Sind Tantalkondensatoren für die Verwendung in neuen Designs sicher?

Ich habe gehört, dass "feste Tantal" -Kondensatoren gefährlich sind und einen Brand verursachen können, einen Kurzschluss verursachen können und selbst bei sehr kurzen Überspannungsspitzen lebensgefährlich sind.

Sind Tantalkondensatoren zuverlässig?

Sind sie sicher für den Einsatz in allgemeinen Schaltkreisen und neuen Designs?

Zusammenfassung:

"Bei sachgemäßer Verwendung" sind Tantalkondensatoren äußerst zuverlässig.
Sie haben den Vorteil einer hohen Kapazität pro Volumen und eines guten Entkopplungsverhaltens aufgrund eines relativ geringen Innenwiderstands und einer geringen Induktivität im Vergleich zu herkömmlichen Alternativen wie Aluminium-Nasselektrolytkondensatoren.

Der 'catch' steht im Qualifier "bei richtiger Verwendung".
Tantalkondensatoren haben einen Fehlermodus, der durch Spannungsspitzen nur geringfügig über ihrem Nennwert ausgelöst werden kann. Bei Verwendung in Stromkreisen, die dem Kondensator erhebliche Energie zuführen können, kann es zu einem thermischen Durchschlag mit Flammen und Explosion des Kondensators sowie zu einem Kurzschluss der Kondensatoranschlüsse mit geringem Widerstand kommen.

Um "sicher" zu sein, müssen die Schaltkreise, in denen sie verwendet werden, streng ausgelegt sein und die Entwurfsannahmen müssen eingehalten werden. Dies kommt nicht immer vor.
Tantalkondensatoren sind in den Händen echter Experten oder in anspruchslosen Schaltkreisen "sicher genug" und ihre Vorteile machen sie attraktiv. Alternativen wie Kondensatoren aus " massivem Aluminium" haben ähnliche Vorteile und weisen keinen katastrophalen Fehlermodus auf.

Viele moderne Tantal - Kondensatoren haben in Schutzmechanismen eingebaut , die Verschmelzung verschiedener Art zu implementieren, die dazu ausgebildet ist , den Kondensator von ihren Anschlüssen zu trennen , wenn es fehlschlägt und zu begrenzen , in pcb Verkohlen den meisten Fällen.
Wenn „Wann“, „Limit“ und „Die meisten“ akzeptable Designkriterien sind und / oder Sie ein Designexperte sind und Ihre Fabrik immer alles richtig macht und Ihre Anwendungsumgebung immer gut verstanden wird, sind Tantalkondensatoren möglicherweise eine gute Wahl für Sie .

Länger:

Feste Tantalkondensatoren sind potenziell Katastrophen, die darauf warten, passiert zu werden.
Durch konsequentes Design und Implementierung, die garantiert, dass die Anforderungen erfüllt werden, können äußerst zuverlässige Designs erstellt werden. Wenn in Ihrer realen Welt immer garantiert keine Ausnahmen auftreten, eignen sich Tantalkappen möglicherweise auch für Sie.

In einigen modernen Tantalkondensatoren sind Mechanismen zur Schadensminderung (im Gegensatz zur Vorbeugung) eingebaut. In einem Kommentar zu einer anderen Frage zum Austausch von Stapeln stellt Spehro fest:

• Das Datenblatt für Kemets Polymer-Tantal-Kappen besagt (teilweise): "Der KOCAP weist auch einen harmlosen Fehlermodus auf, der die Zündfehler beseitigt, die bei Standard-MnO2-Tantaltypen auftreten können."

  Seltsamerweise kann ich in den anderen Datenblättern nichts über die Funktion "Zündausfall" finden.

Feste Tantal-Elektrolytkondensatoren hatten traditionell einen Fehlermodus, der ihre Verwendung in Hochenergiekreisen fragwürdig macht, die nicht konsequent ausgelegt werden können oder wurden, um die Möglichkeit auszuschließen, dass die angelegte Spannung die Nennspannung um mehr als einen kleinen Prozentsatz übersteigt.

Tantalkappen werden typischerweise hergestellt, indem Tantalkörnchen zusammengesintert werden, um ein kontinuierliches Ganzes mit einer immensen Oberfläche pro Volumen zu bilden, und dann durch einen chemischen Prozess eine dünne dielektrische Schicht über der Außenfläche gebildet wird. Hier bekommt "dünn" eine neue Bedeutung - die Schicht ist dick genug, um einen Durchschlag bei Nennspannung zu vermeiden - und dünn genug, um von Spannungen durchdrungen zu werden, die die Nennspannung nicht wesentlich überschreiten. Bei einer Nennspannung von z. B. 10 V kann der Betrieb mit beispielsweise 15-V-Spikes beim Spielen von russischem Roulette genau richtig sein. Im Gegensatz zu Al-Nasselektrolytkappen, die dazu neigen, sich selbst zu heilen, wenn die Oxidschicht durchstochen wird, neigt Tantal dazu, nicht zu heilen. Kleine Energiemengen können zu lokaler Beschädigung und Entfernung des Leitungswegs führen. Wenn der Stromkreis, der die Kappe mit Energie versorgt, in der Lage ist, beträchtliche Energie zu liefern, kann die Kappe einen entsprechend widerstandsfähigen Kurzschluss mit geringem Widerstand bieten, und ein Kampf beginnt. Dies kann zu Gerüchen, Rauch, Flammen, Geräuschen und Explosionen führen. Ich habe gesehen, dass all dies nacheinander in einem einzigen Fehler passiert. Zuerst roch es vielleicht 30 Sekunden lang rätselhaft schlecht. Dann ein lautes Kreischen, dann vielleicht 5 Sekunden lang ein Flammenstrahl mit erfreulichem Wimmern und dann eine beeindruckende Explosion. Nicht alle Ausfälle sind so sensorisch befriedigend. dann ein Flammenstrahl für vielleicht 5 Sekunden mit erfreulichem Wehklagen und dann eine beeindruckende Explosion. Nicht alle Ausfälle sind so sensorisch befriedigend. dann ein Flammenstrahl für vielleicht 5 Sekunden mit erfreulichem Wehklagen und dann eine beeindruckende Explosion. Nicht alle Ausfälle sind so sensorisch befriedigend.

Wenn das völlige Fehlen von Überspannungsspitzen mit hoher Energie nicht garantiert werden kann, was bei vielen, wenn nicht den meisten Stromkreisen der Fall ist, ist die Verwendung von Tantal-Festelektrolytkappen eine gute Quelle für Serviceanfragen (oder Notfälle). Basierend auf der Referenz von Spehro hat Kemet möglicherweise die aufregenderen Aspekte solcher Fehler beseitigt. Sie warnen immer noch vor minimalen Überspannungen.

Einige reale Ausfälle:

Wikipedia - Tantalkondensatoren

• Die meisten Tantalkondensatoren sind polarisierte Bauelemente mit deutlich gekennzeichneten positiven und negativen Anschlüssen. Wenn der Kondensator (auch nur kurz) einer umgekehrten Polarität ausgesetzt wird, depolarisiert er und die dielektrische Oxidschicht bricht zusammen, was zu einem Ausfall führen kann, selbst wenn er später mit der richtigen Polarität betrieben wird. Wenn der Fehler ein Kurzschluss ist (das häufigste Auftreten) und der Strom nicht auf einen sicheren Wert begrenzt ist, kann es zu einem katastrophalen thermischen Durchgehen kommen (siehe unten).

Kemet - Anwendungshinweise für Tantalkondensatoren

• Lesen Sie Abschnitt 15., Seite 79 und gehen Sie mit sichtbaren Händen davon.

AVX - Spannungsreduzierungsregeln für Festtantal- und Niobkondensatoren

• Über viele Jahre hinweg war man sich einig, dass eine Spannungsreduzierung von mindestens 50% angewendet werden sollte, wenn die Hersteller von Tantalkondensatoren nach allgemeinen Empfehlungen für die Verwendung ihres Produkts gefragt wurden. Diese Faustregel ist seitdem die am weitesten verbreitete Konstruktionsrichtlinie für die Tantal-Technologie. In diesem Artikel wird diese Aussage nochmals überprüft und erklärt, warum dies nicht unbedingt der Fall ist, wenn die Anwendung verstanden wird.

  Mit der jüngsten Einführung der Niob- und Nioboxid-Kondensatortechnologie wurde die Derating-Diskussion auch auf diese Kondensatorfamilien ausgeweitet.

Vishay - Festtantalkondensator FAQ

• . WAS IST DER UNTERSCHIED ZWISCHEN EINEM VERSCHMELZTEN (VISHAY SPRAGUE 893D) UND EINEM STANDARDVERSCHMELZTEN (VISHAY SPRAGUE 293D UND 593D) TANTALKAPAZITOR?

  A. Die 893D-Serie wurde für den Betrieb in Hochstromanwendungen (> 10 A) entwickelt und verwendet einen „elektronischen“ Schmelzmechanismus. ... Die 893D-Sicherung „öffnet“ nicht unter 2 A, da der I2R unter der zum Aktivieren der Sicherung erforderlichen Energie liegt. Zwischen 2 und 3 A wird die Sicherung möglicherweise aktiviert, es kann jedoch zu einer Verkohlung des Kondensators und der Leiterplatte kommen. Zusammenfassend sind 893D-Kondensatoren ideal für Hochstromkreise, in denen ein „Ausfall“ des Kondensators zu einem Systemausfall führen kann.

  Kondensatoren vom Typ 893D verhindern das „Verkohlen“ von Kondensatoren oder Leiterplatten und in der Regel Stromkreisunterbrechungen, die mit einem Kondensatorausfall verbunden sein können. Ein „kurzgeschlossener“ Kondensator an der Stromquelle kann Strom- und / oder Spannungsspitzen verursachen, die ein Herunterfahren des Systems auslösen können. Die Aktivierungszeit der 893D-Sicherung ist in den meisten Fällen ausreichend schnell, um eine übermäßige Stromaufnahme oder Spannungsschwankungen zu vermeiden.

Kondensatorführung - Tantalkondensatoren

• ... Der Nachteil der Verwendung von Tantalkondensatoren ist ihr ungünstiger Ausfallmodus, der zu thermischem Durchgehen, Bränden und kleinen Explosionen führen kann. Dies kann jedoch durch den Einsatz externer ausfallsicherer Geräte wie Strombegrenzer oder Thermosicherungen verhindert werden.

Was für ein Cap-Astrophe

• Ich arbeitete bei einem Hersteller, bei dem ein unerklärlicher Tantalkondensatorfehler auftrat. Es war nicht so, dass die Kondensatoren nur ausfielen, sondern der Ausfall war katastrophal und machte PCBs (Leiterplatten) nicht mehr fixierbar. Es schien keine Erklärung zu geben. Bei dieser kleinen, dedizierten Mikrocomputer-Platine wurden keine Probleme mit fehlerhaften Anwendungen festgestellt. Schlimmer noch, der Lieferant hat uns die Schuld gegeben.

  Ich habe im Internet nach Fehlern bei Tantalkondensatoren gesucht und festgestellt, dass die Pellets der Tantalkondensatoren geringfügige Mängel aufweisen, die während der Herstellung behoben werden müssen. Dabei wird die Spannung über einen Widerstand stufenweise auf die Nennspannung plus Schutzband erhöht. Der Vorwiderstand verhindert, dass unkontrolliertes thermisches Durchgehen das Pellet zerstört. Ich habe auch erfahren, dass das Löten von Leiterplatten bei hohen Temperaturen während der Herstellung Spannungen verursacht, die zu Mikrofrakturen im Pellet führen können. Diese Mikrofrakturen können wiederum bei Anwendungen mit niedriger Impedanz zum Ausfall führen. Die Mikrofrakturen verringern auch die Nennspannung des Geräts, sodass die Fehleranalyse einen klassischen Überspannungsausfall anzeigt. ...

Verbunden:

AVX - Spannungsspitzen in festen Tantalkondensatoren

Fehlermodi und Mechanismen in Festtantalkondensatoren - nur Sprague / IEEE-Zusammenfassung. - ALTES 1963.

AVX - AUSFALLMODI VON TANTALKAPAZITÄTEN DURCH VERSCHIEDENE TECHNOLOGIEN - Alter? - ungefähr 2001?

Einfluss von Feuchtigkeit auf die Eigenschaften von Oberflächenmontage-Tantalkondensatoren - NASA mit AVX-Unterstützung - um 2002?

Hearst - Wie man gefälschte Komponenten erkennt

Manchmal ist es einfach :-):

Hinzugefügt 1/2016:

Verbunden:

Prüfung auf Verpolung für Standard-Metalldosen-Kondensatoren aus feuchtem Aluminium.

Kurz:

Bei richtiger Polarität kann das Potential ~ = Masse sein. Bei Verpolung kann potentiell ein erheblicher Prozentsatz der angelegten Spannung anliegen.
Nach meiner Erfahrung ein sehr zuverlässiger Test.

Länger:

Für std nasse Al-Kappen habe ich vor langer Zeit einen Test für Reverse Insertion entdeckt, den ich noch nie zuvor erwähnt habe, der aber wohl hinreichend bekannt ist. Dies funktioniert für Kappen, bei denen die Metalldose zum Testen zugänglich ist - die meisten haben aufgrund der Art und Weise, in der die Hülse hinzugefügt wird, eine bequeme freie Stelle oben in der Mitte.

Schalten Sie den Stromkreis ein und messen Sie die Spannungen von Masse zu Dose jeder Kappe. Dies ist ein sehr schneller Test mit einem Voltmeter-Kabel, das geerdet und um Dosen herum mit einem Reißverschluss versehen ist.

• Kappen die die richtige Polarität haben können fast auf Masse liegen.

• Kappen mit umgekehrter Polarität haben Dosen bei einem Bruchteil des Angebots - vielleicht ~~~ = 50%.

Funktioniert nach meiner Erfahrung zuverlässig.

Normalerweise können Sie anhand von Dosenmarkierungen überprüfen, dies hängt jedoch davon ab, ob die beabsichtigte Ausrichtung bekannt und klar ist. Während das normalerweise in einem guten Design konsistent ist, ist dies nie sicher.

Mit der Einführung von kompakten, kostengünstigen Keramikkondensatoren (10uF und höher, Nennwerte 6,3, 10, 16 V usw.) für X5R- und X7R-Keramikkondensatoren (vernünftige Dielektrika) scheint es weniger Gründe zu geben, Tantalkondensatoren in Betracht zu ziehen.

Einer der Unterschiede besteht darin, dass Tantalkappen einen ESR in der Größenordnung von Ohm aufweisen. Bei einigen LDO-Reglern ist dies von Vorteil, da der LDO nicht wie eine Todesfee schwingt. In solchen Fällen würde ich lieber einen Keramikkondensator und einen Vorwiderstand verwenden.

Ich denke, bei einigen empfindlichen analogen Schaltkreisen kann Tantal einen Vorteil gegenüber Keramikkappen bei reduzierter Mikrophonierung haben (in Keramikkappen aufgrund piezoelektrischer Aktivität).

Eine Richtlinie für ihre Verwendung: Wenn der Strom durch die Kappe im Fehlerfall streng begrenzt ist, fahren Sie fort.

Beschränkt auf was? Ich würde 0.1A vorschlagen. Ich würde sie nicht verwenden, um eine Versorgungsschiene mit 1A oder höher zu entkoppeln, und ich würde sie nicht persönlich für eine Versorgung mit 10A verwenden. (Dort gewesen, das Feuerwerk gesehen; Russells Bilder übertreiben nicht.) Ich muss sagen, dass ich keinen stichhaltigen Beweis für eine wirklich "sichere" Strömung habe, und ein Kommentar zu diesen Zahlen wäre willkommen.

Aber viele Versorgungen oder Vorspannungen in analogen Schaltungen haben relativ hohe Quellenimpedanzen oder streng begrenzte Ströme, und ich würde sie dort verwenden.

BEARBEITEN basierend auf neuen (für mich!) Informationen ...

Mindestens ein Hersteller bietet Nioboxid- Kondensatoren in sehr ähnlichen Gehäusen und Werten und Spannungen an. In dem, was als stillschweigendes Eingeständnis der hier beschriebenen Tantalprobleme gelesen werden könnte, enthält das Datenblatt die Aussage "Failed OxiCap® wird nicht bis zur Spannung der Kategorie brennen" und ein süßes kleines Logo ...

[Haftungsausschluss: Ich habe weder diese Kondensatoren verwendet noch versucht, die Behauptung zu überprüfen!]

Ein kurzer Hinweis zu "Warum Tantal statt großer MLCCs":

MLCCs mit X5R und ähnlichen Dielektrika werden bei 0 V Vorspannung charakterisiert. Bei Betrieb mit zB 100% der Nennspannung darf die effektive Differenzkapazität jedoch nur 10% der Nennspannung (!) Betragen. Besonders sehr kleine Kappen mit hoher Nennspannung zeigen einen dramatischen Kapazitätsabfall, wenn sie vorgespannt sind.

Beispiel 1: 0402 MLCC, X5R, 10 uF, 6,3 V: 3,5 uF, belassen bei etwa 3 V.

Beispiel 2: 0402 MLCC, X5R, 2,2 uF, 25 V: 1,0 uF (!) Verbleiben bei etwa 3 V.

Diese Daten sind in den Online-Datenblättern von TDK gut dargestellt.

Ein paar zusätzliche Dinge von meiner Seite:
Ja, man kann sagen, dass Tantal Caps sicher sind.
Sie werden nicht nur in der "rauen" Umgebung von tragbaren Endgeräten (Notebook, Smartphone - ich habe aufgrund der Kappen noch nie von einem Brand in einem Smartphone gehört) verwendet, sondern auch in medizinischen Implantaten wie Herzschrittmachern, Cochlea-Implantaten oder Wirbelsäule Schnurstimulatoren.

In Bezug auf die Zuverlässigkeit hat die Betriebsspannung den größten Einfluss (viel mehr als die Temperatur). Der Beschleunigungsfaktor ist
AF = exp {(V / VR-1) * 18.772} gemäß dem folgenden NASA-Dokument: https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20110015254.pdf

Für medizinische Implantate beträgt die von Vishay vorgeschlagene Leistungsreduzierung 40% (Sie würden also eine 16-V-Kappe für 10-V- oder 10-V-Nennleistung für 6-V-Anwendungen verwenden). Nach der oberen Formel beträgt die Verlängerung der Lebensdauer einen Faktor von 1140.

Pls. Denken Sie immer daran, dass es kein System gibt, das nicht ausfällt: Die einzige Frage ist die Zeit für den kumulativen Fehler. Ich habe meine Masterarbeit bei Infineon gemacht. Ich denke, ich kann mich daran erinnern, dass die MOSFETs in sicherheitskritischen Automobilsystemen eine zulässige Ausfallrate von 10 ppm innerhalb von 10.000 Stunden aufwiesen, wenn sie mit max. Bedingungen (Temp & Spannung)

Möglicherweise gibt es Anwendungen mit begrenztem Speicherplatz, bei denen die Bräune besser ist, aber das ist alles. Ich vermeide Sonnenbräune, wenn ich kann. Gemeinsame Teile versagen, indem sie den Rauch herauslassen. Sie mögen keine hohen Einschaltströme, was sie für die meisten Filter von Netzteilen zu einer schlechten Wahl macht. Verwenden Sie mindestens den Teil mit der höchsten Spannung, den Sie können. Sie mögen keine hohe Luftfeuchtigkeit, die die Selbstheilung beeinträchtigen kann. Keramiken sind besser geworden und können sie in vielen Anwendungen ersetzen, manchmal auch Aluminium.