Un condensador electrolítico de niobio (históricamente también condensador de Columbium [1] [2] ) es un condensador electrolítico cuyo ánodo (+) está hecho de niobio metálico pasivado o monóxido de niobio , sobre el cual actúa como dieléctrico una capa aislante de pentóxido de niobio . Un electrolito sólido en la superficie de la capa de óxido sirve como cátodo del condensador (-).
Los capacitores de niobio están disponibles en empaques SMD y compiten con los capacitores de chip de tantalio en ciertas clasificaciones de voltaje y capacitancia. Están disponibles con un electrolito sólido de dióxido de manganeso .
Como la mayoría de los condensadores electrolíticos, los condensadores de niobio son componentes polarizados. Los voltajes inversos o las corrientes onduladas superiores a las tolerancias especificadas pueden destruir el dieléctrico y, por tanto, el condensador; el cortocircuito resultante puede provocar un incendio o una explosión en unidades más grandes.
Los condensadores de niobio se desarrollaron en los Estados Unidos y la Unión Soviética en los años 1960. Desde 2002 han estado disponibles comercialmente en Occidente, aprovechando el menor costo y la mejor disponibilidad del niobio en comparación con el tantalio.
El niobio es un metal hermano del tantalio. El niobio tiene un punto de fusión similar (2744 °C) al tantalio y presenta propiedades químicas similares. Los materiales y procesos utilizados para producir condensadores dieléctricos de niobio son esencialmente los mismos que los de los condensadores dieléctricos de tantalio existentes. Sin embargo, el niobio como materia prima es mucho más abundante en la naturaleza que el tantalio y es menos costoso. Las características de los condensadores electrolíticos de niobio y los condensadores electrolíticos de tantalio son aproximadamente comparables.
Los condensadores electrolíticos de niobio se pueden fabricar con niobio de alta pureza como ánodo, pero la difusión de oxígeno del dieléctrico (Nb 2 O 5 ) hacia el metal del ánodo de niobio es muy alta, lo que produce inestabilidad de la corriente de fuga o incluso fallas del capacitor. Hay dos formas posibles de reducir la difusión de oxígeno y mejorar la estabilidad de la corriente de fuga: ya sea dopando polvos de niobio metálico con nitruro en nitruro de niobio pasivado o usando óxido de niobio (NbO) como material de ánodo. El óxido de niobio es un material cerámico duro caracterizado por una alta conductividad metálica. El polvo de óxido de niobio se puede preparar con una estructura similar a la del polvo de tantalio y se puede procesar de manera similar para producir condensadores. También se puede oxidar mediante oxidación anódica ( anodización , formación) para generar la capa dieléctrica aislante. Así, se comercializan dos tipos de condensadores electrolíticos de niobio, los que utilizan un ánodo de niobio pasivado y los que utilizan un ánodo de óxido de niobio. Ambos tipos utilizan pentóxido de niobio (Nb 2 O 5 ) como capa dieléctrica.
El niobio, al igual que el tantalio y el aluminio, es un metal de válvula . Al poner dicho metal en contacto con un baño electrolítico y aplicarle un voltaje positivo se forma una capa de óxido eléctricamente aislante cuyo espesor corresponde al voltaje aplicado . Esta capa de óxido actúa como dieléctrico en un condensador electrolítico .
Esta propiedad del niobio se conocía desde principios del siglo XX. Aunque el niobio es más abundante en la naturaleza y menos costoso que el tantalio, su alto punto de fusión de 2744 °C obstaculizó el desarrollo de condensadores electrolíticos de niobio.
En la década de 1960, la mayor disponibilidad de mineral de niobio en comparación con el mineral de tantalio impulsó la investigación de condensadores electrolíticos de niobio en la Unión Soviética. [3] Aquí cumplían el mismo propósito que los condensadores de tantalio en Occidente. Con el colapso del Telón de Acero, la tecnología se hizo más conocida en Occidente, y los principales fabricantes de condensadores se interesaron a finales de los años 1990. Los materiales y procesos utilizados para producir los condensadores de niobio son esencialmente los mismos que los de los condensadores de tantalio. El aumento de los precios del tantalio en 2000 y 2001 fomentó el desarrollo de condensadores electrolíticos de niobio con dióxido de manganeso y electrolitos poliméricos, que están disponibles desde 2002. [4] [5]
Cada condensador electrolítico puede considerarse como un "condensador de placas" cuya capacitancia aumenta con el área del electrodo (A) y la permitividad dieléctrica (ε), y disminuye con el espesor dieléctrico (d).
El espesor dieléctrico de los condensadores electrolíticos de niobio es muy fino, del orden de nanómetros por voltio. [6] Esta capa dieléctrica muy delgada, combinada con una rigidez dieléctrica suficientemente alta, permite que los capacitores electrolíticos de niobio alcancen una capacitancia volumétrica alta comparable a la de los capacitores de tantalio.
El material del ánodo de niobio se fabrica a partir de un polvo sinterizado en una pastilla con una estructura superficial rugosa destinada a aumentar el área superficial del electrodo A en comparación con una superficie lisa con la misma huella. Este aumento en el área de superficie puede aumentar la capacitancia en un factor de hasta 200 para los capacitores electrolíticos de niobio sólido, dependiendo de la tensión nominal. [7]
Las propiedades de la capa dieléctrica de pentóxido de niobio, en comparación con una capa de pentóxido de tantalio , se dan en la siguiente tabla: [8]
La mayor permitividad y el menor voltaje de ruptura del pentóxido de niobio en relación con el pentóxido de tantalio dan como resultado que los capacitores de niobio y los capacitores de tantalio tengan tamaños similares para una capacitancia determinada.
Un condensador de niobio típico es un condensador de chip y consiste en polvo de niobio u óxido de niobio prensado y sinterizado en una pastilla como ánodo del condensador, con la capa de óxido de pentóxido de niobio como dieléctrico y un electrolito sólido de dióxido de manganeso como cátodo .
La combinación de materiales anódicos para condensadores electrolíticos de niobio y tantalio y los electrolitos utilizados ha formado una amplia variedad de tipos de condensadores con diferentes propiedades. En la siguiente tabla se muestra un resumen de las principales características de los diferentes tipos.
Los condensadores electrolíticos de tantalio y niobio con electrolito sólido como condensadores de chip de montaje superficial se utilizan principalmente en dispositivos electrónicos en los que se dispone de poco espacio o se requiere un perfil bajo. Funcionan de forma fiable en un amplio rango de temperaturas sin grandes desviaciones de parámetros. [4] [6] [8] [9] [10]
Para comparar las diferentes características de los diferentes tipos de condensadores de chip electrolítico, en la siguiente tabla se comparan muestras con las mismas dimensiones y de capacitancia y voltaje comparables. En dicha comparación, los valores de ESR y la carga de corriente de rizado son los parámetros más importantes para el uso de condensadores electrolíticos en equipos electrónicos modernos. Cuanto menor sea la ESR, mayor será la corriente de rizado por volumen y, por tanto, mejor será la funcionalidad del condensador en el circuito.
(1) 100 μF/10 V, a menos que se especifique lo contrario,
(2) calculado para un condensador de 100 μF/10 V,
El fenómeno que puede formar electroquímicamente una capa de óxido sobre el aluminio y metales como el tantalio o el niobio, bloqueando una corriente eléctrica en una dirección pero permitiéndole fluir en la otra, fue descubierto en 1875 por el investigador francés Eugène Ducretet . Acuñó el término "metal de válvula" para estos metales. Charles Pollak (nacido Karol Pollak ) utilizó este fenómeno para idear un "condensador de líquido eléctrico con electrodos de aluminio" polarizado. En 1896 Pollak obtuvo una patente para el primer condensador electrolítico. [11] Los primeros condensadores electrolíticos de tantalio con láminas de tantalio enrolladas y electrolito no sólido fueron desarrollados en 1930 por Tansitor Electronics Inc., EE. UU., y se utilizaron con fines militares. [12]
El desarrollo de condensadores de tantalio de electrolito sólido comenzó a principios de la década de 1950 como un condensador de soporte de bajo voltaje miniaturizado y más confiable para complementar el transistor recién inventado . La solución encontrada por RL Taylor y HE Haring de Bell Labs se basó en la experiencia con la cerámica. Molieron tantalio hasta convertirlo en polvo, prensaron este polvo hasta darle forma cilíndrica y luego sinterizaron las partículas de polvo en una bolita ("babosa") a altas temperaturas, entre 1500 y 2000 °C, en condiciones de vacío. [13] [14] Estos primeros condensadores de tantalio sinterizados utilizaban un electrolito no sólido que no concordaba con el concepto de electrónica de estado sólido. En 1952, una búsqueda específica en los laboratorios Bell de un electrolito sólido por parte de DA McLean y FS Power condujo a la invención del dióxido de manganeso como electrolito sólido para un condensador de tantalio sinterizado. [15]
Los condensadores electrolíticos de niobio como componentes discretos no son condensadores ideales, tienen pérdidas y partes inductivas parásitas. Todas las propiedades pueden definirse y especificarse mediante un circuito equivalente en serie compuesto por una capacitancia idealizada y componentes eléctricos adicionales que modelan todas las pérdidas y parámetros inductivos de un capacitor. En este circuito equivalente en serie las características eléctricas están definidas por:
La norma IEC /EN 60384-1 especifica el uso de un circuito equivalente en serie en lugar de un circuito equivalente en paralelo .
Las características eléctricas de los condensadores electrolíticos de niobio dependen de la estructura del ánodo y del tipo de electrolito. El valor de capacitancia del capacitor depende de la frecuencia de medición y la temperatura. El valor de capacitancia nominal o valor nominal se especifica en las hojas de datos de los fabricantes y se simboliza C R C N . La condición de medición estandarizada para condensadores electrolíticos es un método de medición de CA con una frecuencia de 100/120 Hz. La tensión de medición de CA no deberá exceder los 0,5 V CA- RMS .
El porcentaje de desviación permitida de la capacitancia medida respecto del valor nominal se denomina tolerancia de capacitancia. Los condensadores electrolíticos están disponibles en diferentes series de tolerancia, cuyos valores se especifican en la serie E especificada en IEC 60063. Para marcado abreviado en espacios reducidos, se especifica un código de letras para cada tolerancia en IEC 60062.
Con referencia a la norma IEC/EN 60384-1, la tensión de funcionamiento permitida para los condensadores de niobio se denomina "tensión nominal U R " o "tensión nominal U N ". La tensión nominal U R es la tensión CC máxima o la tensión de pulso pico que se puede aplicar de forma continua a cualquier temperatura dentro del rango de temperatura nominal T R (IEC/EN 60384-1).
La prueba de voltaje de los condensadores electrolíticos disminuye al aumentar la temperatura. Para algunas aplicaciones es importante utilizar un rango de temperatura más alto. Reducir el voltaje aplicado a una temperatura más alta mantiene los márgenes de seguridad. Por lo tanto, para algunos tipos de condensadores, la norma IEC especifica una "tensión de temperatura reducida" para una temperatura más alta, la "tensión de categoría U C ". El voltaje de categoría es el voltaje de CC máximo o voltaje de pulso máximo que se puede aplicar continuamente a un capacitor a cualquier temperatura dentro del rango de temperatura de categoría T C. La relación entre voltajes y temperaturas se muestra en la imagen de la derecha (o arriba, en dispositivos móviles).
Un voltaje más bajo aplicado puede tener influencias positivas para los condensadores electrolíticos de tantalio (y niobio). Reducir el voltaje aplicado aumenta la confiabilidad y reduce la tasa de falla esperada. [dieciséis]
La aplicación de un voltaje superior al especificado puede destruir los condensadores electrolíticos.
La sobretensión indica el valor máximo de tensión máxima que se puede aplicar a los condensadores electrolíticos durante su aplicación durante un número limitado de ciclos. La sobretensión está estandarizada en IEC/EN 60384-1. Para los condensadores electrolíticos de niobio, la sobretensión no deberá ser superior a aproximadamente 1,3 veces la tensión nominal, redondeada al voltio más cercano. La sobretensión aplicada a los condensadores de niobio puede influir en la tasa de fallo de los condensadores.
Al igual que otros condensadores electrolíticos, los condensadores electrolíticos de niobio están polarizados y requieren que el voltaje del electrodo del ánodo sea positivo en relación con el voltaje del cátodo.
Información general sobre impedancia, ESR, factor de disipación tan δ, corriente de ondulación y corriente de fuga, consulte condensador electrolítico.
Para obtener información general sobre confiabilidad y tasa de fallas, consulte Condensador electrolítico .
La vida útil , vida útil , vida de carga o vida útil de los capacitores electrolíticos es una característica especial de los capacitores electrolíticos no sólidos, especialmente los capacitores electrolíticos de aluminio no sólidos. Su electrolito líquido puede evaporarse con el tiempo y provocar fallos por desgaste. Los condensadores de niobio sólido con electrolito de dióxido de manganeso no tienen ningún mecanismo de desgaste, por lo que la tasa de fallo constante dura hasta el momento en que todos los condensadores han fallado. No tienen una especificación de vida útil como los condensadores electrolíticos de aluminio no sólidos.
Sin embargo, los condensadores electrolíticos de niobio de polímero sólido tienen una especificación de vida útil. El electrolito se deteriora por un mecanismo de degradación térmica del polímero conductor. La conductividad eléctrica disminuye, en función del tiempo, de acuerdo con una estructura granular, en la que el envejecimiento se debe a la contracción de los granos de polímero conductor. [17] La vida útil de los condensadores electrolíticos de polímero se especifica en términos similares a los de los e-caps no sólidos, pero el cálculo de su vida útil sigue otras reglas que conducen a vidas operativas mucho más largas. [18] [19] [20]
Los diferentes tipos de condensadores electrolíticos muestran diferentes comportamientos en cuanto a estabilidad a largo plazo, modos de falla inherentes y sus mecanismos de autorreparación. Se especifican reglas de aplicación para tipos con un modo de falla inherente para garantizar una alta confiabilidad y una larga vida útil de los capacitores.
Una falla poco común en los capacitores electrolíticos sólidos es la falla del dieléctrico causada por fallas o impurezas. En los condensadores electrolíticos de niobio, el dieléctrico es el pentóxido de niobio (Nb 2 O 5 ). Además de este pentóxido, existe un subóxido de niobio adicional, el dióxido de niobio (NbO 2 ). El NbO 2 es un material semiconductor con una conductividad superior a la del Nb 2 O 5 pero muy inferior a la del corto. En caso de fallas o impurezas en el dieléctrico que provoquen una ruptura dieléctrica parcial, el canal conductor se aislaría efectivamente mediante la reducción de Nb 2 O 5 a NbO 2 de alto valor óhmico si la energía es limitada.
A medida que se aplica más energía a un niobio sólido defectuoso, eventualmente el canal de NbO 2 de alto valor óhmico o el dieléctrico de Nb 2 O 5 se rompen y el capacitor presenta una falla térmica desbocada. En comparación con los condensadores de tantalio sólidos, la fuga térmica de los ánodos de niobio se producirá a una potencia aproximadamente tres veces mayor que la de los ánodos de tantalio. Esto proporciona una reducción significativa (95%) del modo de fallo de encendido en comparación con los condensadores de tantalio sólidos.
La capa dieléctrica Nb 2 O 5 de los condensadores electrolíticos de niobio sólido tiene una resistencia al voltaje de ruptura más baja que el Ta 2 O 5 en los condensadores de tantalio y, por lo tanto, se vuelve más gruesa por voltio aplicado y, por lo tanto, funciona con una intensidad de campo más baja para una tensión nominal determinada con menor estrés eléctrico. el dieléctrico. En combinación con ánodos de óxido de niobio, que son más estables frente a la difusión de oxígeno, se obtienen reglas de reducción de voltaje más bajas en comparación con los ánodos pasivados de niobio o tantalio. [8]
Símbolos de condensadores electrolíticos
Los condensadores de niobio son en general componentes polarizados, con terminales positivos claramente marcados. Cuando se somete a polaridad invertida (aunque sea brevemente), el condensador se despolariza y la capa de óxido dieléctrico se rompe, lo que puede provocar que falle incluso cuando luego se opera con la polaridad correcta. Si la falla es un cortocircuito (lo que ocurre más comúnmente) y la corriente no se limita a un valor seguro, puede ocurrir una fuga térmica catastrófica.
La estandarización de todos los componentes eléctricos , electrónicos y tecnologías relacionadas sigue las reglas dadas por la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC), [25] una organización de estándares internacionales no gubernamental y sin fines de lucro . [26] [27] La definición de las características y el procedimiento de los métodos de prueba para condensadores para uso en equipos electrónicos se establecen en la especificación genérica:
Hasta ahora (2014) no hay disponible ninguna especificación detallada IEC para condensadores electrolíticos de niobio.
Para los fabricantes de productos electrónicos de Estados Unidos, la EIA publica un estándar para condensadores de chip de niobio y tantalio:
