خازن تانتالیوم چیست؟

امروزه خازن تانتالیوم، بطور گسترده ای در طراحی های الکترونیکی مورد استفاده قرار می گیرد. خازن های تانتالیوم از نوع خازن های با ظرفیت بالا هستند، از این رو این نوع از خازن ها به دلیل سایز و ظرفیت خازنی، بطور وسیعی در بسیاری از دستگاه های الکترونیکی مورد استفاده قرار می گیرد. خازن تانتالیوم مانند خازن الکترولیتی است، ولی استفاده از تانتالیوم در ساختمان خازن باعث شده است که ظرفیت خازنی بسیار بالایی را به ازای حجم معین داشته باشیم. استفاده ی گسترده از خازن های تانتالیوم معمولا در جایی است که به اندازه ی کوچک و ظرفیت خازنی بالایی نیاز باشد. به عنوان یک مزیت، خازن های تانتالیوم در حجم زیاد در صنعت استفاده می شوند.

انواع خازن تانتالیوم

در حالی که خازن تانتالیوم کاربرد وسیعی دارد، شاید کمتر کسی بداند که این خازن ها به طور کلی بر سه دسته هستند:

1. خازن تانتالیوم الکترولیتی ورقه ای (با فویل)

خازن تانتالیوم ورقه ای (فویلی) در حدود سال 1950 معرفی شد، که هدف از آن ایجاد یک فرم قابل اطمینان از خازن الکترولیتی بود، بدون آن که محدودیت های عمر مفید خازن های الکترولیتی آلومینیومی را داشته باشد. این نوع از خازن با استفاده از سیم ها و ورقه های تانتالیوم با خلوص بالا، ایجاد شده و توسعه یافتند. در ابتدا نوع ورقه ای ساده معرفی شد ولی به سرعت مدلهای etched نیز معرفی شدند.

خلوص مواد مورد استفاده، نقش عمده ای را در تعیین جریانهای نشتی این نوع از خازن دارد. این خازن ها ظرفیت بالاتری نسبت به همتایان الکترولیتی –آلومینیومی خود دارند. آنها معمولا می توانند در دماهای بالاتر از 120 درجه ی سانتی گراد کار کنند. بنابراین اغلب در تجهیزاتی که در شرایط دشوار کار می کند مورد استفاده قرار می گیرند.

2. خازن تانتالیوم با آند متخلخل و الکترولیت مایع

این نوع از خازن تانتالیوم معمولا به عنوان خازن تانتالیوم مرطوب شناخته می شود و اولین فرمی بود که معرفی شد، که هنوز هم بهترین از نظر سایز است. (بهترین فاکتور فضایی را دارد). انواع الکترولیت ها می توانند در این نوع از خازن تانتالیوم مورد استفاده قرار گیرند. نوع خاصی که در آن از اسید سولفوریک به عنوان الکترولیت استفاده می شود، ویژگیهای الکتریکی بسیار عالی دارد و حداکثر ولتاژ عملکردی که می تواند تحمل کند، به طور ماکزیمم 70 ولت می باشد.

اساسا این نوع از خازن شامل یک آند متخلخل از جنس تانتالیوم است که در نقره یا یک محفظه ی نقره اندود قرار گرفته است. آند متخلخل بوسیله ی فشرده شدن تانتالیوم با خلوص بالا در یک محفظه ی استوانه ای و سپس حرارت دیدن در خلآ با دمای حدود 2000 درجه ی سانتیگراد، ساخته می شود. خازن های تانتالیوم مرطوب بسیار گرانتر از انواع جدیدتر دیگر است و به همین دلیل زیاد مورد استفاده قرار نمی گیرد.

3. خازن های تانتالیوم با آند متخلخل و الکترولیت جامد

این نوع از خازن های تانتالیوم به عنوان تانتالیوم جامد نیز شناخته می شوند، و نوعی است که بسیار مورد استفاده قرار می گیرد. میلیونها قطعه از آن روزانه مصرف می شوند و در بسیار از قطعات مصرف کندگان و تجهیزات الکترونیک تجاری یافت می شوند. این خازن توسط لابراتوار تلفن BELL با استفاده از یک آند متخلخل و جایگزین کردن الکترولیت مایع با یک نیمه هادی جامد، توسعه داده شد.

این مسئله بر مشکل نیاز به تهویه که در مورد همه ی فرمهای خازنهای الکترولیتی مشترک است، غلبه کرد. این خازن ها نسبت به خازنهای الکترولیتی در بسیاری از موارد از جمله نمایش ویژگیهای دمایی و فرکانسی ، برتر هستند. همچنین آنها نسبت به همتایان الکترولیتی-آلومینیومی خود، کوچکتر هستند. اما آنها نمی توانند سطوح بالای اسپایک های جریان و ولتاژ را تحمل کنند (سیگنالهای ضربه ای جریان و ولتاژ)، همچنین آنها با پلاریته ی معکوس فورا خراب می شوند (معمولا به سرعت منفجر می شوند)

خازن های تانتالیوم پایه دار

متداول ترین نوع خازن های تانتالیوم پایه دار،در مصارف روزمره، خازنهای تانتالیوم جامد هستند. آنها بطور ویژه دارای سایزهای کوچک هستند وبه همین دلیل بطور گسترده در بسیاری از مصارف الکترونیکی کاربرد دارند. خازن های تانتالیوم پایه دار (نوع تانتالیوم جامد) عموما کوچک هستند و جهت جلوگیری از خراب شدن در رزین اپوکسی محصور شده اند. علامت گذاری خازن می تواند مستقیما روی بسته بندی آن نوشته شود مانند شکل، اگر چه بسیاری از سیستم کدگذاری رنگ استفاده می کنند.

هشدار: با توجه به طبیعت این خازن ها، مراقبت و نگهداری شدیدی به عمل آید تا این خازنها تحت فشار و یا مورد اصابت ضربه قرار نگیرند، پلاریته ی آن معکوس نشود، و همچنین در معرض اضافه ولتاژ قرار نگیرند (حتی بصورت لحظه ای یا بصورت سیگنال ضربه). اگر تحت چنین شرایطی باشند ممکن است خراب شده و یا حتی گاهی منفجر شوند.

خازن های تانتالیوم SMD

خازن تانتالیوم سرامیکی بطور وسیعی مورد استفاده قرار میگیرد تا بتوانیم ظرفیت های خازنی بالاتر از آنچه در خازنهای سرامیکی قابل دسترسی است،تامین کنیم. تکنولوژی مورد استفاده در خازن های تانتالیوم SMD ، تکنولوژی خازن تانتالیوم جامد است، که باعث می شود خازنهایی مقاوم و با سایزهای بسیار کوچک ساخته شوند. طی سال های طولانی، خازن های تانتالیوم در کاربردهای SMD مورد استفاده بوده اند، زیرا خازن های الکترولیتی قادر نیستند دماهای بالایی را که در پروسه های لحیم کاری وجود دارد، تحمل کنند.

اکنون تکنولوژی خازن الکترولیت بر مبنای پروسه های لحیم کاری توسعه یافته است، و این خازنها نیز بطور وسیعی ، امروزه مورد استفاده قرار می گیرند. با وجود این مسئله، سایر مزیت های خازن های تانتالیوم در مدارها مورد استفاده قرار می گیرد، و آنها با مقادیر بالا استفاده می شوند. خازن های تانتالیوم SMD دارای ساختمان و نیازمندیهای مختلف است، که در جدول زیر تعدادی پکیج وجود دارد که برای آنها مورد استفاده قرار می گیرد، که با مشخصات EIA مطابقت می کند.

مزیت ها و معایب

مزایا

خازن‌های تانتالیوم مزیتهای بسیاری نسبت به سایر خازنها دارند. این بدین معناست که استفاده از آنها در طی سال های اخیر به طرز چشمگیری افزایش یافته و امروزه در بسیاری از تجهیزات مختلف الکترونیکی مورد استفاده قرار می گیرد. در ادامه مزیت های خازن های تانتالیوم بصورت خلاصه بیان می شود:

راندمان حجمی

خازن‌های تانتالیوم دارای راندمان حجمی بسیار بالایی نسبت به سایر انواع دیگر هستند. بطور خلاصه آنها نسبت به خازنهای الکترولیتی که رقیبان اصلی آنها هستند، بهتر می باشند.

ویژگیهای فرکانسی مناسب

پاسخ فرکانسی خازن‌های تانتالیوم نسبت به خازنهای الکترولیتی بسیار بهتر است. این بداین معنی است که این خازن ها در کاربردهایی که خازن های الکترولیتی را نمی توان به کار برد، می توانند مورد استفاده قرار گیرند.

قابلیت اطمینان بالا

خازن‌های تانتالیوم نسبت به انواع دیگر خازنها دارای قابلیت اطمینان بالاتری هستند. در صورتی که آنها در رنج مناسب مورد استفاده قرار گیرند، دارای عمر ناحدود هستند. بر خلاف خازن های الکترولیتی استفاده از این خازنها محدود به زمان نیست.

محدوده وسیع عملکرد حرارتی

این خازن قادر هستند در محدوده ی وسیعی از نظر دمایی کار کنند. به طور مشخص اغلب در محدوده ی دمایی 55- درجه تا 125+ درجه ی سانتیگراد مورد استفاده قرار می گیرند. این مسئله باعث می شود که این خازنها انتخاب مناسبی جهت استفاده در تجهیزاتی باشند که در شرایط آب و هوایی سخت و ناملایم، کار میکند.

سازگاری با روش های نوین تولید

در تکنیک های جدید تولید، در طی فرآیند لحیم کاری کلیه ی قطعات در معرض حرارت بالایی قرار می گیرند، به این صورت که بصورت کلی توسط اشعه ی مادون قرمز حرارت داده می شوند. هنگام استفاده از قطعات پایه دار، تنها سطح برد حرارت داده میشود و حرارت منتقل شده توسط پایه ها، معمولا برای خراب کردن قطعه کافی نیست. خازن‌های تانتالیوم قادر هستند که دماهای موجود در تولید محصولات SMT را تحمل کنند و از این رو جهت استفاده در بسیاری از طراحی های الکترونیکی ایده آل هستند.

معایب

دارای تعدادی معایب نیز هستند که هنگام طراحی باید در نظر گرفته شوند.

نرخ پایین نوسان جریان

به شدت غافلگیر کننده است که در مقایسه با ابعاد آنها، خازنهای تانتالیوم نرخ جریان بالایی ندارند. بنابراین در حالت عادی نباید در کاربردهایی مورد استفاده قرار گیرد که هر میزانی از جریان از آن عبور کند.

عدم تحمل ولتاژ اضافی یا معکوس

خازن‌های تانتالیوم ولتاژ اضافه یا معکوس را نمیتوانند تحمل کنند. حتی یک سیگنال اسپایک (لحظه ای) میتواند منجر به خرابی آنها شود. در صورتی که در معرض ولتاژ اضافه یا معکوس قرار گیرد، حتی ممکن است که منفجر شوند.

گران تر بودن نسبت به سایر خازن ها

خازن‌های تانتالیوم نسبت به سایر انواع خازن ها گرانتر هستند. بنابراین باید هزینه ی آنها در فاز طراحی در نظر گرفته شود، در حالی که ممکن است سایر مزیت های آنها بر گران بودنشان ارزش داشته باشد.