Для чего танталовые конденсаторы
Конденсаторы для «чайников»
Если вы регулярно занимаетесь созданием электрических схем, вы наверняка использовали конденсаторы. Это стандартный компонент схем, такой же, как сопротивление, который вы просто берёте с полки без раздумий. Мы используем конденсаторы для сглаживания пульсаций напряжения/тока, для согласования нагрузок, в качестве источника энергии для маломощных устройств, и других применений.
Но конденсатор – это не просто пузырёк с двумя проводочками и парой параметров – рабочее напряжение и ёмкость. Существует огромный массив технологий и материалов с разными свойствами, применяемых для создания конденсаторов. И хотя в большинстве случаев для любой задачи сгодится практически любой конденсатор подходящей ёмкости, хорошее понимание работы этих устройств может помочь вам выбрать не просто нечто подходящее, а подходящее наилучшим образом. Если у вас когда-нибудь была проблема с температурной стабильностью или задача поиска источника дополнительных шумов – вы оцените информацию из этой статьи.
Начнём с простого
Лучше начать с простого и описать основные принципы работы конденсаторов, прежде чем переходить к настоящим устройствам. Идеальный конденсатор состоит из двух проводящих пластинок, разделённых диэлектриком. Заряд собирается на пластинах, но не может перетекать между ними – диэлектрик обладает изолирующими свойствами. Так конденсатор накапливает заряд.
Ёмкость измеряется в фарадах: конденсатор в один фарад выдаёт напряжение в один вольт, если в нём находится заряд в один кулон. Как и у многих других единиц системы СИ, у неё непрактичный размер, поэтому, если не брать в расчёт суперконденсаторы, о которых мы здесь говорить не будем, вы скорее всего встретитесь с микро-, нано- и пикофарадами. Ёмкость любого конденсатора можно вывести из его размеров и свойств диэлектрика – если интересно, формулу для этого можно посмотреть в Википедии. Запоминать её не нужно, если только вы не готовитесь к экзамену – но в ней содержится один полезный факт. Ёмкость пропорциональна диэлектрической проницаемости εr использованного диэлектрика, что в результате привело к появлению в продаже различных конденсаторов, использующих разные диэлектрические материалы для достижения больших ёмкостей или улучшения характеристик напряжения.
Паразитные индуктивность и сопротивление реального конденсатора
С использованием диэлектриков в конденсаторах есть одна проблемка, наряду с тем, что диэлектрик с нужными характеристиками обладает неприятными побочными эффектами. У всех конденсаторов есть небольшие паразитные сопротивление и индуктивность, которые иногда могут влиять на его работу. Электрические постоянные меняются от температуры и напряжения, пьезоэлектричества или шума. Некоторые конденсаторы стоят слишком дорого, у некоторых существуют состояния отказа. И вот мы подошли к основной части статьи, в которой расскажем о разных типах конденсаторов, и об их свойствах, полезных и вредных. Мы не будем освещать все возможные технологии, хотя большинство обычных мы опишем.
Алюминиевые электролитические
Алюминиевые электролитические конденсаторы используют анодно-оксидированный слой на алюминиевом листе в качестве одной пластины-диэлектрика, и электролит из электрохимической ячейки в качестве другой пластины. Наличие электрохимической ячейки делает их полярными, то есть напряжение постоянного тока должно прикладываться в одном направлении, и анодированная пластина должна быть анодом, или плюсом.
На практике их пластины выполнены в виде сэндвича из алюминиевой фольги, завёрнутой в цилиндр и расположенной в алюминиевой банке. Рабочее напряжение зависит от глубины анодированного слоя.
У электролитических конденсаторов наибольшая среди распространённых ёмкость, от 0,1 до тысяч мкФ. Из-за плотной упаковки электрохимической ячейки у них наблюдается большая эквивалентная последовательная индуктивность (equivalent series inductance, ESI, или эффективная индуктивность), из-за чего их нельзя использовать на высоких частотах. Обычно они используются для сглаживания питания и развязывания, а также связывания на аудиочастотах.
Танталовые электролитические

Танталовый конденсатор поверхностного размещения
Танталовые электролитические конденсаторы изготавливаются в виде спечённого танталового анода с большой площадью поверхности, на которой выращивается толстый слой оксида, а затем в качестве катода размещается электролит из диоксида марганца. Комбинация большой площади поверхности и диэлектрических свойств оксида тантала приводит к высокой ёмкости в пересчёте на объём. В результате такие конденсаторы выходят гораздо меньше алюминиевых конденсаторов сравнимой ёмкости. Как и у последних, у танталовых конденсаторов есть полярность, поэтому постоянный ток должен идти в строго одном направлении.
Их доступная ёмкостью варьируется от 0,1 до нескольких сотен мкФ. У них гораздо меньше сопротивление утечки и эквивалентное последовательное сопротивление (ESR), в связи с чем они используются в тестировании, измерительных приборах и высококачественных аудиоустройствах – там, где эти свойства полезны.
В случае танталовых конденсаторов необходимо особенно следить за тем, чтобы они не вышли из строя — бывает, что в таком случае они загораются. Аморфный оксид тантала – хороший диэлектрик, а в кристаллической форме он становится хорошим проводником. Неправильное использование танталового конденсатора – например, подача слишком большого пускового тока может привести к переходу диэлектрика в другую форму, что увеличит проходящий через него ток. Правда, репутация, связанная с возгораниями, появилась у более ранних поколений танталовых конденсаторов, и улучшенные методы производства привели к созданию более надёжной продукции.
Полимерные плёнки
Целое семейство конденсаторов использует полимерные плёнки в качестве диэлектриков, а плёнка либо находится между витыми или перемежающимися слоями металлической фольги, либо имеет металлизированный слой на поверхности. Их рабочее напряжение может доходить до 1000 В, но высокими ёмкостями они не обладают – это обычно от 100 пФ до единиц мкФ. У каждого вида плёнки есть свои плюсы и минусы, но в целом всё семейство отличается более низкими ёмкостью и индуктивностью, чем у электролитических. Посему они используются в высокочастотных устройствах и для развязывания в электрически шумных системах, а также в системах общего назначения.
Полипропиленовые конденсаторы используются в схемах, требующих хорошей тепловой и частотной стабильности. Также они используются в системах питания, для подавления ЭМП, в системах, использующих переменные токи высокого напряжения.
Полиэстеровые конденсаторы, хотя и не обладают такими температурными и частотными характеристиками, получаются дешёвыми и выдерживают большие температуры при пайке для поверхностного монтажа. В связи с этим они используются в схемах, предназначенных для использования в некритичных приложениях.
Полиэтилен-нафталатовые конденсаторы. Не обладают стабильными температурными и частотными характеристиками, но могут выдерживать гораздо большие температуры и напряжения по сравнению с полиэстеровыми.
Полиэтилен-сульфидовые конденсаторы обладают температурными и частотными характеристиками полипропиленовых, и в дополнение выдерживают высокие температуры.
В старом оборудовании можно наткнуться на поликарбонатные и полистиреновые конденсаторы, но сейчас они уже не используются.
Керамика
История керамических конденсаторов довольно длинная – они использовались с первых десятилетий прошлого века и по сей день. Ранние конденсаторы представляли собою один слой керамики, металлизированной с обеих сторон. Более поздние бывают и многослойными, где пластины с металлизацией и керамика перемежаются. В зависимости от диэлектрика их ёмкости варьируются от 1 пФ до десятков мкФ, а напряжения достигают киловольт. Во всех отраслях электроники, где требуется малая ёмкость, можно встретить как однослойные керамические диски, так и многослойные пакетные конденсаторы поверхностного монтажа.
Проще всего классифицировать керамические конденсаторы по диэлектрикам, поскольку именно они придают конденсатором все свойства. Диэлектрики классифицируют по трёхбуквенным кодам, где зашифрована их рабочая температура и стабильность.
C0G лучшая стабильность в ёмкости по отношению к температуре, частоте и напряжению. Используются в высокочастотных схемах и других контурах высокого быстродействия.
X7R не обладают такими хорошими характеристиками по температуре и напряжению, посему используются в менее критичных случаях. Обычно это развязывание и различные универсальные приложения.
Y5V обладают гораздо большей ёмкостью, но характеристики температуры и напряжения у них ещё ниже. Также используются для развязывания и в различных универсальных приложениях.
Поскольку керамика часто обладает и пьезоэлектрическими свойствами, некоторые керамические конденсаторы демонстрируют и микрофонный эффект. Если вы работали с высокими напряжениями и частотами в аудиодиапазоне, например, в случае ламповых усилителей или электростатики, вы могли услышать, как «поют» конденсаторы. Если вы использовали пьезоэлектрический конденсатор для обеспечения частотной стабилизации, вы могли обнаружить, что его звук модулируется вибрацией его окружения.
Как мы уже упоминали, статья не ставит целью охватить все технологии конденсаторов. Взглянув в каталог электроники вы обнаружите, что некоторые технологии, имеющиеся в наличии, здесь не освещены. Некоторые предложения из каталогов уже устарели, или же имеют такую узкую нишу, что с ними чаще всего и не встретишься. Мы надеялись лишь развеять некоторые тайны по поводу популярных моделей конденсаторов, и помочь вам в выборе подходящих компонентов при разработке собственных устройств. Если мы разогрели ваш аппетит, вы можете изучить нашу статью по катушкам индуктивности.
Об обнаруженных вами неточностях и ошибках прошу писать через личные сообщения сайта. Спасибо.
Убей Всю Электронику, или Почему не стоит использовать танталовые конденсаторы
В общем, недавно случилась одна небольшая поломка.
Танталовые конденсаторы физически меньше алюминиевых аналогов. Вдобавок электролитические свойства оксида тантала лучше чем оксида алюминия — у танталовых конденсаторов значительно меньше утечка тока и выше стабильность емкости. Диапазон типичных емкостей от 47нФ до 1500мкФ.
Вопрос: почему бы не использовать? Вот я и взял три хороших, добротных танталовых конденсатора. Когда-то они стояли в доистоическом телефоне Siemens, старом, но качественном, да и производителем является Toshiba. Вроде бы все хорошо, но вот дальше.
В момент запуска я оставил корпус устройства открытым. И хорошо! Потому что стоило включить блок питания и запустить компьютер, как произошел громкий «Бу-бух!» и самый первый из конденсаторов просто-напросто разорвало. А осколки загорелись. Не знаю, каким чудом осталась цела системная плата: пришлось тушить огонь.
Естественно, я подумал: «А, старые конденсаторы, залежали, испортились. Попробую новые поставить.» И поставил абсолютно новые (купил месяц назад). И что вы думаете? Тоже бубух, правда, уже без огня.
Поэтому я просто взял и поставил обычные конденсаторы.
Ради эксперимента я подключил лабораторный блок питания и проверил оставшиеся 4 конденсатора, подсоединив к ним провода и подав 4V. Вроде бы все должно работать, но все они как один взрывались в железном ведре.
Короче говоря, не советую я их использовать: уж больно они стремные. Лучше пойти старыми, но проверенными методами.
P. S. Все конденсаторы были подключены правильно, полярность соблюдена, характеристики совпадают. Это уже не моя ошибка.
Аффтар, ты, походу, меченым боком к минусу их паял, а у танталов это плюс. Проходили уже такое с нашими бабами-монтажницами. Сотрудник ОТК после первого включения гирлянды из плат (тестировали сразу по 10 шт ) от фейерверка 2 дня заикался.
Кондеры не виноваты, в том, что паяют их дилетанты.
Ещё тантал в цепях фильтров источников питания строго рекомендуется шунтировать керамическими, не полярными конденсаторами
Но может кому пригодится
Обычной причиной выгорания танталовых кондеров является перегрузка импульсным током. Точные данные смотреть лень, но 10 мкФ тантал держит ударные токи порядка десятка-сотни мА. А линейный стабилизатор, небось, имеет ограничение тока порядка 1А.
Реле контроля напряжения и тока барьер-люкс
Три года назад установил в домашний электрощит реле контроля напряжения и тока.
Месяц назад заметил, что реле пишет странную ошибку.
И почему то как будто на паузе, хотя потребитель не отсоединен.
По производителю БАРЬЕР ничего путного не нашел, кантора то ли украинская то ли питерская, инструкций не нашел, разве что нашел почти полный аналог ADECS ADC-0111-40.
Плату с клеммами подключения, реле, искрогасящий конденсатор, шунт с датчиком тока.
Это низковольтная часть, модуль управления, питается от 220 вольт, с понижением через резистор и конденсатор до 12 вольт.
60-ти амперное поляризованное реле на 12 вольт.
Высоковольная часть на плате, виден диодный мост, несколько транзисторных ключей, диоды, стабилитроны и резисторы с конденсаторами.
Датчик Холла или датчик тока «спрятался» внутри витка толстого провода «фазы».
Хотя в схожем приборе, клеммы соединены с платой достаточно добротными канатиками.
Еще немного высоковольтной части.
Схема, почти точно повторяющая мою.
Затем прозвонил резисторы на целостность и соответствие номиналам.
После проверил керамические конденсаторы на КЗ.
Выпаял с платы X2 конденсатор на 1 мКф, для замера его параметров, так как после кондера 220 вольт не шло на диодный мост.
Подробно про Х и Y конденсаторы описано в статье.
Мне стало интересно, что же могло случиться с конденсатором, и я его «разобрал».
Из-за постоянной работы под напряжением, емкость конденсатора упала ниже положенной и стала 0.2 мКф, что в 5 раз ниже заявленной.
Виновник найден и был куплен в ближайшем магазине за 85 рублей.
После установки на плату, прибор снова в работе.
Ремонтируйте вещи самостоятельно, учитесь новому.
Спасибо за внимание!
Нужно больше ёмкости! Ещё больше! Ещё!
Сгорела микроволновка. Сама
Добрый день всем обитателям.
Сегодня задам вам пару вопросов по поводу ремонта микроволновой печи, но сперва поведаю леденящую душу историю:
А теперь некоторые технические подробности предшествующие произошедшему и самого произошедшего:
Микроволновка встроенная, на ней там часы горят по КД, и прочие ништяки. Отключается она очень сложно где-то под потолком за вытяжкой и тому подобное. В момент происшествия ею НЕ пользовались. В ней небыло ни еды ни чего другого и ее не включали.
серебристая слюдяная крышечка целая и невредимая. Пострадали только наши нервы и этот «грибочек» который после гуглежа оказалось зовётся «куплер». Сам привод (моторчик) тоже цел и невредим. Внутри всё более менее прилично за исключением пары деталей о которых спрошу далее. Провода нигде не подгоревший не оплавленные и ничего такого.
И вот собственно вопросы:
Преимущества танталовых и керамических конденсаторов
Танталовые (Ta) конденсаторы и многослойные керамические конденсаторы (МКК) – два типа широко распространенных конденсаторов, которые применяются в широком ряде электронных устройств. Хотя обе эти технологии выполняют одинаковую функцию, конденсаторы очень различаются по конструкции, использованным материалам и эффективности при разных условиях. Следовательно, разработчик должен понимать их относительные преимущества друг перед другом, чтобы сделать правильный выбор.
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:
где C – емкость, Ф; S – площадь перекрытия двух пластин, м 2 ; εR – относительная диэлектрическая проницаемость среды; ε0 – диэлектрическая проницаемость вакуума; d – расстояние между пластинами (или толщина диэлектрика), м.
Танталовые конденсаторы
Высокая емкость танталовых конденсаторов достигается за счет сочетания нескольких факторов, включая использование пятиокиси тантала (Ta2O5, εR = 27) в качестве диэлектрика, большой площади поверхности пластин и очень тонкому слою диэлектрика. Положительно заряженная пластина танталового конденсатора состоит из прессованного и спекшегося в виде гранул танталового порошка. Эти гранулы обладают хорошей пористой структурой, суммарно обеспечивая большую поверхностную площадь пластины (см. рис. 1). Коэффициент осаждения диэлектрического слоя Ta2O5 составляет 17 Å/В. Поскольку толщина диэлектрика пропорциональна приложенному напряжению, создается очень тонкий диэлектрические слой, что обеспечивает большое значение емкости.

Виды танталовых конденсаторов
Для приложений с поверхностным монтажом на плату компания AVX выпускает танталовые конденсаторы двух видов с катодами на основе двуокиси марганца MnO2, благодаря чему обеспечивается функция самовосстановления (см. рис. 2). В прессованном конденсаторе, имеющем более традиционную конфигурацию, танталовый провод впрессован в обкладки, благодаря чему создается положительное соединение со схемой. Более новая и компактная конфигурация в виде микросхемы (см. рис. 2б) появилась на рынке позже. Конденсаторы с этой конфигурацией применяются в системах с высокой плотностью компонентов. В этой конфигурации, в которой используется подложка с танталовым прессованным и запеченным на ее поверхности порошком, положение отдельных анодов задается с помощью высокоточной резки.

а) формованный конденсатор;
б) танталовый конденсатор в виде микросхемы
У конденсаторов обоих рассматриваемых типов – одинаковые базовые элементы. Эти конденсаторы, предназначенные для высокоточных систем, обеспечивают максимальную надежность.
Керамические конденсаторы
В отличие от танталовых, у керамических конденсаторов меньше суммарная площадь пластин и значительно толще слои (см. рис. 3). Однако эти недостатки компенсируются диэлектрическими материалами с намного большей диэлектрической проницаемостью. Диоксид титана (εR
86–173) и титанат бария (εR
1250–10000) – два наиболее распространенных диэлектрика, используемых в МКК.

Керамические конденсаторы Class 1 и Class 2
Керамические конденсаторы Class 1 имеют наибольшую стабильную емкость относительно приложенного напряжения, температуры и до некоторой степени – частоты. Базовыми элементами этих конденсаторов являются параэлектрики, например диоксид титана, модифицированные такими добавками как цинк, цирконий и ниобий, которые обеспечивают требуемую характеристику емкости, свойственную танталу. Удельная емкость керамических конденсаторов Class 1 – наименьшая среди других керамических конденсаторов за счет относительно низкой диэлектрической проницаемости (6–200) параэлектрика. У этих компонентов также сравнительно малая емкость.
Керамические конденсаторы Class 2, в которых применяются ферроэлектрики, например титанат бария (BaTiO), модифицируются с помощью силиката алюминия, силиката магния и оксида алюминия. У этих материалов – более высокая диэлектрическая проницаемость, чем у конденсаторов Class 1 (
200–14000 в зависимости от напряженности поля), и более высокая удельная емкость. Однако у конденсаторов Class 2 больше отклонения емкости от номинальных значений и хуже стабильность. Емкость этих конденсаторов имеет нелинейный характер, который зависит от рабочей температуры, приложенного напряжения и изменяется с течением времени, что может отражаться на характеристиках изделия.
Коды диэлектриков у керамических конденсаторов
Диэлектрики керамических конденсаторов определяются трехсимвольным кодом EIA, в котором указывается стабильность емкости материала в установленном температурном диапазоне. Например, керамические конденсаторы, в которых используются диэлектрики X5R, работают в диапазоне температуры –55…85°C при допустимых вариациях емкости ±15% в указанном диапазоне и имеют небольшую нелинейность.
Конденсатор с материалом, использование которого обеспечивает устройству ту же, что и у X7R, или лучшую температурную характеристику, изменение емкости в пределах ±15% в диапазоне –55…125°C, можно считать конденсатором X7R. У X7R, как и у конденсатора с диэлектриком любого другого типа, отсутствует спецификация на коэффициент напряжения. Производитель может называть конденсаторы в соответствии с диэлектрическими кодами X7R, X5R и т. д. и их температурным коэффициентом независимо от того, насколько плох коэффициент напряжения. В таблице 1 приведены коды EIA диэлектриков для керамических конденсаторов. Например, требуется выбрать конденсатор, у которого емкость, указанная при 25°C, повышается или уменьшается не более чем на 7,5% в диапазоне температуры –30…85°C. Этому требованию соответствует конденсатор с кодом Y5F.
| RS198 | Диапазон температуры |
| Х7 | –55…125°С |
| Х6 | –55…105°С |
| Х5 | –55…85°С |
| Y5 | –30…85°С |
| Z5 | 10…85°С |
| Код | Изменение емкости, % |
| D | ±3,3 |
| E | ±4,7 |
| F | ±7,5 |
| P | ±10 |
| R | ±15 |
| S | ±22 |
| T | 22, –33 |
| U | 22, –56 |
| V | 22, –82 |
Температурные характеристики танталовых и керамических конденсаторов
На рисунке 4 показана типовая температурная характеристика танталового конденсатора, а также керамического конденсатора Class 2 (X7R) и керамического конденсатора Class 1 (NP0 или C0G). У танталового конденсатора емкость изменяется линейно в зависимости от температуры: с –5% при –55°C до более чем 8% при 125°C. У керамических конденсаторов Class 2 – самая нелинейная зависимость от температуры, однако ее можно сделать линейной в приложениях, работающих в узком температурном диапазоне, учтя эту характеристику при проектировании схемы.

Зависимость от напряжения
У танталовых конденсаторов не только линейная температурная характеристика, но и отсутствует нестабильность емкости в зависимости от приложенного напряжения. В отличие от танталовых конденсаторов, емкость керамических конденсаторов Class 2 меняется с приложенным напряжением, т. к. диэлектрическая проницаемость их материала падает с ростом напряжения (см. рис. 5). Поскольку эти изменения относительно линейные, их легко учесть при проектировании, однако в некоторых случаях из-за применения материалов с более высокой диэлектрической проницаемостью емкость может меняться более чем на 70% от исходной величины при работе вблизи номинального напряжения.

Износ танталовых и керамических конденсаторов
Емкость керамических конденсаторов Class 2 с течением времени уменьшается по логарифмическому закону, что обусловлено их износом (см. рис. 6). Из-за деградации поляризованных участков ферроэлектриков со временем уменьшается диэлектрическая проницаемость, в результате чего уменьшается емкость керамических конденсаторов Class 2. У танталовых конденсаторов старение не происходит – на текущий момент нет известного нам механизма износа, аналогичного тому, который наблюдается у керамических конденсаторов.

Сопротивлением изоляции (IR) является сопротивление, измеренное на диэлектрике конденсатора. По мере увеличения емкости (и, следовательно, площади диэлектрического материала), IR увеличивается. Этот показатель (IR∙C, или RC) часто указывается в единицах Ом∙Ф, а чаще как МОм. Ток утечки определяется путем деления номинального напряжения на сопротивление изоляции. В таблице 2 сравниваются значения сопротивления изоляции керамических конденсаторов.
| Производитель | Изделие | Диэлектрик | Сопротивление изоляции | Эквивалент DCL/C∙V* |
| AVX | – | X7R | 1000 МОм∙мкФ | 0,001C∙V |
| AVX | – | X5R | 0,002C∙V | |
| B | коммерческое (COTS) | X7R | 0,002C∙V | |
| B | коммерческое | X7R | 0,002C∙V | |
| B | коммерческое | X5R | 0,002C∙V | |
| C | высоконадежное | X7R | 0,001C∙V | |
| C | высоконадежное | X5R | 0,001C∙V | |
| C | коммерческое | X7R | 0,002C∙V | |
| C | коммерческое | X5R | 0,002C∙V | |
| Тип. танталовый | коммерческое | Ta2O5 | – | 0,01C∙V |
| Высоконадежный танталовый AVX | HRC5000/HRC6000 | Ta2O5 | – | 0,0025C∙V |
* DCL – утечка постоянного тока; C∙V – произведение номинальной емкости на номинальное напряжение.
Для керамических конденсаторов, как правило, указывается сопротивление изоляции, а для танталовых компонентов – утечка постоянного тока (DCL). Эти единицы измерения являются эквивалентными, а соответствующее преобразование осуществляется с помощью закона Ома.
Испытания на износ
В таблице 3 описаны условия проведения испытаний на износ керамических и танталовых конденсаторов разных типов, выполненные несколькими производителями, а также представлены допустимые изменения сопротивления изоляции и величины DCL/C∙V. Видно, что условия проведения этих испытаний не стандартизованы, и потому напрямую трудно сравнивать с высокой точностью параметры керамических конденсаторов разных производителей, а прямые сравнения между керамическими и танталовыми конденсаторами фактически невозможны за исключением нескольких компонентов с очень высокой номинальной емкостью.

























