Niob kondensator
En elektrolytisk kondensator för niob (historiskt också Columbium-kondensator ) är en elektrolytisk kondensator vars anod (+) är gjord av passiverad niobmetall eller niobmonoxid , på vilken ett isolerande niobpentoxidskikt fungerar som ett dielektrikum . En fast elektrolyt på ytan av oxidskiktet fungerar som kondensatorns katod (−).
Niobkondensatorer finns i SMD- förpackningar och konkurrerar med tantalchipkondensatorer i vissa spännings- och kapacitansklasser. De finns med en fast mangandioxidelektrolyt .
Liksom de flesta elektrolytiska kondensatorer är niobkondensatorer polariserade komponenter. Omvända spänningar eller rippelströmmar högre än specificerade toleranser kan förstöra dielektrikumet och därmed kondensatorn; den resulterande kortslutningen kan orsaka brand eller explosion i större enheter.
Niobkondensatorer utvecklades i USA och Sovjetunionen på 1960-talet. Sedan 2002 har de funnits kommersiellt tillgängliga i väst, och drar fördel av den lägre kostnaden och bättre tillgängligheten av niob i förhållande till tantal.
Grundläggande information
Niob är en systermetall till tantal. Niob har en liknande smältpunkt (2744 °C) som tantal och uppvisar liknande kemiska egenskaper. Materialen och processerna som används för att tillverka dielektriska niobkondensatorer är i huvudsak desamma som för befintliga tantal-dielektriska kondensatorer. Niob som råvara är dock mycket rikligare i naturen än tantal och är billigare. Egenskaperna hos elektrolytiska kondensatorer av niob och elektrolytkondensatorer av tantal är ungefär jämförbara.
Niobelektrolytiska kondensatorer kan tillverkas med högrent niob som anod, men diffusionen av syre från dielektrikumet (Nb 2 O 5 ) till niobanodmetallen är mycket hög, vilket resulterar i läckströmsinstabilitet eller till och med kondensatorfel. Det finns två möjliga sätt att minska syrediffusion och förbättra läckströmsstabiliteten – antingen genom att dopa metalliska niobpulver med nitrid till passiverad niobnitrid eller använda nioboxid (NbO) som anodmaterial. Nioboxid är ett hårt keramiskt material som kännetecknas av hög metallisk ledningsförmåga. Nioboxidpulver kan framställas i en liknande struktur som tantalpulver och kan bearbetas på liknande sätt för att producera kondensatorer. Det kan också oxideras genom anodoxidation ( anodisering , formning) för att generera det isolerande dielektriska skiktet. Således marknadsförs två typer av elektrolytiska kondensatorer av niob, de som använder en passiverad niobanod och de som använder en nioboxidanod. Båda typerna använder niobpentoxid (Nb 2 O 5 ) som det dielektriska skiktet.
Anodoxidation
Niob, i likhet med tantal och aluminium, är en så kallad ventilmetall . Att placera en sådan metall i kontakt med ett elektrolytiskt bad och applicera en positiv spänning på det bildar ett lager av elektriskt isolerande oxid vars tjocklek motsvarar den pålagda spänningen . Detta oxidskikt fungerar som dielektrikum i en elektrolytisk kondensator .
Denna egenskap hos niob var känd sedan början av 1900-talet. Även om niob är rikligare i naturen och billigare än tantal, hindrade dess höga smältpunkt på 2744 °C utvecklingen av elektrolytiska kondensatorer av niob.
På 1960-talet föranledde den högre tillgängligheten av niobmalm jämfört med tantalmalm forskning om niobelektrolytiska kondensatorer i Sovjetunionen. Här tjänade de samma syfte som tantalkondensatorer i väst. I och med järnridåns kollaps blev tekniken mer känd i västvärlden, med stora kondensatortillverkare som började intressera sig i slutet av 1990-talet. Materialen och processerna som används för att tillverka niobkondensatorer är i huvudsak desamma som för tantalkondensatorer. Stigande tantalpriser under 2000 och 2001 uppmuntrade utvecklingen av elektrolytkondensatorer av niob med mangandioxid och polymerelektrolyter, som har varit tillgängliga sedan 2002.
Varje elektrolytisk kondensator kan ses som en "platekondensator" vars kapacitans ökar med elektrodarean (A) och den dielektriska permittiviteten (ε), och minskar med den dielektriska tjockleken (d).
Den dielektriska tjockleken hos elektrolytiska kondensatorer av niob är mycket tunn, i intervallet nanometer per volt. Detta mycket tunna dielektriska skikt, kombinerat med en tillräckligt hög dielektrisk hållfasthet, tillåter elektrolytiska kondensatorer av niob att uppnå en hög volymetrisk kapacitans jämförbar med tantalkondensatorer.
Niobanodmaterialet är tillverkat av ett pulver sintrat till en pellet med en grov ytstruktur avsedd att öka elektrodens ytarea A jämfört med en slät yta med samma fotavtryck. Denna ökning av ytan kan öka kapacitansen med en faktor på upp till 200 för elektrolytiska kondensatorer av fast niob, beroende på märkspänningen.
Egenskaperna hos det dielektriska niobpentoxidskiktet, jämfört med ett tantalpentoxidskikt , anges i följande tabell:
| Anodmaterial | Dielektrisk | Relativ permittivitet | Oxidstruktur | Genombrottsspänning (V/μm) | Dielektriskt lagertjocklek (nm/V) |
|---|---|---|---|---|---|
| Tantal | Tantalpentoxid Ta 2 O 5 | 27 | amorf | 625 | 1.6 |
| Niob eller Niobiumoxid | Niobpentoxid Nb 2 O 5 | 41 | amorf | 400 | 2.5 |
Den högre permittiviteten och lägre genombrottsspänningen för niobpentoxid i förhållande till tantalpentoxid resulterar i niobkondensatorer och tantalkondensatorer med liknande storlekar för en given kapacitans.
Grundläggande konstruktion av elektrolytiska kondensatorer av solid niob
- Konstruktion av en solid niobchipkondensator
Kondensatorcellen i en elektrolytisk kondensator av niob består av sintrad niob eller niobmonoxidpulver
Schematisk representation av strukturen hos en sintrad niobelektrolytisk kondensator med fast elektrolyt och katodkontaktskikten
Konstruktion av en typisk SMD niob elektrolytisk chipkondensator med fast elektrolyt
En typisk niobkondensator är en chipkondensator och består av niob- eller nioboxidpulver pressat och sintrat till en pellet som kondensatorns anod , med oxidskiktet av [[niobpentoxid]] som dielektrikum och en fast mangandioxidelektrolyt som katoden . _
Jämförelse av elektrolytiska kondensatortyper av niob och tantal
Kombinationen av anodmaterial för elektrolytiska kondensatorer av niob och tantal och de använda elektrolyterna har bildat en mängd olika kondensatortyper med olika egenskaper. En översikt över de olika typernas huvudegenskaper visas i tabellen nedan.
| Elektrolytisk kondensatorfamilj | Elektrolyt | Kapacitansintervall (μF) | Max. märkspänning (V) | Max. temperatur (°C) |
|---|---|---|---|---|
| Tantal elektrolytisk kondensator, sintrad anod | Icke-fast, svavelsyra | 0,1...18 000 | 630 | 125/200 |
| Fast mangandioxid | 0,1...3 300 | 125 | 125/150 | |
| Fast polymer | 10...1 500 | 25 | 105 | |
| Nioboxid elektrolytisk kondensator, sintrad anod | Fast mangandioxid | 1...1 500 | 10 | 105 |
| Fast polymer | 4,7...470 | 16 | 105 |
Elektrolytkondensatorer av tantal och niob med fast elektrolyt som ytmonterbara chipkondensatorer används huvudsakligen i elektroniska enheter där lite utrymme är tillgängligt eller en låg profil krävs. De fungerar tillförlitligt över ett brett temperaturområde utan stora parameteravvikelser.
Jämförelse av elektriska parametrar för niob- och tantalkondensatortyper
För att jämföra de olika egenskaperna hos de olika elektrolytiska chipkondensatortyperna jämförs prover med samma dimensioner och med jämförbar kapacitans och spänning i följande tabell. I en sådan jämförelse är värdena för ESR och rippelströmbelastning de viktigaste parametrarna för användningen av elektrolytiska kondensatorer i modern elektronisk utrustning. Ju lägre ESR desto högre rippelström per volym, desto bättre är funktionaliteten hos kondensatorn i kretsen.
| Elektrolytisk kondensatorfamilj | Typ 1 | Mått DxL, BxHxL (mm) | Max. ESR 100 kHz, 20 °C (mΩ) | Max. Rippelström 85/105 °C (mA) | Max. Läckström efter 2 min. 2 (μA) |
|---|---|---|---|---|---|
| Tantalkondensatorer, MnO 2 elektrolyt | Kemet T494 330/10 | 7,3x4,3x4,0 | 100 | 1285 | 10 (0,01CV) |
| Tantalkondensatorer, Multianode, MnO 2 elektrolyt | Kemet T510 330/10 | 7,3x4,3x4,0 | 35 | 2500 | 10 (0,01CV) |
| Tantalkondensatorer, Polymerelektrolyt | Kemet T543 330/10 | 7,3x4,3x4,0 | 10 | 4900 | 100 (0,1CV) |
| Tantalkondensatorer, Multianod, polymer | Kemet T530 150/10 | 7,3x4,3x4,0 | 5 | 4970 | 100 (0,1CV) |
| Niobkondensatorer, MnO 2 elektrolyt | AVX,NOS 220/6,3 | 7,3x4,3x4,1 | 80 | 1461 | 20 (0,02CV) |
| Niobkondensatorer, Multianode, MnO 2 elektrolyt | AVX,NBM 220/6.3 | 7,3x4,3x4,1 | 40 | 2561 | 20 (0,02CV) |
| Niobkapslar Polymerelektrolyt | NEC, NMC 100/10 | 7,3x4,3x2,8 | - | - | 20 (0,02CV) |
| Aluminiumkondensatorer, Polymerelektrolyt | Panasonic SP-UE 180/6.3 | 7,3x4,3x4,2 | 7 | 3700 | 100 (0,1CV) |
| Aluminiumkondensatorer, Polymerelektrolyt | Kemet A700 100/10 | 7,3x4,3x4,0 | 10 | 4700 | 40 (0,04CV) |
(1) 100 μF/10 V, om inte annat anges,
(2) beräknat för en kondensator 100 μF/10 V,
Historia
Fenomenet som elektrokemiskt kan bilda ett oxidskikt på aluminium och metaller som tantal eller niob, blockerar en elektrisk ström i ena riktningen men låter den flyta åt andra hållet, upptäcktes 1875 av den franske forskaren Eugène Ducretet . Han myntade termen "ventilmetall" för sådana metaller. Charles Pollak (född Karol Pollak ) använde detta fenomen för en idé om en polariserad "Elektrisk vätskekondensator med aluminiumelektroder". 1896 fick Pollak patent på den första elektrolytkondensatorn. De första elektrolytiska tantalkondensatorerna med lindade tantalfolier och icke-fast elektrolyt utvecklades 1930 av Tansitor Electronics Inc., USA, och användes för militära ändamål.
Utvecklingen av solid elektrolyttantalkondensatorer började i början av 1950-talet som en miniatyriserad, mer pålitlig lågspänningsstödkondensator för att komplettera den nyligen uppfunna transistorn . Lösningen som hittats av RL Taylor och HE Haring från Bell Labs var baserad på erfarenhet av keramik. De malde ner tantal till ett pulver, pressade detta pulver till en cylindrisk form och sintrade sedan pulverpartiklarna till en pellet ("snigel") vid höga temperaturer, mellan 1500 och 2000 °C, under vakuumförhållanden. Dessa första sintrade tantalkondensatorer använde en icke-fast elektrolyt som inte överensstämde med konceptet med solid state-elektronik. 1952 ledde en riktad sökning i Bell Labs efter en fast elektrolyt av DA McLean och FS Power till uppfinningen av mangandioxid som en fast elektrolyt för en sintrad tantalkondensator.
Elektriska egenskaper
Serieekvivalent krets
Niobelektrolytiska kondensatorer som diskreta komponenter är inte idealiska kondensatorer, de har förluster och parasitära induktiva delar. Alla egenskaper kan definieras och specificeras av en serieekvivalent krets som består av en idealiserad kapacitans och ytterligare elektriska komponenter som modellerar alla förluster och induktiva parametrar hos en kondensator. I denna serieekvivalenta krets definieras de elektriska egenskaperna av:
- C , kondensatorns kapacitans
- R läckage , resistansen som representerar kondensatorns läckström
- R ESR , den ekvivalenta serieresistansen som sammanfattar alla ohmska förluster hos kondensatorn, vanligtvis förkortad som "ESR"
- L ESL , den ekvivalenta serieinduktansen som är den effektiva självinduktansen för kondensatorn, vanligtvis förkortad som "ESL".
Att använda en serieekvivalent krets istället för en parallell ekvivalent krets specificeras av IEC /EN 60384-1.
Kapacitansstandardvärden och toleranser
De elektriska egenskaperna hos elektrolytiska kondensatorer av niob beror på anodens struktur och typen av elektrolyt. Kapacitansvärdet för kondensatorn beror på mätfrekvens och temperatur. Det nominella kapacitansvärdet eller det nominella värdet anges i tillverkarnas datablad och symboliseras C R C N . Det standardiserade mätvillkoret för elektrolytkondensatorer är en AC-mätmetod med en frekvens på 100/120 Hz. AC-mätspänningen får inte överstiga 0,5 V AC- RMS .
Procentandelen av tillåten avvikelse av den uppmätta kapacitansen från märkvärdet kallas kapacitanstolerans. Elektrolytkondensatorer finns i olika toleransserier, vars värden anges i E-serien specificerad i IEC 60063. För förkortad markering i trånga utrymmen anges en bokstavskod för varje tolerans i IEC 60062.
- nominell kapacitans, E3-serien , tolerans ±20%, bokstavskod "M"
- nominell kapacitans, E6-serien , tolerans ±20%, bokstavskod "M"
- nominell kapacitans, E12-serien , tolerans ±10%, bokstavskod "K"
Märk- och kategorispänning
Med hänvisning till IEC/EN 60384-1-standarden kallas den tillåtna driftspänningen för niobkondensatorer "märkspänning U R " eller "nominell spänning U N ". Märkspänningen U R är den maximala DC-spänningen eller topppulsspänningen som kan appliceras kontinuerligt vid vilken temperatur som helst inom märktemperaturområdet TR ( IEC /EN 60384-1).
Spänningsbeständigheten för elektrolytkondensatorer minskar med ökande temperatur. För vissa applikationer är det viktigt att använda ett högre temperaturområde. Att sänka spänningen som appliceras vid en högre temperatur upprätthåller säkerhetsmarginalerna. För vissa kondensatortyper specificerar därför IEC-standarden en "temperaturnedsatt spänning" för en högre temperatur, "kategorispänningen U C ". Kategorispänningen är den maximala likspänningen eller topppulsspänningen som kan appliceras kontinuerligt på en kondensator vid vilken temperatur som helst inom kategoritemperaturområdet T C . Relationen mellan både spänningar och temperaturer visas i bilden till höger (eller ovan, på mobila enheter).
Lägre spänning som appliceras kan ha positiva effekter för tantal (och niob) elektrolytiska kondensatorer. Att sänka spänningen ökar tillförlitligheten och minskar den förväntade felfrekvensen.
En högre spänning än vad som anges kan förstöra elektrolytkondensatorer.
Överspänning
Överspänningen indikerar det maximala toppspänningsvärdet som kan appliceras på elektrolytiska kondensatorer under deras applicering under ett begränsat antal cykler. Överspänningen är standardiserad i IEC/EN 60384-1. För elektrolytkondensatorer av niob ska överspänningen inte vara högre än avrundat 1,3 gånger märkspänningen, avrundad till närmaste volt. Överspänningen som appliceras på niobkondensatorer kan påverka kondensatorernas felfrekvens.
Omvänd spänning
Liksom andra elektrolytiska kondensatorer är elektrolytiska kondensatorer av niob polariserade och kräver att anodelektrodspänningen är positiv i förhållande till katodspänningen.
Impedans, ESR och dissipationsfaktor, rippelström, läckström
Allmän information om impedans, ESR, dissipationsfaktor tan δ, rippelström och läckström se elektrolytisk kondensator
Tillförlitlighet och livslängd
För allmän information om tillförlitlighet och felfrekvens se elektrolytisk kondensator .
Livslängden , livslängden , belastningslivslängden eller användbarheten för elektrolytkondensatorer är en speciell egenskap hos icke-solida elektrolytiska kondensatorer, särskilt icke-solida elektrolytiska kondensatorer av aluminium . Deras flytande elektrolyt kan avdunsta med tiden, vilket leder till utslitningsfel. Fasta niobkondensatorer med mangandioxidelektrolyt har ingen utslitningsmekanism, så den konstanta felfrekvensen varar upp till den punkt då alla kondensatorer har gått sönder. De har inte en livstidsspecifikation som elektrolytiska kondensatorer av icke-solid aluminium.
Fast polymer niob elektrolytiska kondensatorer har dock en livstidsspecifikation. Elektrolyten försämras av en termisk nedbrytningsmekanism av den ledande polymeren. Den elektriska ledningsförmågan minskar, som en funktion av tiden, i överensstämmelse med en granulär struktur, där åldring beror på krympningen av de ledande polymerkornen. Livstiden för polymerelektrolytiska kondensatorer specificeras i liknande termer som icke-solida e-kapslar, men dess livslängdsberäkning följer andra regler som leder till mycket längre livslängd.
Fellägen, självläkande mekanism och tillämpningsregler
De olika typerna av elektrolytiska kondensatorer uppvisar olika beteenden i långtidsstabilitet, inneboende fellägen och deras självläkande mekanismer. Tillämpningsregler för typer med ett inneboende felläge är specificerade för att säkerställa kondensatorernas hög tillförlitlighet och lång livslängd.
| Typ av elektrolytiska kondensatorer | Långsiktigt elektriskt beteende | Fellägen | Självläkande mekanism | Ansökningsregler |
|---|---|---|---|---|
| Tantal e-caps fast MnO 2 elektrolyt | stabil | Fältkristallisation | Termiskt inducerad isolering av fel i dielektrikumet genom nedbrytning av elektrolyten MnO 2 till isolerande Mn 2 O 3 om strömtillgängligheten är begränsad | Spänningsnedsättning 50 % Serieresistans 3 Ω/V |
| Tantal e-caps solid polymer elektrolyt | Försämring av konduktiviteten, ESR ökar | Fältkristallisation | Isolering av fel i dielektrikumet genom oxidation eller förångning av polymerelektrolyten | Spänningsnedsättning 20 % |
| Niob e-caps, fast MnO 2 elektrolyt | stabil | ingen unik bestämbar | Termiskt inducerad isolering av fel i dielektrikumet genom reduktion av Nb 2 O 5 till isolerande NbO 2 | niobanod: spänningsnedsättning 50 % nioboxidanod: spänningsnedsättning 20 % |
Ett sällsynt fel i fasta elektrolytiska kondensatorer är nedbrytning av dielektrikumet orsakat av fel eller föroreningar. I elektrolytiska kondensatorer av niob är dielektrikumet niobpentoxid (Nb 2 O 5 ). Förutom denna pentoxid finns ytterligare en niobsuboxid, niobdioxid (NbO 2 ). NbO 2 är ett halvledande material med en högre konduktivitet än Nb 2 O 5 men mycket lägre än en kortslutning. I händelse av fel eller föroreningar i dielektrikumet som framkallar ett partiellt dielektriskt genombrott skulle den ledande kanalen effektivt isoleras genom reduktion av Nb2O5 till högohmsk NbO2 om energin är begränsad.
När mer energi appliceras på ett felaktigt fast niob så bryts antingen den högohmiska NbO 2 kanalen eller Nb 2 O 5 dielektrikumet ner och kondensatorn uppvisar ett termiskt rinnande fel. Jämfört med solida tantalkondensatorer kommer den termiska flykten för niobanoder att ske med ungefär tre gånger högre effekt än för tantalanoder. Detta ger en betydande minskning (95%) av tändningsfelsläget jämfört med solida tantalkondensatorer.
Det dielektriska skiktet Nb 2 O 5 av elektrolytiska kondensatorer av fast niob har en lägre genombrottsspänningssäker än Ta 2 O 5 i tantalkondensatorer och växer därför tjockare per applicerad volt och arbetar därför med lägre fältstyrka för en given spänningsklass med lägre elektrisk spänning dielektrikumet. I kombination med nioboxidanoder, som är mer stabila mot syrediffusion vilket resulterar i lägre spänningsnedsättningsregler jämfört med passiverade niob- eller tantalanoder.
Ytterligare information
Kondensatorsymboler
Elektrolytiska kondensatorsymboler
 |
 |
|
| Elektrolytkondensator | Elektrolytkondensator | Elektrolytkondensator |
Polaritetsmärkning
Niobkondensatorer är i allmänhet polariserade komponenter, med tydligt markerade positiva terminaler. När den utsätts för omvänd polaritet (även kortvarigt), depolariseras kondensatorn och det dielektriska oxidskiktet bryts ner, vilket kan göra att det misslyckas även när det senare används med korrekt polaritet. Om felet är en kortslutning (den vanligaste händelsen) och strömmen inte är begränsad till ett säkert värde, kan en katastrofal termisk rusning inträffa.
Standardisering
Standardiseringen för alla elektriska , elektroniska komponenter och relaterade teknologier följer reglerna från International Electrotechnical Commission (IEC), en icke-vinstdrivande , icke-statlig internationell standardiseringsorganisation . Definitionen av egenskaperna och förfarandet för testmetoderna för kondensatorer för användning i elektronisk utrustning anges i den allmänna specifikationen:
- IEC 60384-1, Fasta kondensatorer för användning i elektronisk utrustning - Del 1: Generisk specifikation
Fram till nu (2014) finns ingen IEC-detaljspecifikation för elektrolytkondensatorer av niob.
För elektroniktillverkare i USA publicerar EIA en standard för niob- och tantalchipkondensatorer:
- EIA-717-A Ytmonterad niob- och tantalkondensatorspecifikation
Funktioner
- Niobkondensatorer tjänar som en ersättning för tantalkondensatorer
- Niobkondensatorer finns i SMD-stil, vilket gör dem lämpliga för alla bärbara elektroniska system med platt design
- Niobkondensatorer har ingen inkopplingsströmbegränsning
- Niobkondensatorer finns tillgängliga med fast elektrolyt för applikationer med låg ESR och stabila elektriska parametrar
- Niobkondensatorer har ett begränsat antal tillverkare (AVX och Vishay)
Se även
Vidare läsning
- RP Deshpande, Capacitors: Technology and Trends, ISBN 1-25900731-6 [8]
- D. Bach, avhandling, 2009-06-05, Universität Karlsruhe (TH), EELS-undersökningar av stökiometriska nioboxider och niobbaserade kondensatorer [ 9]
- Ch. Schnitter: Tämjandet av niob. I: Bayer research, Bayer AG, 2004 (2007-02-11), [10]
- Niobpulver för elektrolytisk kondensator, JFE teknisk rapport nr 6 (oktober 2005) PDF
- Introduktion till kondensatorer [11]