He oído que sugiere que los condensadores de "tantalio sólido" son peligrosos y pueden provocar incendios, fallas en cortocircuitos y son fatalmente sensibles incluso a picos de sobretensión muy cortos.
¿Son confiables los condensadores de tantalio?
¿Son seguros para su uso en circuitos generales y nuevos diseños?
Respuestas:
Resumen:
Los condensadores de tantalio "cuando se usan correctamente" son altamente confiables.
Tienen la ventaja de una alta capacidad por volumen y buenas características de desacoplamiento debido a la resistencia interna relativamente baja y la baja inductancia en comparación con las alternativas tradicionales como los condensadores electrolíticos húmedos de aluminio.
La 'captura' está en el calificador "cuando se usa correctamente".
Los condensadores de tantalio tienen un modo de falla que puede ser activado por picos de voltaje solo 'ligeramente más' que su valor nominal. Cuando se usa en circuitos que pueden proporcionar energía sustancial a la falla del condensador, puede provocar una fuga térmica con llama y explosión del condensador y cortocircuito de baja resistencia en los terminales del condensador.
Para estar "seguros", es necesario garantizar que los circuitos en los que se utilizan se hayan diseñado rigurosamente y se deben cumplir los supuestos de diseño. Esto "no siempre sucede".
Los condensadores de tantalio son 'suficientemente seguros' en manos de expertos genuinos, o en circuitos poco exigentes, y sus ventajas los hacen atractivos. Las alternativas como los condensadores de "aluminio sólido " tienen ventajas similares y carecen del modo de falla catastrófica.
Muchos condensadores de tantalio modernos han incorporado mecanismos de protección que implementan fusibles de varios tipos, que está diseñado para desconectar el condensador de sus terminales cuando falla y para limitar la carbonización de PCB en la mayoría de los casos.
Si 'cuándo', 'límite' y 'la mayoría' son criterios de diseño aceptables y / o usted es un experto en diseño y su fábrica siempre hace todo bien y su entorno de aplicación siempre se entiende bien, entonces los condensadores de tantalio pueden ser una buena opción para usted .
Más, alargar:
Los condensadores de tantalio sólido son potencialmente desastres que esperan suceder.
El diseño y la implementación rigurosos que garantizan que se cumplan sus requisitos pueden producir diseños altamente confiables. Si siempre se garantiza que sus situaciones del mundo real no tendrán excepciones fuera de especificación, las tapas de tantalio también pueden funcionar bien para usted.
Algunos condensadores de tantalio modernos tienen mecanismos de mitigación de fallas (en lugar de prevención) incorporados. En un comentario sobre otra pregunta de intercambio de pila, Spehro señala:
La hoja de datos para las tapas de polímero y tantalio de Kemet dice (en parte): "El KOCAP también exhibe un modo de falla benigna que elimina las fallas de ignición que pueden ocurrir en los tipos de tantalio MnO2 estándar".
Curiosamente, no puedo encontrar nada sobre la función de "falla de encendido" en sus otras hojas de datos.
Los condensadores electrolíticos de tantalio sólido han tenido tradicionalmente un modo de falla que hace que su uso sea cuestionable en circuitos de alta energía que no pueden o no han sido diseñados rigurosamente para eliminar cualquier posibilidad de que el voltaje aplicado exceda el voltaje nominal en más de un pequeño porcentaje.
Las tapas de tantalio se hacen típicamente sinterizando gránulos de tantalio juntos para formar un todo continuo con un área de superficie inmensa por volumen y luego formando una capa dieléctrica delgada sobre la superficie externa mediante un proceso químico. Aquí "delgado" adquiere un nuevo significado: la capa es lo suficientemente gruesa como para evitar la ruptura a la tensión nominal, y lo suficientemente delgada como para ser atravesada por voltajes que no superan ampliamente la tensión nominal. Para un límite nominal de, por ejemplo, 10 V, la operación con picos de 15 V aplicados puede estar a la altura de jugar a la ruleta rusa. A diferencia de las tapas electrolíticas húmedas de Al que tienden a curarse por sí mismas cuando se perfora la capa de óxido, el tantalio tiende a no cicatrizar. Pequeñas cantidades de energía pueden provocar daños localizados y la eliminación de la ruta de conducción. Cuando el circuito que proporciona energía a la tapa es capaz de proporcionar energía sustancial, la tapa puede ofrecer un corto resistente de baja resistencia correspondiente y comienza una batalla. Esto puede provocar olor, humo, llamas, ruido y explosión. He visto que todo esto sucede secuencialmente en una sola falla. Primero hubo un mal olor desconcertante durante unos 30 segundos. Luego, un fuerte chillido, luego un chorro de llamas durante unos 5 segundos con un sonido gratificante y luego una explosión impresionante. No todas las fallas son tan sensorialmente satisfactorias. luego un chorro de llamas durante quizás 5 segundos con un sonido de aleteo gratificante y luego una explosión impresionante. No todas las fallas son tan sensorialmente satisfactorias. luego un chorro de llamas durante quizás 5 segundos con un sonido de aleteo gratificante y luego una explosión impresionante. No todas las fallas son tan sensorialmente satisfactorias.
Cuando no se pueda garantizar la ausencia total de picos de alta tensión de sobretensión, como sería el caso en muchos, si no en la mayoría de los circuitos de suministro de energía, el uso de tapas electrolíticas sólidas de tantalio sería una buena fuente de llamadas de servicio (o departamento). Según la referencia de Spehro, Kemet pudo haber eliminado los aspectos más interesantes de tales fallas. Todavía advierten contra sobretensiones mínimas.
Algunas fallas del mundo real:
Wikipedia - condensadores de tantalio
Kemet - notas de aplicación para condensadores de tantalio
AVX: reglas de reducción de voltaje para condensadores sólidos de tantalio y niobio
Durante muchos años, cada vez que las personas han pedido a los fabricantes de condensadores de tantalio recomendaciones generales sobre el uso de su producto, el consenso fue "se debe aplicar un mínimo de reducción de voltaje del 50%". Esta regla general se ha convertido desde entonces en la guía de diseño más frecuente para la tecnología de tantalio. Este documento revisa esta declaración y explica, dada la comprensión de la aplicación, por qué este no es necesariamente el caso.
Con la reciente introducción de las tecnologías de condensadores de niobio y óxido de niobio, la discusión sobre la reducción se ha extendido también a estas familias de condensadores.
Vishay - Preguntas frecuentes sobre condensadores de tantalio sólido
. ¿CUÁL ES LA DIFERENCIA ENTRE UN CAPACITOR TANTALUM FUSIBLE (VISHAY SPRAGUE 893D) Y ESTÁNDAR, NO FUSIBLE (VISHAY SPRAGUE 293D Y 593D)?
R. La serie 893D fue diseñada para operar en aplicaciones de alta corriente (> 10 A) y emplea un mecanismo de fusión "electrónico". ... El fusible 893D no se "abrirá" por debajo de 2 A porque el I2R está por debajo de la energía requerida para activar el fusible. Entre 2 y 3 A, el fusible se activará eventualmente, pero puede producirse una "carbonización" de condensador y placa de circuito. En resumen, los condensadores 893D son ideales para circuitos de alta corriente donde la "falla" del condensador puede causar fallas en el sistema.
Los condensadores tipo 893D evitarán que el condensador o la placa de circuito se "carbonicen" y, por lo general, evitarán cualquier interrupción del circuito que pueda estar asociada con la falla del condensador. Un condensador "en corto" a través de la fuente de alimentación puede causar transitorios de corriente y / o voltaje que pueden provocar el apagado del sistema. El tiempo de activación del fusible 893D es lo suficientemente rápido en la mayoría de los casos para eliminar el consumo excesivo de corriente o las oscilaciones de voltaje.
Guía de condensadores - condensadores de tantalio
Que gran astrophe
Estaba trabajando en un fabricante que estaba experimentando una falla inexplicable de condensador de tantalio. No era que los condensadores simplemente estuvieran fallando, sino que la falla fue catastrófica y estaba haciendo que los PCB (placas de circuito impreso) no se puedan fijar. Parecía no haber explicación. No encontramos problemas de aplicación incorrecta para este pequeño y dedicado microordenador PCB. Peor aún, el proveedor nos culpó.
Investigué en Internet sobre fallas de condensadores de tantalio y descubrí que los gránulos de los condensadores de tantalio contienen defectos menores que deben eliminarse durante la fabricación. En este proceso, el voltaje aumenta gradualmente a través de una resistencia al voltaje nominal más una banda de protección. La resistencia en serie evita que el descontrolado térmico descontrolado destruya el pellet. También aprendí que soldar PCB a altas temperaturas durante la fabricación causa tensiones que pueden causar microfracturas dentro del gránulo. Estas microfracturas pueden provocar fallas en aplicaciones de baja impedancia. Las microfracturas también reducen la clasificación de voltaje del dispositivo, de modo que el análisis de fallas indicará una falla de sobretensión clásica. ...
Relacionado:
AVX - aumento en condensadores de tantalio sólido
Modos de falla y mecanismos en condensadores de tantalio sólido - Sprague / IEEE abstract solamente. - ANTIGUO 1963.
AVX - MODOS DE FALLA DE LOS CAPACITORES DE TANTALO HECHOS POR DIFERENTES TECNOLOGÍAS - ¿Edad? - ¿alrededor de 2001?
Efecto de la humedad en las características de los condensadores de tantalio sólido de montaje en superficie - NASA con asistencia AVX - ¿alrededor de 2002?
Hearst - Cómo detectar componentes falsificados
A veces es fácil :-):
Añadido 1/2016:
Relacionado:
Pruebe la polaridad inversa para los condensadores de latas de metal húmedo de aluminio estándar.
Breve:
Para una polaridad correcta, el potencial de la lata es ~ = tierra. Para la polaridad inversa, el potencial puede ser un porcentaje significativo de voltaje aplicado.
Una prueba muy confiable en mi experiencia.
Más, alargar:
Para las tapas de Al húmedo estándar, descubrí hace mucho tiempo una prueba de inserción inversa que nunca he visto mencionada en otra parte, pero que probablemente sea lo suficientemente conocida. Esto funciona para las tapas que tienen la lata de metal accesible para la prueba; la mayoría tiene un lugar despejado conveniente en el centro superior debido a la forma en que se agrega la funda.
Encienda el circuito y mida los voltajes desde tierra a lata de cada tapa. Esta es una prueba muy rápida con un voltímetro: plomo con conexión a tierra y cremallera alrededor de las latas.
Las tapas de polaridad correcta tienen casi la tierra.
Las tapas de polaridad inversa tienen latas en alguna fracción del suministro, tal vez ~~~ = 50%.
Funciona de manera confiable en mi experiencia.
Por lo general, puede verificar utilizando marcas de latas, pero esto depende de que la orientación prevista sea conocida y clara. Si bien eso suele ser consistente en un buen diseño, esto nunca es seguro.
fuente
Con el advenimiento de condensadores cerámicos X5R y X7R (dieléctricos razonables) de bajo valor compacto (10uF y más, con clasificación de 6.3, 10, 16V, etc.) parece haber muchas menos razones para considerar los condensadores de tantalio.
Una de las diferencias es que las tapas de tantalio tienen un ESR que es del orden de ohmios. En algunos reguladores LDO, esa es una ventaja, ya que el LDO no oscilará como un alma en pena. En tales casos, preferiría usar un condensador de cerámica y una resistencia en serie.
En algunos circuitos analógicos sensibles, creo que puede haber una ventaja para los tantalios sobre las tapas de cerámica en microfonía reducida (en tapas de cerámica, debido a la actividad piezoeléctrica).
fuente
Una guía para usarlos: si la corriente a través del límite está estrictamente limitada en caso de falla, continúe.
¿Limitado a qué? Sugeriría 0.1A. Me sentiría cauteloso de usarlos para desacoplar un riel de suministro de 1A o superior, y no los usaría personalmente en un suministro de 10A. (He estado allí, visto los fuegos artificiales; las fotos de Russell no exageran). Tengo que decir que no tengo pruebas contundentes de una corriente verdaderamente "segura" y sería bienvenido comentar sobre estas cifras.
Pero muchos suministros o voltajes de polarización en circuitos analógicos tienen impedancias de fuente relativamente altas o corrientes estrictamente limitadas, y las usaría allí.
EDITAR basado en información nueva (¡para mí!) ...
Al menos un fabricante ofrece condensadores de óxido de niobio en un embalaje y rango de valores y voltajes muy similares. En lo que podría leerse como una admisión tácita de los problemas de tantalio descritos aquí, la hoja de datos contiene la declaración "Falló OxiCap® no se quemará hasta el voltaje de la categoría" y un pequeño y lindo logotipo ...
[Descargo de responsabilidad: no he utilizado estos condensadores ni he intentado verificar el reclamo.]
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Una breve nota sobre "por qué Tantalio en lugar de grandes MLCC":
Las MLCC con X5R y dieléctricos similares se caracterizan con un sesgo de 0V. Sin embargo, cuando se ejecuta, por ejemplo, al 100% de la tensión nominal, la capacidad diferencial efectiva puede ser solo el 10% de la capacidad nominal (!). Especialmente las tapas muy pequeñas con clasificación de alto voltaje muestran una disminución dramática en la capacidad cuando están sesgadas.
Ejemplo 1: 0402 MLCC, X5R, 10 µF, 6,3 V: quedan 3,5 µF a aproximadamente 3 V.
Ejemplo 2: 0402 MLCC, X5R, 2.2 µF, 25 V: 1.0 µF (!) A aproximadamente 3 V.
Esos datos se muestran bien en las hojas de datos en línea de TDK.
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why Tantalum instead of large MLCCs. Debe publicarse allí, no en una pregunta no relacionada.Algunas cosas adicionales de mi parte:
Sí, se puede afirmar que Tantalum Caps son seguras.
No solo se usan en el entorno "rudo" de los dispositivos portátiles de consumo (computadora portátil, teléfono inteligente; nunca escuché un incendio en un teléfono inteligente debido a las tapas) sino que también se utilizan en implantes médicos como marcapasos cardíacos, implantes cocleares o espinales estimuladores de cordón.
Con respecto a la confiabilidad, el voltaje de operación tiene el mayor impacto (mucho más que la temperatura). El factor de aceleración es
AF = exp {(V / VR-1) * 18.772} según el siguiente documento de la NASA: https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20110015254.pdf
Para los implantes médicos, la reducción propuesta por, por ejemplo, Vishay es del 40% (por lo que usaría una tapa de 16V para una clasificación de 10V o 10V para aplicaciones de 6V). Según la fórmula superior, el aumento en la vida útil es un factor de 1140.
Por favor siempre tenga en cuenta que no hay un sistema que no falle: la única pregunta es el momento del error acumulativo. Hice mi tesis de maestría en Infineon. Creo que puedo recordar que los MOSFET dentro de los sistemas automotrices críticos para la seguridad tenían una tasa de falla permitida de 10ppm dentro de las 10.000 horas cuando funcionaban a máx. condiciones (temperatura y voltaje)
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Puede haber aplicaciones con espacio limitado donde los tans son mejores, pero eso es todo. Evito los bronceados si puedo. Las partes comunes fallan al dejar salir el humo. No les gustan las altas sobretensiones de encendido, lo que las convierte en una mala elección para la mayoría de los filtros de fuentes de alimentación. Al menos use la parte de mayor voltaje que pueda. No les gusta la alta humedad que puede dañar la autocuración. Las cerámicas han mejorado y pueden reemplazarlas en muchas aplicaciones, al igual que los aluminios algunas veces.
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