Tienda web IEC
- ^ Normas IEC / EN / DIN, Beuth-Verlag
- ^ Condensadores electrónicos, SIC 3675, NAICS 334414: Fabricación de condensadores electrónicos, Informe de la industria: [19]
- ^ Prymak, JD (1998). "Nuevos condensadores de tantalio en aplicaciones de suministro de energía". Conferencia sobre aplicaciones industriales, 1998 . 2 : 1129-1137. CiteSeerX 10.1.1.369.4789 . doi : 10.1109 / IAS.1998.730289 . ISBN 0-7803-4943-1. S2CID 17192531 .
- ^ Tamara Schmitz y Mike Wong Elección y uso de condensadores de derivación
enlaces externos
- Medios relacionados con los condensadores de tantalio en Wikimedia Commons