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钽电容是电解电容吗?钽电容的作用是什么

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发表于 2018-8-13 16:27:13 | 显示全部楼层 |阅读模式
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  钽电容在我们的日常中应用越来越广泛,到处都可见到它的身影,关于它你知道多少呢?它属于电解电容吗?它的作用又是怎样的呢?本文将为你还原一个真实的钽电容。
  钽电容
  钽电容是电容器中体积小而又能达到较大电容量的产品,是1956年由美国贝尔实验室首先研制成功的,它的性能优异。钽电容器外形多种多样,并制成适于表面贴装的小型和片型元件。钽电容器不仅在军事通讯,航天等领域应用,而且钽电容的应用范围还在向工业控制,影视设备、通讯仪表等产品中大量使用。



  钽电容的应用原理
  钽极易在空气中氧化,人们利用它的氧化膜作为中介质,由于钽极易氧化,故钽电容有自动“愈合伤口”的修复作用,故耐用,可靠性高。由于氧化膜很薄,故钽电容两极板间距离很近,几无感抗,非常灵敏,故充放电速度快。这些特性决定了钽电容适用于高频、小电流、需要快速反应的电路,故钽电容也在导弹、卫星等需要快速响应和高可靠性的电路中有广泛应用。钽电容由于非常灵敏,充放电快速,故也常用于高级音响的音频电路,主要是高音频电路,由于减少了对高音频弱小电流的损耗,故相对提升了高音,提升了音质。
  钽电容是电解电容吗
  钽电容全称是钽电解电容,也属于电解电容的一种,使用金属钽做介质,不像普通电解电容那样使用电解液,钽电容不需像普通电解电容那样使用镀了铝膜的电容纸绕制,本身几乎没有电感,但这也限制了它的容量。此外,由于钽电容内部没有电解液,很适合在高温下工作。这种独特自愈性能,保证了其长寿命和可靠性的优势。固体钽电容器电性能优良,工作温度范围宽,而且形式多样,体积效率优异,具有其独特的特征:钽电容器的工作介质是在钽金属表面生成的一层极薄的五氧化二钽膜。此层氧化膜介质与组成电容器的一端极结合成一个整体,不能单独存在。因此单位体积内具有非常高的工作电场强度,所具有的电容量特别大,即比容量非常高,因此特别适宜于小型化。
  钽电容的作用是什么
  钽电容是由稀有金属钽加工而成,先把钽磨成微细粉,再与其它的介质一同经烧结而成。钽电容因为金属钽的固有特性,具有稳定性好、不随环境的变化而改变、能做到容值很大等特点,在某些方面具有陶瓷电容不可比较的一些特性,因而在许多无法使用陶瓷电容的电路上钽电容被广泛选用。  
  随着钽电容在市场的应用越来越广泛,型号和供货量的增加,价格的下跌,如今许多行业都在用钽电容替代铝电解电容。当然钽电容也有本身的缺陷,比如耐压不够高,大大限制了钽电容的用途区域。就拿音响电路来说吧,音响电路中通常包含滤波、耦合、旁路、分频等电容,如何在电路中更有效地选择使用电容器对音响音质的改进具有较大的影响。音响电路中的耦合电容绝大一部分就是用的钽电容。
  钽电容自动化程度高,精度也高,在运输途中不像插件式那样容易受损,但是贴片工艺安装需要波峰焊工艺处理,电容经过高温之后可能会影响性能,尤其是阴极采用电解液的电容,经过高温后电解液可能会干枯,插件工艺的安装成本低,因此在同样成本下,电容本身的性能可以更好一些。
  贴片钽电容作用主要是清除由芯片自身产生的各种高频信号对其他芯片的串扰,从而让各个芯片模块能够不受干扰的正常工作,在高频电子振荡线路中,贴片式电容与晶体振荡器等元件一起组成振荡电路,给各种电路提供所需的时钟频率。
  它被应用于小容量的低频滤波电路中,贴片钽电容与陶瓷电容相比,其表面均有电容容量和耐压标识,其表面颜色通常有黄色和黑色两种,譬如100-16即表示容量100μF,耐压16V,贴片式铝电解电容拥有比贴片式钽电容更大的容量,其多见于显卡上,容量在300μF~1500μF之间,贴片钽电容主要是满足电流低频的滤波和稳压作用,直立电容和贴片电容的区别无论是插件还是贴片式的安装工艺,电容本身都是直立于PCB的,根本的区别方式是贴片工艺安装的电容,有黑色的橡胶底座。
  钽电容系列
  制造商提供种类广泛的钽电容产品系列,它们针对各种具体特征进行优化,并瞄准不同的应用和细分市场。这些不同的产品系列提供的优化包括更低的ESR、更小的尺寸、高可靠性(面向军用、汽车和医疗应用)、更小的直流漏电流、更低的ESL和更高的工作温度。本文侧重其中两个领域:更低的ESR和更小的尺寸。
  更低的ESR – 为实现最低ESR而优化,这些器件在脉冲或交流应用中提供更高的效率,在高噪声环境中提供更出色的滤波性能。
  更小的尺寸 –
结合高CV钽粉的使用和高效率封装,这些器件以紧凑尺寸提供高容值,适用空间紧张的应用,如智能手机、平板电脑和其他手持式消费电子设备。
  低ESR钽电容
  减小ESR一直是钽电容设计的重要研究领域之一。钽粉的选择和生产期间涂敷阴极材料时所用的工艺对ESR有显著影响。但是,对于给定的额定值(容值、电压、尺寸),这些因素主要为设计约束并在目前的最先进器件上得到基本解决。使ESR减小的两个最主要因素是:阴极材料用导电聚合物替代MnO2,引线框架材料从铁镍合金改为铜(Cu)。
  传统钽电容的ESR主要源于阴极材料MnO2。如图1所示,MnO2的导电率约为0.1S/cm。相比之下,导电聚合物(如聚3,4-乙烯二氧噻吩)的导电率在100S/cm范围内。导电率的这一增加直接转换为ESR的显著减小。
  在图2中,不同额定值下的ESR-频率曲线显示了钽电容器采用聚合物阴极系统的优势。通过直接比较MnO2和聚合物设计在A外壳 6.3 V / 47μF额定值条件下的ESR-频率曲线,可以看出在100 kHz频率下聚合物设计使ESR的减小幅度多达一个数量级。



  不同材料的导电率
  引线框架材料是改用导电率更高的材料后可改善ESR的另一个领域。如图3中的电容横截面所示,引线框架提供从内部电容器元件到封装外部的电连接。



  图3:电容横截面。
  铁镍合金(如Alloy42)一直是引线框架材料传统选择。这些合金的优点包括低热膨胀系数(CTE)、低成本和制造中的易用性。铜引线框架材料加工方面的改进使其能够用于钽电容设计。由于导电率是Alloy42的100倍,铜的使用对ESR有重要影响。例如,采用A外壳(EIA 3216)和传统引线框架的Vishay 100μF/6.3VT55聚合物钽电容在100kHz和25°C条件下提供70mΩ的最大ESR。通过改为铜引线框架,最大ESR可减小到40mΩ。
  紧凑钽电容
  改善钽电容设计体积效率(容值密度)的两个主要因素是钽粉的演变和封装的改进。
  电容设计中使用的钽粉的质量因数是:(容值◊电压)/质量,简写为CV/g。大规模生产中使用的钽粉的演变如图4所示。CV/g的这些增加与更小的颗粒尺寸和粉末纯度改善有关。在电容设计中使用这些材料本身就是一个复杂的研究领域,需要大量研发投资。



  图 4:大规模生产中使用的钽粉的演变。
  使钽电容设计尺寸减小的另一个重要因素是超高效封装技术的发展。业内使用的最常见封装技术是引线框架设计。这种结构具有非常高的制造效率,从而可以降低成本和提高产能。对于不受制于空间的应用,这些器件仍然是可行的解决方案。



  图5:不同封装技术的体积效率。
  但是,在主要设计标准是增加密度的许多电子系统中,能够减小元件尺寸是一个重要优势。在此方面,制造商在封装技术上已经取得了若干进展。如图5所示,与标准引线框架结构相比,无引线框架设计可改善体积效率。通过减小提供外部连接所需的机械结构的尺寸,这些器件可利用该额外可用空间来增加电容元件的尺寸,从而增加容值和/或电压。
  在最新一代封装技术中,Vishay拥有专利的多阵列封装(MAP)结构通过使用位于封装末端的金属化层来提供外部连接使体积效率进一步改善。该结构通过完全消除内部阳极连接使电容元件尺寸在可用体积范围内实现最大化。为进一步说明体积效率的改善,请看图6。从图中可以明显看出电容元件的体积增加了60%以上。这一增加可用于优化器件,以增加容值和/或电压、减小DCL以及提高可靠性。



  图6:Vishay拥有专利的多阵列封装结构。
  VishayMAP结构的另一个好处是减小ESL。MAP结构可通过消除环包的机械引线框架显著减小既有电流回路的尺寸。通过使电流回路最小化,可显著减小ESL。如图7所示,与标准引线框架结构相比,这一减小可达到30%之多。ESL的减小对应于自谐振频率的增加,这可扩大电容的工作频率范围。



  图7:Vishay的MAP结构与标准引线框架结构性能对比。
  结语
  关于钽电容的介绍就到这了,希望本文能对你有所帮助。
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