Zaloguj
Dla uporządkowania faktów: kondensator tantalowy to taki, w którym dielektrykiem jest tlenek tantalu (V). Dzięki znacznie wyższej wartości względnej przenikalności elektrycznej (25…27) w stosunku do tlenku aluminium (III), dla którego wynosi ona 9…10, można budować kondensatory o mniejszych gabarytach w stosunku do typowych „elektrolitów”. Na rynku mamy dostępne dwa rodzaje kondensatorów tantalowych: klasyczne, tudzież konwencjonalne (często po prostu bez żadnych dopisków) oraz polimerowe (te producenci wyraźnie już oznaczają). Mają nieco inny układ warstw w swojej strukturze – rysunek 1 – zaś dokładniej różnią się materiałem katody, czyli elektrody ujemnej. W klasycznych wariantach jest to tlenek magnanu (IV), w polimerowych… właśnie polimer. Anodą, czyli elektrodą dodatnią, w obu wypadkach pozostaje czysty tantal.
Nie chcę się zagłębiać w szczegóły konstrukcji ani historię rozwoju takiego kondensatora, bo nie o tym jest ten artykuł – wolę skupić się na praktycznych aspektach jego jestestwa, czyli na tym, jaki pożytek możemy mieć z niego my, elektronicy. Na pewno w oczy rzucają się mniejsze ich gabaryty w stosunku do zwyczajnych kondensatorów elektrolitycznych, co ma potwierdzenie w twardych danych – rysunek 2.
Tantalowe odpowiedniki potrafią mieć nawet pięć tysięcy (!) razy większy współczynnik CV, czyli iloczyn pojemności i napięcia w odniesieniu do objętości. Takich rekordzistów nieczęsto spotyka się w hurtowniach – z moich obserwacji wynika, że kondensatory tantalowe SMD (w formie prostopadłościennych kostek, jak na rysunku 3) mają objętość co najwyżej kilkukrotnie mniejszą w odniesieniu do kondensatorów elektrolitycznych. Niemniej jednak zawsze to jakiś plus.
Mówi się o nich, że się nie starzeją. Jako główny powód jest wymieniany suchy elektrolit (nie ma więc co wyschnąć). Potwierdza to producent: na rysunku 4 mamy zależność między odsetkiem uszkodzonych elementów w funkcji czasu. Po okresie „chorób wieku dziecięcego”, kiedy to wychodzą na jaw wady produkcyjne zarówno kondensatorów tantalowych, jak i elektrolitycznych (pierwsza część wykresu), uszkodzenia tych pierwszych zdarzają się później sporadycznie. Z kolei elektrolityczni kuzyni po pewnym czasie zaczynają się masowo „sypać”, co widać bardzo dobrze po płytach głównych komputerów albo zasilaczach impulsowych.
Z mojego doświadczenia wynika, że taka zależność dla kondensatorów tantalowych może być zachowana, o ile nie zostaną one przegrzane podczas lutowania. Lutując te kondensatory przy użyciu pasty i gorącego powietrza muszę bardzo uważać na temperaturę oraz czas grzania tych elementów, zdecydowanie bardziej niż przy elementach uznawanych powszechnie za łatwe do przegrzania, jak mikrokontrolery czy pamięci elektroniczne. Jeżeli tego nie dopilnuję, średnio co trzeci kondensator dostaje zwarcie natychmiast, co jest – moim zdaniem – szokująco wysokim odsetkiem. Bywa też, że taki kondensator, który nawet nie odmówił współpracy natychmiast, co objawia się wspaniałym wprost zwarciem, potrafi zrobić zwarcie po kilkunastu lub kilkudziesięciu godzinach pracy. Jeżeli w tym czasie nie zrobi psikusa, to z reguły działa już bezproblemowo. Przez jakiś czas myślałem, że kondensatory w żółtych obudowach (spotykane najczęściej) są w jakiś sposób bardziej wrażliwe od czarnych, ale nie zauważyłem szczególnej różnicy na korzyść którejś ze stron.
Dlatego montując ręcznie prototypy lub niewielkie serie, staram się je lutować przy użyciu zwykłego spoiwa lutowniczego (w formie drutu) i lutownicy kolbowej. Co ciekawe, przy montażu w fabrykach SMD ten problem niemal nie występuje, w każdym razie nie częściej niż uszkodzenia innych podzespołów.
Kondensatory elektrolityczne mają powszechnie znaną, wysoką zależność między pojemnością a napięciem, tudzież między pojemnością a temperaturą. Z tego powodu nie stosuje się ich w układach czasowych, które mają mieć dokładność większą niż budzik wykonany z woskowej świecy. Na rysunku 5 można zobaczyć – nieco wyidealizowane, ale oddające istotę problemu – porównanie kondensatorów MLCC (czyli najpopularniej występujących dzisiaj „ceramików” z dielektrykiem typu X7R lub podobnym) z tantalowymi.
Jako największa zaleta jest wskazywana stałość pojemności zarówno w funkcji temperatury, jak i napięcia. Pojemność wielowarstwowych kondensatorów ceramicznych w funkcji temperatury potrafi zmieniać się w różny sposób, zależnie od użytego dielektryka, więc faktycznie taki kondensator tantalowy jest czymś „lepszym” na ich tle. Również pojemność w funkcji napięcia różnie zmienia się w MLCC: dla dielektryka C0G ta zmiana jest praktycznie pomijalna, X5R wykazuje spadek, zaś Y5R już niemal zupełnie traci pojemność po spolaryzowaniu napięciem równym nominalnemu (6,3 V) – rysunek 6.
Na rysunku 5 można zobaczyć wizualizację jeszcze jednej zalety kondensatorów tantalowych w stosunku do ceramicznych – brak zjawiska elektrostrykcji. Wynika to z ich odmiennej budowy, ponieważ zamiast wielu cienkich warstw ułożonych naprzemiennie w bardzo regularny sposób, stanowią skupisko wielu nieregularnie ułożonych struktur, co można zobaczyć na rysunku 7. Dlatego siły elektrostatyczne oddziałujące między tymi strukturami nie będą parły wszystkie w tym samym kierunku, sumując się – owo chaotyczne ułożenie spowoduje wzajemne zniesienie się odkształceń.
W dokumencie [1] znajduje się tabela podsumowująca wady i zalety kondensatorów elektrolitycznych aluminiowych, polimerowych aluminiowych, ceramicznych i tantalowych. Oprócz wspomnianych już zalet „tantali” przytoczono w niej również to, że kondensatory tantalowe cechują się efektem autoregeneracji, czego ja w mojej praktyce nie doświadczyłem (lub nie byłem tego świadom) – każde przekroczenie dopuszczalnego napięcia lub zamiana polaryzacji kończyła się nieodwracalnym zniszczeniem elementu na skutek zwarcia. I to jest, moim zdaniem, spora wada kondensatorów tantalowych: o ile zwykłe „elektrolity” zazwyczaj kończą swój żywot utrzymując pojemność rzędu kilku procent nominalnej (z powodu wyschnięcia), ale rzadziej dochodzi w nich do zwarcia, o tyle „tantalom” zdecydowanie częściej zdarza się zewrzeć swoje wyprowadzenia, co może poważnie uszkodzić pozostałe podzespoły w układzie. Dlatego w mojej praktyce urządzenia z kondensatorami tantalowymi pozostawiam dla celów testowych włączone przez kilka godzin pod obserwacją, ponieważ w tym czasie ma miejsce zdecydowanie największa liczba przykrych zdarzeń będących ich udziałem. Po tym okresie z reguły można im już zaufać.
Michał Kurzela, EP
Źródła:
[1] https://www.kyocera-avx.com/docs/techinfo/Tantalum-NiobiumCapacitors/Tantalum-Capacitors-Characteristics-and-Component.pdf
[2] https://article.murata.com/en-eu/article/voltage-characteristics-of-electrostatic-capacitance/
