Sind Tantalkondensatoren für den Einsatz in neuen Designs sicher?

Zusammenfassung:

„Bei richtiger Anwendung“ sind Tantal-Kondensatoren sehr zuverlässig.
Sie haben den Vorteil einer hohen Kapazität pro Volumen und guter Entkopplungseigenschaften aufgrund eines relativ niedrigen Innenwiderstands und einer geringen Induktivität im Vergleich zu herkömmlichen Alternativen wie Aluminium-Nasselektrolytkondensatoren.

Der „Fang“ liegt im Qualifier „bei richtiger Anwendung“.
Tantalkondensatoren haben einen Fehlermodus, der durch Spannungsspitzen ausgelöst werden kann, die nur „etwas mehr“ als ihr Nennwert sind. Bei Verwendung in Schaltungen, die dem Kondensator erhebliche Energie zuführen können, kann ein Versagen zu einem thermischen Durchgehen mit Flammen und Explosion des Kondensators und einem niederohmigen Kurzschließen der Kondensatoranschlüsse führen.

Um „sicher“ zu sein, müssen die Schaltungen, in denen sie verwendet werden, garantiert streng entworfen worden sein, und die Entwurfsannahmen müssen erfüllt sein. Dies „passiert nicht immer“.
Tantal-Kondensatoren sind in den Händen echter Experten oder in anspruchslosen Schaltungen „sicher genug“ und ihre Vorteile machen sie attraktiv. Alternativen wie Kondensatoren aus " festem Aluminium" haben ähnliche Vorteile und es fehlt ihnen der katastrophale Ausfallmodus.

Viele moderne Tantalkondensatoren verfügen über eingebaute Schutzmechanismen, die Sicherungen verschiedener Art implementieren, die den Kondensator bei einem Ausfall von seinen Anschlüssen trennen und in den meisten Fällen das Verkohlen von Leiterplatten begrenzen sollen. Wenn „wann“, „Grenzwert“ 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, dann sind Tantalkondensatoren möglicherweise eine gute Wahl für Sie .

Länger:

Feste Tantalkondensatoren sind potenzielle Katastrophen, die darauf warten, passiert zu werden.
Ein rigoroses Design und eine Implementierung, die garantiert, dass ihre Anforderungen erfüllt werden, können äußerst zuverlässige Designs produzieren. Wenn Ihre realen Situationen immer garantiert keine Ausnahmen außerhalb der Spezifikation haben, können Tantalkappen auch für Sie gut funktionieren.

Einige moderne Tantalkondensatoren haben Mechanismen zur Schadensminderung (im Gegensatz zur Vorbeugung) eingebaut. In einem Kommentar zu einer anderen Stack-Austauschfrage stellt Spehro fest:

• Das Datenblatt für die Polymer-Tantal-Kappen von Kemet sagt (auszugsweise): "Der KOCAP weist auch einen gutartigen Fehlermodus auf, der die Zündfehler eliminiert, die bei Standard-MnO2-Tantal-Typen auftreten können.".

Seltsamerweise kann ich in ihren anderen Datenblättern nichts über die Funktion "Zündungsfehler" finden.

Feste Tantal-Elektrolytkondensatoren haben traditionell einen Fehlermodus, der ihre Verwendung in Hochenergieschaltkreisen fragwürdig macht, die nicht streng darauf ausgelegt sein können oder wurden, jede Aussicht auszuschließen, dass die angelegte Spannung die Nennspannung um mehr als einen kleinen Prozentsatz überschreitet.

Tantalkappen werden typischerweise hergestellt, indem Tantalkörner 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 äußeren Oberfläche gebildet wird. Hier bekommt „dünn“ eine neue Bedeutung – die Schicht ist dick genug, um einen Durchbruch bei Nennspannung zu vermeiden – und dünn genug, dass sie von Spannungen durchschlagen wird, die die Nennspannung nicht wesentlich überschreiten. Für eine beispielsweise 10-V-Nennkappe kann der Betrieb mit beispielsweise angelegten 15-V-Spitzen mit dem Spielen von russischem Roulette gleichauf 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 lokalisierter Beschädigung und Entfernung des Leitungspfads führen. Wenn die Schaltung, die der Kappe Energie zuführt, in der Lage ist, beträchtliche Energie bereitzustellen, ist die Kappe in der Lage, einen entsprechend niedrigen Widerstandskurzschluss zu bieten, und ein Kampf beginnt. Dies kann zu Geruch, Rauch, Flammen, Lärm und Explosion führen. Ich habe gesehen, wie all dies nacheinander in einem einzigen Fehler passiert. Zuerst gab es vielleicht 30 Sekunden lang einen rätselhaften schlechten Geruch. Dann ein lautes Kreischen, dann vielleicht 5 Sekunden lang ein Flammenstrahl mit wohltuendem Wuschelgeräusch und dann eine beeindruckende Explosion. Nicht alle Misserfolge sind sensorisch so befriedigend. dann ein Flammenstrahl für vielleicht 5 Sekunden mit wohltuendem Rauschen und dann eine beeindruckende Explosion. Nicht alle Misserfolge sind sensorisch so befriedigend. dann ein Flammenstrahl für vielleicht 5 Sekunden mit wohltuendem Rauschen und dann eine beeindruckende Explosion. Nicht alle Misserfolge sind sensorisch so befriedigend.

Wo die vollständige Abwesenheit von Überspannungsspitzen mit hoher Energie nicht garantiert werden kann, was in vielen, wenn nicht den meisten Stromversorgungskreisen der Fall wäre, wäre die Verwendung von Tantal-Festelektrolytkappen eine gute Quelle für Service- (oder Feuerwehr-) Anrufe. Basierend auf Spehros Referenz hat Kemet möglicherweise die aufregenderen Aspekte solcher Fehler entfernt. Sie warnen noch vor minimalen Überspannungen.

Einige Fehler in der realen Welt:

Wikipedia - Tantalkondensatoren

• Die meisten Tantalkondensatoren sind polarisierte Geräte mit deutlich gekennzeichneten positiven und negativen Anschlüssen. Bei Verpolung (auch kurzzeitig) depolarisiert der Kondensator und die dielektrische Oxidschicht bricht zusammen, was auch bei späterem Betrieb mit korrekter Polarität zum Ausfall führen kann. Wenn der Fehler ein Kurzschluss ist (das häufigste Ereignis) 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 weg.

AVX - Spannungsminderungsregeln für feste Tantal- und Niobkondensatoren

• Seit vielen Jahren, wenn die Hersteller von Tantalkondensatoren nach allgemeinen Empfehlungen zur Verwendung ihres Produkts gefragt wurden, war der Konsens, dass „eine Spannungsreduzierung von mindestens 50 % angewendet werden sollte“. Diese Faustregel ist inzwischen die am weitesten verbreitete Konstruktionsrichtlinie für die Tantal-Technologie. Dieses Papier greift diese Aussage erneut auf und erklärt, wenn man die Anwendung versteht, warum dies nicht unbedingt der Fall ist.

Mit der kürzlichen Einführung von Niob- und Nioboxid-Kondensatortechnologien wurde die Diskussion der Leistungsminderung auch auf diese Kondensatorfamilien ausgeweitet.

Vishay – häufig gestellte Fragen zu festen Tantalkondensatoren

• . WAS IST DER UNTERSCHIED ZWISCHEN EINEM SICHERUNGS- (VISHAY SPRAGUE 893D) UND EINEM NICHT-SICHERUNGS-STANDARD-TANTALKONDENSATOR (VISHAY SPRAGUE 293D UND 593D)?

A. Die Serie 893D wurde für den Betrieb in Hochstromanwendungen (> 10 A) entwickelt und verwendet einen „elektronischen“ Sicherungsmechanismus. ... Die 893D-Sicherung „öffnet“ nicht unter 2 A, da der I2R unter der Energie liegt, die zum Aktivieren der Sicherung erforderlich ist. Zwischen 2 und 3 A wird die Sicherung schließlich aktiviert, aber ein gewisses „Verkohlen“ des Kondensators und der Leiterplatte kann auftreten. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass 893D-Kondensatoren ideal für Hochstromschaltungen sind, in denen ein „Ausfall“ des Kondensators zu einem Systemausfall führen kann.

Kondensatoren des Typs 893D verhindern ein „Verkohlen“ von Kondensatoren oder Leiterplatten und verhindern normalerweise eine Stromkreisunterbrechung, die mit einem Kondensatorausfall verbunden sein kann. Ein „kurzgeschlossener“ Kondensator über der Stromquelle kann Strom- und/oder Spannungstransienten verursachen, die eine Systemabschaltung auslösen können. Die Aktivierungszeit der 893D-Sicherung ist in den meisten Fällen ausreichend schnell, um übermäßige Stromentnahme oder Spannungsschwankungen zu eliminieren.

Kondensatorführer - Tantalkondensatoren

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

Was für eine Cap-Astrophe

• Ich arbeitete bei einem Hersteller, bei dem ein ungeklärter Ausfall des Tantalkondensators auftrat. Es war nicht so, dass die Kondensatoren einfach ausfielen, aber der Ausfall war katastrophal und machte PCBs (gedruckte Leiterplatten) unreparierbar. Es schien keine Erklärung zu geben. Wir haben keine Probleme mit falscher Anwendung für diese kleine, dedizierte Mikrocomputer-Leiterplatte gefunden. Schlimmer noch, der Lieferant gab uns die Schuld.

Ich habe einige Internetrecherchen zu Ausfällen von Tantalkondensatoren durchgeführt und festgestellt, dass die Pellets der Tantalkondensatoren geringfügige Mängel aufweisen, die während der Herstellung behoben werden müssen. Dabei wird die Spannung über einen Widerstand schrittweise auf die Nennspannung plus Schutzband erhöht. Der Vorwiderstand verhindert, dass unkontrolliertes thermisches Durchgehen das Pellet zerstört. Ich habe auch gelernt, dass das Löten von Leiterplatten bei hohen Temperaturen während der Herstellung Spannungen verursacht, die Mikrobrüche im Inneren des Pellets verursachen können. Diese Mikrofrakturen können wiederum bei niederohmigen Anwendungen zum Ausfall führen. Die Mikrobrüche reduzieren auch die Nennspannung des Geräts, sodass die Fehleranalyse einen klassischen Überspannungsfehler anzeigt. ...

Verwandt:

AVX - Stoß in festen Tantalkondensatoren

Ausfallarten und -mechanismen in festen Tantalkondensatoren – nur Sprague/IEEE-Abstract. - ALTER 1963.

AVX - AUSFALLMODI VON TANTALKONDENSATOREN, DIE DURCH UNTERSCHIEDLICHE TECHNOLOGIEN HERGESTELLT WERDEN - Alter? - ungefähr 2001?

Einfluss von Feuchtigkeit auf die Eigenschaften von Tantal-Festkondensatoren zur Oberflächenmontage – NASA mit AVX-Unterstützung – etwa 2002?

Hearst – So erkennen Sie gefälschte Komponenten

Manchmal ist es einfach :-) :

Hinzugefügt 1/2016:

Verwandt:

Test auf umgekehrte Polarität für Standard-Nass-Aluminium-Metallgehäuse-Kondensatoren.

Knapp:

Bei richtiger Polarität ist das Potential ~= Masse. Bei umgekehrter Polarität kann das Potential einen erheblichen Prozentsatz der angelegten Spannung ausmachen.
Meiner Erfahrung nach ein sehr zuverlässiger Test.

Länger:

Für normale nasse Al-Kappen habe ich vor langer Zeit einen Test für das umgekehrte Einsetzen entdeckt, der nirgendwo erwähnt wurde, aber wahrscheinlich hinlänglich bekannt ist. Dies funktioniert für Kappen, bei denen die Metalldose zum Testen zugänglich ist - die meisten haben aufgrund der Art und Weise, wie die Hülse hinzugefügt wird, einen bequemen klaren Punkt in der oberen Mitte.

Schalten Sie den Schaltkreis ein und messen Sie die Spannungen von Masse zu Dose jeder Kappe. Dies ist ein sehr schneller Test mit einem Voltmeter - - Leitung geerdet und um die Dosen ziehen.

• Kappen mit richtiger Polarität können fast auf Masse liegen.

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

Funktioniert meiner Erfahrung nach zuverlässig.

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

Mit dem Aufkommen kompakter, kostengünstiger, hochwertiger Keramikkondensatoren X5R und X7R (angemessene Dielektrika) (10 uF und mehr, Nennwerte 6,3, 10, 16 V usw.) scheint es viel weniger Gründe zu geben, Tantalkondensatoren in Betracht zu ziehen.

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

Bei einigen empfindlichen analogen Schaltungen denke ich, dass Tantal gegenüber Keramikkappen einen Vorteil bei reduzierter Mikrofonie haben kann (in Keramikkappen aufgrund der piezoelektrischen Aktivität).

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

Begrenzt auf was? Ich würde 0,1A vorschlagen. Ich würde mich davor hüten, sie zum Entkoppeln einer 1A- oder höheren Versorgungsschiene zu verwenden, und würde sie nicht persönlich für eine 10A-Versorgung verwenden. (Dort gewesen, das Feuerwerk gesehen; Russells Bilder übertreiben nicht.) Ich muss sagen, dass ich keine eindeutigen Beweise 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 Verpackungen und Werte- und Spannungsbereichen an. Was als stillschweigendes Eingeständnis der hier beschriebenen Probleme von Tantal gelesen werden könnte, enthält das Datenblatt die Aussage "Ausgefallenes OxiCap® brennt nicht bis zur Kategoriespannung" und ein niedliches kleines Logo ...

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

Eine kurze Anmerkung zu "warum Tantal statt großer MLCCs":

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

Beispiel 1: 0402 MLCC, X5R, 10 µF, 6,3 V: 3,5 µF verbleiben bei etwa 3 V.

Beispiel 2: 0402 MLCC, X5R, 2,2µF, 25V: 1,0µF (!) übrig bei ca. 3V.

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

Einige zusätzliche Dinge von meiner Seite:
Ja, es kann festgestellt werden, dass Tantalum Caps sicher sind.
Sie werden nicht nur in der „rauen“ Umgebung von tragbaren Consumer-Geräten (Notebook, Smartphone – ich habe noch nie von einem Brand in einem Smartphone wegen der Kappen gehört) verwendet, sondern auch in medizinischen Implantaten wie Herzschrittmachern, Cochlea-Implantaten oder Wirbelsäulenimplantaten Kabel-Stimulatoren.

Hinsichtlich der Zuverlässigkeit hat die Betriebsspannung den stärksten Einfluss (viel stärker als die Temperatur). Der Beschleunigungsfaktor ist
AF=exp{(V/VR-1)*18.772} gemäß folgendem NASA-Dokument: https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20110015254.pdf

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

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

Es mag platzbegrenzte Anwendungen geben, bei denen die Bräune besser ist, aber das ist auch schon alles. Ich vermeide Bräune, wenn ich kann. Gemeinsame Teile versagen, indem sie den Rauch herauslassen. Sie mögen keine hohen Einschaltstromstöße, was sie für die meisten Netzteilfilter zu einer schlechten Wahl macht. Verwenden Sie zumindest das Teil mit der höchsten Spannung, das Sie können. Sie mögen keine hohe Luftfeuchtigkeit, die der Selbstheilung schaden kann. Keramik ist besser geworden und kann sie in vielen Anwendungen ersetzen, manchmal auch Aluminium.