¿Qué son los condensadores de tantalio?
Ⅰ ¿ Qué son los condensadores de tantalio ?
Condensadores de tantalio son un subtipo de condensador electrolítico. Están compuestos de metal tantalio, que sirve como ánodo, una capa de óxido que sirve como dieléctrico y un cátodo conductor. El tantalio permite la formación de una capa dieléctrica muy fina. Como resultado, el valor de capacitancia por volumen es mayor, las características de frecuencia son superiores a las de muchos otros tipos de capacitores y la estabilidad en el tiempo es excelente. Los condensadores de tantalio generalmente están polarizados, lo que significa que solo se pueden conectar a una fuente de CC si la polaridad del terminal es correcta. La desventaja de utilizar condensadores de tantalio es su modo de fallo desfavorable, que puede provocar fugas térmicas, incendios y pequeñas explosiones. Sin embargo, esto se puede evitar utilizando dispositivos externos de seguridad, como limitadores de corriente o fusibles térmicos. Los condensadores de tantalio ahora se pueden encontrar en varios circuitos, incluidos los ordenadores portátiles, la industria automotriz, los teléfonos móviles y otros, más comúnmente como dispositivos montados en superficie. Montaje superficial Los condensadores de tantalio ocupan mucho menos espacio en la placa de circuito impreso y permiten densidades de empaquetamiento más altas.
En la siguiente imagen se muestra una vista en corte de un condensador de tantalio sólido . Vale la pena señalar lo finos que son los revestimientos que rodean el núcleo de tantalio (cátodo de dióxido de manganeso, carbono, pintura plateada).
Vista en corte del condensador de tantalio sólido
Los condensadores de tantalio húmedos (electrolíticos) se diferencian de los condensadores de tantalio sólidos en que una pasta de electrolito semilíquido sirve como segundo electrodo; Estos dispositivos son similares a los condensadores electrolíticos de aluminio con ánodo de aluminio sólido. Los condensadores electrolíticos tienen valores de capacitancia muy altos en general, pero debido a la polaridad requerida, no son adecuados para aplicaciones de alimentación de CA; sin embargo, se utilizan ampliamente en fuentes de alimentación de CC. Los condensadores de tantalio tienen una vida útil más larga, mayor resistencia a la temperatura y valores de capacitancia más altos que los dispositivos electrolíticos de aluminio, pero son más susceptibles a sufrir daños por voltajes constantes tan bajos como 1,5 V. En el diagrama se muestra una vista en corte de un condensador de tantalio húmedo. abajo.
Vista en corte del condensador de tantalio húmedo
Ⅱ Especificaciones de condensadores de tantalio
2.1 Factor de forma
Los condensadores de tantalio suelen estar disponibles en dos configuraciones: con terminales (o de orificio pasante) y de montaje en superficie (SMT).
Los cables largos de los condensadores con terminales se sueldan a una PCB para formar una conexión eléctrica. Estos dispositivos emplean tecnología de orificio pasante (THT), que permite conexiones mecánicas fuertes. Los condensadores THT deben ser relativamente grandes y han sido reemplazados en gran medida por productos de montaje en superficie.
Los condensadores de montaje superficial (o chip) se fijan a la parte superior de una PCB con cables muy cortos, contactos planos u otros tipos de terminación. Los dispositivos SMT son más pequeños y menos costosos de producir que sus homólogos THT más antiguos.
Un condensador THT (izquierda) y SMT
2.2 Estándares
Los condensadores de tantalio pueden fabricarse según uno o más estándares diferentes, entre ellos:
EIA 535 (serie)
BS/DIN EN 130201
BS EN 60384-24
MIL PRF 39006
2.3 Capacitancia
Se pueden utilizar dos fórmulas relacionadas para calcular la cantidad de carga en las placas o la capacitancia máxima del dispositivo.
La capacitancia se calcula como:
dónde:
C = capacitancia
Q = carga
V = voltaje
Si se conocen los valores de voltaje y capacitancia aplicados, también podemos encontrar la carga reordenando esta fórmula:
La capacitancia también se puede calcular en relación con la geometría de un capacitor:
dónde:
C = capacitancia
Ε = permitividad del dieléctrico
A = área de la placa
d = distancia entre placas
Esta ecuación demuestra que la capacitancia es independiente del voltaje y la carga aplicados y es solo una función de la geometría y el material dieléctrico del dispositivo.
Los faradios son unidades extremadamente grandes que se utilizan para medir la capacitancia. La mayoría de los condensadores están clasificados en micro o picofaradios.
Ⅲ Condensadores de tantalio SMD
Los condensadores de tantalio de montaje superficial se utilizan ampliamente en equipos electrónicos modernos. Proporcionan un servicio confiable y permiten obtener altos valores de capacitancia dentro de los tamaños de paquete pequeños necesarios para los equipos modernos cuando se diseñan con márgenes suficientes.
Debido a su incapacidad para soportar las temperaturas requeridas para la soldadura, los tipos electrolíticos de aluminio inicialmente no estaban disponibles en paquetes de montaje en superficie. Como resultado, para los condensadores de alto valor en conjuntos de montaje en superficie, los condensadores de tantalio que podían soportar el proceso de soldadura por reflujo eran casi la única opción (SMT). A pesar de la disponibilidad de condensadores SMD, el tantalio sigue siendo el condensador elegido para aplicaciones SMD debido a su excelente costo, tamaño y parámetros de rendimiento.
Tamaño del condensador de tantalio de montaje en superficie | ||
Designación | Tamaño (mm) | Designación EIA |
Talla A | Largo 3,2 x ancho 1,6 x alto 1,6 | EIA 3216-18 |
Talla B | Largo 3,5 x ancho 2,8 x alto 1,9 | EIA 3528-21 |
Talla C | Largo 6,0 x ancho 3,2 x alto 2,2 | EIA 6032-28 |
Talla D | Largo 7,3 x ancho 4,3 x alto 2,4 | EIA 7343-31 |
Talla E | Largo 7,3 x ancho 4,3 x alto 4,1 | EIA 7343-43 |
Los tipos de SMD suelen identificarse con tres números. Las dos primeras son cifras significativas y la tercera es el multiplicador. Las medidas están en picofaradios (pF). 495E, por ejemplo, representa 4,9x105pF, lo que equivale a 4,9F. A veces se utilizan valor y unidad para indicar valores de forma más directa.
Ⅳ Aplicaciones de condensadores de tantalio
Condensadores de tantalio se utilizan en aplicaciones debido a su baja corriente de fuga, alta capacidad y estabilidad y confiabilidad a largo plazo. Se utilizan, por ejemplo, en circuitos de muestreo y retención que dependen de una baja corriente de fuga para lograr una larga duración de retención. Debido a su pequeño tamaño y estabilidad a largo plazo, también se usan comúnmente para filtrar la fuente de alimentación en placas base de computadoras y teléfonos celulares, generalmente en forma de montaje en superficie. Los condensadores de tantalio también están disponibles en versiones con especificaciones militares (MIL-SPEC) que tienen tolerancias más estrictas y un rango de temperatura de funcionamiento más amplio. Debido a que no se secan ni cambian de capacitancia con el tiempo, son un reemplazo popular del electrolítico de aluminio en aplicaciones militares. El tantalio también se utiliza en electrónica médica debido a su alta estabilidad.
Ⅴ Construcción y propiedades de los condensadores de tantalio
Los condensadores electrolíticos de tantalio, como todos los condensadores electrolíticos, tienen un ánodo, un electrolito y un cátodo. Debido a que el ánodo y el cátodo están separados, sólo una cantidad muy pequeña de fuga de CC puede pasar a través del capacitor. El ánodo está fabricado íntegramente de metal tantalio. Después de molerse hasta obtener un polvo fino, el metal se sinteriza formando una pastilla a altas temperaturas. Como resultado, se forma un ánodo poroso con una gran superficie. Una superficie mayor se traduce directamente en un valor de capacitancia más alto.
Luego se aplica al ánodo una capa de óxido aislante que actúa como dieléctrico. Esto se conoce como anodización. Debido a que el grado de crecimiento del óxido determina el espesor dieléctrico, este paso debe controlarse con precisión para minimizar las tolerancias y garantizar valores de capacitancia precisos.
La pirólisis se utiliza para agregar electrolito al ánodo de los condensadores de tantalio sólidos. Luego, los condensadores de tantalio sólidos se sumergen en una solución especial antes de cocerlos en un horno para formar una capa de dióxido de manganeso. El proceso se repite hasta que todas las superficies internas y externas del pellet tengan una capa gruesa. Finalmente, la pastilla utilizada en los condensadores de tantalio sólido se sumerge en grafito y plata para garantizar una buena conexión catódica. A diferencia de los condensadores de tantalio sólidos, los condensadores de tantalio húmedos utilizan un electrolito líquido. Después de sinterizar y formar la capa dieléctrica, el ánodo se sumerge en un electrolito líquido dentro de un recinto. La carcasa y el electrolito sirven como cátodo en los condensadores de tantalio húmedos.
Ⅵ Pruebas de condensadores de tantalio frente a cerámicos
6.1 Prueba de vida útil de infrarrojos de condensadores de tantalio frente a condensadores cerámicos
La Figura 1 muestra las condiciones de prueba de vida útil para varios capacitores cerámicos y de tantalio fabricados por varios fabricantes, así como el cambio permitido en la resistencia de aislamiento y/o DCL/CV. Debido a que las condiciones para las pruebas de vida útil no están estandarizadas, es difícil realizar comparaciones directas entre capacitores cerámicos fabricados por diferentes fabricantes con alta certeza, y las comparaciones directas entre capacitores cerámicos y de tantalio son prácticamente imposibles, excepto algunos valores de capacitancia muy altos.
Figura 1 : Variación de la prueba de vida entre condensadores cerámicos y de tantalio
Debido a que la mayoría de los métodos de prueba utilizados para evaluar los condensadores cerámicos y de tantalio difieren significativamente, es difícil obtener una comparación directa de su rendimiento relativo a través de la literatura del producto y los datos de especificaciones. Como resultado, AVX realizó las siguientes pruebas para proporcionar una comparación más directa de su rendimiento.
6.2 Pruebas comparativas de tantalio versus cerámica
El equipo de AVX eligió muestras de condensadores cerámicos y de tantalio que tienen clasificaciones comunes para ambas tecnologías y se usan comúnmente en aplicaciones médicas y otras aplicaciones de alta confiabilidad.
10μF, 16V
10μF, 16V
0805 tamaño de caja
dieléctrico X5R
0805 tamaño de caja
Condensador de tantalio (TBCR106K016CRLB5000)
Condensador cerámico (MQ05YD106KGT1AN)
Para garantizar que los requisitos de prueba especiales (por ejemplo, frecuencia de prueba de capacitancia y polarización de CC, tiempos de espera después de las pruebas ambientales, etc.) pudieran observarse, recopilarse y compararse con precisión para ambos tipos de productos básicos, el equipo sometió todas las piezas al mismo plan de prueba. .
Estabilidad de temperatura (MIL-PRF-55365) – 13 unidades
Choque Térmico (MIL-STD-202 Método 107) – 40 unidades
Resistencia a la humedad (MIL-STD-202 Método 106) – 40 unidades
La mayoría de los resultados de las pruebas mostraron que los condensadores cerámicos y de tantalio funcionaron de manera similar. La estabilidad de la temperatura, por ejemplo, reveló que los condensadores cerámicos son más estables en términos de resistencia en serie equivalente (ESR) y DCL, mientras que los condensadores de tantalio son más estables en términos de valor de capacitancia sobre la temperatura. Los condensadores de tantalio también aumentaron la capacitancia a temperaturas elevadas, mientras que los condensadores cerámicos disminuyeron la capacitancia a la misma temperatura. Además, las pruebas de resistencia a la humedad y de choque térmico dieron como resultado un rendimiento estable para ambas tecnologías.
Una comparación de los parámetros de los condensadores cerámicos y de tantalio.
Ⅶ ¿Por qué utilizar condensadores de tantalio en el diseño de su PCB?
El condensador de tantalio tiene una estabilidad extremadamente alta. El condensador de tantalio mantendrá mejor la capacitancia esperada en un amplio rango de temperatura y frecuencia. Con esta estabilidad, obtiene más del comportamiento esperado del diseño de su PCB, lo cual es especialmente importante para los filtros; Si la capacitancia varía demasiado, es posible que pierda las frecuencias que desea. Aparte de las diferencias eléctricas, la construcción del condensador de tantalio lo hace altamente resistente a problemas de vibración, lo que mejora la confiabilidad general del sistema.
Las características anteriores demuestran cómo los capacitores de tantalio son especialmente adecuados para ayudar en la electrónica moderna, pero no están exentos de peculiaridades, y hay un par de las más importantes a considerar al diseñarlos. Los capacitores de tantalio generalmente son dispositivos polarizados, lo que significa que sus La orientación debe considerarse cuidadosamente durante el diseño y montaje de la PCB. Esto requiere un poco más de trabajo que un condensador cerámico estándar, pero es una característica de los condensadores con base de electrolito. Al instalar condensadores de tantalio en una placa, esté atento a sus modos de falla.
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