Niob kondensator - Niobium capacitor

SMD-chipstil av niob-elektrolytkondensatorer

En niob elektrolytisk kondensator är en polariserad kondensator vars anod elektrod (+) är gjord av passiverat niob metall eller niob kolmonoxid , på vilken ett isolerande niobpentoxid skiktet fungerar som dielektrikum av niob kondensator. En fast elektrolyt på ytan av oxidskiktet tjänar som kondensatorns andra elektrod ( katod ) (-).

Niob-elektrolytkondensatorer är passiva elektroniska komponenter och familjemedlemmar av elektrolytkondensatorer .

Niobium-kondensatorer finns som SMD- chipkondensatorer och konkurrerar med tantalchipkondensatorer i vissa spännings- och kapacitansvärden. De finns med en fast mangandioxidelektrolyt . Niob kondensatorer är polariserade komponenter genom att tillverka princip och kan endast användas med DC spänning i korrekt polaritet. Omvänd spänning eller krusningsström högre än specificerat kan förstöra dielektrikummet och därmed kondensatorn. Förstörelsen av dielektrikumet kan få betydande negativa konsekvenser. Tillverkare anger särskilda kretsdesignregler för säker drift av niobkondensatorer.

Niobkondensatorer utvecklades i USA såväl som i Sovjetunionen på 1960-talet. Sedan 2002 har de varit kommersiellt tillgängliga i väst för att dra nytta av lägre kostnad och bättre tillgänglighet av niob jämfört med tantal.

Grundläggande information

Niobium 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 producera niob-dielektriska kondensatorer är i huvudsak desamma som för befintliga tantal-dielektriska kondensatorer. Emellertid är niob som råvara mycket rikligare i naturen än tantal och är billigare. Egenskaperna hos niob-elektrolytkondensatorer och tantal-elektrolytkondensatorer är ungefär jämförbara.

Niob elektrolytkondensatorer kan göras med hög renhet niob som anod, men diffusionen av syre från den dielektriska (Nb ₂ O ₅ ) in i niob anodmetallen är mycket hög, vilket resulterar i läckström instabilitet eller till och med kondensator misslyckanden. Det finns två möjliga sätt att minska syrediffusionen och förbättra läckströmens stabilitet - antingen genom att dopa metalliska niobpulver med nitrid i 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 anodisk oxidation ( anodisering , formning) för att generera det isolerande dielektriska skiktet. Således marknadsförs två typer av niob-elektrolytkondensatorer, de som använder en passiverad niob-anod och de som använder en nioboxid-anod. Båda typerna använder niobpentoxid (Nb ₂ O ₅ ) i form av det dielektriska skiktet.

Grundprincip för anodisk oxidation

Grundprincip för den anodiska oxidationen, där, genom att applicera en spänning med en strömkälla, bildas ett oxidskikt på en metallanod

Niob är en så kallad ventilmetall som tantal och aluminium, på vilken ett elektriskt isolerande oxidskikt bildas av anodoxidation, om en positiv spänning appliceras. Applicering av en positiv spänning till anoden materialet i en elektrolytisk bad bildar en oxid barriärskikt med en tjocklek som motsvarar den pålagda spänningen . Detta oxidskikt fungerar som dielektrikum i en elektrolytkondensator .

För niob var detta beteende känt sedan början av 1900-talet. Niob är rikligare i naturen än tantal och är billigare men den höga smältpunkten på 2744 ° C hindrade utvecklingen av niob-elektrolytkondensatorer.

På 1960-talet ledde den bättre tillgängligheten av niobmalm jämfört med tantalmalm till forskning om niob-elektrolytkondensatorer i fd Sovjetunionen. Här tog de platsen som fylldes av tantalkondensatorer i väst. Med järnridåns kollaps har denna kunskap publicerats i väst. I slutet av 1990-talet vaknade intresset för denna teknik hos de stora kondensatortillverkarna. Materialen och processerna som används för att producera niobkondensatorer är i huvudsak desamma som för tantalkondensatorer. En prisökning för tantal 2000/2001 uppmuntrade dock utvecklingen av niobelektrolytkondensatorer med mangandioxidelektrolyt, liksom polymerelektrolyt som har funnits sedan 2002.

Ett dielektriskt material placeras mellan två ledande plattor (elektroder), vardera av området A och med en separering av d .

Varje elektrolytkondensator bildar i princip en "plattkondensator" vars kapacitans ökar med elektrodområdet (A) och permittiviteten (ε) och minskar med dielektrikets tjocklek (d).

${\ displaystyle C = \ varepsilon \ cdot {\ frac {A} {d}}}$

Den dielektriska tjockleken på niob-elektrolytkondensatorer är mycket tunn, i intervallet nano-meter per volt. Med detta mycket tunna dielektriska oxidskikt i kombination med en tillräckligt hög dielektrisk hållfasthet kan niob-elektrolytkondensatorerna uppnå en hög volymkapacitet som är jämförbar med tantalkondensatorer. Detta är en anledning till de höga kapacitansvärdena för elektrolytkondensatorer jämfört med andra konventionella kondensatorer.

Niobiumanodmaterialet tillverkas av ett pulver sintrat till en pellet med en grov ytstruktur avsedd att öka elektrodytan A jämfört med en slät yta med samma område eller samma volym. Det ökar det senare kapacitansvärdet, beroende på märkspänningen, med faktorn upp till 200 för solida niob-elektrolytkondensatorer. Den stora ytan jämfört med en jämn är den andra anledningen till de relativt höga kapacitansvärdena för niob-elektrolytkondensatorer.

En speciell fördel ges för alla elektrolytkondensatorer. Eftersom formningsspänningen definierar oxidskiktets tjocklek kan spänningssäkerheten för den senare elektrolytkondensatorn produceras mycket enkelt för det önskade nominella värdet. Det gör elektrolytkondensatorer lämpliga för användning ner till 2 V-applikationer där andra kondensatortekniker måste hålla sig mycket högre.

Egenskaperna för detta dielektriska skikt av niobpentoxid jämfört med tantalpentoxidskiktet ges i följande tabell:

Den högre permittiviteten men lägre nedbrytningsspänning för niobpentoxid i niobkondensatorer resulterar i kondensatorer av samma storlek som de som använder tantalpentoxid i tantalkondensatorer.

Grundläggande konstruktion av fasta niob elektrolytkondensatorer

• Konstruktion av en solid niobchipkondensator
• 

  Kondensatorcellen i en niob-elektrolytkondensator består av sintrat niob eller niobmonoxidpulver

• 

  Schematisk framställning av strukturen hos en sintrad niob-elektrolytkondensator med fast elektrolyt och katodkontaktande skikt

• 

  Konstruktion av en typisk SMD niob elektrolytisk kondensator med fast elektrolyt

En typisk niob kondensator är en chipkondensator och består av niob eller nioboxid pulver pressas och sintras till en pellet som anod hos kondensatorn, med oxidskiktet av [[niobpentoxid]] som dielektrikum , och en fast mangandioxid elektrolyt som den katoden .

Jämförelse av niob- och tantalelektrolytkondensatortyper

Kombinationen av anodmaterial för elektrolytkondensatorer av niob och tantal och de använda elektrolyterna har bildat ett stort antal kondensatortyper med olika egenskaper. En översikt över de viktigaste egenskaperna hos de olika typerna visas i tabellen nedan.

Elektrolytkondensatorer av tantal och niob med fast elektrolyt som ytmonterbara chipkondensatorer används huvudsakligen i elektroniska enheter där det finns lite utrymme eller en låg profil krävs. De arbetar pålitligt över ett brett temperaturområde utan stora parameteravvikelser.

Jämförelse av elektriska parametrar för typer av kondensatorer av niob och tantal

För att jämföra de olika egenskaperna hos de olika elektrolytiska chipkondensatortyperna jämförs exemplar med samma dimensioner och jämförbar kapacitans och spänning i följande tabell. I en sådan jämförelse är värdena för ESR och krusningsströmbelastning de viktigaste parametrarna för användning av elektrolytkondensatorer i modern elektronisk utrustning. Ju lägre ESR desto högre krusningsström per volym, desto bättre är kondensatorns funktion i kretsen.

(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, som blockerar en elektrisk ström i en riktning men låter det flyta i den andra riktningen, upptäcktes 1875 av den franska 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 elektrolytkondensatorerna med tantalfolier och icke-fast elektrolyt utvecklades 1930 av Tansitor Electronics Inc., USA, och användes för militära ändamål.

Utvecklingen av fasta elektrolyt-tantalkondensatorer började i början av 1950-talet som en miniatyriserad, mer tillförlitlig stödkondensator med låg spänning för att komplettera den nyligen uppfunna transistorn . Lösningen som hittades av RL Taylor och HE Haring från Bell Labs baserades 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-solid elektrolyt som inte överensstämde med begreppet solid state-elektronik. 1952 ledde en riktad sökning i Bell Labs för en fast elektrolyt av DA McLean och FS Power till uppfinningen av mangandioxid som en fast elektrolyt för en sintrad tantalkondensator.

Elektriska egenskaper

Seriekvivalent krets

Seriekvivalent kretsmodell för en tantalkondensator

Niob-elektrolytkondensatorer som diskreta komponenter är inte ideala kondensatorer, de har förluster och parasitiska 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 , motståndet som representerar kondensatorns läckström
• R _ESR , motsvarande seriemotstånd som sammanfattar alla ohmiska förluster hos kondensatorn, vanligtvis förkortad som "ESR"
• L _ESL , motsvarande serieinduktans, som är kondensatorns effektiva självinduktans, vanligtvis förkortad som "ESL".

Användning av en serieekvivalent krets istället för en parallellekvivalent krets specificeras av IEC / EN 60384-1.

Kapacitansstandardvärden och toleranser

De elektriska egenskaperna hos niob-elektrolytkondensatorer beror på anodens struktur och typen av elektrolyt. Kondensatorns kapacitansvärde beror på mätfrekvens och temperatur. Märk kapacitansvärdet eller nominellt värde anges i datablad för de tillverkare och symboliseras C _R C _N . Det standardiserade mätförhållandet för elektrolytkondensatorer är en AC-mätmetod med frekvensen 100/120 Hz. AC-mätningsspänningen får inte överstiga 0,5 V AC- RMS .

Den procentuella tillåtna avvikelsen för den uppmätta kapacitansen från det nominella värdet kallas kapacitans tolerans. 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"

Märkspänning och kategorispänning

Förhållandet mellan märkes- och kategorispänning och nominell temperatur och kategoritemperatur

Med hänvisning till standarden IEC / EN 60384-1 kallas den tillåtna driftspänningen för niobkondensatorer "märkspänning U _R " eller "nominell spänning U _N ". Märkspänningen U _R är den maximala likspänningen eller topppulsspänning som kan anbringas kontinuerligt vid varje temperatur inom det nominella temperaturintervallet T _R (IEC / EN 60.384-1).

Spänningssäker på 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 bibehåller säkerhetsmarginaler. För vissa kondensatortyper därför IEC standard specificerar en "temperatur reducerats spännings" för en högre temperatur, den "kategori spänningen U _C ". Kategorin spänningen är den maximala likspänningen eller topppulsspänning som kan appliceras kontinuerligt till en kondensator vid någon temperatur inom kategorin temperaturområdet T _C . Förhållandet mellan både spänningar och temperaturer ges i bilden till höger (eller högre, på mobila enheter).

Lägre spänning som appliceras kan ha positiv påverkan för tantal (och niob) elektrolytkondensatorer. Att sänka den applicerade spänningen ökar tillförlitligheten och minskar den förväntade felfrekvensen.

Att använda en högre spänning än specificerat kan förstöra elektrolytkondensatorer.

Överspänning

Överspänningen anger det maximala toppspänningsvärdet som kan appliceras på elektrolytkondensatorer under deras användning under ett begränsat antal cykler. Överspänningen är standardiserad i IEC / EN 60384-1. För niob-elektrolytkondensatorer ska överspänningen inte vara högre än 1,3 gånger av märkspänningen, avrundad till närmaste volt. Överspänningen som appliceras på niobkondensatorer kan påverka kondensatorns felfrekvens.

Omvänd spänning

Liksom andra elektrolytkondensatorer är niob-elektrolytkondensatorer polariserade och kräver att anodelektrodspänningen är positiv i förhållande till katodspänningen.

Impedans, ESR och avledningsfaktor, krusningsström, läckström

Allmän information till impedans, ESR, dissipationsfaktor tan δ, krusningsström och läckström se elektrolytkondensator

Pålitlighet och livstid

För allmän information om tillförlitlighet och felfrekvens se elektrolytkondensator .

Elektrolytkondensatorernas livstid , livslängd , livslängd eller livslängd är en speciell egenskap hos icke-fasta elektrolytkondensatorer, särskilt icke-solida elektrolytkondensatorer i aluminium. Deras flytande elektrolyt kan avdunsta över tiden, vilket kan leda till slitage. Fasta niobkondensatorer med mangandioxidelektrolyt har ingen slitningsmekanism, så den konstanta felfrekvensen varar upp till den punkt när alla kondensatorer har misslyckats. De har inte en livstidsspecifikation som elektrolytkondensatorer utan fast aluminium.

Emellertid har fasta polymer-niob-elektrolytkondensatorer en livstidsspecifikation. Elektrolyten försämras genom en termisk nedbrytningsmekanism hos den ledande polymeren. Den elektriska konduktiviteten minskar, som en funktion av tiden, i överensstämmelse med en granulär struktur, i vilken åldring beror på krympning av de ledande polymerkornen. Livslängden för polymerelektrolytkondensatorer specificeras i liknande termer som icke-fasta e-kapslar men dess livstidberäkning följer andra regler som leder till mycket längre livslängd.

Fellägen, mekanism för självläkning och tillämpningsregler

De olika typerna av elektrolytkondensatorer visar olika beteenden i långvarig stabilitet, inneboende fellägen och deras självläkande mekanismer. Applikationsregler för typer med ett inneboende felläge specificeras för att säkerställa kondensatorer med hög tillförlitlighet och lång livslängd.

Självläkning i fasta niobkondensatorer med mangandioxidelektrolyt

Ett sällsynt fel i fasta elektrolytkondensatorer är nedbrytning av dielektriket orsakat av fel eller orenheter. I niob-elektrolytkondensatorer är dielektrikumet niobpentoxid (Nb ₂ O ₅ ). Förutom detta pentoxid finns det ytterligare en niob suboxid, niob dioxid (NbO ₂ ). Den NbO ₂ är ett halvledande material med en högre ledningsförmåga än Nb ₂ O ₅ men mycket lägre än en kort. I händelse av fel eller orenheter i det dielektriska som framkallar en partiell dielektrisk nedbrytning den ledande kanalen skulle effektivt isoleras genom reduktion av Nb ₂ O ₅ i hög ohmsk NbO ₂ om energi är begränsad.

Eftersom mer energi tillförs till en felaktig fast niob småningom antingen det höga ohmska NbO ₂ kanal eller Nb ₂ O ₅ dielektriska bryter ner och kondensatorn uppvisar en termisk rusning misslyckande. I jämförelse med fasta tantalkondensatorer kommer den termiska bortgången av niobanoder att inträffa med ungefär tre gånger högre effekt än för tantalanoder. Detta ger en signifikant minskning (95%) av antändningsfelläget jämfört med fasta tantalkondensatorer.

Det dielektriska skiktet Nb ₂ O ₅ av fast niob elektrolytkondensatorer har en lägre genombrottsspänning bevis än Ta ₂ O ₅ i tantal kondensatorer och därför växer tjockare per tillämpad volt och så arbetar vid lägre fältstyrka för en given märkspänning med den lägre elektriska påkänningen dielektriket. I kombination med nioboxidanoder, som är mer stabila mot syrediffusion som resulterar i lägre spänningsreduceringsregler jämfört med passiverade niob- eller tantalanoder.

Ytterligare information

Kondensatorsymboler

Elektrolytkondensatorsymboler

Elektrolytkondensator	Elektrolytkondensator	Elektrolytkondensator

Polaritetsmärkning

Niob-elektrolytiska chipkondensatorer är markerade med en stapel på den positiva komponentsidan

Niobkondensatorer är i allmänhet polariserade komponenter med tydligt markerade positiva terminaler. När den utsätts för omvänd polaritet (även kort) avpolariseras kondensatorn och det dielektriska oxidskiktet bryts ner, vilket kan få det att misslyckas även när det senare drivs med korrekt polaritet. Om felet är en kortslutning (den vanligaste händelsen) och strömmen inte är begränsad till ett säkert värde kan katastrofal termisk utsläpp inträffa.

Standardisering

Standardiseringen för alla elektriska , elektroniska komponenter och relaterad teknik följer reglerna från International Electrotechnical Commission (IEC), en ideell , icke-statlig internationell standardorganisation . Definitionen av egenskaperna och proceduren för testmetoderna för kondensatorer för användning i elektronisk utrustning anges i den generiska specifikationen:

• IEC 60384-1, Fasta kondensatorer för användning i elektronisk utrustning - Del 1: Generisk specifikation

Hittills (2014) finns ingen IEC-detaljerad specifikation för niob-elektrolytkondensatorer.

För elektroniktillverkare i USA publicerar MKB en standard för kondensatorer av niob och tantal:

• EIA-717-A Ytmontering Niobium och Tantal kondensatorkvalifikationsspecifikation

Funktioner

• Niobiumkondensatorer fungerar som en ersättning för tantalkondensatorer
• Niobium-kondensatorer finns i SMD-stil, vilket gör dem lämpliga för alla bärbara elektroniska system med platt design
• Niobiumkondensatorer har ingen begränsning av startströmmen
• Niobkondensatorer finns med solid elektrolyt för låga ESR-applikationer och stabila elektriska parametrar
• Niobium-kondensatorer har ett begränsat antal tillverkare (AVX och Vishay)

Se även

• Typer av kondensator

Bibliografi

• RP Deshpande, Kondensatorer: Teknik och trender, ISBN  1259007316 [8]
• D. Bach, Avhandling, 05.06.2009, Universität Karlsruhe (TH), EELS undersökningar av stökiometriska nioboxider och niobbaserade kondensatorer [9]
• Ch. Schnitter: Tämningen av niob. I: Bayer research, Bayer AG, 2004 (Version vom 11. februari 2007 im Internet Archive ), [10]
• Niobpulver för elektrolytkondensator, JFE TEKNISK RAPPORT nr 6 (oktober 2005) PDF
• Introduktion till kondensatorer [11]

Referenser