184 185 186 187 188 189 190 191 192 193 194 195 196

Раздел 16 Импульсные источники питания

Выбор пассивных компонентов

Твердотельные танталовые и ниобиевые конденсаторы

Главным достоинством твердотельных танталовых конденсаторов является их высокая удельная ёмкость. Они имеют значительно более низкое максимальное напряжение, чем алюминиевые электролиты. Максимальное рабочее напряжение колеблется в пределах 30…50 В, в зависимости от технологии производства. Ниобиевые конденсаторы изготавливаются похожим образом и имеют сходные характеристики. Главным преимуществом танталовых и ниобиевых конденсаторов с монтажом на поверхность является их способность выдерживать температуру пайки.

В твердотельных танталовых конденсаторах в качестве диэлектрика используется оксид металла, так же как и в алюминиевых электролитах. Анод танталового конденсатора сначала формируется из смеси связующего вещества и маленьких крупиц тантала. Смесь прессуется в заготовку со вставленной в неё танталовой проволокой. Затем заготовка нагревается, чтобы удалить связующее вещество и получить пористую металлическую структуру с очень большой площадью поверхности. Заготовка спекается при высокой температуре, сплавляя крупицы тантала в пористую твердотельную структуру. Диэлектрик — пентоксид тантала — формируется погружением заготовки в раствор кислоты и пропусканием тока через заготовку и раствор при высокой температуре. Изменяя силу тока и время его протекания, можно контролировать толщину оксидного слоя и создаваемую ёмкость. В процессе использования конденсатора возможно появление тока утечки, причиной которого является наличие примесей в поверхностном слое диэлектрика. При формировании диэлектрика между металлическим танталом и пентоксидным слоем создаётся дополнительный слой оксида тантала. При этом образуется диодная структура металл-диэлектрик-полупроводник, похожая на структуру диода Шотки. Эта структура при подаче обратного напряжения смещения на конденсатор работает как настоящий физический диод. Заготовка окунается в раствор нитрата марганца, а затем сушится при температуре примерно 250°С. При этом создаётся слой диоксида марганца, который используется в качестве катода конденсатора. Механический контакт со слоем диоксида марганца создаётся следующим образом: слой диоксида марганца покрывается графитом, графит в свою очередь покрывается слоем серебра, а катодный вывод корпуса для поверхностного монтажа выполняется из посеребрённой эпоксидной смолы. Катодный вывод танталовых конденсаторов, предназначенных для монтажа в отверстия в плате, припаивается непосредственно к слою серебра.

Танталовые конденсаторы обычно выходят из строя с замыканием, возможным последствием чего является возгорание. Возгоранию способствует высвобождение кислорода из диоксида марганца. Выброс напряжения (даже в пределах рабочего напряжения) может быстро пробить диэлектрик. Конденсатор начнёт потреблять ток и вырабатывать тепло, что вызовет стремительный разогрев.

Танталовые конденсаторы имеют высокую отказоустойчивость, которая ещё и увеличивается со временем. В номинальных условиях они обладают длительным сроком службы без изнашивания, в отличие от алюминиевых электролитов. ЭПС танталовых конденсаторов снижается с ростом частоты. На низких частотах ЭПС складывается из сопротивления контактирующего материала первую очередь графита) и диоксида марганца. ЭПИ можно не учитывать, потому что её вклад в общее сопротивление очень мал по сравнению с ЭПС. Ёмкость и ЭПС конденсатора имеют некоторую зависимость от температуры, но она значительно меньше, чем в алюминиевых конденсаторах.

Танталовые конденсаторы обычно используются при напряжении 50% от номинального, чтобы снизить вероятность выхода из строя из-за выбросов. Алюминиевые конденсаторы в отличие от них способны выдерживать выбросы тока и напряжения выше номинального рабочего напряжения. Неудивительно, что танталовый конденсатор номиналом 35 В используется в цепи 12 В. Фирма AVX предлагает неплохую документацию, в которой описано, как снизить вероятность отказа танталовых конденсаторов из-за выбросов.

Фирма AVX производит серию конденсаторов на основе оксида ниобия вместо металлического ниобия. Оксид ниобия проводит ток, но пентоксид ниобия является изолятором. Конденсатор на основе оксида ниобия обладает лучшей надёжностью и устойчивостью к возгоранию по сравнению с танталовыми или ниобиевыми конденсаторами. Металлический ниобий имеет схожие с металлическим танталом характеристики и не может рассматриваться в качестве альтернативы танталу. Тем не менее эти конденсаторы могут стать более привлекательными благодаря дешевизне и большей доступности ниобия по сравнению с танталом.

184 185 186 187 188 189 190 191 192 193 194 195 196