Un condensador electrolítico de tantalio es un condensador electrolítico , un componente pasivo de los circuitos electrónicos . Consiste en una pastilla de metal de tantalio poroso como ánodo , recubierta por una capa de óxido aislante que forma el dieléctrico, rodeada de electrolito líquido o sólido como cátodo . Debido a su capa dieléctrica muy delgada y de permitividad relativamente alta , el condensador de tantalio se distingue de otros condensadores convencionales y electrolíticos por tener una alta capacitancia por volumen (alta eficiencia volumétrica) y un menor peso.
El tantalio es un recurso en conflicto . Los condensadores electrolíticos de tantalio son considerablemente más caros que los condensadores electrolíticos de aluminio comparables .
Los condensadores de tantalio son componentes inherentemente polarizados. El voltaje inverso puede destruir el condensador. Los condensadores de tantalio no polares o bipolares se fabrican conectando efectivamente dos condensadores polarizados en serie, con los ánodos orientados en direcciones opuestas.
Los condensadores electrolíticos de tantalio se utilizan ampliamente en dispositivos electrónicos que requieren una capacitancia estable, una corriente de fuga baja y donde la confiabilidad es crucial. [1] Debido a su confiabilidad, durabilidad y rendimiento en condiciones extremas, se utiliza en equipos médicos, [2] aplicaciones aeroespaciales y militares. [3] Otras aplicaciones incluyen unidades de suministro de energía , instrumentos de medición , equipos de telecomunicaciones y periféricos de computadora. [4]
Los condensadores electrolíticos utilizan una característica química de algunos metales especiales, históricamente llamados metales de válvula , que pueden formar una capa de óxido aislante. La aplicación de un voltaje positivo al material del ánodo de tantalio en un baño electrolítico forma una capa de barrera de óxido con un espesor proporcional al voltaje aplicado. Esta capa de óxido sirve como dieléctrico en un condensador electrolítico. Las propiedades de esta capa de óxido se comparan con las de una capa de óxido de un condensador electrolítico de niobio en la siguiente tabla:
Después de formar un óxido dieléctrico en las estructuras rugosas del ánodo, se necesita un cátodo. Un electrolito actúa como cátodo de los condensadores electrolíticos. Hay muchos electrolitos diferentes en uso. En general, los electrolitos se distinguirán en dos especies, electrolitos no sólidos y electrolitos sólidos . Los electrolitos no sólidos son un medio líquido cuya conductividad es iónica . La capa de óxido puede destruirse si se invierte la polaridad del voltaje aplicado.
Todo condensador electrolítico forma en principio un condensador de placas cuya capacitancia es mayor cuanto mayor sea el área del electrodo, A, y la permitividad , ε, y cuanto más fino sea el espesor, d, del dieléctrico.
El espesor dieléctrico de los condensadores electrolíticos es muy fino, del orden de los nanómetros por voltio. A pesar de ello, la rigidez dieléctrica de estas capas de óxido es bastante elevada. Por tanto, los condensadores de tantalio pueden alcanzar una capacidad volumétrica elevada en comparación con otros tipos de condensadores.
Todos los ánodos grabados o sinterizados tienen una superficie total mucho mayor en comparación con una superficie lisa de las mismas dimensiones generales. Este aumento de la superficie aumenta el valor de la capacitancia en un factor de hasta 200 (según el voltaje nominal) para los capacitores electrolíticos de tantalio sólido. [6]
El volumen de un condensador electrolítico se define por el producto de la capacidad por el voltaje, el llamado volumen CV . Sin embargo, al comparar las permitividades de diferentes materiales de óxido, se observa que el pentóxido de tantalio tiene una permitividad aproximadamente 3 veces mayor que el óxido de aluminio. Por lo tanto, los condensadores electrolíticos de tantalio con un valor CV determinado pueden ser más pequeños que los condensadores electrolíticos de aluminio.
Un condensador de tantalio típico es un condensador de chip y consta de polvo de tantalio prensado y sinterizado en una pastilla como ánodo del condensador, con la capa de óxido de pentóxido de tantalio como dieléctrico y un electrolito de dióxido de manganeso sólido como cátodo .
Los condensadores de tantalio se fabrican a partir de un polvo de metal de tantalio elemental relativamente puro . [7] [8] [9] Una cifra de mérito común para comparar la eficiencia volumétrica de los polvos se expresa en capacitancia (C, generalmente en μF) por voltios (V) por gramo (g). Desde mediados de la década de 1980, los polvos de tantalio fabricados han mostrado una mejora de alrededor de diez veces en los valores de CV/g (de aproximadamente 20k a 200k). [6] El tamaño de partícula típico está entre 2 y 10 μm. La Figura 1 muestra polvos de grano sucesivamente más fino, lo que resulta en una mayor área de superficie por unidad de volumen. Nótese la gran diferencia en el tamaño de partícula entre los polvos.
El polvo se comprime alrededor de un alambre de tantalio (conocido como alambre de elevación) para formar un "gránulo". [10] El alambre de elevación finalmente se convierte en la conexión del ánodo al condensador. Esta combinación de gránulo/alambre se sinteriza posteriormente al vacío a alta temperatura (normalmente de 1200 a 1800 °C), lo que produce un gránulo mecánicamente fuerte y elimina muchas impurezas dentro del polvo. Durante la sinterización, el polvo adquiere una estructura similar a una esponja, con todas las partículas interconectadas en una red espacial monolítica. Esta estructura tiene una resistencia mecánica y una densidad predecibles, pero también es muy porosa, lo que produce una gran área de superficie interna (consulte la Figura 2).
Las áreas de superficie más grandes producen una mayor capacitancia; por lo tanto, los polvos con un alto CV /g, que tienen tamaños de partícula promedio más bajos, se utilizan para piezas de baja tensión y alta capacitancia. Al elegir el tipo de polvo y la temperatura de sinterización correctos, se puede lograr una capacidad o voltaje nominal específico. Por ejemplo, un condensador de 220 μF 6 V tendrá un área de superficie cercana a 346 cm 2 , o el 80% del tamaño de una hoja de papel (el papel de tamaño Carta de EE. UU., 8,5 × 11 pulgadas tiene un área de ~413 cm 2 ), aunque el volumen total del gránulo es solo de aproximadamente 0,0016 cm 3 .
El dieléctrico se forma entonces sobre todas las superficies de las partículas de tantalio mediante el proceso electroquímico de anodización . Para lograr esto, el "gránulo" se sumerge en una solución muy débil de ácido y se aplica voltaje de CC. El espesor dieléctrico total se determina por el voltaje final aplicado durante el proceso de formación. Inicialmente, la fuente de alimentación se mantiene en un modo de corriente constante hasta que se alcanza el voltaje correcto (es decir, el espesor dieléctrico); luego mantiene este voltaje y la corriente decae hasta cerca de cero para proporcionar un espesor uniforme en todo el dispositivo y el lote de producción. Las ecuaciones químicas que describen el proceso de formación dieléctrica en el ánodo son las siguientes: [9]
El óxido se forma en la superficie del tantalio, pero también crece dentro del material. Por cada unidad de espesor de óxido que crece, crece un tercio hacia afuera y dos tercios hacia adentro. Debido a los límites del crecimiento del óxido, existe un límite en la tensión nominal máxima del óxido de tantalio para cada uno de los polvos de tantalio disponibles actualmente (consulte la Figura 3).
El espesor de la capa dieléctrica generada por el voltaje de formación es directamente proporcional al voltaje de prueba de los capacitores electrolíticos. [11] Los capacitores electrolíticos se fabrican con un margen de seguridad en el espesor de la capa de óxido, que es la relación entre el voltaje utilizado para la creación electrolítica de dieléctrico y el voltaje nominal del capacitor, para garantizar una funcionalidad confiable.
El margen de seguridad de los condensadores de tantalio sólido con electrolito de dióxido de manganeso suele estar entre 2 y 4. Esto significa que para un condensador de tantalio de 25 V con un margen de seguridad de 4, la resistencia a la tensión dieléctrica puede soportar 100 V para proporcionar un dieléctrico más robusto. [12] Este factor de seguridad muy alto se sustenta en el mecanismo de fallo de los condensadores de tantalio sólido, la "cristalización de campo". [13] [14] [15] [16] [17] Para los condensadores de tantalio con electrolito de polímero sólido, el margen de seguridad es mucho menor, normalmente alrededor de 2. [16] [18]
La siguiente etapa para los condensadores de tantalio sólido es la aplicación de la placa de cátodo (los condensadores de tantalio húmedo utilizan un electrolito líquido como cátodo junto con su carcasa). Esto se logra mediante la pirólisis del nitrato de manganeso en dióxido de manganeso . El "gránulo" se sumerge en una solución acuosa de nitrato y luego se cuece en un horno a aproximadamente 250 °C para producir la capa de dióxido. La ecuación química es: [9]
Este proceso se repite varias veces variando la gravedad específica de la solución de nitrato, para formar una capa gruesa sobre todas las superficies internas y externas del "pellet", como se muestra en la Figura 4.
En la construcción tradicional, el "pellet" se sumerge sucesivamente en grafito y luego en plata [19] para proporcionar una buena conexión desde la placa de cátodo de dióxido de manganeso hasta la terminación del cátodo externo (ver Figura 5).
La siguiente imagen muestra el flujo de producción de condensadores electrolíticos de chip de tantalio con ánodo sinterizado y electrolito de dióxido de manganeso sólido.
Los condensadores electrolíticos de tantalio se fabrican en tres estilos diferentes: [9]
Más del 90% de todos los condensadores electrolíticos de tantalio se fabrican en estilo SMD como condensadores de chip de tantalio. Tienen superficies de contacto en las caras de los extremos de la carcasa y se fabrican en diferentes tamaños, generalmente siguiendo el estándar EIA -535-BAAC. Los diferentes tamaños también se pueden identificar por las letras del código de carcasa. Para algunos tamaños de carcasa (A a E), que se han fabricado durante muchas décadas, las dimensiones y la codificación de carcasa en todos los fabricantes siguen siendo en gran medida las mismas. Sin embargo, los nuevos desarrollos en condensadores electrolíticos de tantalio, como la técnica de múltiples ánodos para reducir la ESR o la técnica "cara abajo" para reducir la inductancia, han dado lugar a una gama mucho más amplia de tamaños de chip y sus códigos de carcasa. Estas desviaciones de los estándares EIA significan que los dispositivos de diferentes fabricantes ya no son siempre uniformes.
En la siguiente tabla se muestra una descripción general de las dimensiones de los condensadores de chip rectangulares de tantalio convencionales y su codificación: [20]
La característica principal de los condensadores electrolíticos de tántalo no sólidos (húmedos) modernos es su densidad de energía en comparación con la de los condensadores electrolíticos de tántalo sólidos y de aluminio húmedos dentro del mismo rango de temperatura. Debido a sus propiedades de autorreparación (el electrolito no sólido puede suministrar oxígeno para formar una nueva capa de óxido en áreas débiles del dieléctrico), el espesor del dieléctrico se puede formar con márgenes de seguridad mucho más bajos y, en consecuencia, con un dieléctrico mucho más delgado que para los tipos sólidos, lo que da como resultado un valor de CV más alto por unidad de volumen. Además, los condensadores de tántalo húmedos pueden funcionar a voltajes superiores a 100 V hasta 630 V, tienen una ESR relativamente baja y tienen la corriente de fuga más baja de todos los condensadores electrolíticos.
Los condensadores de tantalio húmedos originales desarrollados en la década de 1930 eran condensadores axiales, que tenían una celda enrollada que consistía en un ánodo de tantalio y un cátodo de lámina separados por una tira de papel empapada con un electrolito, montados en una caja de plata y sellados con un elastómero no hermético. [21] Debido a la inercia y estabilidad de la capa de óxido dieléctrico de tantalio frente a ácidos fuertes, los condensadores de tantalio húmedos podían utilizar ácido sulfúrico como electrolito, lo que les proporcionaba una ESR relativamente baja.
Debido a que en el pasado, las carcasas de plata tenían problemas con la migración de plata y las partículas que generaban corrientes de fuga crecientes y cortocircuitos, los nuevos estilos de capacitores de tantalio húmedo utilizan una celda de pellet de tantalio sinterizado y un electrolito de ácido sulfúrico gelificado montado en una carcasa de tantalio puro.
Debido a su precio relativamente alto, los condensadores electrolíticos de tantalio húmedo tienen pocas aplicaciones de consumo. Se utilizan en aplicaciones industriales reforzadas, como en sondas para exploración petrolera. Los tipos con aprobaciones militares pueden proporcionar capacidades y voltajes nominales extendidos, junto con los altos niveles de calidad requeridos para aplicaciones aeronáuticas, militares y espaciales.
El grupo de los "metales de válvula" capaces de formar una película de óxido aislante fue descubierto en 1875. En 1896 Karol Pollak patentó un condensador que utilizaba electrodos de aluminio y un electrolito líquido. Los condensadores electrolíticos de aluminio se fabricaron comercialmente en la década de 1930.
Los primeros condensadores electrolíticos de tantalio con láminas de tantalio enrolladas y electrolito no sólido fueron desarrollados en 1930 por Tansitor Electronic Inc. (EE. UU.) y se utilizaron con fines militares. [21]
Los condensadores de tantalio con electrolito sólido fueron inventados por Bell Laboratories a principios de la década de 1950 como un condensador de soporte de bajo voltaje miniaturizado y más confiable para complementar su recién inventado transistor . La solución que RL Taylor y HE Haring de Bell Labs encontraron para el nuevo condensador miniaturizado descubierto a principios de 1950 se basó en la experiencia con cerámica. Molieron tantalio metálico hasta convertirlo en polvo, prensaron este polvo en una forma cilíndrica y luego sinterizaron las partículas de polvo a alta temperatura entre 1500 y 2000 °C (2730 y 3630 °F) en condiciones de vacío, en una pastilla ("slug"). [22] [23]
Los primeros condensadores de tantalio sinterizado utilizaban un electrolito líquido. En 1952, los investigadores de Bell Labs descubrieron el uso de dióxido de manganeso como electrolito sólido para un condensador de tantalio sinterizado. [24]
Aunque las invenciones fundamentales vinieron de los Laboratorios Bell, las innovaciones para fabricar condensadores electrolíticos de tantalio comercialmente viables fueron realizadas por los investigadores de la Sprague Electric Company . Preston Robinson, Director de Investigación de Sprague, es considerado el inventor real de los condensadores de tantalio en 1954. [25] [26] Su invención fue apoyada por RJ Millard, quien introdujo el paso de "reforma" en 1955, [27] [28] una mejora significativa en la que el dieléctrico del condensador se reparaba después de cada ciclo de inmersión y conversión de deposición de MnO 2 . Esto redujo drásticamente la corriente de fuga de los condensadores terminados.
Este primer condensador de dióxido de manganeso con electrolito sólido tenía una conductividad diez veces mejor que todos los demás tipos de condensadores con electrolito no sólido. Al estilo de las perlas de tantalio, pronto se utilizaron ampliamente en los nuevos aparatos de radio y televisión.
En 1971, Intel lanzó su primer microordenador (el MCS 4) y en 1972 Hewlett Packard lanzó una de las primeras calculadoras de bolsillo (la HP-35 ). [29] [30] Los requisitos para los condensadores aumentaron, especialmente la demanda de menores pérdidas. La resistencia en serie equivalente (ESR) para los condensadores de derivación y desacoplamiento de los condensadores electrolíticos estándar necesitaba ser reducida. [31]
Aunque los condensadores de tantalio sólido ofrecían valores de ESR y de corriente de fuga más bajos que los electrolíticos de aluminio, en 1980 un shock de precios del tantalio en la industria redujo drásticamente la usabilidad de los condensadores de tantalio, especialmente en la electrónica de entretenimiento de consumo. [32] [33] En busca de alternativas más económicas, la industria volvió a utilizar condensadores electrolíticos de aluminio.
El desarrollo de polímeros conductores por Alan J. Heeger , Alan MacDiarmid y Hideki Shirakawa en 1975 fue un gran avance en el punto de reducir la ESR. [34] Las conductividades de polímeros conductores como el polipirrol (PPy) [35] o PEDOT [36] son mejores por un factor de 1000 que la del dióxido de manganeso, y están cerca de la conductividad de los metales. En 1993, NEC presentó sus condensadores electrolíticos de polímero de tantalio SMD, llamados "NeoCap". En 1997, Sanyo siguió con sus chips de polímero de tantalio "POSCAP".
En la conferencia "Carts 1999" de Kemet se presentó un nuevo polímero conductor para los condensadores de polímero de tantalio. [37] Este condensador utilizaba el polímero conductor orgánico recientemente desarrollado PEDT Poly(3,4-etilendioxitiofeno), también conocido como PEDOT (nombre comercial Baytron). [38]
Este desarrollo de condensadores de bajo ESR con volúmenes de CV elevados en estilo chip para la tecnología SMD de rápido crecimiento en la década de 1990 aumentó drásticamente la demanda de chips de tantalio. Sin embargo, otra explosión de precios del tantalio en 2000/2001 obligó al desarrollo de condensadores electrolíticos de niobio con electrolito de dióxido de manganeso, que han estado disponibles desde 2002. [39] [40] Los materiales y procesos utilizados para producir condensadores dieléctricos de niobio son esencialmente los mismos que para los condensadores dieléctricos de tantalio existentes. Las características de los condensadores electrolíticos de niobio y de tantalio son aproximadamente comparables. [41]
Los condensadores electrolíticos de tantalio, como componentes discretos, no son condensadores ideales, ya que 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 tantalio dependen de la estructura del ánodo y del electrolito utilizado. Esto influye en el valor de la capacidad de los condensadores de tantalio, que depende de la frecuencia y la temperatura de funcionamiento. La unidad básica de la capacidad de los condensadores electrolíticos es el microfaradio (μF).
El valor de capacidad especificado en las hojas de datos de los fabricantes se denomina capacidad nominal C R o capacidad nominal C N y es el valor para el que se ha diseñado el condensador. La condición de medición estandarizada para los condensadores electrolíticos es un método de medición de CA con una frecuencia de 100 a 120 Hz. Los condensadores electrolíticos se diferencian de otros tipos de condensadores, cuyas capacidades se miden normalmente a 1 kHz o más. Para los condensadores de tantalio, se puede aplicar una tensión de polarización de CC de 1,1 a 1,5 V para tipos con una tensión nominal de ≤2,5 V o de 2,1 a 2,5 V para tipos con una tensión nominal de >2,5 V durante la medición para evitar la tensión inversa.
El porcentaje de desviación permitida de la capacidad medida respecto del valor nominal se denomina tolerancia de capacidad. Los condensadores electrolíticos se encuentran disponibles en diferentes clasificaciones de series de tolerancia, 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.
La tolerancia de capacitancia requerida está determinada por la aplicación particular. Los capacitores electrolíticos, que se utilizan a menudo para filtrar y derivar capacitores, no necesitan tolerancias estrechas porque, en su mayoría, no se utilizan para aplicaciones de frecuencia precisa, como los osciladores .
Según la norma IEC/EN 60384-1, la tensión de funcionamiento permitida para los condensadores de tantalio 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 tensión nominal 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.
La aplicación de un voltaje más bajo puede tener efectos positivos en los condensadores electrolíticos de tantalio. La reducción del voltaje aplicado aumenta la fiabilidad y reduce la tasa de fallos esperada. [42]
La aplicación de un voltaje superior al especificado puede destruir los condensadores electrolíticos de tantalio.
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. Para los condensadores electrolíticos de tantalio, la sobretensión debe ser 1,3 veces la tensión nominal, redondeada al voltio más próximo. La sobretensión aplicada a los condensadores de tantalio puede influir en la tasa de fallos de los condensadores. [43] [44]
Un voltaje transitorio o un pico de corriente aplicado a los capacitores electrolíticos de tantalio con electrolito de dióxido de manganeso sólido puede provocar que algunos capacitores de tantalio fallen y puede provocar directamente un cortocircuito. [43] [45]
Los electrolíticos de tantalio están polarizados y generalmente requieren que el voltaje del electrodo del ánodo sea positivo en relación con el voltaje del cátodo.
Cuando se aplica un voltaje inverso, fluye una corriente de fuga inversa en áreas muy pequeñas de microfisuras u otros defectos a través de la capa dieléctrica hasta el ánodo del condensador electrolítico. Aunque la corriente puede ser de solo unos pocos microamperios, representa una densidad de corriente localizada muy alta que puede causar un pequeño punto caliente. Esto puede provocar cierta conversión del pentóxido de tantalio amorfo a la forma cristalina más conductora. Cuando hay una corriente alta disponible, este efecto puede generar una avalancha y el condensador puede sufrir un cortocircuito total.
Sin embargo, los condensadores electrolíticos de tantalio pueden soportar durante breves instantes una tensión inversa durante un número limitado de ciclos. Las pautas más habituales para la tensión inversa del tantalio son:
Estas pautas se aplican para excursiones cortas y nunca deben utilizarse para determinar el voltaje inverso máximo bajo el cual se puede usar un capacitor de forma permanente. [46] [47]
Los condensadores electrolíticos de tantalio, al igual que otros condensadores convencionales, tienen dos funciones eléctricas. En el caso de los temporizadores o aplicaciones similares, los condensadores se consideran un componente de almacenamiento para almacenar energía eléctrica. Pero en el caso de aplicaciones de suavizado, derivación o desacoplamiento , como en las fuentes de alimentación , los condensadores funcionan además como resistencias de CA para filtrar componentes de CA no deseados de los rieles de tensión. Para esta función de CA (polarizada), la resistencia de CA dependiente de la frecuencia ( impedancia "Z" ) es tan importante como el valor de la capacitancia.
La impedancia es la relación compleja entre el voltaje y la corriente, con magnitud y fase, a una frecuencia particular en un circuito de CA. En este sentido, la impedancia es una medida de la capacidad del capacitor para atenuar corrientes alternas y se puede utilizar como la ley de Ohm.
La impedancia es una resistencia de corriente alterna que depende de la frecuencia y posee magnitud y fase a una frecuencia particular. En las hojas de datos de los condensadores electrolíticos, solo se especifica la magnitud de impedancia |Z| y se escribe simplemente como "Z" . De acuerdo con la norma IEC/EN 60384-1, los valores de impedancia de los condensadores electrolíticos de tantalio se miden y especifican a 10 kHz o 100 kHz según la capacitancia y el voltaje del condensador.
Además de medir, la impedancia también se puede calcular utilizando los componentes idealizados de un circuito equivalente en serie de un condensador, que incluye un condensador ideal C , una resistencia ESR y una inductancia ESL . En este caso, la impedancia a la frecuencia angular ω se obtiene por la suma geométrica (compleja) de ESR , por una reactancia capacitiva X C
y por una reactancia inductiva X L ( Inductancia )
.
Entonces Z viene dado por
En el caso especial de resonancia , en el que ambas resistencias reactivas X C y X L tienen el mismo valor ( X C = X L ), la impedancia solo estará determinada por la ESR . Con frecuencias superiores a la resonancia, la impedancia aumenta nuevamente debido a la ESL del capacitor. En este punto, el capacitor comienza a comportarse principalmente como una inductancia.
La resistencia en serie equivalente ( ESR ) resume todas las pérdidas resistivas del capacitor. Estas son las resistencias terminales, la resistencia de contacto del contacto del electrodo, la resistencia de línea de los electrodos, la resistencia del electrolito y las pérdidas dieléctricas en la capa de óxido dieléctrico. [48]
La ESR influye en la ondulación de CA superpuesta restante detrás del suavizado y puede influir en la funcionalidad del circuito. En relación con el capacitor, la ESR es responsable de la generación de calor interno si una corriente de ondulación fluye sobre el capacitor. Este calor interno puede influir en la confiabilidad de los capacitores electrolíticos de tantalio.
Generalmente, la ESR disminuye con el aumento de la frecuencia y la temperatura. [49]
Históricamente , en las hojas de datos pertinentes, en los debates sobre condensadores electrolíticos a veces se hace referencia al factor de disipación , tan δ , en lugar de a la ESR . El factor de disipación se determina por la tangente del ángulo de fase entre la resta de la reactancia capacitiva X C de la reactancia inductiva X L y la ESR . Si la inductancia del condensador ESL es pequeña, el factor de disipación se puede aproximar como:
El factor de disipación tan δ se utiliza para condensadores con pérdidas muy bajas en circuitos de determinación de frecuencia o circuitos resonantes donde el valor recíproco del factor de disipación se denomina factor de calidad ( Q ), que representa el ancho de banda de un resonador .
Una "corriente de ondulación" es el valor eficaz de una corriente alterna superpuesta de cualquier frecuencia sobre una corriente continua. Surge principalmente en las fuentes de alimentación (incluidas las fuentes de alimentación conmutadas ) después de rectificar un voltaje de CA y fluye como corriente de carga y descarga a través del condensador de desacoplamiento o suavizado.
Las corrientes de ondulación generan calor dentro del cuerpo del capacitor. Esta pérdida de potencia de disipación P L es causada por la ESR y es el valor al cuadrado de la corriente de ondulación efectiva (RMS) I R .
Este calor generado internamente, además de la temperatura ambiente y posiblemente otras fuentes de calor externas, hace que la temperatura del cuerpo del condensador tenga una diferencia de temperatura de Δ T con respecto a la temperatura ambiente. Este calor debe distribuirse en forma de pérdidas térmicas P th sobre la superficie A del condensador y la resistencia térmica β con respecto a la temperatura ambiente.
El calor generado internamente debe distribuirse al ambiente por radiación térmica , convección y conducción térmica . La temperatura del condensador, que se establece en función del equilibrio entre el calor producido y distribuido, no debe superar la temperatura máxima especificada del condensador.
La corriente de rizado se especifica como un valor eficaz (RMS) a 100 o 120 Hz o a 10 kHz a una temperatura de categoría superior. Las corrientes de rizado no sinusoidales deben analizarse y separarse en sus frecuencias sinusoidales componentes mediante el análisis de Fourier y la corriente de rizado equivalente se calcula como la raíz cuadrada de la suma de los cuadrados de las corrientes individuales. [50]
En los condensadores electrolíticos de tantalio sólido, el calor generado por la corriente de ondulación influye en la confiabilidad de los condensadores. [51] [52] [53] Exceder el límite tiende a provocar fallas catastróficas con cortocircuitos y componentes quemados.
Los condensadores electrolíticos de tantalio sólido pueden resultar dañados por sobretensiones, picos o corrientes de pulso. [43] [44] Los condensadores de tantalio, que están expuestos a sobretensiones, picos o corrientes de pulso, deben utilizarse con una reducción de tensión de hasta el 70 % en circuitos altamente inductivos. Si es posible, el perfil de tensión debe ser una activación en rampa, ya que esto reduce la corriente de pico que ve el condensador.
La corriente de fuga de CC es una característica especial de los condensadores electrolíticos que otros condensadores convencionales no tienen. Esta corriente está representada por la resistencia R de fuga en paralelo con el condensador en el circuito equivalente en serie de los condensadores electrolíticos. Las principales causas de la corriente de fuga de los condensadores de tantalio sólido son la ruptura eléctrica del dieléctrico, las rutas conductoras debido a impurezas o debido a una anodización deficiente, la derivación del dieléctrico debido al exceso de dióxido de manganeso, debido a las rutas de humedad o debido a los conductores del cátodo (carbono, plata). [54] Esta corriente de fuga en los condensadores de electrolito sólido no se puede reducir mediante la "curación" en el sentido de generar nuevo óxido porque en condiciones normales los electrolitos sólidos no pueden suministrar oxígeno para los procesos de formación. Esta afirmación no debe confundirse con el proceso de autocuración durante la cristalización de campo, como se describe en Fiabilidad (tasa de fallos).
La especificación de la corriente de fuga en las hojas de datos a menudo se dará mediante la multiplicación del valor de capacitancia nominal CR por el valor de la tensión nominal U R junto con una cifra adicional, medida después de un tiempo de medición de 2 o 5 minutos, por ejemplo:
El valor de la corriente de fuga depende de la tensión aplicada, de la temperatura del condensador, del tiempo de medición y de la influencia de la humedad provocada por las condiciones de sellado de la carcasa. Normalmente tienen una corriente de fuga muy baja, la mayoría mucho menor que la especificada para el peor de los casos.
La absorción dieléctrica se produce cuando un condensador que ha permanecido cargado durante mucho tiempo retiene algo de carga cuando se descarga brevemente. Aunque un condensador ideal alcanzaría cero voltios después de la descarga, los condensadores reales desarrollan un pequeño voltaje a partir de la descarga dipolar retardada en el tiempo, un fenómeno que también se denomina relajación dieléctrica , "remojo" o "acción de la batería".
La absorción dieléctrica puede causar un problema en circuitos donde se utilizan corrientes muy pequeñas, como integradores de constantes de tiempo prolongadas o circuitos de muestreo y retención . [57] [58] Sin embargo, en la mayoría de las aplicaciones donde los condensadores electrolíticos de tantalio soportan líneas de suministro de energía, la absorción dieléctrica no es un problema.
La confiabilidad de un componente es una propiedad que indica qué tan bien un componente realiza su función en un intervalo de tiempo. Está sujeta a un proceso estocástico y se puede describir de forma cualitativa y cuantitativa; no es directamente medible. La confiabilidad de los capacitores electrolíticos se determina empíricamente identificando la tasa de fallas en pruebas de resistencia que acompañan a la producción , consulte Ingeniería de confiabilidad#Pruebas de confiabilidad .
La confiabilidad normalmente se muestra en una curva de bañera y se divide en tres áreas: fallas tempranas o fallas de mortalidad infantil, fallas aleatorias constantes y fallas por desgaste. Los tipos de falla incluidos en la tasa de falla total son fallas de cortocircuito, circuito abierto y degradación (exceso de parámetros eléctricos).
La predicción de la fiabilidad se expresa generalmente en una tasa de fallos λ, abreviatura FIT (fallos en el tiempo). Este es el número de fallos que se pueden esperar en mil millones (10 9 ) de horas de funcionamiento de los componentes (por ejemplo, 1000 componentes durante 1 millón de horas, o 1 millón de componentes durante 1000 horas, lo que equivale a 1 ppm/1000 horas) en condiciones de trabajo fijas durante el período de fallos aleatorios constantes. Estos modelos de tasa de fallos suponen implícitamente la idea de "fallo aleatorio". Los componentes individuales fallan en momentos aleatorios pero a una tasa predecible. Las condiciones de funcionamiento estándar para la tasa de fallos FIT son 40 °C y 0,5 U R .
El valor recíproco de FIT es el tiempo medio entre fallos (MTBF).
En el caso de los condensadores de tantalio, la tasa de fallos se especifica a menudo a 85 °C y con una tensión nominal U R como condiciones de referencia y se expresa como porcentaje de componentes averiados por cada mil horas (n %/1000 h). Es decir, el número "n" de componentes averiados cada 10 5 horas o, en FIT, el valor multiplicado por diez mil cada 10 9 horas.
Para condiciones distintas a las condiciones de operación estándar de 40 °C y 0,5 U R , para otras temperaturas y voltajes aplicados, para carga de corriente, valor de capacitancia, resistencia del circuito, influencias mecánicas y humedad, la cifra FIT puede recalcularse con factores de aceleración estandarizados para contextos industriales [59] o militares [60] . Por ejemplo, una temperatura y un voltaje aplicados más elevados hacen que la tasa de fallas aumente.
La fuente más citada para el recálculo de la tasa de fallas es la MIL-HDBK-217F, la "biblia" de los cálculos de la tasa de fallas para componentes electrónicos. SQC Online, las calculadoras estadísticas en línea para muestreo de aceptación y control de calidad, ofrece una herramienta en línea para un examen breve para calcular valores dados de tasa de fallas para las condiciones de aplicación. [61]
Algunos fabricantes de condensadores de tantalio pueden tener sus propias tablas de cálculo FIT. [62] [63]
Los condensadores de tantalio son componentes fiables. La mejora continua de las tecnologías de condensadores y polvo de tantalio ha dado como resultado una reducción significativa de la cantidad de impurezas presentes, que anteriormente causaban la mayoría de los fallos de cristalización en campo. Los condensadores de tantalio disponibles comercialmente han alcanzado ahora como productos estándar el alto nivel "C" del estándar MIL, que es 0,01 %/1000 h a 85 °C y U R o 1 fallo cada 10 7 horas a 85 °C y U R . [15] Recalculado en FIT con los factores de aceleración procedentes de MIL HDKB 217F a 40 °C y 0,5 U R es esta tasa de fallo para un condensador de chip de tantalio de 100 μF/25 V utilizado con una resistencia en serie de 0,1 Ω la tasa de fallo es 0,02 FIT.
La vida útil , vida útil , vida de carga o vida útil de los condensadores electrolíticos de tantalio depende enteramente del electrolito utilizado:
El electrolito polimérico presenta un pequeño deterioro de la conductividad por un mecanismo de degradación térmica del polímero conductor. La conductividad eléctrica disminuye, en función del tiempo, de acuerdo con una estructura de tipo metal granular, en la que el envejecimiento se debe a la contracción de los granos de polímero conductor. [64] La vida útil de los condensadores electrolíticos poliméricos 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 operacionales mucho más largos. [65] [66] [67]
Los condensadores de tantalio presentan diferentes comportamientos eléctricos a largo plazo según el electrolito utilizado. Se especifican reglas de aplicación para tipos con un modo de falla inherente para garantizar una alta confiabilidad y una larga vida útil.
Los condensadores de tantalio son tan fiables como otros componentes electrónicos y tienen tasas de fallos muy bajas. Sin embargo, tienen un único modo de fallo denominado "cristalización de campo". [13] La cristalización de campo es la principal causa de degradación y fallos catastróficos de los condensadores de tantalio sólido. [17] Más del 90% de los fallos poco frecuentes de los condensadores electrolíticos de estado sólido de tantalio actuales se deben a cortocircuitos o a una mayor corriente de fuga debido a este modo de fallo. [70]
La película de óxido extremadamente delgada de un condensador electrolítico de tantalio, la capa dieléctrica, debe formarse en una estructura amorfa. Se informa que cambiar la estructura amorfa a una estructura cristalizada aumenta la conductividad en 1000 veces, combinado con una ampliación del volumen de óxido. [15] La cristalización de campo seguida de una ruptura dieléctrica se caracteriza por un aumento repentino de la corriente de fuga en unos pocos milisegundos, desde la magnitud de nanoamperios a la magnitud de amperios en circuitos de baja impedancia. El aumento del flujo de corriente puede acelerarse en un "efecto de avalancha" y propagarse rápidamente a través del metal/óxido. Esto puede dar como resultado varios grados de destrucción, desde áreas quemadas bastante pequeñas en el óxido hasta rayas quemadas en zigzag que cubren grandes áreas del gránulo o la oxidación completa del metal. [10] Si la fuente de corriente es ilimitada, una cristalización de campo puede causar un cortocircuito en el condensador . En esta circunstancia, la falla puede ser catastrófica si no hay nada que limite la corriente disponible, ya que la resistencia en serie del condensador puede llegar a ser muy baja.
Las impurezas, los pequeños daños mecánicos o las imperfecciones del dieléctrico pueden afectar a la estructura, cambiándola de una estructura amorfa a una cristalina y, por lo tanto, disminuyendo la rigidez dieléctrica. La pureza del polvo de tantalio es uno de los parámetros más importantes para definir su riesgo de cristalización. Desde mediados de la década de 1980, los polvos de tantalio fabricados han mostrado un aumento de pureza.
Las sobretensiones de corriente después de las tensiones inducidas por la soldadura pueden iniciar la cristalización, lo que lleva a la ruptura del aislamiento. [71] La única forma de evitar fallas catastróficas es limitar la corriente que puede fluir desde la fuente para reducir la ruptura a un área limitada. La corriente que fluye a través del área cristalizada provoca un calentamiento en el cátodo de dióxido de manganeso cerca de la falla. A temperaturas más altas, una reacción química reduce el dióxido de manganeso conductor circundante al óxido de manganeso (III) aislante (Mn 2 O 3 ) y aísla el óxido cristalizado en la capa de óxido de tantalio, deteniendo el flujo de corriente local. [10] [68]
Los condensadores de tantalio sólido con cristalización tienen más probabilidades de fallar al encenderse. [72] Se cree que el voltaje a través de la capa dieléctrica es el mecanismo desencadenante de la falla y que la corriente de encendido empuja el colapso hasta una falla catastrófica. Para evitar tales fallas repentinas, los fabricantes recomiendan: [15] [68] [73]
Símbolos de condensadores electrolíticos
Los condensadores electrolíticos pequeños o de bajo voltaje se pueden conectar en paralelo de forma segura. Los condensadores de gran tamaño, especialmente los de alto voltaje, se deben proteger individualmente contra la descarga repentina de todo el banco debido a un condensador defectuoso.
Algunas aplicaciones, como los convertidores CA/CA con enlace CC para controles de frecuencia en redes trifásicas, necesitan voltajes más altos que los que suelen ofrecer los condensadores electrolíticos de aluminio. Para tales aplicaciones, los condensadores electrolíticos se pueden conectar en serie para aumentar la capacidad de resistencia al voltaje. Durante la carga, el voltaje a través de cada uno de los condensadores conectados en serie es proporcional al inverso de la corriente de fuga del condensador individual. Dado que cada condensador difiere un poco en la corriente de fuga individual, los condensadores con una corriente de fuga más alta obtendrán menos voltaje. El equilibrio de voltaje sobre los condensadores conectados en serie no es simétrico. Se debe proporcionar un equilibrio de voltaje pasivo o activo para estabilizar el voltaje sobre cada condensador individual. [74]
Todos los condensadores de tantalio son componentes polarizados, con terminales positivos o negativos claramente marcados. Cuando se somete a una 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 se lo utilice posteriormente con la polaridad correcta. [75] Si la falla es un cortocircuito (la ocurrencia más común) y la corriente no está limitada a un valor seguro, puede producirse una fuga térmica catastrófica. Esta falla puede incluso provocar que el condensador expulse con fuerza su núcleo en llamas.
Los condensadores electrolíticos de tantalio con electrolito sólido están marcados en su terminal positivo con una barra o un "+". Los condensadores electrolíticos de tantalio con electrolito no sólido (estilo con conductores axiales) están marcados en el terminal negativo con una barra o un "-" (menos). La polaridad se puede identificar mejor en el lado moldeado de la caja, que tiene el terminal positivo. Los diferentes estilos de marcado pueden causar una confusión peligrosa.
Una causa particular de confusión es que en los condensadores de tantalio de montaje superficial el terminal positivo está marcado con una barra, mientras que en los condensadores de aluminio de montaje superficial es el terminal negativo el que está marcado de esa manera.
En los condensadores de tantalio de principios de los años 70, la polaridad se indica con un punto. El cable positivo es el que se encuentra a la derecha cuando el lado con el punto está de frente a usted. El cable positivo también puede ser ligeramente más largo. [76] Además, la polaridad se marca en las placas de circuito impreso mediante puntos de soldadura de formas diferentes si no hay signos "+" o "-" impresos en la placa de circuito impreso. Por ejemplo, se utiliza un punto de soldadura de forma cuadrada para la polaridad positiva (se debe verificar en un caso particular midiendo la conexión contra los pines de voltaje positivo, negativo o de tierra).
Los condensadores de tantalio, como la mayoría de los demás componentes electrónicos y si hay suficiente espacio disponible, tienen marcas impresas que indican el fabricante, el tipo, las características eléctricas y térmicas y la fecha de fabricación. Pero la mayoría de los condensadores de tantalio son de tipo chip, por lo que el espacio reducido limita las señales impresas a la capacitancia, la tolerancia, el voltaje y la polaridad.
Los capacitores más pequeños utilizan una notación abreviada. El formato más común es: XYZ J/K/M "V", donde XYZ representa la capacitancia (calculada como XY × 10 Z pF), las letras K o M indican la tolerancia (±10% y ±20% respectivamente) y "V" representa el voltaje de trabajo.
Ejemplos:
La capacidad, la tolerancia y la fecha de fabricación se pueden indicar con un código corto especificado en IEC/EN 60062. Ejemplos de marcado corto de la capacidad nominal (microfaradios): μ47 = 0,47 μF, 4μ7 = 4,7 μF, 47μ = 47 μF
La fecha de fabricación suele imprimirse de acuerdo con las normas internacionales.
En el caso de condensadores muy pequeños no es posible realizar ningún marcado; para identificar completamente un componente solo se puede utilizar el embalaje del componente o los registros del fabricante del conjunto de los componentes utilizados.
Las definiciones estándar de características y métodos de prueba para componentes eléctricos y electrónicos y tecnologías relacionadas son publicadas por la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC), [77] una organización internacional de estándares no gubernamental y sin fines de lucro , [78] [79] que se remite a los estándares de otras organizaciones de la industria para características de aplicación particulares, por ejemplo, los estándares de tamaño EIA, los estándares de soldabilidad IPC, etc. Los estándares y métodos de calidad y confiabilidad de las especificaciones MIL-STD de EE. UU. se utilizan para componentes que requieren una mayor confiabilidad o se requiere un entorno operativo menos benigno.
La definición de las características y el procedimiento de los métodos de ensayo para condensadores destinados a su utilización en equipos electrónicos se establecen en la Especificación genérica :
Las pruebas y requisitos que deben cumplir los condensadores electrolíticos de aluminio y tantalio para su uso en equipos electrónicos para su aprobación como tipos normalizados se establecen en las siguientes especificaciones seccionales :
Los condensadores de tantalio son el principal uso del elemento tántalo. El mineral de tantalio es uno de los minerales de conflicto . Algunas organizaciones no gubernamentales están trabajando juntas para crear conciencia sobre la relación entre los dispositivos electrónicos de consumo y los minerales de conflicto.
En 2008, el mercado de condensadores electrolíticos de tantalio fue de aproximadamente 2.200 millones de dólares, lo que representó aproximadamente el 12% del mercado total de condensadores. [80]
La baja fuga y la alta capacidad de los condensadores de tantalio favorecen su uso en circuitos de muestreo y retención para lograr una larga duración de retención y algunos circuitos de temporización de larga duración donde la temporización precisa no es crítica. También se utilizan a menudo para el desacoplamiento de rieles de suministro de energía en paralelo con condensadores de película o cerámicos que proporcionan baja ESR y baja reactancia a alta frecuencia. Los condensadores de tantalio pueden reemplazar a los condensadores electrolíticos de aluminio en situaciones donde el entorno externo o el empaquetamiento denso de componentes da como resultado un entorno interno caliente sostenido y donde la alta confiabilidad es importante. Los equipos como la electrónica médica y el equipo espacial que requieren alta calidad y confiabilidad hacen uso de condensadores de tantalio.
Una aplicación especialmente común de los condensadores de tantalio de bajo voltaje es el filtrado de la fuente de alimentación en las placas base de ordenadores y en los periféricos, debido a su pequeño tamaño y su fiabilidad a largo plazo. [81] [82]
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Medios relacionados con los condensadores de tantalio en Wikimedia Commons