Устройство танталового конденсатора

Конструкция и особенности танталовых конденсаторов

В настоящее время, кроме всем известных алюминиевых электролитических конденсаторов в электронике активно применяются электролитические конденсаторы с танталовым диэлектриком.

Давайте узнаем, как устроен танталовый электролитический конденсатор, а также изучим его сильные и слабые стороны. Вот так выглядит танталовый чип-конденсатор для поверхностного монтажа ёмкостью 1 мкФ и рабочее напряжение 35V.



Как известно, на ёмкость конденсатора влияет площадь обкладок, а также толщина диэлектрика, который находится между ними.

В качестве анода в танталовом конденсаторе выступает порошок из тантала высокой степени очистки. Этот порошок прессуют и нагревают в вакууме до высокой температуры (1300 — 2000⁰С). В результате получается пористая структура, похожая на губку. За счёт высокой пористости удаётся получить большую площадь анодной обкладки.

Формирование диэлектрика.

Далее при производстве конденсатора формируется диэлектрик. Это делается с помощью электрохимического окисления.

Меняя величину приложенного напряжения, формируют необходимую толщину слоя диэлектрика.

На пористой поверхности танталового анода образуется тончайшая плёнка диэлектрика — пентаоксида тантала Ta₂O₅. Благодаря этому оксиду удаётся получить очень тонкую и непроводящую плёнку. Отметим, что полученный диэлектрик имеет аморфную структуру и не проводит ток. Также существует кристаллический Ta₂O₅, но в отличие от аморфного он является проводником. Запомним эту особенность.



Только вдумайтесь, толщина плёнки диэлектрика Ta₂O₅ может составлять несколько сотен — тысяч ангстрем! Чтобы было более наглядно, переведём ангстремы в доли метра. 1 ангстрем = 1,0 * 10^-10 метра, другими словами 1 ангстрем = 0,1 нанометра. Таким образом, толщина слоя диэлектрика у танталового конденсатора составляет от 10 до 100 нанометров! Так что, нанотехнологии уже давно применяются на практике и удивляться этому не стоит.

Для сравнения. У рядовых алюминиевых электролитических конденсаторов толщина диэлектрика чуть менее 1 мкм (1 мкм = 0,000 001 метра). Это в 100 раз больше, чем толщина самой тонкой плёнки пентаоксида тантала в 10 нанометров.

Твёрдотельный электролит.

В качестве электролита в танталовых конденсаторах используется диоксид марганца MnO₂. Данный оксид является твёрдотельным полупроводниковым материалом.

Полученную ранее губчатую структуру из пористого танталового порошка с образованным слоем диэлектрика пропитывают солями марганца. Далее с помощью окислительно-восстановительной реакции под нагревом формируют слой твёрдого электролита. Процесс повторяется несколько раз.

Особенности катода танталового конденсатора.

Для наилучшего контакта с выводом катода твёрдый электролит MnO₂ покрывают слоем графита, а на его поверхность наносят металл, обычно это серебро. Так что в танталовых конденсаторах присутствует один из самых востребованных драгоценных металлов. О драгметаллах в радиодеталях читайте здесь.

Полученную конструкцию запрессовывают в компаунд. Вот так в общих чертах выглядит устройство и технология изготовления танталового конденсатора.

ESR танталовых конденсаторов.

ESR танталового конденсатора на низких частотах определяется сопротивлением диэлектрика Ta₂O₅, а на высоких частотах его определяет уже сопротивление электролита MnO₂.

Как известно, импеданс (ёмкостное сопротивление) с ростом частоты падает вплоть до частот мегагерцового диапазона. А поскольку сопротивление электролита MnO₂, которое входит в ESR также уменьшается с увеличением температуры, то на высоких частотах ESR тоже уменьшается.

Благодаря этому, танталовые конденсаторы прекрасно работают в импульсных источниках питания, рабочая частота которых выше 100 кГц. На высоких частотах ESR их очень мал.

Недостатки танталовых конденсаторов.

Особенностью танталовых конденсаторов является то, что пентаоксид тантала имеет аморфную структуру и не проводит ток. Но, вот кристаллический Ta₂O₅ является прекрасным проводником. Под действием внешней температуры и высокого напряжения в диэлектрике образуются участки с кристаллическим Ta₂O₅. Это приводит к резкому возрастанию токов утечки и пробою.



При малых областях кристаллизации Ta₂O₅ может проявляться эффект восстановления. Возросший ток через область пробоя вызывает сильный нагрев и, как следствие, химические реакции в структуре твёрдого электролита MnO₂. В результате нескольких преобразований образуется непроводящий оксид марганца (MnO). Таким образом, место пробоя "закрывается" непроводящим ток оксидом.

Дефект конденсатора может быть вызван не только эксплуатацией в жёстких условиях.

Также причиной пробоя могут быть:

• Механические повреждения диэлектрика при производстве, например, при ударе и вибрациях;
  
  
• Повреждение слоя диэлектрика при формировании твёрдого электролита. Так как в результате формирования электролита происходит химическая реакция с выделением тепла и газа, то из-за этого может быть повреждён диэлектрик.
  
  
• Любой, даже самый чистый материал имеет включения и загрязнения. Так и танталовый порошок имеет загрязнения в виде примесей: железа, кальция, углерода и т.д. Если слой диэлектрика будет слишком тонкий, чтобы покрыть участки загрязнения, то в месте присутствия примесей образуется утечка и пробой.
  
  
• Наличие вкраплений кристаллического оксида тантала, которые могут образоваться в процессе производства или быть результатом некачественного сырья.
  
  

Особенности применения танталовых конденсаторов.

В настоящее время в широкой продаже имеются танталовые конденсаторы на номинальное напряжение до 75V. Как оказалось, танталовые конденсаторы очень чувствительны к превышению номинального напряжения. Наблюдения показали, что если снизить рабочее напряжение на 50%, то показатель отказов снижается на 5%. Именно поэтому их рекомендуют использовать в схемах, где рабочее напряжение ниже номинального напряжения.

Обычно танталовые конденсаторы встречаются на печатных платах в виде SMD-элементов жёлто-оранжевого цвета. Несмотря на свои скромные размеры, они обладают ёмкостью в несколько десятков — сотен микрофарад и рассчитаны на рабочее напряжение от 4 до 75 вольт. Со стороны плюсового вывода на их корпус наносится полоса.

Танталовые конденсаторы для монтажа в отверстия обычно имеют каплевидную форму, покрыты жёлто-оранжевым компаундом и имеют со стороны плюсового вывода метку в виде линии.



Маркировка танталовых конденсаторов похожа на маркировку керамических. Ёмкость указывается тремя цифрами, последняя указывает на количество нулей. Таким образом, запись 226 говорит нам о том, что ёмкость равна 22 000 000 пикофарад = 22 000 нанофарад = 22 микрофарады. Номинальное напряжение (Rated Voltage) указывается ниже. Далее на фото видно, что номинальное напряжение конденсатора равно 35 вольтам (надпись 35).



На некоторых конденсаторах маркировка иная. После числового значения ёмкости ставится буква µ (микро), а после номинального напряжения конденсатора указывается буква V.



На фото показан танталовый конденсатор ёмкостью 10 мкФ и номинальное напряжение 16V.