Tantaalikondensaattorit


Tantaalikondensaattorit ovat eräänlaisia elektrolyyttikondensaattoreita. Ne valmistetaan kiinteästä tantaalimetallista ja niillä on kondensaattoreista suurin tilavuus/kapasitanssi - suhde. Niiden sähköiset ominaisuudet, kuten suurtaajuussietoisuus, ovat hyvät, eikä niiden kapasitanssi muutu komponentin ikääntyessä juuri lainkaan, on komponentti sitten jännitteettömänä tai jännitteellisenä. Myös niiden käyttölämpötila-alue on laaja. Tantaalikondensaattoreiden käytössä on kuitenkin huomattava, että niiden altistuminen erilaisille ympäristöolosuhteille käytön aikana vaikuttaa kondensaattorin luotettavuuteen. Tällaisia ympäristöolosuhteita ovat mm. lämpötila, kosteus sekä mekaaninen ja sähköinen (käyttöjännite, rippelivirta,..) rasitus. Tantaalikondensaattoreita käytettäessä on komponentti syytä ylimitoittaa jännitekestoltaan, koska kondensaattorin yli oleva maksimijännite alenee lineaarisesti tietyn lämpötilan ylityttyä. [1]

Tantaalikondensaattoreilla on polariteetti (joskin on olemassa myös polaarittomia tantaalikondensaattoreita). Niiden käytössä on huomattava, ettei kondensaattorin tulisi altistua polariteetiltaan vastakkaiselle biasjännitteelle. Komponentille on näin ollen olemassa tietty konfiguraatio liitettäessä se piirilevyyn ja tämä tulee huomioida, koska kondensaattori ei toimi kytkennässä halutulla tavalla sen ollessa väärin päin kytketty. [2]
Komponentin datalehdeltä on löydettävissä valmistajan ilmoittama komponentin estosuuntaisen jännitteen kesto. [3] [4] [5]

Tarkastellaan seuraavaksi tarkemmin tantaalikondensaattoreiden rakennetta ja ominaisuuksia sekä komponentin vikaantumista ja edelleen sen itsekorjautuvaa ominaisuutta. Sivun lopussa on esitelty komponenttivalmistaja AVX:n pintaliitostantaalikondensaattori (surface mount tantalum capacitor), mallia TPSD157*010R0100.

Rakenne ja ominaisuudet


Tantaalikondensaattori on polaarinen. Se muodostuu anodista, katodista ja niiden väliin jäävästä eristeestä. Eriste on dielektristä tantaalipentoksidia, Ta2O5.
Anodi rakennetaan puristamalla tantaalipulveria tantaalimetallijohtimen ympärille. Rakennetta käsitellään tyhjiökammiossa korkeassa lämpötilassa ja lopputuloksena saadaan vakaa, huokoinen rakenne.
Anodin päälle rakennetaan eriste tantaalipentoksidista. Kerros muodostetaan hapettamalla tantaalimetallia ellyktrolyyttiliuoksessa. Rakenteeseen johdetaan jännite, jotta oksidikerros alkaisi muodostua tasaisesti kaikkialle metallin pintaan. Kerros tyhjiökäsitellään ja hapetetaan uudelleen ja tämän valmistustavan tuloksena kondensaattori polarisoituu.
Katodi muodostetaan edelleen eristeen päälle. Katodi on mangaanidioksidista, MnO2, muodostuvaa puolijohdemateriaalia ja se synnytetään yksinkertaisesti kastamalla rakenne mangaaninitraattiliuokseen, jonka jälkeen se kuivatislataan korkeassa lämpötilassa tyhjiössä.
Kondensaatortori muodostuu siis tantaalimetallijohtimesta, jolla on yhteys anodiin ja katodista, jona toimii mangaanioksidipinnoite. Pinnoituksen päälle muodostetaan vielä grafiitti-hiilikerros ja kokonaisuus maalataan hopeamaalilla suojaamaan huokoista rakennetta kosteudelta. [6] [7]

Komponentin vikaantuminen


Tantaalikondensaattorit ovat herkkiä epäedullisille ympäristöolosuhteille. Komponentin erilaisia vikaantumistapoja ovat mm. oikosulku, avoin piiri, vuotovirran kasvu, kapasitanssimuutokset, häviökertoimien muutokset ja mekaaniset kotelon ja rakenteiden muutokset, johtuen mm. kosteudesta ja lämpötilan kasvusta. Flicker-vuotovirta voi, jos ei ole niin suuri, että komponentti vioittuu korjaamattomasti, aiheuttaa hetkellisiä oikosulkuja kondensaattorin eristekerrokseen. Hetkellisiä siksi, että tantaalikondensaattorilla on elektrokemiallinen itsekorjautuvuus-ominaisuus.

Komponentin itsekorjautuminen


Tantaalikondensaattorin katodi muodostuu materiaalista, joka kykenee muuttamaan kemiallista koostumustaan ja katkaisemaan näin virran kulun oikosulkualueelle. Tämä on tulosta mangaanioksidivaipan muodostumisesta oikosulkualueelle.

AVX: Pintaliitostantaalikondensaattori TPSD157010R0100


Pintaliitoskondensaattori


Pintaliitoskomponenteilla ei ole pitkiä jalkoja, joiden avulla ne ladottaisiin piirilevyn läpi, vaan ne kiinnitetään levyn pinnalle. Pintaliitoskomponentti voi olla jalallinen, jolloin sen jalat on taivutettu siten, että ne jäävät levyn pinnalle, jalaton, jolloin sillä on kotelon rakenteessa metalliset kontaktipinnat joista se kiinnitetään tai array-tyyppinen, jolloin sen jalat jäävät komponentin alle. Ulkopuoliset kontaktit ovat yhteydessä kotelon sisällä oleviin kapasitiivisiin rakenteisiin.
Pintaliitoskondensaattoreita käytetään nykypäivänä paljon, koska ne kykenevät säilyttämään signaalin vääristymättömänä sen kulkiessa niiden rakenteissa ja niiden varauksenjohtokyky on hyvä. Ne ovat nopeita ja niitä käytetään mm. kytkintoiminnoissa. Varsinkin pintaliitoselektrolyyttikondensaattorit, kuten puuterimaisesta metallista valmistetut pintaliitostantaalikondensaattorit, ovat kasvattaneet suosiotaan.
Kulutuselektroniikalta vaaditaan nykyaikana kaiken muun lisäksi myös erityisesti pientä kokoa. Tämä on yksi syy pintaliitoskomponenttien käytön lisääntymiseen. Pintaliitoskomponentti tarvitsee huomattavasti vähemmän tilaa piirilevyllä, kuin vastaava läpiladottu komponentti. [8]

TPSD157010R0100


AVX:n pintaliitostantaalikondensaattori TPSD157010R0100 on ns. jalaton komponentti ja sillä on metalliset kontaktipinnnat kotelon molemmissa päissä pituussuunnassa. Kuvan komponentti on mallia TPSY157M010S0200. Se kuitenkin vastaa melko hyvin edellä mainittua kondensaattoria. Molemmat ovat AVX:n TPS-sarjasta ja niiden kapasitanssi on 150 uF ja jännite 10 V. Jatkossa puhutaan mallista TPSD157010R0100.

IMG_0740.JPG

Taulukossa on esitetty komponentin tiedot: [9]

Kokoluokka
Kapasitanssi [uF]
Arvioitu jännite [V]
DCL [uA] max
DF [%] max
ESR [mOhm] max
100 kHz rippelivirta [mA]





@ 100 kHz
@ 25C
@85C
@ 125C
D
150
10
15
6
100
1225
1095
490

Rippelivirran suuruus vaihtelee huomattavasti suhteessa lämpötilaan, mistä voidaan todeta tantaalikondensaattorin olevan erittäin lämpötilariippuva komponentti. AVX pintaliitoskondensaattoreiden kokoluokat on lueteltu pintaliitoskondensaattorien datalehdellä. Käytännössä kokoluokan D komponentillä ovat voimassa seuraavan mukaiset mittasuhteet (mitat on annettu millimetreinä mm):

Koodi
EIA-koodi
Leveys
+0,2/-0,1

Pituus
+/-0,2

Syvyys
+0,2/-0,1

Kontaktin leveys
+/-0,2

Kontaktin pituus
+0,3/-0,2

Kontaktien etäisyys pituussuunnassa
D
7343
4,3
7,3
2,9
2,4
1,3
väh. 4,4

  1. ^ Capacitors, Tantalum capacitors: http://www.massmind.org/images/www/hobby_elec/e_capa.htm, 12.01.10, 18:13
  2. ^ StingerWeb, Tietokoneet ja elektroniikka, Kondensaattorit: http://koti.mbnet.fi/~stinger/konkat.php, 13.01.10, 13:44
  3. ^ Basic Tantalum Capacitor Technology: http://www.avx.com/docs/techinfo/bsctant.pdf, 12.01.10, 17:00
  4. ^ AVX, Surface Mount Tantalum Capacitors: http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/avx/TAJB226M010R.pdf, 19.01.10, 18:24
  5. ^ Engineers Edge, Tantalum capacitor: www.engineersedge.com/instrumentation/tantalum_capacitors.htm, 20.01.10, 16:35
  6. ^ Basic Tantalum Capacitor Technology: http://www.avx.com/docs/techinfo/bsctant.pdf, 12.01.10, 17:00
  7. ^ Engineers Edge, Tantalum capacitor: www.engineersedge.com/instrumentation/tantalum_capacitors.htm, 20.01.10, 16:35
  8. ^ Electronics Manufacturers, Surface Mount Capacitor: http://www.electronics-manufacturers.com/products/electrical-electronic-components/capacitor/surface-mount-capacitor/, 20.01.10, 14:13
  9. ^ AVX, Surface Mount Tantalum Capacitors: http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/avx/TAJB226M010R.pdf, 19.01.10, 18:24