Все о танталовых конденсаторах — максимально подробно

Описание и назначение танталовых конденсаторов

Современные танталовые конденсаторы имеют малые размеры и относятся к чип-компонентам, которые предназначены для монтажа на плате. Иначе такие детали называются SMD, что расшифровывается как «компоненты поверхностного монтажа». SMD детали удобны для автоматизированных процессов монтажа и пайки на печатные платы.

Основное назначение электролитических поляризованных танталовых конденсаторов – действовать в комплексе с резистором с целью обработки сигнала и сглаживания его пиков и острых импульсов.

Конденсаторы широко используются в автомобильной, промышленной, цифровой, аэрокосмической технике.

Обозначение в схемах

Вообще при ремонте и перепайке современных печатных SMD-плат удобнее всего, когда под рукой все же имеется схема, глядя на которую намного проще разобраться с тем, что установлено, узнать расположение определенной детали, потому как SMD-конденсатор по виду может совершенно не отличаться от того же транзистора. Обозначения этих деталей в схемах остались такими же, как и были до прихода на рынок чипов, а потому и емкость, и другие нужные характеристики можно также без труда найти радиолюбителю, который не сталкивался с SMD-компонентами.

Используемые источники:

• story/markirovka_kondensatorov_smd_4710038
• https://amperof.ru/teoriya/markirovka-tantalovyx-smd-kondensatorov.html
• https://lampagid.ru/elektrika/komponenty/markirovka-smd-kondensatorov

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.

Конструктивные особенности резисторов SMD

Изготовление чип-резистора представляет собой результат производства по плёночной технологии. Слой резистивного покрытия в виде плёнки различной толщины наносится на подложку. Такая подложка осуществляет:

• обеспечение изоляции;
• отвод тепла.

Она же является основанием. Сопротивление такого чипа напрямую зависит от материала и толщины плёночного покрытия. Сложность работы с толщиной выделило два вида технологии изготовления чип-резисторов:

• Thick Film – толстоплёночные (70-10 мкм);
• Thin Film – тонкоплёночные (до 50 нм).

Первые порой именуют керметными, из-за метало-оксидного состава порошков. Порошок в виде пасты наносится на основу, используется трафаретная печать. После чего выполняют вжигание в печи, доводя температуру до 9000 С.

Вторые изготавливают при помощи ионного вакуумного напыления сплава никеля с нихромом. Так достигается точность сопротивления с допуском 0,01% в обе стороны.

Оба типа в итоге подгоняют к заданным значениям сопротивления при помощи лазерного тримминга (обрезания).

Внешне различить, к какому виду принадлежит резистор, трудно. Технология Thick Film Chip Resistors несколько проще, потому такие элементы дешевле.

Пассивный двухполюсник, обладающий определённым сопротивлением, имеет различную форму. Бывают следующие геометрические разновидности:

• прямоугольник;
• квадрат;
• овальные очертания (заниженный по высоте профиль).

Если говорить о стандартном типоразмере подобных компонентов схемы, то преимущественно используется стандарт JEDEC. Типоразмер имеет определённый код, информирующий о размерах в длину H и ширину W.

Особенности танталовых конденсаторов

• Доступная емкость этих радиодеталей – от 1 до нескольких сотен мкФ
• Относительно низкое эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) и наименьшее значение утечки. Благодаря этим свойствам, танталовые конденсаторы успешно работают в качественной аудиоаппаратуре, тестовых и измерительных приборах.
• Тонкий оксидный слой, который обеспечивает высокую диэлектрическую проницаемость. Сочетание значительной площади поверхности губчатого анода с хорошей диэлектрической проницаемостью обеспечивает хранение большого запаса энергии.

В отличие от электролитических, танталовые конденсаторы при переплюсовке или пробое взрываются. Сила взрыва зависит от размеров конденсатора и может повредить как соседние элементы, так и монтажную плату.

Видео

Впервые столкнувшийся с видом SMD-конденсатора радиолюбитель недоумевает, как же разобраться во всех этих «квадратиках» и «бочонках», если на некоторых вообще отсутствует маркировка, а если и есть таковая, то и не поймешь, что же она обозначает. А ведь хочется идти в ногу со временем, а значит, придется разобраться все-таки, как определить принадлежность элемента платы, отличить один компонент от другого. Как оказалось, все же различия есть, и маркировка, хотя и не всегда и не на всех конденсаторах, дает представление о параметрах. Есть, конечно, SMD-компоненты и без опознавательных знаков, но обо всем по порядку. Для начала следует понять, что же представляет собой этот элемент и в чем его задача.

Работает такой компонент следующим образом. На каждую из двух пластинок, расположенных внутри, подаются разноименные заряды (полярность их разнится), которые стремятся один к другому согласно законам физики. Но «проникнуть» на противоположную пластину заряд не может по причине того, что между ними диэлектрическая прокладка, а следовательно, не найдя выхода и не имея возможности «уйти» от близлежащего противоположного полюса, накапливается в конденсаторе до заполнения его емкости.

Содержание

Пробои танталовых конденсаторов

При использовании этих эффективных, но немного капризных устройств, необходимо контролировать появление состояния отказа, поскольку известны случаи их возгорания при отказе. Отказы связаны с тем, что при неправильной эксплуатации пентаоксид тантала меняет аморфную структуру на кристаллическую, то есть из диэлектрика он превращается в проводник. Смена структур может наступить из-за слишком высокого пускового тока. Пробой диэлектрика вызывает повышение токов утечки, которые в свою очередь приводят к пробою самого конденсатора.

Причиной неприятностей, связанных с эксплуатацией танталовых конденсаторов, может быть диоксид марганца. Кислород, который присутствует в этом соединении, вызывает появление локальных очагов возгорания. Пробои с возгоранием характерны для старых моделей. Новые технологии позволяют получать более надежную продукцию.

Пробои, которые произошли при высоких температурах и напряжении, могут вызывать эффект лавины. В этом случае повреждения часто распространяются на большую часть или всю площадь устройства. Если же площадь кристаллизованного пентаоксида тантала небольшая, то часто происходит эффект самовосстановления. Он возможен, благодаря преобразованиям, происходящим в электролите в случае пробоя диэлектрика. В результате всех превращений кристаллизованный участок-проводник оказывается окруженным оксидом марганца, который полностью нейтрализует его проводимость.

Базовые сведения

Понимание рабочих характеристик танталовых и многослойных керамических конденсаторов, в т. ч. надежности использования и реакции на изменение температуры и напряжения, типовых параметров испытаний и того, как были усовершенствованы конденсаторы каждого из этих типов, позволяет создавать дееспособные электронные устройства.

Начнем с базовых понятий. Для расчета емкости конденсатора используется формула:

C = εR ∙ ε0 ∙ (S/d),

где C – емкость, Ф; S – площадь перекрытия двух пластин, м2; εR – относительная диэлектрическая проницаемость среды; ε0 – диэлектрическая проницаемость вакуума; d – расстояние между пластинами (или толщина диэлектрика), м.

Другие дефекты танталовых конденсаторов

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

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.

Танталово-полимерные конденсаторы

Большая часть проблем, характерных для танталовых конденсаторов, решена в танталово-полимерных аналогах. В качестве электролита в танталово-полимерных конденсаторах вместо диоксида марганца используется токопроводящий полимер. Он дает минимальный ESR, что позволяет пропускать гораздо большие токи, по сравнению с танталовыми предшественниками. Танталово-полимерные устройства успешно применяются в качестве сглаживающих конденсаторов в источниках питания и преобразователях напряжения.

Токопроводящий полимер обеспечивает низкую чувствительность к импульсам тока, стойкость к внешним факторам, отсутствие деградации структуры, более высокий срок службы. Высокая стабильность емкости в широком интервале частот и температур позволяет применять танталово-полимерные устройства в промышленной, телекоммуникационной и автомобильной электронике и других областях, для которых характерно колебание рабочих температур.

Универсальная таблица цветов

Для детального изучения данной методики можно рассмотреть отечественный ГОСТ 175-72. По действующим правилам, каждому цвету соответствует определенная цифра. Серебристый и золотой – обозначают десятичные части.

На рисунке показан пример специализированной программы. С помощью подобных калькуляторов упрощается определение номинала. Расчет выполняется автоматически. Чтобы узнать значение в цифровой форме, достаточно сделать отметки в соответствии с расцветкой определенного радиокомпонента.

Стандартные ряды номиналов

Чтобы выбирать серийную продукцию без ошибок, следует напомнить о применении специальных обозначений рядов. Для Е12, например, разрешенное отклонение от номинала составляет не более 10% в сторону увеличения/ уменьшения. Стандартные значения (15; 18; 22 и другие) рассчитаны таким образом, чтобы при максимальной погрешности исключить ошибки. Разница между соседними позициями должна быть от 200% или более, по сравнению с установленным допуском.

Погрешности для других рядов «Е» приведены в следующем перечне (%):

• 192 (0,5);
• 96 (1);
• 48 (2);
• 24 (5);
• 6 (20).

К сведению. Изделия с минимальным отклонением от номинального значения электрического сопротивления маркируют тремя значащими кольцами (цифрами). Дополнительными полосами обозначают множитель и определенный допуск.

Основные характеристики 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.

Пример расчета допустимых значений токов и напряжений

В качестве примера рассмотрим расчет предельных значении токов и напряжений для конденсатора серии 293D (Vishay): типоразмер B, 1 мкФ ±20% , 35 В. Минимальное значение емкости с учетом погрешности 20%, составляет 0.8 мкФ.

Рассчитаем значения токов и напряжений для двух значений частоты: 120 Гц и 100 кГц.

Расчет для частоты 120 Гц

Предельное значение Vrms может быть определено из формул (3), (4), (5) в зависимости от уровня постоянной составляющей приложенного напряжения. Если выбран частный случай с постоянным смещением равным половине номинального напряжения (Vbias = 0.5·Vpp), то можно воспользоваться таблицей 6: для конденсаторов с номинальным напряжением 35 В, значение Vrms составляет 12.37 В.

Для определения значения максимального среднеквадратичного тока, необходимо определить значение импеданса (формула 10):

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

Максимальный среднеквадратичный ток (формула 6):

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

Еще раз стоит напомнить, что в расчетах использовалось минимальное значение емкости с учетом точности номинала.

Расчет для частоты 100 кГц

На высоких частотах основное ограничение на величину тока вносит допустимая рассеиваемая мощность. Максимальный среднеквадратичный ток может быть вычислен по формуле (12), зная значения Pmax и ESR.

Значение допустимой рассеиваемой мощности для типоразмера B можно взять из таблицы 3: Pmax (тип B) = 0.085 Вт.

Значение ESR выбирается одним из предложенных способов:

• При определении ESR по графику (рисунок 8). ESR = 1.5 Ом.
• При использовании табличного значения: ESR (+25°C) = 5 Ом.

В расчетах необходимо использовать максимальное значение ESR. Подставляя найденные значения в формулу (12), получаем:

Irms = √Pmax/ESR = √0.085/5 = 0.13 A

Значение максимального среднеквадратичного напряжения можно определить из формулы (3). Значение импеданса определено по графику (рисунок 8).

Vrms = Irms·Z = 0.13·3 = 0.39 B

Помимо грамотного расчета рабочих режимов необходимо соблюдать требования хранения и технологию монтажа танталовых конденсаторов.

Особенности проектирования плат и монтажа танталовых конденсаторов

Для этих устройств подходят практически все материалы печатных плат – FR4, FR5, G10, фторопласт, алюминий. Форма, размер посадочного места и способ монтажа указываются производителями деталей. Изменить рекомендуемые параметры монтажа может специалист, имеющий достаточно знаний и навыков, чтобы правильно скорректировать температуру пайки.

Перед монтажом на плату наносят паяльную пасту. Толщина слоя – 0,178+/-0,025 мм. Для того чтобы флюс, находящийся в пасте, эффективно растворил оксиды с мест контакта, подбирают оптимальный температурный режим пайки. Обычно это делают опытным путем.

Монтаж на плату осуществляется вручную или с помощью автоматизированного оборудования любого типа, применяемого сегодня. Пайка производится: вручную, волновым способом, в инфракрасных или конвекционных печах. Температурный режим предподогрева и пайки обычно предоставляют производители конкретной продукции.

Маркировка танталовых конденсаторов

В маркировке конденсаторов указывают стандартные параметры: емкость, номинальное напряжение, полярность. На корпусах типов B, C, D, E, V отображают все параметры, а на корпусе типа A вместо номинала напряжения указывают его буквенный код. В маркировке может указываться дополнительная информация – логотип производителя, код даты производства и другая.

Таблица буквенных кодов напряжения для корпусов типа A

Номинальное напряжение

Типы корпусов танталовых конденсаторов и их размеры

Основные виды и размеры SMD приборов

Корпуса компонентов для микроэлектроники, имеющие одинаковые номинальные значения, могут отличаться друг от друга габаритами. Их габариты определяются прежде всего по типовому размеру каждого. К примеру: резисторы обозначаются типовыми размеры от «0201» до «2512». Данные 4 цифры в маркировке SMD компонента обозначают кодировку, которая указывает длину и ширину прибора в дюймовом измерении. В размещенной таблице, типовые размеры указаны также и в мм.

Маркировка SMD компонентов — резисторы

SMD конденсаторы

Конденсаторы выполненные из керамики по размеру одинаковы с резисторами, что касается танталовых конденсаторов, то они определяются по своей, собственной шкале типовых размеров:

Катушки индуктивности и дроссели SMD

Индуктивные катушки могут быть выполнены в различных конфигурациях корпуса, но их значение индицируется также, исходя из типоразмеров. Такой принцип маркировки SMD и расшифровки кодовых обозначений, дает возможность значительно упростить монтаж элементов на плате в автоматическом режиме, а радиолюбителю свободнее ориентироваться.

dr>

Моточные компоненты, такие как катушки, трансформаторы и прочие, которые мы в большинстве случаев изготавливаем собственноручно, могут просто не уместится на плате. Поэтому такие изделия, также выпускаются в компактном исполнении, которые можно установить на плату.

Определить какая именно катушка требуется вашему проекту, лучше всего воспользоваться каталогом и там подобрать требующийся вариант по типовому размеру. Типовые размеры, определяют с использованием кодового обозначения маркированного 4 числами (0805). Где значение «08» определяет длину, а число «05» показывает ширину в дюймовом измерении. Фактические габариты такого SMD компонента составят 0.08х0.05 дюйма.

Диоды и стабилитроны в корпусе SMD

Что касается диодов, то они также выпускаются в корпусах как цилиндрической формы так и в виде многогранника. Типовые размеры у этих компонентов задаются идентично индуктивным катушкам, сопротивлениям и конденсаторам.

Транзисторы в корпусе SMD

СМД транзисторы выполнены в корпусах, которые соответствуют их максимальном мощности. Корпуса этих полупроводниковых элементов символично можно разделить на два вида: SOT и DPAK.

Маркировка SMD компонентов

Маркировка электронных приборов в современной технике уже требует профессиональных знаний, и так просто, с кондачка в ней тяжело разобраться, особенно начинающему радиолюбителю. В сравнении с деталями выпускаемыми при Советском Союзе, где маркировка номинального значения и тип прибора наносилась в текстовом варианте, сейчас это просто мета паяльщика. Не надо было держать под рукой кипы справочной литературы, чтобы определить назначение и параметры того или иного прибора.

Однако, технологические процессы в промышленности не стоят на месте и автоматизация производства определяет свои правила. Именно SMD детали в поверхостном монтаже играют главную роль, а роботу нет никакого дела до маркировки деталей заправленных в машину, что туда поместили, то он и припаяет. Маркировка нужна специалисту, который обслуживает этого робота.

Скачать программу для расшифровки обозначения SMD деталей

Особенности хранения конденсаторов

Танталовые конденсаторы способны сохранять рабочие характеристики в течение длительного времени. При соблюдении нужного режима (температура до +40°, относительная влажность 60%) конденсатор при длительном хранении теряет способность к пайке, сохраняя другие рабочие характеристики.

Общие рекомендации по продлению срока службы танталового конденсатора и повышению безопасности его эксплуатации:

• Соблюдение требований техпроцессов;
• Многоступенчатый контроль качества продукции;
• Соблюдение условий хранения;
• Выполнение требований к организации рабочего места для монтажа устройств на плату;
• Соблюдение рекомендуемого температурного режима пайки;
• Правильный выбор безопасных рабочих режимов;
• Соблюдение требований по эксплуатации.

Критерии выбора

Конденсатор CBB61

На современном рынке можно легко запутаться из-за наличия различных типов и подтипов чип-конденсаторов. Все они различаются по своим характеристикам, и каждый имеет свои плюсы и минусы.

Критерии выбора конкретных типов устройств определяются следующими факторами:

• способность работы при высоком напряжении;
• значительная емкость;
• величина пробивного напряжения;
• собственная индуктивность;
• стабильность и долгосрочность работы;
• стоимость.

Твердотельные танталовые конденсаторы благодаря отличным характеристикам имеют большую популярность в области производства электронной техники.