什么是钽电容器?

一、什么是钽电容器

钽电容器有一个钽阳极和电解电容器。它们是极化电容器,频率和稳定性都很好。以钽为成分的电解电容器称为钽电容器。它们是由钽金属制成的,钽作为阳极,一层氧化物充当电介质,周围有一个导电阴极。

钽被用来制造一个非常薄的介电层。结果表明,该电容器的单位体积电容值更高,频率特性优于许多其他类型的电容器,并且具有良好的长期稳定性。钽电容器通常是极化的,这意味着只有在保持终端极性的情况下,它们才能连接到直流电源。

使用钽电容器的缺点是它们有一个不利的失效模式,这可能导致热失控、火灾和小爆炸。这可以通过使用外部故障保护装置(如限流器或热熔丝)来避免。

钽电容器现在可以广泛用于各种电路,包括计算机、汽车、手机和其他电子设备,最常见的是表面安装设备(SMD). 这些表面贴装的钽电容器在印刷电路板上占据的空间要小得多,这样可以获得更高的封装密度。

值得注意的是,和电阻一样,有固定电容器和可变电容器。固定值电容器根据其极性分为非极化电容器和极化电容器。三种最常见的电容器类型在下图中用电气符号表示。

钽电容电容器符号


二、钽电容器的结构与性能

钽是一种银灰色金属,原子序数为73。当观察钽电容器的横截面图时,例如下图所示的带固体电解质的标准SMD钽电解片式电容器,正极(阳极)端子是将钽粉末压制并烧结到托盘中。电介质由覆盖在正极(阳极)端子上的绝缘氧化层形成,负极(阴极)端子由固体二氧化锰电解液形成。

钽电容器钽电容器的结构

在固体钽电容器的情况下,电解液通过热解添加到阳极。为了形成一层二氧化锰涂层,固体钽电容器浸在特殊溶液中,然后在烤箱中烘烤。重复该程序,直到颗粒内外表面都有一层致密的涂层。最后,为了确保牢固的阴极连接,固体钽电容器中使用的小球浸在石墨和银中。与固体钽电容器不同,湿钽电容器使用液体电解质。阳极在烧结并生长出介电层后,浸入外壳内的液体电解质中。在湿钽电容器中,外壳和电解液充当阴极。

钽电容器由于其薄而高的介电常数介电片而具有很高的单位体积和重量电容,这使其与其他电解电容器区别开来。钽电解电容器也是通过或绕过低频信号和存储大量电能的理想电容器。


三、钽电容器特性

3.1一般特性

钽电容器的电容值在1nF到72mF之间,明显小于相同电容量的铝电解电容器。钽电容器的额定电压从2V到500V以上。它们的等效串联电阻(ESR)比铝电解电容器低10倍,允许更高的电流通过电容器,同时产生更少的热量。与铝电解电容器相比,钽电容器随着时间的推移非常稳定,其电容量不会随时间发生显著变化。如果处理得当,它们是非常可靠的,它们的保质期几乎是无限的。

3.2极性

钽电解电容器具有很高的极化率。虽然极化铝电解电容器可以承受短暂的反向电压,但钽电容器对反向极化极为敏感。当施加相反极性的电压时,介质氧化物会分解,导致短路。这种短路可能导致热失控和电容器在未来的破坏。

与铝电解电容器相比,钽电容器的正极端子通常标记在外壳上。

3.3钽电容器故障模式

根据ASM国际出版的一篇论文,钽电容器的失效模式分为三大类。

•高泄漏/短路

高泄漏电流可能是由施加反向电压引起的,这在故障排除、故障和/或台架试验期间很常见。由于晶化过程中形成的热点使阴极发热,含晶化的钽电容器发生短路故障。

•高等效串联电阻(ESR)

当电容器暴露在板安装、挑选和放置、回流焊和操作寿命时,机械/热机械对其ESR有重要影响。外部和/或内部关系通常会因这种形式的压力而受到损害,从而导致高ESR。

•低电容/开路

这种故障并不常见,因为钽电容器的电容在正常工作条件下不会发生位移。钽电容器在任何应用中的电容值较低可能表示电容器短路,而开路故障可能是由正极导线和导线连接损坏引起的。

众所周知,钽电容器具有潜在的危险失效模式。在电压尖峰期间,钽阳极可能与二氧化锰阴极接触,如果尖峰能量足够,可能会发生化学反应。这种化学反应产生热量,并且是自我维持的,同时也可能产生烟雾和火焰。外部故障保护电路,如限流器和热熔断器,应与钽电容器结合使用,以避免热失控。


四、钽电容器分类

4.1插件钽电容器

为了避免损坏,铅钽电容器通常封装在一个小的环氧树脂盒中。钽珠电容器因其形状而得名。

虽然颜色编码方案曾经很常见,一些电容器仍然使用它,但是电容器的标记通常以图形的形式直接写在封装上。

插件钽电容器

4.2贴片钽电容器

表面贴装钽电容器在现代电子产品中常用。当设计有足够的裕度时,它们提供可靠的服务,并允许在现代设备所需的小封装尺寸中实现高电容值。

由于无法承受焊接所需的温度,铝电解质最初在表面贴装封装中不可用。因此,能够承受焊接过程的钽电容器几乎是表面贴装组件中高价值电容器的唯一选择。尽管表面贴装电解液可用,但钽仍然是贴片电容器的首选,因为它具有优良的成本、尺寸和性能参数。

贴片钽电容器

•贴片钽电容器标记

贴片钽电容器的标记上通常有三个数字。主要数字是前两个,乘数是第三个。值以picofarads为单位。结果表明,贴片钽电容器的电容值为47x105pf,相当于4.7F。

如下图所示,值通常标记得更直接。标记表示值。

贴片钽电容器标记


五、钽电容器的应用

钽电容器有许多优点,可用于各种应用,包括现代电子产品,在广泛的温度和频率范围内,钽电容器具有更高的稳定性、长期可靠性和更高的体积效率。

钽电容器因其泄漏电流小、容量大、长期稳定可靠而被广泛应用。它们用于采样和保持电路中,例如,需要低泄漏电流来实现长保持时间。由于其体积小,长期可靠,它们经常被广泛用于计算机主板和手机的电源滤波,最常见的是表面贴装形式。

钽电容器的应用

军用标准(MIL-SPEC)钽电容器也可用,公差更小,工作温度范围更广。由于它们不会随时间而变干或改变电容,因此在军事应用中,它们是铝电解的常用替代品。

钽的高稳定性也用于医疗电子产品。钽电容器通常用于音频放大器,在那里稳定性很重要。钽电容器是一种复杂的元件,用于心脏植入术中,用于检测不规则的心跳,并在几秒钟内发出一次电回击。医疗、电信、航空航天、军事、汽车和计算机只是使用这种电容器的少数几个行业。


六、钽与陶瓷电容器的区别

钽电容器广泛应用于各种电路中,尽管它们通常需要一个外部故障保护系统来防止由其故障模式引起的问题。个人电脑、笔记本电脑、医疗设备、音频放大器、汽车电路、移动电话和其他表面安装设备只是少数几个例子(SMD)。钽电解是军事应用中铝电解的一种常见替代品,因为它不会随着时间的推移而变干或改变电容。

陶瓷电容器有着广泛的应用,其中最受欢迎的是个人电子设备。MLCC是应用最广泛的电容器,每年约有10亿个电子设备。印刷电路板(PCB)、感应炉、DC-DC转换器和电源断路器就是一些应用实例。由于陶瓷电容器是非极化的,有各种各样的电容、电压额定值和尺寸,所以通常用作通用电容器。

钽电容器与陶瓷电容器

虽然钽和陶瓷电容器具有相似的功能,但它们的构造方法、材料和性能却大不相同。钽和陶瓷电容器在性能方面有几个主要方面的变化:

•老化

说到电容器,老化是指电容随时间的对数下降。钽电容器不会老化,而陶瓷电容器会老化。目前还没有已知的钽电容器的磨损机理。

•极化

大多数钽电容器是极化的。这意味着它们只能连接到直流电源,同时保持适当的端子极性。另一方面,非极化陶瓷电容器可以安全地连接到交流电源上。陶瓷电容器具有较高的频率响应,因为它们没有极化。

•温度响应

钽电容器在温度变化时具有线性电容变化,而陶瓷电容器具有非线性响应。另一方面,陶瓷电容器可以通过缩小工作温度范围和在设计阶段考虑温度响应来实现线性趋势。

•电压响应

钽电容器的电容随外加电压的变化很明显,而陶瓷电容器没有。陶瓷电容器内的介电常数随着外加电压的升高而收缩,从而引起电容的变化。虽然大多数陶瓷电容器的电容变化是线性的,很容易解释,但一些高介电常数的电介质在额定电压下运行时会损失70%的初始电容。


七、常见问题

1.钽电容器的优点和缺点是什么?

固体钽电容器的优点和缺点如下

优点:寿命长、耐高温、性能优良、精度高、滤除高频谐波效率高。

缺点:氧化层很薄,不坚固,不能承受超过极限的电压,纹波电流额定值低。

2.什么时候使用钽电容器?

当你需要在一个很小的空间里获得最大的电容时,比如芯片旁边的去耦,在一系列温度或电压范围内具有出色的稳定性,并且你知道它们的独特特性,这样就可以正确地设计它们,而不会让你的系统冒着严重故障的风险。

3.钽电容器的浪涌电压是多少?

在串联电阻最小的电路中,浪涌电压是能在较短时间内施加在电容器上的最高电压。

4.钽电容器和电解电容器有什么区别?

用铝(或铝)制造的电解电容器通常比用钽制造的电容器价格低。钽电容器的单位体积电容量较高。用钽制成的电容器可以是极性的也可以是非极性的,尽管极化形式更常见。

5.钽电容器为什么会失灵?

在含有固体二氧化锰电解液的钽电解电容器上施加的瞬态电压或电流尖峰会导致一些钽电容器发生故障,并可能直接导致短路。

6.钽电容器能用多久?

聚合物钽电容器的电容稳定性随时间、温度和电压的变化超过了MLCCs。虽然mlcc容易老化,但聚合物钽在20年的使用寿命内实现长期稳定性。

7.所有的钽电容器都是极化的吗?

钽电容器是固有的极化元件。反向电压会破坏电容器。非极性或双极性钽电容器是由两个极化电容器串联而成,阳极方向相反。

8.钽电容器是用来做什么的?

使用钽电容器的应用具有泄漏电流低、容量大、长期稳定可靠等优点。例如,它们用于采样和保持电路中,这些电路依靠低泄漏电流来实现长保持时间。

9.我能用钽来代替电容器吗?

但由于电容器是一种比电容器更可靠的圆柱形电容器,而钽电容器更可靠。如果泄漏系数不是太关键,那么你可以很容易地用其他普通的电解电容器来代替钽电容器。

10.什么是湿钽电容器?

湿钽电容器是为电路提供电容电抗的无源器件。它们是带有湿电解液、阳极和阴极的电解电容器。由于其优越的特性,包括容积效率、高可靠性、宽温度范围内的电气稳定性和较长的使用寿命,它们被用于其他类型的电容器。湿钽电容器技术最适合军事、航天、卫星和重工业应用领域。

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