Polimerowa elektroda. Nowa jakość w kondensatorach firmy AVX

fot. TME

Kondensator tantalowy to produkt obecny w przemyśle elektronicznym od ponad 30 lat. Jest on chętnie stosowany w układach zasilających jako element filtrujący, eliminujący tętnienia. Jego zalety, porównując parametry do innych kondensatorów elektrolitycznych czy ceramicznych, są znane od dawna. Do najważniejszych należy zaliczyć:

• stabilność parametrów w czasie,
• dobry stosunek pojemności do wielkości,
• dobre parametry elektryczne.

Ze względu na ciągły rozwój technologiczny, wymagania w stosunku do parametrów elementów dyskretnych, w szczególności do kondensatorów, stale rosną. Postępująca miniaturyzacja i cyfryzacja urządzeń narzuca ostrzejsze wymogi, zwłaszcza elektryczne, dotyczące parametrów tych elementów. Kondensatory muszą obecnie często pracować przy bardzo wysokich prądach impulsowych.

Potocznie kondensatory tantalowe rozumiane są jako kondensatory, które jedną z elektrod mają wykonaną zwykle ze sproszkowanego, spiekanego tantalu. Na tej elektrodzie wytwarzana jest warstwa dielektryku – materiału izolacyjnego pięciotlenku tantalu (Ta₂O₅). Drugą elektrodę stanowi natomiast dwutlenek manganu (MnO₂) w postaci stałego wypełnienia porowatej powierzchni dielektryka.

Rys. 1. Budowa kondensatora tantalowego.

Kluczowym elementem, negatywnie wpływającym na parametry tego kondensatora, jest materiał stanowiący drugą elektrodę. Niestety konieczne jest stosowanie substancji, która wypełni porowatą powierzchnię dielektryka. Dotychczas najlepszym kompromisem było zastosowanie właśnie MnO_2.

W kondensatorach serii TJC firmy AVX elektrodę tę zastąpiono nowym materiałem. Zastosowano organiczny, przewodzący polimer zamiast dwutlenku manganu jako katody. Znacząco poprawiło to przede wszystkim tzw. Equivalent Series Resistance – ESR (zastępcza rezystancja szeregowa) – jeden z kluczowych parametrów kondensatora określający jego zachowanie w obwodach elektrycznych.

Należy pamiętać, że rzeczywisty kondensator to odpowiednie połączenie trzech elementów:

• kondensatora idealnego,
• rezystora idealnego,
• cewki idealnej.

Zarówno rezystancja, jak i indukcyjność, to składowe pasożytnicze i niepożądane, które negatywnie wpływają na odpowiedź prądową kondensatora w obwodach elektrycznych.

Niepożądana rezystancja szeregowa w kondensatorach tantalowych wprowadzana jest przede wszystkim poprzez słabe przewodnictwo MnO_2, z którego wykonana jest jedna elektroda kondensatora (ujemna – katoda).

Rys. 2. Model elektryczny kondensatora tantalowego

W modelu kondensatora tantalowego widać (rys. 2) sposób rozmieszczenia rezystancji utworzonych przez katodę. Sumarycznie tworzy się drabinka RC, w której poszczególne rezystory odwzorowują rosnącą w głąb elektrody rezystancję, a kondensatory równoległe pojemności powstałe na porowatej powierzchni dielektryka. Skutkuje to tym, że przy rosnącej częstotliwości prąd płynie głównie przez składowe kondensatory przy samej powierzchni anody (srebro). Kondensatory umiejscowione głębiej, bliżej dielektryka a dalej od anody, zasilane są przez sumę szeregowych rezystorów. Mają one wtedy marginalny wpływ na całkowitą odpowiedź kondensatora jako elementu.

Zastosowanie polimeru znacząco obniżyło wartość szeregowej rezystancji, jaka tworzyła się w poprzedniej generacji kondensatorów z powodu stosunkowo słabego przewodnictwa MnO_2.Zmniejszyło to również zmiany pojemności w funkcji zmian częstotliwości. W kondensatorach tych pojemność znacznie dłużej pozostaje niezmienna i nie spada tak szybko, jak u poprzedników przy wzroście częstotliwości płynącego prądu.

Przyjmuje się przeciętnie, że kondensator z elektrodą MnO₂ „traci” około 50% swojej pojemności przy częstotliwości 100 kHz. W przypadku polimeru kondensator zachowuje ponad 90% pojemności przy tej częstotliwości.

Dodatkowo zastosowanie elektrody polimerowej wyeliminowało ryzyko wystąpień tzw. ignition failures – silnych reakcji termicznych prowadzących do uszkodzenia elementu, co wpływa na większą trwałość i wytrzymałość tych kondensatorów. W obu technologiach występuje również zjawisko tzw. Self-Healing (samo-naprawa) – eliminacji punktów, powodujących znaczny przepływ prądu z powodu zanieczyszczeń w strukturze dielektryka.

Przy tych wszystkich zaletach należy również pamiętać, że kondensatory te są bardziej wrażliwe na wysokie temperatury – powyżej 105^°C (rezystancja przewodzącego polimeru wzrasta wraz ze wzrostem temperatury) oraz że mają większy prąd upływu od swoich poprzedników.

Wcześniejsze kondensatory z elektrodą polimerową nie miały również tak wysokich napięć znamionowych jak obecnie produkowane przez firmę AVX z serii TCJ. Zaleca się jedynie obniżenie napięcia roboczego o około 20% napięcia znamionowego w celu zabezpieczenia przed ewentualnym skokiem ponad wartość bezpieczną.

Kondensatory tantalowe z polimerową elektrodą to godni następcy poprzedniej technologii elektrody MnO_2. Udało się w nich zmniejszyć znacząco wartość ESR, wyeliminowano zjawisko spadku pojemności wraz ze wzrostem częstotliwości, nie występuje problem termicznego uszkodzenia (ignition failures).

Rynek zastosowań takiego kondensatora to zasilacze, telewizory LCD, tablety, smartfony czy notebooki.

W ofercie TME są dostępne kondensatory tantalowe SMD z elektrodą polimerową firmy AVX w zakresie pojemności od 0,47 do 220 uF i napięć roboczych od 2,5 V do 75 V. Zapraszamy do kontaktu z działem sprzedaży, który pomoże w doborze odpowiednich elementów.

Źródła:

[1] John D. Prymak, Replacing MnO₂ with Conductive Polymer in Tantalum Capacitors

 [2] http://www.avx.com/techinfo_doclisting.asp