
Elektronika (nie tylko) dla informatyków (45) Kondensatory tantalowe i niobowe
W poprzednim wykładzie odkryliśmy troszkę tajemnic związanych z kondensatorami elektrolitycznymi. W tym odcinku omówimy z grubsza charakterystykę kondensatorów tantalowych i niobowych.
Kondensatory tantalowe
Fotografia 1 pokazuje popularne kondensatory tantalowe przewlekane, a fotografia 2 – w wersji SMD.
W kondensatorach elektrolitycznych tantalowych anoda wykonana jest nie z paska (trawionego) aluminium, tylko ze spiekanego proszku tantalowego. W wyniku spiekania otrzymuje się strukturę porowatą, przypominającą gąbkę z licznymi porami – uzyskuje się w ten sposób w niewielkiej objętości bardzo dużą powierzchnię. Następnie, analogicznie jak przy kondensatorach aluminiowych, w procesie formowania metodami elektrochemicznymi utlenia się wierzchnią warstwę tantalu, uzyskując na całej powierzchni izolacyjną warstewkę pięciotlenku tantalu (Ta2O5), która podobnie jak Al2O3 ma bardzo dobre właściwości dielektryczne. Wreszcie taką porowatą anodę pokrytą dielektrykiem wypełnia się elektrolitem. Przekrój „tantala” pokazano na rysunku 3 (wg AVX).
Natomiast schemat budowy – na rysunku 4.
Należy pamiętać, że struktura jest trójwymiarowa i wszystkie elementy anody (tantal) narysowane oddzielnie w rzeczywistości są ze sobą elektrycznie połączone w strukturze, przypominającej gąbkę (fotografia 5).
W popularnych „perełkach” (fotografia 1) oraz w większości kondensatorów tantalowych SMD (fotografia 2) elektrolitem jest dwutlenek manganu MnO2 w postaci stałej.
Za sprawą dwutlenku manganu, który jest rodzajem półprzewodnika, kondensatory tantalowe też mają własności biegunowe. Podczas pracy powinny więc być spolaryzowane napięciem stałym o określonej biegunowości. W niektórych katalogach można znaleźć informację, że dopuszczalna jest polaryzacja napięciem przeciwnym o wartości 5…15% napięcia nominalnego, ale częściej podaje się maksymalne dopuszczalne napięcie wsteczne 1 V.
Pięciotlenek tantalu jest bardzo odporny na uszkodzenia, dlatego upływność kondensatorów tantalowych jest mniejsza niż aluminiowych, a prądy upływu praktycznie nie zmieniają się nawet po kilkuletnim okresie składowania bez napięcia. Nawet długo nieużywanych „tantali” nie trzeba formować, zresztą nie ma to sensu, bo bez elektrolitu zawierającego jony proces formowania i regeneracji nie występuje.
Obecnie kondensatory tantalowe wykonywane są głównie w obudowach SMD, a wytwórcy różnymi zabiegami dążą do polepszenia parametrów, w tym do zmniejszenia szkodliwej rezystancji strat.
Oprócz bardzo popularnych standardowych „tantali”, nadal dostępne są też trochę lepsze kondensatory tantalowe z ciekłym elektrolitem, czyli mokre (wet tantalum) – fotografia 6.
Z kolei fotografia 7 pokazuje mokry kondensator tantalowy 72000 uF w metalowej obudowie ze szklanymi uszczelnieniami, służący jako rezerwowe źródło energii w odpowiedzialnych zastosowaniach lotniczych i militarnych.
Kondensatory niobowe
Na rynku dostępne są też niobowe kondensatory elektrolityczne. Zostały one opracowane i wprowadzone do produkcji w Związku Radzieckim (przykład na fotografii 8), gdzie pełniły odpowiedzialne funkcje w sprzęcie wojskowym.
Od lat 90. są też produkowane przez różnych producentów, już jako elementy SMD, które wyglądają tak samo jak popularne kondensatory tantalowe – fotografia 9.
Niob to pierwiastek, o właściwościach podobnych do aluminium i tantalu. Można powiedzieć, że kondensatory niobowe mają konstrukcję taką samą, jak tantalowe (rysunek 10 – http://de.wikipedia.org/wiki/Niob-Elektrolytkondensator).
Na niobowym rdzeniu wytwarzana jest w procesie spiekania gąbczasta, porowata struktura anody. Co ciekawe, gąbczasta struktura anody bywa wytwarzana nie tylko ze sproszkowanego, metalicznego niobu, ale także z (pod)tlenku niobu (NbO), który z uwagi na nietypową budowę siatki krystalicznej też okazuje się bardzo dobrym przewodnikiem, w przeciwieństwie do pięciotlenku (Nb2O5), który jest znakomitym izolatorem.
Ta gąbczasta struktura jest elektrolitycznie utleniana w celu wytworzenia na całej powierzchni cienkiej warstwy pięciotlenku niobu (Nb2O5), który ma odporność na przebicie tylko około 40% gorszą od Al2O3, a za to ma czterokrotnie większą przenikalność względną. Później całość „zalewana” jest elektrolitem, który wypełnia wszystkie pory i stanowi katodę.
Elektrolitem (stałym) jest albo dwutlenek manganu (MnO2), albo mający lepsze właściwości polimer.
Kondensatory niobowe można traktować jako tańsze zamienniki tantalowych. Można uznać, że omawiane kondensatory mają właściwości porównywalne z tantalowymi, a na pewno lepsze od aluminiowych „elektrolitów”. Istotną różnicą jest fakt, że niob jest łatwiej dostępny i tańszy niż tantal. Niemniej w praktyce okazuje się, że kondensatory niobowe oferowane są w wąskim zakresie pojemności, na napięcia do 10 V i są nadal bardzo mało popularne, choć jak najbardziej dostępne. Na przykład pokazane na fotografii 11 kondensatory OxiCap firmy AVX (Kyocera) są dostępne w TME (www.tme.eu).
A w następnym wykładzie omówimy specyficzne właściwości elektrolitów.
Piotr Górecki