Конденсаторы — маркировка, типы (smd

Что такое SMD конденсаторы и для чего они нужны

Многие электронные компоненты имеют значительный размер и крепятся на плате с помощью проволочных ответвлений или широких ножек, как у микросхем. Для надежной фиксации контактные элементы таких деталей устанавливаются в специально сделанные отверстия, в которых они обволакиваются расплавленным припоем для обеспечения качественного электрического контакта.

Конденсаторы - маркировка, типы (smd
Стандартный монтаж радиодеталей

Если рассеиваемая мощность резисторов или номинал конденсаторов слишком мал, то нет необходимости делать такое изделие слишком объемным. Установка элементов этого типа методом сверления платы вынудило бы разработчиков электронных схем выделять неоправданно большую площадь печатной схемы для их установки. Логичным решением этой проблемы является использование SMD компонентов.

SMD технология (Surface Mounted Device) — метод установки электронных деталей без сверления платы. Такой компонент просто припаивается с одной стороны поверхности, тем самым позволяя экономить значительную площадь, не снижая ее прочность наличием большого количества микроотверстий.

Обратите внимание! Методом поверхностного монтажа могут быть установлены не только конденсаторы, но и резисторы, транзисторы и микросхемы.

Применение SMD компонентов позволяет максимально оптимизировать расположение деталей на плате. Благодаря использованию этой технологии схемы сложных устройств можно изготовить относительно малых размеров, что особенно актуально при проектировании мобильных изделий.

Что такое танталовые конденсаторы?

Танталовые конденсаторы – устройства для аккумулирования заряда, на поверхности которых формируется слой оксида. Такие изделия пользуются широким спросом. Накопительная ёмкость конденсатора во многом зависит от исходных характеристик этого слоя.

Конденсаторы - маркировка, типы (smd
Танталовые конденсаторы

При обработке тантала на производстве достаточно просто контролировать основные параметры:

  • Толщину.
  • Проводимость.
  • Равномерность структуры.

Конденсаторы - маркировка, типы (smd
Производство танталовых конденсаторов

Основные компоненты в таких конструкциях описываются следующим образом:

  • Анодный вывод для пайки.
  • Маркировочная линия.
  • Анод из гранулированного тантала, к которому добавляют слой пентаоксида.
  • Оксид, обладающий электролитическими характеристиками.
  • Комбинированное покрытие, с серебром и графитом.
  • Адгезивный серебряный слой.
  • Вывод для монтажа пайкой, с участием печатной платы.
  • Компаунд, за счёт которого формируется корпус.

Конденсаторы - маркировка, типы (smd
Танталовые конденсаторы – что это

Увеличенное сопротивление обеспечивается за счёт аморфности оксидного слоя. Серебро и графит, наоборот, улучшают проводимость. Диэлектрик пробивается, если его прогрев будет чрезмерно высоким.

Внимание! Самостоятельное восстановление конденсатора допустимо только при небольших повреждениях и дефектах, и особенности, исключающие пригодность к ремонту также надо учитывать.

Виды SMD конденсаторов

Разбираться в видах конденсаторов, монтирующихся методом поверхностного закрепления, необходимо каждому радиолюбителю. Такие изделия могут отличаться не только по емкости, но и по напряжению, поэтому игнорирование условий использования деталей может привести к тому, что они выйдут из строя.

Вам это будет интересно  Все о селективности

Электролитические компоненты

Электролитические SMD конденсаторы не отличаются принципиально от стандартных изделий. Такие электронные компоненты наиболее часто представляют собой бочонки, в которых под алюминиевым корпусом располагается скрученный в цилиндр тонкий металл, а между ним твердый или жидкий электролит.

Конденсаторы - маркировка, типы (smd
Электролитические SMD конденсаторы

Основное отличие такой детали от стандартного электролитического элемента заключается в том, что его контакты закреплены на плоской диэлектрической подложке. Такие изделия очень надежны в эксплуатации, особенно удобны в том случае, когда необходимо установить новое изделие при минимальных временных затратах. Кроме этого, во время пайки изделие не перегревается, что очень важно для электролитических конденсаторов.

Керамические компоненты

В керамических элементах в качестве диэлектрика применяется фарфор либо аналогичные неорганические материалы. Основное достоинство таких изделий заключается в устойчивости к высоким температурам и возможности производства изделий крайне малых размеров.

Важно! SMD конденсаторы керамического типа также устанавливаются методом пайки на печатную плату.

Визуально такой элемент, как правило, напоминает небольшой кирпичик, к которому с торцов припаиваются контактные площадки.

Конденсаторы - маркировка, типы (smd
Керамические SMD конденсаторы

В отличие от радиодеталей стандартных размеров SMD элементы небольшого размера вначале приклеивают к плате, а уже потом припаивают выводы. На производстве керамические изделия этого типа устанавливаются специальными автоматами.

Маркировка танталовых SMD конденсаторов

Танталовые SMD конденсаторы устойчивы к повышенным механическим нагрузкам. Такие изделия также могут быть изготовлены в виде небольшого параллелепипеда, к которому с боковых сторон припаиваются контактные выводы. Тантал представляет собой очень прочный металл, обладающий высокими показателями пластичности. Фольга из этого материала может иметь толщину в сотые доли миллиметра.

К сведению! Благодаря наличию определенных физических свойств на основе тантала удается изготовить радиодетали высочайшей точности.

Конденсаторы - маркировка, типы (smd
Танталовые конденсаторы

Танталовые конденсаторы, как правило, имеют небольшие размеры корпуса, поэтому нанести полную маркировку на изделия, выполненные в корпусе типоразмера «А», не всегда представляется возможным. Зная особенности обозначения радиодеталей этого типа, можно легко определить номинал изделия. Максимально допустимое напряжение в вольтах для танталовых изделий обозначается латинскими буквами:

  • G — 4;
  • J — 6,3;
  • A — 10;
  • C — 16;
  • D — 20;
  • E — 25;
  • V — 35;
  • T — 50.

Обратите внимание! Емкость изделий указывается в микрофарадах после буквы «μ», а положительный контакт — жирной линией.

Маркировка керамических SMD конденсаторов

Небольшие керамические конденсаторы SMD маркируются буквенно-цифровым кодом, состоящим из 3 символов. Первый указывает на минимальное значение рабочей температуры, например:

  • Z — от 10 °С;
  • Y — от −30 °С;
  • X — от 55 °С.

Конденсаторы - маркировка, типы (smd
Маркировка SMD конденсаторов

Второй символ указывает на верхний предел нагрева радиодетали:

  • 2 — до 45 °С;
  • 4 — до 65 °С;
  • 5 — до 85 °С;
  • 6 — до 105 °С;
  • 7 — до 125 °С;
  • 8 — до 150 °С;
  • 9 — до 200 °С.

Третий символ указывает на точность электронного компонента:

  • A — до ± 1,0 %;
  • B — до ± 1,5 %;
  • C — до ± 2,2 %;
  • D — до ± 3,3 %;
  • E — до ± 4,7 %;
  • F — до ± 7,5 %;
  • P — до ± 10 %;
  • R — до ± 15 %;
  • S — до ± 22 %;
  • T — до ± 33 %;
  • U — до ± 56 %;
  • V — до ± 82 %.

Ёмкость небольших керамических SMD конденсаторов указывается в пикофарадах. Чтобы сэкономить площадь небольшого радиоэлемента, основное число мантисса закодировано в букве латинского алфавита. В таблице, указанной ниже, приведен полный список подобных обозначений.

Конденсаторы - маркировка, типы (smd
Таблица с закодированными символами

После цифры указывается множитель, например, обозначение на керамическом конденсаторе Х3 означает, что конденсатор имеет емкость 7,5 * 10 ^ 3 Pf.

Обратите внимание! Перед кодом, обозначающим емкость керамического SMD конденсатора, может стоять латинская буква, которая указывает на бренд производителя электронного компонента.

Если площадь керамического конденсатора этого типа достаточно велика, то на ней может быть отображен тип диэлектрика. С этой целью применяются:

  • NP0. Диэлектрическая проницаемость такого элемента находится на крайне низком уровне. Основное достоинство компонентов этого типа заключается в хорошей устойчивости к резким температурным перепадам. Недостаток элементов, в которых используется диэлектрик этого типа — высокая цена;
  • X7R. Среднего качества диэлектрик. Изделия, в которых используется изолятор этого типа, не обладают отличными характеристиками по устойчивости к пробою, но в среднем температурном диапазоне они способны проработать значительно дольше многих, более дорогих элементов;
  • Z5U. Диэлектрик с высокими значениями электрической проницаемости, но обратной стороной этого показателя является слишком большая емкостная погрешность;
  • Y5V. Изолирующий материал обладает примерно такими же характеристиками, как и Z5U. По стоимости этот диэлектрик является самым дешевым, поэтому электрические компоненты, изготовленные на его основе, реализуется по самым низким ценам.

Конденсаторы - маркировка, типы (smd

Вам это будет интересно  Особенности теплого света
Сгоревший SMD конденсатор

Учитывая все выше изложенное, можно быть уверенным в том, что если SMD конденсатор не подгорел или не изменил цвет поверхности по другим причинам, то всегда можно определить его номинал по нанесенной на его корпусе маркировке.

Маркировка электролитических SMD конденсаторов

Электролитические конденсаторы этого типа, как правило, имеют относительно большие размеры, поэтому многие параметры таких элементов указываются без шифрования. То есть максимальное значение напряжения будет указано цифрой и буквой «V», а емкость — mF.

Конденсаторы - маркировка, типы (smd
Маркировка электролитических SMD конденсаторов

В некоторых случаях номинал SMD конденсатора электролитического типа также может быть закодирован. Как правило, для этой цели используется 4 символа (одна буква и 3 цифры). Первый символ — это напряжение в вольтах:

  • e 2,5;
  • G 4;
  • J 6,3;
  • A 10;
  • C 16;
  • D 20;
  • E 25;
  • V 35;
  • H 50.

Обратите внимание! В трех следующих цифрах закодирована информация о емкости конденсатора (2 цифры + множитель).

Таким образом даже на очень небольших по размеру электролитических SMD конденсаторах может быть нанесена маркировка с информацией об основных параметрах изделия.

Как определить емкость, номинал и напряжение SMD конденсаторов

Выше была изложена подробная информация о том, как правильно определять номинал SMD конденсаторов по маркировке. Основная сложность при выполнении такой операции заключается в том, что символы могут быть настолько малы, что их невозможно идентифицировать невооруженным глазом. В такой ситуации рекомендуется использовать лупу либо любой другой увеличительный прибор с подходящей кратностью, а также установить качественное освещение в месте проведения подобных исследований.

Конденсаторы - маркировка, типы (smd
Лупа для радиолюбителя

Обратите внимание! Иногда на поверхности радиоэлемента не читаются либо полностью отсутствуют обозначения, поэтому каждому радиолюбителю следует знать, как определить емкость электролитического конденсатора без маркировки. Для выполнения такой работы не обойтись без специального измерительного прибора.

Конденсаторы - маркировка, типы (smd
Как определить емкость SMD конденсатора без маркировки с помощью прибора

Для получения корректных показателей перед началом измерения емкости конденсатора радиоэлемент необходимо полностью разрядить.

Предельное напряжение измеряется на конденсаторе, который устанавливается в электронную схему, где данный элемент может быть безопасно подключен к электрическому напряжению. После отключения источника тока проводят измерение напряжения на контактах радиодетали. Полученное значение в вольтах следует умножить на 1,5 для получения точного значения этого параметра.

Конденсаторы - маркировка, типы (smd
Напряжение можно измерить дешевым мультиметром

Конденсаторы SMD являются очень удобными при самостоятельной сборке различных схем, а при автоматическом монтаже благодаря им удается добиться максимальной компактности расположения радиодеталей. Зная принципы расшифровки обозначения таких элементов, можно без каких-либо затруднений проектировать и собирать даже сложные устройства в домашних условиях.

Конструкция и производство твердотельных танталовых конденсаторов

Тантал выбран в качестве основного материала для конденсаторов не случайно. Дело в том, что существует всего несколько металлов, которые при окислении способных создавать плотные и непроводящие оксидные пленки: титан, цирконий, ниобий, тантал, алюминий и некоторые другие. Однако, среди перечисленных металлов, только при использовании алюминия и тантала удается технологически контролировать толщину оксидной пленки.

Твердотельные танталовые конденсаторы являются электролитическими конденсаторами, которые состоят из четырех основных частей: анода, диэлектрика, электролита (жидкого или твердого) и катода (рисунок ).

Рисунок 2 – Конструкция твердотельного танталового чип-конденсатора

 Конструкция твердотельного танталового чип-конденсатора

Производство конденсаторов представляет собой сложную цепочку технологических операций.

Создание анода. В твердотельных танталовых конденсаторах анод представляет собой пористую гранулированную структуру, похожую на губку (рисунок), изготовленную из прессованного танталового порошка высокой степени очистки. Эта губку получают в процессе спекания в условиях глубокого вакуума при высоких температурах, которые, как правило, лежат в диапазоне от 1300 до 2000°C. Очевидно, что такая структура имеет высокое соотношение объема и суммарной площади поверхности благодаря высокой степени пористости.

Формирование диэлектрика. Диэлектрик представляет собой пленку пентаоксида тантала (Ta2O5), сформированную на поверхности анода при помощи электрохимического окисления. Толщину оксидной пленки можно задавать, изменяя величину приложенного напряжения в ходе процесса электрохимического окисления. Как правило, толщина пленки чрезвычайно мала – от нескольких сотен до нескольких тысяч ангстрем (1 ангстрем = 1.0·10-10 метра).

Оксидная пленка (Ta2O5) имеет аморфную, а не кристаллическую структуру. Это является важным фактором, так как такая структура обеспечивает высокое электрическое сопротивление.

С другой стороны, Ta2O5 может находиться и в кристаллическом состоянии. Кристаллический оксид тантала является проводящим материалом и не обеспечивает требований, предъявляемых к диэлектрику. Ниже будет показано, что наличие кристаллов Ta2O5 является крайне негативным фактором.

Формирование электролита. В качестве электролита используют диоксид марганца (MnO2), который представляет собой твердотельный полупроводниковый материал. Диоксид марганца формируется в ходе окислительно-восстановительной реакции при термической обработке солей марганца. В процессе изготовления конденсатора полученную ранее губчатую структуру пропитывают солями марганца и подвергают нагреву до получения диоксида марганца на поверхности (рисунок). Этот процесс пропитки и нагревания повторят несколько раз, до полного покрытия всей структуры.

Создание катода. Для улучшения степени контакта поверхность диоксида марганца покрывают слоем графита, а на графит наносят проводящее металлическое покрытие, обычно серебро.

Полученную структуру запрессовывают в компаунд (рисунок).

Представленное описание конструкции позволяет определить механизмы выхода конденсатора из строя. Основной причиной отказов является пробой танталовых конденсаторов.

Устройство танталовых твердотельных конденсаторов

Танталовый конденсатор относится к электролитическому типу. В его состав входят 4 основные части: анод, диэлектрик, твердый электролит, катод. Изготовление танталового конденсатора состоит из ряда достаточно сложных технологических операций.

Пробой танталовых конденсаторов

Пробой танталовых конденсаторов (breakdown) связан с резким возрастанием токов утечки («leakage current»). Как и все конденсаторы, танталовые конденсаторы имеют токи утечки. Величина их мала и постоянна, но их наличие все равно необходимо учитывать. Так, например, во времязадающих цепях ток заряда конденсатора должен превышать ток утечки как минимум в 10 раз. Например, при заряде 47 мкФ конденсатора через резистор 100 кОм напряжением 5 В ток утечки не должен превышать 5 мкА во всем рабочем диапазоне температур.

Возрастание тока утечки связано с пробоем диэлектрика (Ta2O5). Механизм пробоя достаточно хорошо изучен. Диэлектрик, изначально имеющий аморфную структуру, на отдельных участках поверхности кристаллизуется под действием различных факторов (температура, высокое напряжение). Кристаллический пентаоксид тантала является проводящим материалом, что приводит к резкому возрастанию токов утечки (рисунок).

Рисунок 3 – Возрастание токов утечки при кристаллизации диэлектрика

Возрастание токов утечки при кристаллизации диэлектрика

Если пробой произошел при приложении высокого напряжения и высоких температур, то реакция может быстро распространиться на всю поверхность диэлектрика – лавинообразный эффект («avalanche effect»). Степень распространения лавинообразного эффекта может быть различной. Поэтому и степень повреждений варьируется от относительно маленьких «выгоревших» точек до зигзагообразных выжженных участков на поверхности диэлектрика, при этом возможно даже повреждение танталовой основы и металлических контактов.

Если площадь кристаллизации диэлектрика не велика, может проявиться эффект самовосстановления («healing effect». В этом случае ток, протекающий через кристаллизованный диэлектрик, вызывает его перегрев, что приводит к химическим преобразованиям в структуре электролита (MnO2). Эти преобразования происходят в следующем порядке:

(MnO2) → (MnO2O3) → (MnO3O4) → (MnO)

Уровень перегрева определяет ступень превращения. Первое превращение (MnO2) → (MnO2O3) требует разогрева до 530°C, а последнее происходит при 1000°C. Каждое следующее преобразование приводит к появлению оксида с меньшим значением проводимости, чем у предыдущего. В результате проводящий кристаллический участок оказывается изолированным непроводящим оксидом марганца (рисунок).

Рисунок 4 – Эффект самовосстановления (”healing effect”)

Эффект самовосстановления (”healing effect”)

Кроме пробоя, возникающего в процессе неграмотной эксплуатации, возможно нарушение целостности диэлектрика из-за различных дефектов, возникших в процессе производства и транспортировки. Существует несколько основных видов дефектов.

  • Механические дефекты диэлектрика.
  • Примеси и включения в диэлектрике.
  • Участки кристаллического диэлектрика, возникшие при производстве.

Механические дефекты могут быть двух видов. Первый вид дефектов возникает при повреждении слоя диэлектрика после того, как он был выращен на металлической подложке. Это может произойти, например, при ударе структуры конденсатора о твердую поверхность.

Второй вид механических дефектов возникнет при формировании слоя электролита (MnO2). Дело в том, что восстановление MnO2 из солей марганца представляет собой достаточно бурную реакцию с образованием пара, выделением газов и тепла. Так как структура поверхности танталового анода пористая, то внутри пор на поверхность диэлектрика оказывается давление. Совместное действие теплового удара и давления газов внутри малых пор может вызвать повреждение диэлектрика.

Дефекты, связанные с примесями возникают из-за наличия на поверхности тантала различных включений (примесей или загрязнений). Такими примесями могут быть: углерод и металлы (железо, кальций и др.). При отсутствии поверхностных включений слой диэлектрика будет равномерным. Однако при наличии загрязнений образования оксида тантала в этих местах не будет (так как в этих местах не будет достаточного количества тантала). При большой толщине наращиваемого диэлектрика эти места будут заращиваться оксидом, но толщина его будет ниже, чем во всей структуре в целом (рисунок).

Рисунок 5 – Нарушение слоя диэлектрика при наличии загрязнений на аноде

Нарушение слоя диэлектрика при наличии загрязнений на аноде

Наличие кристаллических вкраплений в слое аморфного оксида тантала (Ta2O5) является третьей причиной нарушения слоя диэлектрика при производстве. Кристаллизация может происходить по ряду причин: материал или концентрация электролита не соответствует требованиям, несоблюдение температурного режима, наличие примесей в исходных материалах. Кроме того, кристаллизация может возникать при избытке кислорода в среде при создании танталового анода (этот процесс, как говорилось выше, должен проходить в условиях глубокого вакуума). При наличии кислорода на поверхности танталового анода возникают пирамидальные слои кристаллического оксида тантала. Как было сказано выше эти участки являются проводящими. Именно поэтому производители танталового порошка прикладывают большие усилия, чтобы минимизировать количество кислорода в порошке, прежде чем поставлять его производителю конденсаторов. В свою очередь производитель конденсаторов старается максимально контролировать параметры спекания анода.

Таким образом, качество, надежность и срок службы во многом определяется еще на этапе производства. Чем более ответственно производитель конденсаторов следит за выполнением технологии изготовления и качеством материалов, тем надежнее будет итоговый продукт.

Следующим важным этапом, определяющим срок службы конденсаторов, является правильный расчет рабочих режимов: определение допустимых уровней токов и напряжений. Для этого расчета необходимо определить основные параметры танталовых конденсаторов и их особенности.

Основные параметры танталовых конденсаторов

Расчет безопасных режимов работы подразумевает определение уровней допустимых напряжений и токов. Для этого расчета потребуется использование основных параметров танталовых конденсаторов, которые могут быть найдены в документации на соответствующие компоненты.

Номинальная емкость («Capacitance»). Танталовые конденсаторы имеют высокую удельную емкость, что объясняется достаточно просто. Как известно, емкость конденсатора определяется по формуле:

C = εrε0S/d, (1)

где εr– диэлектрическая проницаемость материала, ε0 – электрическая постоянная, S – площадь электродов, d – толщина диэлектрика.

Диэлектрик (Ta2O5) имеет высокое значение диэлектрической проницаемости ε=26 (таблица) . Кроме того, сама по себе поверхность анода в структуре конденсатора является гранулированной и имеет большую площадь. В результате, емкость танталовых конденсаторов составляет сотни и тысячи микрофарад (таблица).

Диэлектрическая проницаемость различных материалов

Тип диэлектрика Диэлектрическая проницаемость, ε
Воздух (вакуум) 1.0
Бумага 2.0 … 6.0
Пластик 2.1 … 6.0
Минеральное масло 2.2 … 2.3
Силиконовое масло 2.7 … 2.8
Кварц 3.8 … 4.4
Стекло 4.8 … 8.0
Фарфор 5.1 … 5.9
Слюда 5.4 … 8.7
Al2O3 8.4
Ta2O5 26
Керамика 12 … 400000

Номенклатура и параметры танталовых конденсаторов серии 293D (Vishay)

Емкость. мкФ 4 В 6.3 В 10 В 16 В 20 В 25 В 35 В 50 В 63 В 75 В
0.10 A A A A
0.15 A A/B B
0.22 A A/B B
0.33 A AA A/B B
0.47 A A A A/B A/B/C B
0.68 A A A A/B B/C C
1.0 A A A/B A/B A/B B/C D
1.5 A A A/B A/B A/B B/C B/C/D D
2.2 A A A/B A/B A/B A/B/C B/C B/C/D D
3.3 A A/B A/B A/B A/B/C A/B/C B/C/D C/D D
4.7 A/B A/B A/B/C A/B/C A/B/C A/B/C/D B/C/D C/D/E D E
6.8 A/B A/B A/B/C A/B/C A/B/C B/C/D C/D D/E
10 A/B A/B/C A/B/C A/B/C/D B/C/D B/C/D C/D D/E E
15 A/B/C A/B/C A/B/C B/C B/C/D B/C/D D/E E
22 A/B/C A/B/C A/B/C/D B/C/D B/C/D C/D/E/V D/E
33 A/B/C A/B/C B/C/D B/C/D C/D D/E
47 A/B/C A/B/C/D B/C/D C/D/E D/E D/E
68 B/C/D B/C/D B/C/D/E/V D/E D/E E
100 A/B/C/D B/C/D/E B/C/D/E/V D/E/V D/E
120 D D E
150 B/C/D C/D/E C/D/E D/E
220 B/C/D/E C/D/E D/E/V E
330 D/E D/E D/E
470 D/E D/E E
680 D/E E
1000 E E

Номинальное напряжение («Rated Voltage»). Современные твердотельные танталовые конденсаторы выпускаются на номинальные напряжения до 75 В. Следует отметить, одну особенность данного параметра: для нормального функционирования в составе различных устройств, танталовые конденсаторы должны использоваться при напряжениях меньших, чем номинальное.

Это правило появилось в 50-е годы, и было связано с особенностями военной приемки танталовых конденсаторов, и установленными тогда же процедурами определения надежности. Эти стандартные испытания подразумевали определение надежности с выдержкой конденсаторов при номинальном напряжении в течение 1000 часов, температуре 85°C и токограничительном резисторе менее 3 Ом. Приемка «М» подразумевает, что количество отказов за 1000 часов не превышает 1%. Как военные, так и коммерческие компоненты разрабатывались с учетом требований этого стандарта.

Эти условия остаются промышленным стандартом до сих пор, но современные низкоимпедансные схемы (с минимальным ограничительным сопротивлением) требуют более высокой надежности, чем обеспечивает приемка «М». Так как в последнее время стали доступны данные по числу отказов (в основном данные о военной электронике), то стало возможным проведение фактических расчетов и создания нового стандарта Mil-Std-217, который учитывает требования всех типов конденсаторов.

Исследования показали, что для повышения надежности необходимо снижать рабочее напряжение. Снижение рабочего напряжения до 50% от номинального напряжения RV («Rated Voltage»), приводит к снижению показателя отказов FIT («Failures In Time») до 5% (рисунок).

Рисунок 6 – Снижение числа отказов при уменьшении рабочего напряжения

Снижение числа отказов при уменьшении рабочего напряжения

Полное сопротивление алюминиевого электролитического конденсатора (импеданс). Как известно, эквивалентная схема замещения конденсатора кроме емкостной составляющей содержит ряд дополнительных элементов:

  • индуктивную составляющую (L), которая учитывает индуктивность выводов;
  • параллельное сопротивление (Rp), которое позволяет учесть ток утечки через диэлектрик и поверхностные токи утечки;
  • последовательное эквивалентное сопротивление («Equivalent Series Resistance», ESR).

Рисунок 7 – Эквивалентная схема конденсатора

Эквивалентная схема конденсатора

Полное сопротивление схемы имеет сложную частотную зависимость (рисунок). Главной особенностью этой зависимости является тот факт, что с ростом частоты импеданс уменьшается вплоть до мегагерцового диапазона. Это позволяет использовать танталовые конденсаторы в современных источниках питания, работающих на частотах от 100 кГц и выше.

Рисунок 8 – Типовая частотная зависимость импеданса и ESR

Типовая частотная зависимость импеданса и ESR

Эквивалентное последовательное сопротивление («EquivalentSeriesResistance», ESR). При работе на переменном напряжении конденсатор обладает последовательным сопротивлением. На низких частотах это сопротивление определяется сопротивлением диэлектрика (Ta2O5). На высоких частотах начинает преобладать сопротивление электролита (MnO2). Типовая частотная зависимость определяет уменьшение ESR с ростом частоты вплоть до мегагерцового диапазона (рисунок ).

Так как сопротивление диоксида марганца обратно пропорционально температуре, то ESR твердотельного танталового конденсатора на высоких частотах уменьшается с ростом температуры.

Максимальная рассеиваемая мощность («Powerdissipation»). Когда к твердотельному танталовому конденсатору приложено переменное напряжение, наличие последовательного сопротивления приводит к выделению тепла, согласно формуле:

P = I²ESR, (2)

Допустимое повышение температуры конденсатора за счет выделяемой мощности определяется экспериментально. Например, значение перегрева в 20°C является максимальным для стандартных танталовых чип-конденсаторов. В свою очередь этот перегрев определяет и максимальную выделяемую мощность (таблица).

Таблица  Максимальная рассеиваемая мощность конденсаторов серии 293D

Типоразмер Максимальная рассеиваемая мощность (25°С). Вт
A 0.075
B 0.085
C 0.11
D 0.15
E 0.165
V 0.125

Ознакомившись с конструкцией, механизмами пробоя и основными параметрами танталовых конденсаторов, можно определить основные ограничения, накладываемые на рабочие уровни токов и напряжений.

Другие дефекты танталовых конденсаторов

Кроме пробоя, в результате неправильной производственной технологии и нарушения правил транспортировки и хранения в конденсаторе возникают и другие дефекты:

  • Механические. Первый вид таких дефектов может появиться на выращенном диэлектрике в результате его резкого удара о твердую поверхность. Второй – при образовании электролитного слоя из-за совместного действия теплового удара и внутреннего давления газов в порах.
  • Примеси и включения. При нарушении производственной технологии на поверхности тантала могут появиться посторонние вещества – углерод, железо, кальций, которые приводят к неравномерности диэлектрического слоя.
  • Кристаллизованные участки диэлектрика, которые появились при изготовлении устройства. Кристаллизация может происходить из-за несоответствия состава электролита технологическим требованиям и неправильного температурного режима процесса.

Недостатки танталовых конденсаторов

  • постепенная деградация структуры;
  • зависимость емкости от частоты, при частотах выше 150 кГц эти устройства вообще неэффективны из-за существенного уменьшения емкости;
  • низкая устойчивость к токам пульсации и перегреву;
  • пожарная опасность.
  • Танталово-полимерные конденсаторы

    Большая часть проблем, характерных для танталовых конденсаторов, решена в танталово-полимерных аналогах. В качестве электролита в танталово-полимерных конденсаторах вместо диоксида марганца используется токопроводящий полимер. Он дает минимальный ESR, что позволяет пропускать гораздо большие токи, по сравнению с танталовыми предшественниками. Танталово-полимерные устройства успешно применяются в качестве сглаживающих конденсаторов в источниках питания и преобразователях напряжения.

    Токопроводящий полимер обеспечивает низкую чувствительность к импульсам тока, стойкость к внешним факторам, отсутствие деградации структуры, более высокий срок службы. Высокая стабильность емкости в широком интервале частот и температур позволяет применять танталово-полимерные устройства в промышленной, телекоммуникационной и автомобильной электронике и других областях, для которых характерно колебание рабочих температур.

    Основные параметры танталовых конденсаторов

    Для определения безопасного режима работы необходимо рассчитать уровни разрешенных значений тока и напряжения. Для расчетов необходимо знать следующие параметры танталовых конденсаторов, которые отражаются в документации:

    • Номинальная емкость. Эти устройства имеют высокую удельную емкость, которая может составлять тысячи микрофарад.
    • Номинальное напряжение. Современные модели этих устройств в большинстве рассчитаны на напряжения до 75 В. Причем, для нормальной работы в электрической схеме, деталь нужно использовать при напряжениях, которые меньше номинального. Эксплуатация танталовых конденсаторов при напряжениях, составляющих до 50% от номинального, снижает показатель отказов до 5%.
    • Импеданс (полное сопротивление). Содержит индуктивную составляющую, параллельное сопротивление, последовательное эквивалентное сопротивление (ESR).
    • Максимальная рассеиваемая мощность. При приложении к танталовому устройству переменного напряжения происходит выработка тепла. Допустимое повышение температуры конденсатора за счет выделяемой мощности устанавливается экспериментально.

    Размеры корпусов танталовых чип конденсаторов

    Танталовые конденсаторы

    По следующему рисунку можно определить размер с учетом типа корпуса (A-V). Для повышения точности следует обратить внимание на допуски, которые применяют в определенной серии продукции.

    Размеры пояснения

    Для получения дополнительной информации необходимо изучить сопроводительную документацию либо узнать необходимые сведения на официальном сайте производителя. Универсальные справочники могут не содержать все необходимые точные данные.

    Отдельно нужно проверить монтажные инструкции. Так, для установки на печатную плату компактных конденсаторов SMD применяют инфракрасный нагрев c использованием специальной камеры и обычную ручную пайку. В любом случае следует поддерживать рекомендованный температурный диапазон, чтобы предотвратить нарушение структуры диэлектрического слоя, другие повреждения.

    Профессиональный алгоритм содержит несколько этапов. В начальном – предварительное нагревание выполняют с нормированной скоростью (3-4°C за 1 секунду). Далее контролируют пиковую температуру и время соответствующего воздействия. В разных моделях танталовых конденсаторов установлен допустимый максимум от +220°C до +260°C. В некоторых современных паяльных станциях бытовой категории предусмотрено автоматическое поддержание температурного режима по установкам пользователя.

    Для финишной очистки платы после пайки допустимо применение стандартных средств. Нельзя использовать препараты, созданные на основе дихлорметана и других чрезмерно агрессивных химических соединений. Они способны разрушить защитную оболочку, образованную полимерным компаундом.

    Танталовые конденсаторы сохраняют исходные параметры в неизменном состоянии длительное время, если создать благоприятные условия хранения. В этом режиме производители советуют поддерживать уровень относительной влажности в помещении не более 60-65%, температуру – до +65°C.

    Следует учесть возможность уникальной кодировки. Подобные решения используют производители в ходе конкурентной борьбы. Этим затрудняют использование деталей с аналогичными техническими характеристиками, которые созданы другими компаниями.

    Как обозначаются танталовые конденсаторы?

    Главное отличие от остальных видов устройств – использование знака µ для ёмкости. Латинскую букву v добавляют после соответствующего числа, чтобы быстро понять, какое напряжение у прибора. Имеются также дополнительные коды, используемые для следующих параметров:

    • Завод-изготовитель.
    • Дата выпуска.
    • Вариант исполнения.

    Конденсаторы - маркировка, типы (smd
    Маркировка

    Изучение инструкции и описания на официальном сайте производителя поможет получить дополнительную информацию, связанную с той или иной конкретной моделью конденсатора. Особенно тщательно следует изучить пошаговое руководство по монтажу изделия. Например, при установке на печатную плату, в большинстве случаев пользуются обычной ручной пайкой, либо инфракрасным нагревом со специальной камерой.

    Важно! Чтобы предотвратить разрушения оксидного слоя и возникновение прочих дефектов, рекомендуется придерживаться допустимого температурного диапазона, указанного производителем.

    Какая полярность танталовых конденсаторов?

    Маркировка полярности на танталовых конденсаторах зависит от нескольких показателей, приведённых ниже:

    • Страна изготовления.
    • Компания-производитель.
    • Стандарты, со временем способные меняться.

    На старых отечественных приборах для обозначения положительного заряда использовался только один значок в форме «плюса». Иногда для этой части применяют понятие «анода», так как здесь не только пассивно накапливается заряд, но также фильтруется переменный ток. На современной печатной плате тоже может стоять знак «плюс».

    Вам это будет интересно  Особенности расчета мощности по току и напряжениюКонденсаторы - маркировка, типы (smd
    Что такое полярность конденсатора

    Некоторые изделия содержат маркировку под нижней частью пластикового или алюминиевого корпуса.

    Важно! Маркировка на конденсатор танталовый SMD наносится немного не по тем же правилам, что для других изделий. У плоских моделей корпус чёрного или коричневого цвета, и они выглядят как маленькие прямоугольные пластины. У положительного вывода часть конструкции закрашена серебряной краской, там же стоит знак «плюса».

    Что касается «минуса», то с этой стороны корпус оставляют неокрашенным. Сохраняется только естественный серебристый цвет. Интенсивным чёрным окрашивают сегмент круглого верхнего торца, и при оформлении используются синий и красный цвета. Даже после монтажа на печатную плату элемент с соответствующим оформлением легко увидеть на применяемой схеме. По сравнению с другими деталями, высота корпуса у минуса больше.

    Конденсаторы - маркировка, типы (smd
    Как определить полярность конденсатора

    На поверхность корпуса наносят маркировку, обозначающую соответствующую полярность. Обычно её выполняют в форме окружности с заштрихованными белыми линиями. Изображение легко найти в месте крепления отрицательного элемента. Но некоторые фирмы-производители предпочитают использовать белый цвет для оформления.

    Можно применять и специальные приборы мультимеры для того, чтобы понять, какая полярность характерна для того или иного устройства.

    Важно! В собранной схеме напряжение источника постоянного тока не должно превышать 70–75% от того значения, которое указано в инструкции или в соответствующих справочниках.

    Современные SMD танталовые конденсаторы по внешнему виду мало чем отличаются от других миниатюрных устройств из той же сферы применения. Разница состоит лишь в количестве выводов на устройстве. На схемах дополнительно применяют обозначения, соответствующие российским и зарубежным стандартам электротехники. Порядковый номер детали и номинал ёмкости легко узнать, внимательно рассмотрев корпус, однако новичкам лучше обратиться к профессионалу, чтобы получить дополнительную консультацию. Только в таком случае исключается риск ошибки, и приобретённый конденсатор будет соответствовать целям покупателя.

    Вам это будет интересно  На какую мощность рассчитан автомат 16а

    Особенности монтажа танталовых конденсаторов

    Нанесение паяльной пасты. Рекомендованная толщина паяльной пасты составляет 0.178 ±0.025 мм. Не смотря на то, что особых требований к паяльной пасте не предъявляется, необходимо помнить, что флюс, используемый в пасте должен достаточно эффективно удалять окислы с контактных площадок, для эффективного растекания пасты и тепла при пайке. На практике этого добиваются подбором оптимального режима пайки. Обычно для улучшения удаления окислов стадию предпрогрева увеличивают.

    Установка и позиционирование конденсаторов. Твердотельные танталовые чип-конденсаторы имеют общепринятую систему маркировки, которая включает обозначение емкости, номинального напряжения и полярности (рисунок). В случае корпусов типа B, C, D, E, V используется полная версия маркировки. В случае корпуса А используется сокращенная маркировка, в которой вместо значения напряжения приводится буквенный код. Маркировка может иметь дополнительные поля: код даты, индивидуальный код (логотип) производителя, дополнительная маркировка исполнения .

    Рисунок 10 – Маркировка танталовых чип-конденсаторов Vishay

    Маркировка танталовых чип-конденсаторов Vishay

    Установка конденсаторов стандартных типоразмеров на платы может производиться как вручную, так и с использованием автоматизированных систем. Особых ограничений на тип автоматизированного оборудования, как правило, не предъявляется.

    Пайка. Пайка танталовых конденсаторов возможна практически любым из общепринятых способов: вручную, в конвекционных печах, в инфракрасных печах, пайка волной. Однако стоит понимать, что при необходимо придерживаться тех способов, которые позволяют придерживаться рекомендуемого температурного режима. Рекомендуемый температурный режим пайки предполагает предпрогрев со скоростью нарастания температуры, не превышающей 3°C /с .

    Можно отметить, что SnPb конденсаторы могут использовать температурные режимы, разработанные для (Pb) -free конденсаторов.

    Рисунок 11 – Рекомендуемый режим пайки танталовых чип-конденсаторов

    Рекомендуемый режим пайки танталовых чип-конденсаторов

    Таблица  – Параметры рекомендуемого режима пайки

    Параметр Значение
    SnPb LEAD (Pb) -FREE
    Предпрогрев
    Минимальная Температура предпрогрева (Ts min), °C 100 150
    Температура предпрогрева максимальная (Ts max), °C 150 200
    Время перехода от Ts min до Ts max, с от 60 до 120
    Прогрев
    Максимально допустимая скорость прогрева при переходе от TL до Tp, °C/с 3
    Температура ликвидуса (TL), °C 183 217
    Время нахождения при температуре выше температуры ликвидуса (tL), с от 60 до 150
    Пиковая температура (Tp), °C
    типоразмеры A, B, C, V 235 260
    типоразмеры D, E, W 220 250
    Время нахождения в температурном диапазоне от Tp до (Tp — 5) °C (tp), c 20 30
    Максимально допустимое время выхода на пиковую температуру, мин 6 8
    Охлаждение
    Скорость охлаждения при переходе от Tp до TL, °C/с 6

    Очистка плат после пайки. При очистке допустимо использовать практически все общеизвестные отмывочные средства (TES, TMS, Prelete, Chlorethane, Terpene). Исключение составляют отмывочные средства на базе дихлорметана (methylene chloride) и других веществ, способных растворять компаунды корпуса.

    При использовании ультразвуковой чистки стоит помнить о том, что суть метода состоит в создании вибрации платы, что может привести к нарушению паяных соединений.

    Особенности хранения танталовых конденсаторов

    Твердотельные конденсаторы сохраняют свои характеристики в течение долгого времени, это связано с отсутствием явных механизмов старения. При строгом соблюдении условий хранения (температура не более 40°C, влажность 60%), длительность хранения этих конденсаторов ограничивается только ухудшением способности к пайке.

    После 1999/2000 года произошло резкое снижение спроса на танталовые конденсаторы, что привело к образованию на складах излишков хранившихся более двух лет. По результатам исследований произведенных компанией Vishay, даже в случае длительности хранения превышающей 3 или 4 года, способность к качественной пайке конденсаторов Vishay сохранялась на великолепном уровне [4]. При этом тестовая пайка проводилась в соответствии с ANSI/J-002, MIL-STD-202, Method 208, которая подразумевает 8-часовое воздействие пара.

    Маркировка танталовых элементов

    Маркировка конденсаторов

    Для упрощения разработки конструкций, транспортировки, автоматизации рабочих операций изделия этой категории выпускают с применением определенных типоразмеров: А; В; C; D; E; V. Самые крупные габариты – 7,3 х 4,3 х 4,1 мм. Понятно, что размеров подобных площадок недостаточно для размещения длинных надписей. Это объясняет необходимость применения специальных сокращений.

    Источники
    • https://rusenergetics.ru/polezno-znat/smd-kondensatory-bez-markirovki-kak-opredelit
    • https://rusenergetics.ru/polezno-znat/tantalovye-kondensatory-markirovka
    • https://www.compel.ru/lib/58952
    • https://www.RadioElementy.ru/articles/tantalovye-kondensatory/
    • https://amperof.ru/teoriya/markirovka-tantalovyx-smd-kondensatorov.html


    Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
    Home Made Electronics