Condensateur au tantale : construction, caractéristiques, 5 utilisations.

Points de discussion

  1. Définition et aperçu
  2. Principe de base
  3. Construction
  4. Types
  5. Caractéristiques électriques
  6. Symbole

Définition et aperçu

Un condensateur au tantale est un type de condensateur électrolytique, qui est un appareil électrique passif. Il utilise une capsule de métal de tantale spongieux comme anode. Une couche isolante d'oxyde recouvre l'anode. La couche d'oxyde génère en outre le diélectrique. Il est entouré d'un électrolyte solide ou non solide, qui sert de cathode.

Les condensateurs au tantale présentent des caractéristiques de haute capacité par volume ou de rendement volumétrique élevé en raison de sa couche diélectrique très raisonnable et à haute permittivité. La valeur de capacité accrue différencie le condensateur au tantale des autres types de condensateurs électrolytiques. C'est également un condensateur plus cher que tout autre type électrolytique.

Ce type de condensateur est polarisé par nature. Pour former un condensateur au tantale non polarisé ou bipolaire, deux condensateurs polarisés sont connectés en série. Leurs anodes sont orientées dans des directions opposées.

Condensateurs au tantale 330px
Condensateur au tantale, source de l'image -MataresephotosCondensateurs au tantaleCC BY 3.0

Principe de base

Les condensateurs électrolytiques stockent l'énergie électrique comme un condensateur typique. Il maintient l'énergie électrique par charge de séparation dans un champ électrique dans la couche d'oxyde diélectrique entre deux conducteurs.

L'électrolyte solide est la cathode, formant une autre électrode du condensateur. Un condensateur électrolytique est différent des supercondensateurs ou des condensateurs électrochimiques, où l'électrolyte est généralement la connexion conductrice ionique.

Une tension de valeur positive est appliquée du côté anode du condensateur à électrolyte au tantale. La tension appliquée provoque la génération d'une fine couche d'oxyde. Cette couche d'oxyde fonctionne comme le matériau diélectrique des condensateurs.

Les caractéristiques de la couche oxydée peuvent être représentées à l'aide du tableau ci-dessous.

Matériel d'anodeMatériau diélectriquePermittivité relativeStructure de l'oxydeTension de claquage (V / μm)
Métal de tantalePentoxyde de tantale [Ta2O5]27Amorphe625
NiobiumPentoxyde de niobium [Nb2O5]41Amorphe400

L'électrolytique fonctionne comme une cathode pour un condensateur électrolytique au tantale. Plusieurs types d'électrolytes sont utilisés. En général, deux types d'électrolytes sont utilisés - soli et non solide.

Tout milieu liquide qui a un milieu de conductivité ionique peut être traité comme un électrolyte non solide. Les types concrets d'électrolytes ont une conductivité électronique, et c'est pourquoi les électrolytes solides sont plus sensibles aux étincelles de tension. La couche d'oxyde peut être endommagée si toutes les polarités de la tension d'entrée sont inversées.

Le principe de fonctionnement d'un condensateur électrolytique au tantale est basé sur un «condensateur à plaques». 

La capacité peut être définie comme la formule mentionnée ci-dessous - 

C = ε * (A / d)

C donne la valeur de la capacité; A donne l'aire de l'électrode, d représente la distance entre les plaques et ε nous donne la valeur de la permittivité.

La capacité peut être augmentée si la surface d'électrode est augmentée, et la permittivité diélectrique est augmentée.

Si nous regardons en détail, un condensateur électrolytique au tantale a une couche diélectrique étamée et sa construction est de l'ordre du nm / volt. De plus, les intensités de tension de la couche d'oxyde formée sont suffisamment élevées. Or, ce diélectrique mince est combiné avec un diélectrique oxyde haute tension et génère une capacité volumétrique élevée. C'est pourquoi un condensateur électrolytique au tantale a une capacité plus élevée qu'un condensateur ordinaire. Il y a aussi quelques influences derrière l'augmentation de la capacité. C'est la surface rugueuse due aux anodes gravées et frittées.

La tension nominale souhaitée d'un condensateur électrolytique peut être facilement produite car la couche d'oxyde dépend de la tension appliquée sur l'anode. Les condensateurs électrolytiques au tantale ont un «produit CV» élevé, expliqué comme le produit de la capacité du condensateur et de la tension divisé par le volume.

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Construction

Un condensateur électrolytique au tantale standard est un condensateur de défaut composé de poudre de tantale et fritté en une capsule, qui fonctionne comme l'anode du condensateur. La couche d'oxyde, qui fonctionne comme un diélectrique, est constituée de pentoxyde de tantale. La cathode du condensateur est un dioxyde de manganèse électrolytique stable.

Condensateur à plaques parallèles
Structure de base, source - charge inductif, Condensateur à plaques parallèles, marqué comme domaine public, plus de détails sur Wikimedia Commons

Anode

Comme mentionné précédemment, un condensateur au tantale utilise de la poudre de tantale comme anode. La poudre est fabriquée à partir de métal tantale pur. Le condensateur multiplié par les volts est le paramètre pour mesurer la valeur du mérite de la poudre. 

La poudre métallique est délimitée par des fils de tantale (fil montant) pour former la capsule ou «pastille». Le fil de délimitation fonctionne comme la connexion anodique du condensateur au tantale.

Des surfaces plus grandes donnent une valeur de capacité plus élevée. C'est pourquoi des poudres ayant un CV / g élevé et des tailles de particules moyennes plus petites sont utilisées pour des pièces basse tension à haute capacité. Une tension spécifique peut être obtenue si nous pouvons choisir le type de poudre correct et une température presque parfaite pour le frittage. Une température de frittage appropriée peut être d'environ - 1200-1800 degrés Celsius.

Diélectrique

Un processus électrochimique appelé anodisation forme le diélectrique sur les particules de tantale. La première étape pour créer ceci est que la «pastille» est immergée dans une solution très fragile d'un acide et de la tension continue fournie.

Comme tout autre condensateur électrolytique, l'épaisseur de la couche diélectrique dépend de la tension totale appliquée. Au début du processus, l'alimentation électrique est maintenue en mode courant continu jusqu'à et à moins que l'épaisseur diélectrique ne soit atteinte. Après cela, la tension est maintenue et le courant peut diminuer pour obtenir une valeur nulle. Ce processus assure une cohérence constante dans tout l'appareil.

Les équations chimiques sont représentées ci-dessous.

2 Ta → 2 Ta 5+ + 10 e-

2 Ta 5+ + 10OH- → Ta2O5 + 5 H2O

La formation d'oxydes a également eu lieu à la surface du matériau au cours du processus. L'oxyde se développe finalement dans le matériau. Il existe une manière spécifique dont l'oxyde se développe. Chaque unité d'épaisseur de croissance d'oxyde, les deux tiers part va à l'intérieur, tandis qu'un tiers part va à l'extérieur. La limite de la tension nominale maximale est également due à la limite de la croissance des oxydes.

Il existe une marge de sécurité dans l'épaisseur de la couche d'oxyde.

Cathode

Le processus pour former la cathode est la pyrolyse du nitrate de manganèse en dioxyde de manganèse. Après la submersion des granulés, ils sont cuits pour produire la couverture de dioxyde à environ 250 degrés Celsius. Les équations chimiques sont représentées ci-dessous.

Mn (NON3 )2 → MnO2 + 2 NON2

Pour accumuler une couche épaisse de la couche sur les zones de service à la fois internes et externes, le processus est répété à plusieurs reprises à travers des densités fluctuantes des solutions de nitrate.

Types de condensateurs au tantale

Il existe plusieurs styles de condensateurs au tantale.

Condensateurs à puce au tantale: 80% des condensateurs au tantale sont de ce type. Ils sont classés pour le montage en surface.

Condensateurs au tantale 'Pearls': Ils sont spécialement conçus pour le montage sur PCB. Ils sont trempés dans de la résine.

Condensateurs au tantale à plomb axial: principalement utilisés dans les applications militaires, médicales et spatiales. Il a un électrolyte à la fois tangible et non solide.

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Caractéristiques électriques

Circuit équivalent en série

Les condensateurs sont désignés comme un circuit équivalent en série idéal avec des constituants électriques. Mais les condensateurs au tantale ne peuvent pas être considérés comme des condensateurs idéalistes.

Le circuit ci-dessous spécifie le modèle.

CONDENSATEUR SÉRIE ÉQUIVALENT
Circuit équivalent en série, source d'image Charge inductiveModèle de condensateur électrolytique, marqué comme domaine public, plus de détails sur Wikimedia Commons

C est la capacité du condensateur; RESR est la résistance série équivalente, qui prend en compte toutes les pertes ohmiques. LESL est l'auto-inductance du condensateur. La résistance aux fuites est sombre.

Capacité, valeurs standard et tolérances

La construction de l'électrode détermine les caractéristiques électriques d'un condensateur électrolytique au tantale. La capacité dépend également des paramètres de fréquence et de température. L'unité de la capacité d'un condensateur électrolytique au tantale dépend du microfarad (mu f).

  • Des applications particulières déterminent la tolérance de capacité requise.
  • Cela n'a pas besoin de tolérances étroites.

Tension prête et catégorie

La tension de fonctionnement admissible pour un condensateur électrolytique au tantale est appelée tension nominale ou tension nominale.

L'application d'une tension supérieure à la tension nominale peut conduire à la destruction du condensateur électrolytique au tantale. L'application d'une tension plus basse a également influencé le condensateur. Une tension inférieure peut prolonger la durée de vie. Parfois, cela augmente sa fiabilité.

Surtension

La tension de surtension normalisée CEI / EN 60384 est la quantité maximale de tension de crête qui est fournie en entrée aux condensateurs. Il est mesuré pendant la durée des applications du condensateur en nombre de cycles.

Tension transitoire

Si une tension transitoire ou une pointe de courant est appliquée aux condensateurs électrolytiques au tantale, qui ont du dioxyde de manganèse stable comme matériau électrolytique, cela entraînera la défaillance du condensateur.

Tension inverse

Un condensateur électrolytique au tantale typique est polarisé et, en général, a besoin de l'anode doit être positive par rapport à la cathode. 

Les condensateurs au tantale peuvent résister à une tension inverse pendant une courte période. Parfois, la tension inverse peut être utilisée pour des applications dans des circuits CA permanents.

Impédance

Un condensateur standard est considéré comme un composant de stockage de l'énergie électrique. Parfois, des condensateurs sont déployés dans des circuits à courant alternatif en tant qu'éléments résistifs. Un condensateur électrolytique est utilisé comme condensateur de découplage dans un cours. Il bloque la composante continue du signal à l'aide du matériau diélectrique.

Courant de fuite

Le courant de fuite des condensateurs au tantale différencie ces types de condensateurs ou peut être l'identité de ces condensateurs. La valeur du courant de fuite peut être influencée par la tension et la température appliquées à l'anode.

Symbole du condensateur

Les condensateurs électrolytiques ont un type particulier de symbole pour représenter les circuits. Il est presque similaire au symbole du condensateur ordinaire, mais un signe plus fait la différence.

Symbole de condensateur polarisé
Symbole des condensateurs électrolytiques

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