Танталовые электролитические конденсаторы

Танталовые электролитические конденсаторы с твердофазным электролитом часто используются разработчиками для накопления энергии, фильтрации и развязки сигналов в электронных схемах. Они отличаются стабильностью и небольшими габаритами. Благодаря технологическому прогрессу в этих конденсаторах используются постоянно улучшающиеся полимерные катоды для снижения эффективного последовательного сопротивления (ESR), эквивалентной последовательной индуктивности (ESL) и значительного увеличения плотности. Причем влияние этих улучшений на основные параметры конденсаторов весьма значительно.

Сравнение проводимости MnO2 с PEDT, от которой зависит ESR.

Напомним, что танталовые конденсаторы используются уже 60 лет. Благодаря надежности и плотности емкости они зарекомендовали себя в схемах военной и гражданской авиации, медицинских имплантатах, ноутбуках, смартфонах, а также в системах промышленной автоматизации и управления. Их главное преимущество – высокая емкостная плотность, то есть емкость, относящаяся к единице физического объема.

Благодаря очень большой площади поверхности, небольшой толщине и высокой диэлектрической проницаемости, они достигают емкости до нескольких мкФ при напряжении до 50 В и характеризуются самой высокой емкостной плотностью.

При использовании высококачественных танталовых материалов эти конденсаторы значительно превосходят конденсаторы других технологий. Например, версии 22 мкФ 4 В помещаются в корпус 0402, а версии 47 мкФ 50 В и более подходят для монтажа в корпусе с одним сквозным отверстием. В обычных танталовых конденсаторах в качестве катода используется спеченный диоксид марганца (MnO2). Этот недорогой полупроводниковый материал самовосстанавливающийся, что обеспечивает долгосрочную надежность. Но из-за высокого содержания кислорода этот материал может воспламениться в экстремальных тепловых условиях.

Достижения в конструкции танталовых конденсаторов

С середины 1990-х годов в промышленности ведутся работы по замене MnO2 проводящими полимерами. Их гораздо более высокая проводимость чем у MnO2 приводит к более низкому ESR. Это преимущество в сочетании с устранением риска воспламенения способствует увеличению инвестиций в эту технологию.

Зависимость ESR различных типов танталовых конденсаторов от частоты.

Производители предлагают различные типы танталовых конденсаторов, ориентированные на различные области применения и сегменты рынка. Различные производственные серии по-разному специализируются на низком ESR, уменьшенных габаритах, высокой надежности (например, военном, автомобильном или медицинском применении), пониженной утечке постоянного тока или устойчивости к высоким температурам.

Конденсаторы со сниженным ESR обеспечивают более высокий КПД в устройствах с импульсным или переменным напряжением и лучшую фильтрацию сильных шумовых помех, а конденсаторы с уменьшенными размерами – с большим CU (произведение емкости и допустимого напряжения) с катодом из порошкового тантала в небольших корпусах, полезны в устройствах с небольшим объемом, таких как смартфоны, планшеты и другие портативные гаджеты.

Танталовые конденсаторы с низким ESR

Снижение значения ESR танталовых конденсаторов было целью исследовательских работ. Первоначально основным материалом катода был порошковый диоксид марганца. Материал катода и процесс его формирования оказывают значительное влияние на размер ESR. Значительное снижение ESR было достигнуто за счет замены катода MnO2 на проводящий полимер и замены материала корпуса металлического вывода с ферро-никелевых сплавов на медь.

Поперечное сечение танталового конденсатора, показывающее выводные контакты.

На рисунке показаны преимущества схемы полимерного катода в танталовых конденсаторах. Прямое сравнение конденсатора емкостью 47 мкФ 6,3 В в корпусе A с катодом из MNO 2 с таким полимерным катодным конденсатором (PEDT – поли 3,4 этилендиокситиофен) на частоте 100 кГц показывает удельную проводимость на порядок больше.

Повышение добротности танталовых конденсаторов с годами в результате совершенствования технологии получения порошкового MnO2.

Более проводящий медный материал выводной рамки также значительно снижает ESR. На рисунке показано поперечное сечение конденсатора с видимой выводной рамкой, соединяющей его с внешними контактами корпуса. Традиционный материал – железо-никелевый сплав (сплав 42). Его преимущество – низкий коэффициент теплового расширения, невысокая стоимость и простота обработки.

Значительный прогресс в производстве медных выводных рамок облегчил их использование в танталовых конденсаторах. Электропроводность меди примерно в 100 раз выше, чем у сплава 42, что оказывает значительное влияние на снижение ESR. Например ESR танталового полимерного конденсатора Vishay 100 мкФ 6,3 В (EIA 3216) с обычной свинцовой панелью составляет 70 мОм при 25°C для 100 кГц, а с медной панелью 40 мОм.

Миниатюрные танталовые конденсаторы

Очень важным параметром конденсатора является его емкостная плотность, то есть отношение его емкости к массе. Это зависит от миниатюризации корпуса и добротности материала катода. Этот коэффициент пропорционален произведению емкости и допустимого напряжения на единицу массы (C х U / m, выраженное в mF х V / g).

Влияние внутренней структуры танталовых конденсаторов на их емкостную плотность.

На рисунке показана эволюция производства танталового порошка, проиллюстрированная показателем качества MnO2 в течение 20 лет. Это качество улучшилось за счет повышения чистоты материала и уменьшения размера его частиц.

Зависимость емкости и индуктивности танталовых конденсаторов различной конструкции от частоты.

Усовершенствования конструкции выводной рамки также способствовали уменьшению размера танталовых конденсаторов. В настоящее время это дешевая технология, которая очень эффективна в производстве. Более плотный корпус позволяет увеличить емкость и допустимое напряжение конденсатора. Результаты тенденции к уменьшению размеров внутренних выводов конденсаторов показаны на рисунке.

Vishay запатентовала технологию многослойной упаковки (MAP), которая заключается в металлизации крайних краев слоев конденсаторов, уменьшая таким образом размер их внутренних выводов. Этот метод позволил повысить емкостный КПД конденсаторов более чем на 60%, а также уменьшить утечку тока.

Дополнительным преимуществом MAP является снижение ESL. Отсутствие рамки с выводами значительно уменьшает размер петли токоподвода. Как показано, это уменьшение составляет 30% по сравнению со стандартной конструкцией с выводной рамкой. В результате резонансная частота конденсатора выше.

Технологический прогресс в производстве танталовых конденсаторов приводит к уменьшению ESR и ESL, а также их внешних размеров. Благодаря усовершенствованию производственных процессов и усовершенствованию схемы полимерных катодов, конденсаторы стали более стабильными, воспроизводимыми и надежными.