Танталовые конденсаторы

Электролитические конденсаторы, имеющие полярные выводы, широко применяются в электротехнике и радиоэлектронике. Они сглаживают пульсирующее напряжение в силовых цепях постоянного тока после выпрямительных диодных мостов, формируют пилообразное напряжение в схемных решениях аналоговой развертки и памяти, обеспечивают работу мультивибраторов, определяя моменты отпирания и запирания транзисторов, тиристоров, семисторов, других ключевых элементов.

Тантал как двигатель прогресса

Одним из магистральных направлений в борьбе за уменьшение размеров элементной базы, которая ведется с первых дней существования радиоэлектроники, является увеличение частоты сигнала, проходящего по цепям. Например, силовой трансформатор, рассчитанный для работы на частоте 400 Гц, в восемь раз меньше такого же по мощности, но пятидесятигерцового.

Однако на пути прогресса встает устаревшая конструкция электролитических конденсаторов. Они сделаны на основе двух свернутых в рулон листов алюминиевой фольги, а потому большая емкость может быть достигнута только экстенсивно – путем увеличения размеров. Кроме того, из-за огромной паразитной индуктивности они плохо работают на частотах свыше 100 КГц и не могут обеспечить функционирование высокочастотных инверторных – преобразующих постоянное напряжение в последовательность прямоугольных импульсов переменной полярности – схем.

Решить проблему (сохранить большую электрическую емкость конденсатора и одновременно уменьшить его размер) удалось, используя в конструкции этого элемента редкоземельный металл тантал. По цене он превышает золото, а сложность его добычи сходна с мучениями мифического Тантала. Причина того, что именно этот металл был необходим для создания современного элемента радиотехнических схем, оказалась весьма прозаичной.

Дело в том, что непременным условием работы электролитического конденсатора является наличие оксидной пленки-диэлектрика на поверхности анода. Слой с необходимыми диэлектрическими свойствами может образовываться, например, на поверхности титана, иридия, алюминия, тантала. Но из всего ряда металлов только у последних двух его толщину можно технологически контролировать. А без этого создать элемент электронной схемы с заданными параметрами невозможно. Так что другого решения дилеммы – использовать дорогой тантал или отказаться от прогресса – просто не было. Небольшим утешением явилось то, что этого металла в конденсаторе совсем немного – сотые доли грамма.

Конструкция танталовых конденсаторов

Как идея, она не претерпела изменений со времен изобретения так называемой Лейденской банки. В конструкцию танталового конденсатора входят:

1. Два электрода – анод (положительный) и катод (отрицательный).

2. Слой диэлектрика, роль которого в Лейденской банке играло стекло. В современных конденсаторах – оксид металла, из которого сделан анод.

3. Электролит – любая проницаемая для электричества среда с определенным сопротивлением. Им может быть вода, кислота, щелочь, твердое или пластичное вещество.

Особенными свойствами его наделяет способ изготовления анода. Физико-механические свойства тантала позволяют создавать из него пористую губчатую структуру. Для этого используется сложная технология спекания очищенного танталового порошка в среде глубокого вакуума. В результате получается, что площадь внутренней поверхности анода многократно превышает внешнюю. Именно это позволяет накапливать огромный электрический заряд внутри небольшого с виду кусочка металла.

Диэлектрическую пленку на поверхности анода получают путем пропускания электрического тока через анод и провоцирования процесса электрохимической коррозии. Полученное вещество – пентоксид тантала – имеет аморфную структуру. Она может оказаться и кристаллической, но тогда – это уже производственный брак, поскольку кристаллический оксид тантала является токопроводящим. Толщина диэлектрической пленки ничтожна, она не превышает нескольких тысяч ангстрем, что в пятьсот раз тоньше человеческого волоса.

В качестве электролита используется твердое вещество, полупроводник – диоксид марганца. Он отделяет катод от анода. Для улучшения проводимости внутреннюю часть отрицательного электрода делают из серебра, а между ним и электролитом устраивают подложку из графита.

Весь этот «бутерброд» заливают компаундом – похожим на пластмассу диэлектриком. Снаружи остаются два металлических вывода. За небольшой размер танталовые конденсаторы нередко зовут «горошинами».

Танталовые конденсаторы. Достоинства и недостатки

Большая электрическая емкость при малых размерах (элементы, используемые для поверхностного монтажа, не превышают 7,5 мм в длину) – главное достоинство конденсаторов с танталовым анодом. Кроме того, они имеют очень малый ток утечки. Однако их электрическая прочность очень небольшая – самые мощные из них рассчитаны на 35 вольт.

Маркировка танталовых конденсаторов

Сейчас на таких конденсаторах указывается численное значение емкости и плюсовой вывод. Рабочее напряжение определяется цветом корпуса.

Старая маркировка была более сложной, она состояла из трех цветных полос и точки. Цвет точки определял множитель значения емкости:

Первые две цветные полосы означали цифры емкости (в микрофарадах)