ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 06.05.2024
Просмотров: 18
Скачиваний: 0
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Министерство науки и высшего образования РФ
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего образования
«ОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Кафедра «Электроника»
ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ
по дисциплине
«Электролитические танталовые конденсаторы»
Выполнил:
Студент гр. ЗРТ-221
Череводкин С.С
Преподаватель:
Доцент к.т.н
Пономарев Д.Б.
Омск 2022
Введение
Группа "вентильных металлов", способных образовывать изолирующую оксидную пленку, была открыта в 1875 году. В 1896 году Кароль Поллак запатентовал конденсатор с использованием алюминиевых электродов и жидкого электролита. Алюминиевые электролитические конденсаторы были серийно изготовлены в 1930-х годах.
Первые танталовые электролитические конденсаторы с намотанной танталовой фольгой и нетвердым электролитом были разработаны в 1930 году компанией Tansitor Electronic Inc. (США) и использовались в военных целях.[16]
Твердоэлектролитные танталовые конденсаторы были изобретены Bell Laboratories в начале 1950-х годов как миниатюрный и более надежный низковольтный вспомогательный конденсатор в дополнение к их недавно изобретенному транзистору. Решение, которое Р. Л. Тейлор и Х. Э. Харинг из Bell Labs нашли для нового миниатюрного конденсатора, найденного в начале 1950 года, было основано на опыте работы с керамикой. Они измельчали металлический тантал в порошок, прессовали этот порошок в цилиндрическую форму, а затем спекали частицы порошка при высокой температуре от 1500 до 2000 ° C (2730 и 3630 ° F) в условиях вакуума в виде гранул ("пули").[17][18]
В этих первых спеченных танталовых конденсаторах использовался жидкий электролит. В 1952 году исследователи Bell Labs обнаружили использование диоксида марганца в качестве твердого электролита для спеченного танталового конденсатора.[19]
Хотя основные изобретения были сделаны в лабораториях Bell, инновации для производства коммерчески жизнеспособных танталовых электролитических конденсаторов были сделаны исследователями Sprague Electric Company. Престон Робинсон, директор по исследованиям компании Sprague, считается фактическим изобретателем танталовых конденсаторов в 1954 году.[20][21] Его изобретение было поддержано Р. Дж. Миллардом, который ввел этап "реформы" в 1955 году,[22] [23] значительное улучшение, в котором диэлектрическийконденсатор ремонтировался после каждого цикла погружения и преобразования осаждения MnO
2. Это значительно уменьшило ток утечки готовых конденсаторов.
Этот первый твердоэлектролитный диоксид марганца имел в 10 раз лучшую проводимость, чем все другие типы конденсаторов с нетвердым электролитом. В стиле танталовых жемчужин они вскоре нашли широкое применение в радио и новых телевизионных устройствах.
Проводимость нетвердых и твердых используемых электролитов
В 1971 году Intel выпустила свой первый микрокомпьютер (MCS 4), а в 1972 году Hewlett Packard выпустила один из первых карманных калькуляторов (HP 35).[24][25]Требования к конденсаторам возросли, особенно спрос на меньшие потери. Необходимо было уменьшить эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) для байпасных и развязывающих конденсаторов стандартных электролитических конденсаторов.[26]
Хотя твердые танталовые конденсаторы имели более низкие значения ESR и тока утечки, чем алюминиевые электролитические, в 1980 году ценовой шок на тантал в промышленности резко снизил удобство использования танталовых конденсаторов, особенно в бытовой развлекательной электронике.[27] [28] В поисках более дешевых альтернатив промышленность вернулась к использованию алюминиевых электролитических конденсаторов.
Разработка проводящих полимеров Аланом Дж. Хигером, Аланом Макдиармидом и Хидеки Сиракавой в 1975 году стала прорывом в области снижения ЭПР.[29]Проводимость проводящих полимеров, таких как полипиррол (PPy) [30] или PEDOT [31], в 1000 раз лучше, чем у диоксида марганца, и близка к проводимости металлов. В 1993 году NEC представила свои SMD-полимерные танталовые электролитические конденсаторы под названием "NeoCap". В 1997 году Sanyo выпустила свои полимерные танталовые чипы "POSCAP".
Новый проводящий полимер для танталовых полимерных конденсаторов был представлен компанией Kemet на конференции "1999 Carts".[32] В этом конденсаторе использовался недавно разработанный органический проводящий полимер PEDT Poly (3,4-этилендиокситиофен), также известный как PEDOT (торговое название Baytron).[33]
Эта разработка конденсаторов с низким ESR и большим объемом CV в стиле микросхем для быстро развивающейся технологии SMD в 1990-х годах резко увеличила спрос на танталовые микросхемы. Однако очередной скачок цен на тантал в 2000/2001 годах вынудил к разработке ниобиевых электролитических конденсаторов с электролитом из диоксида марганца, которые были доступны с 2002 года.[34][35]Материалы и процессы, используемые для производства конденсаторов с ниобиевым диэлектриком
, по существу те же, что и для существующих конденсаторов с танталовым диэлектриком. Характеристики ниобиевых электролитических конденсаторов и танталовых электролитических конденсаторов примерно сопоставимы.[36]
Характеристики
Размеры и эффективность использования объема
Для танталовых конденсаторов эффективность использования объема (отношение запасаемой энергии к объему корпуса конденсатора) очень велика и может достигать значений, в 18 раз лучших соответствующего показателя для алюминиевых конденсаторов. В табл. 2 приведены типичные значения емкостей танталовых конденсаторов для различных типов корпусов, а в табл. 3 — аналогичные показатели для алюминиевых конденсаторов.
Стандартные электрические параметры
В табл. 4 приведены результаты сравнения стандартных электрических параметров танталовых и алюминиевых конденсаторов одинаковой емкости. Следует заметить, что приведенные в таблице коды типоразмера корпуса соответствуют разным физическим размерам для танталовых и алюминиевых конденсаторов (см. табл. 2 и 3).
Надежность
Танталовые конденсаторы имеют большую, по сравнению с алюминиевыми, надежность. Это связано с технологией производства, а также с практически полным отсутствием износа с течением времени. При использовании алюминиевых конденсаторов потеря емкости в процессе эксплуатации может стать существенной проблемой. На рис. 1 приведены графики зависимости частоты отказов от времени наработки для рассматриваемых типов конденсаторов, а на рис. 2 — графики зависимости потери емкости алюминиевых конденсаторов в зависимости от времени и рабочей температуры.
Частотные и температурные характеристики
В целом, такой параметр, как эквивалентное последовательное сопротивление на частотах выше 1 кГц оказывается лучшим у алюминиевых конденсаторов (см. рис. 3). Однако с ростом рабочей температуры разница становится минимальной, поскольку у танталовых конденсаторов имеется ярко выраженная зависимость ESR от температуры (рис. 4). В то же время зависимость емкости от температуры у танталовых конденсаторов гораздо менее жесткая, чем у алюминиевых (рис. 5).
Индуктивность
Алюминиевые конденсаторы не рекомендуются для использования в тех областях, где индуктивность является критичным параметром, например, в цепях питания цифровых схем с малым временем смены уровня сигнала. Высокая индуктивность не позволяет конденсатору достаточно быстро обеспечивать цепи необходимой энергией, поэтому возможны значительные провалы питающего напряжения. На рис. 6 приведены осциллограммы испытаний алюминиевых и танталовых конденсаторов на работу в цепях питания с быстрым изменением тока, потребляемого нагрузкой. Красным кружком на рисунке отмечено то место, где напряжение опустилось ниже допустимого предела.
Параметры и характеристики компонента материала
Расчет безопасных режимов работы подразумевает определение уровней допустимых напряжений и токов [3]. Для этого расчета потребуется использование основных параметров танталовых конденсаторов, которые могут быть найдены в документации на соответствующие компоненты.
Номинальная емкость («Capacitance»). Танталовые конденсаторы имеют высокую удельную емкость, что объясняется достаточно просто. Как известно, емкость конденсатора определяется по формуле:
C = εrε0S/d, (1)
где εr– диэлектрическая проницаемость материала, ε0 – электрическая постоянная, S – площадь электродов, d – толщина диэлектрика.
Диэлектрик (Ta2O5) имеет высокое значение диэлектрической проницаемости ε=26 (таблица 2) [1]. Кроме того, сама по себе поверхность анода в структуре конденсатора является гранулированной и имеет большую площадь. В результате, емкость танталовых конденсаторов составляет сотни и тысячи микрофарад (таблица 3).
Таблица 2 – Диэлектрическая проницаемость различных материалов
| Тип диэлектрика | Диэлектрическая проницаемость, ε |
| Воздух (вакуум) | 1.0 |
| Бумага | 2.0 … 6.0 |
| Пластик | 2.1 … 6.0 |
| Минеральное масло | 2.2 … 2.3 |
| Силиконовое масло | 2.7 … 2.8 |
| Кварц | 3.8 … 4.4 |
| Стекло | 4.8 … 8.0 |
| Фарфор | 5.1 … 5.9 |
| Слюда | 5.4 … 8.7 |
| Al2O3 | 8.4 |
| Ta2O5 | 26 |
| Керамика | 12 … 400000 |
Таблица 3 – Номенклатура и параметры танталовых конденсаторов серии 293D (Vishay)
| Емкость. мкФ | 4 В | 6.3 В | 10 В | 16 В | 20 В | 25 В | 35 В | 50 В | 63 В | 75 В |
| 0.10 | | | | | | A | A | A | | A |
| 0.15 | | | | | | | A | A/B | | B |
| 0.22 | | | | | | | A | A/B | | B |
| 0.33 | | | | | | A | AA | A/B | | B |
| 0.47 | | | A | | A | A | A/B | A/B/C | | B |
| 0.68 | | | | A | A | A | A/B | B/C | | C |
| 1.0 | | | A | A | A/B | A/B | A/B | B/C | | D |
| 1.5 | | A | A | A/B | A/B | A/B | B/C | B/C/D | | D |
| 2.2 | A | A | A/B | A/B | A/B | A/B/C | B/C | B/C/D | | D |
| 3.3 | A | A/B | A/B | A/B | A/B/C | A/B/C | B/C/D | C/D | | D |
| 4.7 | A/B | A/B | A/B/C | A/B/C | A/B/C | A/B/C/D | B/C/D | C/D/E | D | E |
| 6.8 | A/B | A/B | A/B/C | A/B/C | A/B/C | B/C/D | C/D | D/E | | |
| 10 | A/B | A/B/C | A/B/C | A/B/C/D | B/C/D | B/C/D | C/D | D/E | E | |
| 15 | A/B/C | A/B/C | A/B/C | B/C | B/C/D | B/C/D | D/E | E | | |
| 22 | A/B/C | A/B/C | A/B/C/D | B/C/D | B/C/D | C/D/E/V | D/E | | | |
| 33 | A/B/C | A/B/C | B/C/D | B/C/D | C/D | D/E | | | | |
| 47 | A/B/C | A/B/C/D | B/C/D | C/D/E | D/E | D/E | | | | |
| 68 | B/C/D | B/C/D | B/C/D/E/V | D/E | D/E | E | | | | |
| 100 | A/B/C/D | B/C/D/E | B/C/D/E/V | D/E/V | D/E | | | | | |
| 120 | D | D | E | | | | | | | |
| 150 | B/C/D | C/D/E | C/D/E | D/E | | | | | | |
| 220 | B/C/D/E | C/D/E | D/E/V | E | | | | | | |
| 330 | D/E | D/E | D/E | | | | | | | |
| 470 | D/E | D/E | E | | | | | | | |
| 680 | D/E | E | | | | | | | | |
| 1000 | E | E | | | | | | | | |