Un condensador electrolítico de niobio (históricamente también condensador de columbio [1] [2] ) es un condensador electrolítico cuyo ánodo (+) está hecho de niobio metálico pasivado o monóxido de niobio , sobre el que una capa aislante de pentóxido de niobio actúa como dieléctrico . Un electrolito sólido en la superficie de la capa de óxido sirve como cátodo del condensador (−).
Los condensadores de niobio están disponibles en encapsulado SMD y compiten con los condensadores de chip de tantalio en determinados valores nominales de voltaje y capacitancia. Están disponibles con un electrolito sólido de dióxido de manganeso .
Al igual que la mayoría de los condensadores electrolíticos, los condensadores de niobio son componentes polarizados. Los voltajes inversos o las corrientes de ondulación superiores a las tolerancias especificadas pueden destruir el dieléctrico y, por lo tanto, el condensador; el cortocircuito resultante puede provocar un incendio o una explosión en unidades más grandes.
Los condensadores de niobio se desarrollaron en Estados Unidos y la Unión Soviética en la década de 1960. Desde 2002 están disponibles comercialmente en Occidente, aprovechando el menor coste y la mejor disponibilidad del niobio en relación con el tantalio.
El niobio es un metal hermano del tántalo. El niobio tiene un punto de fusión similar (2744 °C) al tántalo y exhibe propiedades químicas similares. Los materiales y procesos utilizados para producir condensadores dieléctricos de niobio son esencialmente los mismos que para los condensadores dieléctricos de tántalo existentes. Sin embargo, el niobio como materia prima es mucho más abundante en la naturaleza que el tántalo y es menos costoso. Las características de los condensadores electrolíticos de niobio y de los condensadores electrolíticos de tántalo son aproximadamente comparables.
Los condensadores electrolíticos de niobio se pueden fabricar con niobio de alta pureza como ánodo, pero la difusión de oxígeno desde el dieléctrico (Nb2O5 ) hacia el metal del ánodo de niobio es muy alta, lo que da como resultado inestabilidad de la corriente de fuga o incluso fallas del condensador. 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 metálicos con nitruro para convertirlos en nitruro de niobio pasivado o utilizando óxido de niobio (NbO) como material del ánodo. El óxido de niobio es un material cerámico duro que se caracteriza por una alta conductividad metálica. El polvo de óxido de niobio se puede preparar en 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 tántalo y el aluminio, es un metal llamado " válvula" . Al poner un metal de este tipo 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 elevado punto de fusión de 2744 °C dificultó el desarrollo de los 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 sobre condensadores electrolíticos de niobio en la Unión Soviética. [3] Allí cumplieron la misma función que los condensadores de tantalio en Occidente. Con la caída de la Cortina de Hierro, la tecnología se hizo más conocida en Occidente, y los principales fabricantes de condensadores se interesaron en ella a finales de la década de 1990. Los materiales y procesos utilizados para producir condensadores de niobio son esencialmente los mismos que para los condensadores de tantalio. El aumento de los precios del tantalio en 2000 y 2001 alentó el desarrollo de condensadores electrolíticos de niobio con dióxido de manganeso y electrolitos de polímero, que han estado 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, en el rango de nanómetros por voltio. [6] Esta capa dieléctrica muy fina, combinada con una rigidez dieléctrica suficientemente alta, permite que los condensadores electrolíticos de niobio alcancen una alta capacitancia volumétrica comparable a la de los condensadores de tantalio.
El material del ánodo de niobio se fabrica a partir de un polvo sinterizado en forma de gránulo con una estructura de superficie rugosa destinada a aumentar el área de superficie 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 sólidos, dependiendo del voltaje 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 capacitores de niobio y capacitores de tantalio que tienen tamaños similares para una capacitancia dada y un voltaje nominal.
Un condensador de niobio típico es un condensador de chip y consta de 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 de ánodo para condensadores electrolíticos de niobio y tantalio y los electrolitos utilizados han dado lugar a 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 para montaje en superficie 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 distintos tipos de condensadores electrolíticos en chip, en la siguiente tabla se comparan muestras con las mismas dimensiones y de capacidad y tensión comparables. En dicha comparación, los valores de ESR y de carga de corriente de rizado son los parámetros más importantes para el uso de condensadores electrolíticos en equipos electrónicos modernos. Cuanto menor sea el ESR, mayor será la corriente de rizado por volumen y, por lo 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 tántalo o el niobio, bloqueando una corriente eléctrica en una dirección pero permitiendo que fluya en la otra dirección, fue descubierto en 1875 por el investigador francés Eugène Ducretet . Él acuñó el término "metal de válvula" para tales metales. Charles Pollak (nacido Karol Pollak ) utilizó este fenómeno para una idea de un "condensador líquido eléctrico polarizado con electrodos de aluminio". En 1896 Pollak obtuvo una patente para el primer condensador electrolítico. [11] Los primeros condensadores electrolíticos de tántalo con láminas de tántalo enrolladas y electrolito no sólido fueron desarrollados en 1930 por Tansitor Electronics Inc., EE. UU., y utilizados para fines militares. [12]
El desarrollo de los condensadores de tantalio con electrolito sólido comenzó a principios de los años 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 los Laboratorios Bell se basó en la experiencia con cerámica. Molieron el tantalio hasta convertirlo en polvo, lo prensaron en una forma cilíndrica y luego sinterizaron las partículas de polvo en una pastilla ("slug") a altas temperaturas, entre 1500 y 2000 °C, en condiciones de vacío. [13] [14] Estos primeros condensadores de tantalio sinterizados usaban un electrolito no sólido que no era consistente con el concepto de electrónica de estado sólido. En 1952, una búsqueda dirigida 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 se pueden definir y especificar 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 condensador. En este circuito equivalente en serie, las características eléctricas se definen mediante:
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 la capacidad del condensador depende de la frecuencia de medición y de la temperatura. El valor de la capacidad nominal se especifica en las hojas de datos de los fabricantes y se simboliza con C R C N . La condición de medición estandarizada para los condensadores electrolíticos es un método de medición de CA con una frecuencia de 100/120 Hz. La tensión de medición de CA no debe superar los 0,5 V CA- RMS .
El porcentaje de desviación permitida de la capacidad medida respecto del valor nominal se denomina tolerancia de capacidad. Los condensadores electrolíticos están disponibles en diferentes series de tolerancias, cuyos valores se especifican en la serie E especificada en la norma IEC 60063. Para el marcado abreviado en espacios reducidos, en la norma IEC 60062 se especifica un código de letras para cada tolerancia.
Según 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 de CC máxima o la tensión de impulso pico que se puede aplicar de forma continua a cualquier temperatura dentro del rango de temperatura nominal T R (IEC/EN 60384-1).
La resistencia a la tensión de los condensadores electrolíticos disminuye con el aumento de la temperatura. Para algunas aplicaciones, es importante utilizar un rango de temperatura más alto. Reducir la tensión aplicada 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 ". La tensión de categoría es la tensión de CC máxima o la tensión de pulso pico que se puede aplicar de forma continua a un condensador a cualquier temperatura dentro del rango de temperatura de la categoría T C . La relación entre las tensiones y las temperaturas se muestra en la imagen de la derecha (o arriba, en dispositivos móviles).
La aplicación de un voltaje más bajo puede tener efectos positivos en los condensadores electrolíticos de tantalio (y niobio). La reducción del voltaje aplicado aumenta la fiabilidad y reduce la tasa de fallos esperada. [16]
La aplicación de un voltaje superior al especificado puede destruir los condensadores electrolíticos.
La sobretensión indica el valor máximo de tensión pico que se puede aplicar a los condensadores electrolíticos durante su uso durante un número limitado de ciclos. La sobretensión está normalizada en la norma IEC/EN 60384-1. En el caso de los condensadores electrolíticos de niobio, la sobretensión no debe ser superior a 1,3 veces la tensión nominal, redondeada al voltio más próximo. La sobretensión aplicada a los condensadores de niobio puede influir en la tasa de fallos 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 condensadores electrolíticos es una característica especial de los condensadores electrolíticos no sólidos, especialmente de los condensadores electrolíticos de aluminio no sólidos. Su electrolito líquido puede evaporarse con el tiempo, lo que provoca fallas por desgaste. Los condensadores de niobio sólido con electrolito de dióxido de manganeso no tienen mecanismo de desgaste, por lo que la tasa de falla constante dura hasta el punto 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 condensadores electrolíticos no sólidos, pero su cálculo de vida útil sigue otras reglas que conducen a tiempos de vida operativos mucho más largos. [18] [19] [20]
Los distintos tipos de condensadores electrolíticos presentan diferentes comportamientos en cuanto a estabilidad a largo plazo, modos de fallo inherentes y mecanismos de autorreparación. Se especifican reglas de aplicación para los tipos con un modo de fallo inherente para garantizar una alta fiabilidad y una larga vida útil de los condensadores.
Un fallo poco frecuente en los condensadores electrolíticos sólidos es la ruptura del dieléctrico causada por defectos o impurezas. En los condensadores electrolíticos de niobio, el dieléctrico es el pentóxido de niobio (Nb2O5 ) . Además de este pentóxido, existe un subóxido de niobio adicional, el dióxido de niobio (NbO2 ) . El NbO2 es un material semiconductor con una conductividad mayor que el Nb2O5 pero mucho menor que un cortocircuito. En caso de defectos o impurezas en el dieléctrico que provoquen una ruptura dieléctrica parcial , el canal conductor se aislaría de manera efectiva mediante la reducción del Nb2O5 a NbO2 de alto valor óhmico si la energía es limitada.
A medida que se aplica más energía a un niobio sólido defectuoso, eventualmente el canal NbO2 de alto valor óhmico o el dieléctrico Nb2O5 se rompen y el capacitor presenta una falla por descontrol térmico. En comparación con los capacitores de tantalio sólido, el descontrol térmico de los ánodos de niobio se producirá a una potencia aproximadamente tres veces mayor que la de los ánodos de tantalio. Esto da una reducción significativa (95 %) del modo de falla de ignición en comparación con los capacitores de tantalio sólido.
La capa dieléctrica Nb2O5 de los condensadores electrolíticos de niobio sólido tiene una resistencia a la tensión de ruptura menor que la Ta2O5 de los condensadores de tantalio y, por lo tanto, aumenta de espesor por voltio aplicado y, por lo tanto, funciona con una intensidad de campo menor para una tensión nominal dada con una tensión eléctrica menor en el dieléctrico. En combinación con ánodos de óxido de niobio, que son más estables frente a la difusión de oxígeno, esto da como resultado reglas de reducción de la tensión más bajas en comparación con los ánodos de niobio o tantalio pasivados. [8]
Símbolos de condensadores electrolíticos
Los condensadores de niobio son, en general, componentes polarizados, con terminales positivos claramente marcados. Cuando se los somete a una polaridad invertida (aunque sea brevemente), se despolarizan y la capa de óxido dieléctrico se rompe, lo que puede provocar que fallen incluso si se los utiliza posteriormente con la polaridad correcta. Si la falla es un cortocircuito (el caso más común) y la corriente no está limitada a un valor seguro, puede producirse 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 normalización internacional 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 ninguna especificación detallada IEC disponible para condensadores electrolíticos de niobio.
Para los fabricantes de productos electrónicos de los Estados Unidos, la EIA publica un estándar para los capacitores de chip de niobio y tantalio:
