W elektrotechnice i radiotechnice nie można obejść się bez kondensatorów. Jeśli w pierwszym przypadku głównym wymaganiem jest niezawodność i trwałość, to w drugim przypadku szczególną uwagę zwraca się również na wymiary. Miniaturyzacja urządzeń radiowych i elektronicznych stała się możliwa dzięki wynalezieniu kondensatorów tantalowych i niobowych o wielkości zaledwie kilku milimetrów.
Zadowolony
- Tantal promował postęp
- Cechy konstrukcyjne urządzenia
- Zalety i wady
- Diagnostyka możliwych usterek
Tantal promował postęp
Od samego początku radioelektroniki prowadzono badania, które miały na celu zmniejszenie rozmiarów elementów konstrukcyjnych. Głównym kierunkiem w tej kwestii jest zwiększenie częstotliwości roboczej sygnału. Jeśli porównamy dwa transformatory mocy o częstotliwościach roboczych 50 i 400 Hz, to drugi jest około 8 razy mniejszy niż pierwszy.
Przestarzałe konstrukcje kondensatorów to zwinięte rolki cienkiej folii aluminiowej, które są umieszczane w elektrolicie. Osiągnięcie wysokiej wydajności było możliwe tylko dzięki zwiększeniu rozmiaru samego elementu. Kolejną wadą tej konstrukcji jest duża indukcyjność pasożytnicza podczas pracy przy częstotliwościach 100 kHz i wyższych.
Przełom w produkcji kondensatorów o dużej pojemności i niewielkich rozmiarach osiągnięto dzięki zastosowaniu tantalu. Ten metal ziem rzadkich jest droższy od złota, a jego produkcja jest dość trudna, ale wytworzenie jednego pierwiastka zajmuje niewiele – nie więcej niż kilka mikrogramów. Stopniowo kondensatory elektrolityczne tantalowe zastąpiły przestarzałe kondensatory na bazie folii aluminiowej, ponieważ ich produkcja uległa poprawie, a koszty stały się dość niskie.
I to nie jest ograniczenie postępu i ulepszeń w projektowaniu kondensatorów. Odbiornikami tantalu są kondensatory niobowe, które są identyczne w konstrukcji i technologii produkcji jak ich poprzednicy, ale przewyższają je wydajnością.
Cechy konstrukcyjne urządzenia
Właściwości fizykochemiczne tantalu i niobu umożliwiają stworzenie z nich anody o specjalnej porowatej strukturze. Takie konstrukcje mają kilkadziesiąt razy większą powierzchnię wewnętrzną niż zewnętrzna. A to umożliwia akumulację znacznego ładunku elektrycznego.
Dowolny nowoczesny kondensator elektrolityczny składa się z trzech elementów konstrukcyjnych:
- katoda i anoda;
- warstwa dielektryczna;
- jeden z rodzajów elektrolitu (alkaliczny, kwasowy, wodny, stały lub miękki).
Rolą dielektryka jest najcieńszy film tlenkowy. Uzyskuje się go metodą korozji elektrochemicznej poprzez przepuszczenie prądu elektrycznego przez anodę na etapie produkcji.
Elektrolit jest substancją stałą – dwutlenkiem manganu. Posiada niski współczynnik rozszerzalności liniowej, nie przecieka i nie wysycha jak płynne elektrolity. Wewnętrzna część katody jest wykonana ze srebra w celu zwiększenia przewodności.
Całe wypełnienie wewnętrzne wypełnione jest substancją plastyczną o właściwościach dielektrycznych - związkiem.
Zalety i wady
Zarówno kondensatory tantalowe, jak i niobowe mają swoje pozytywne i negatywne cechy. Ich główną zaletą są niewielkie rozmiary przy stosunkowo dużej pojemności. A wadą, która znacznie ogranicza zakres ich zastosowania, jest ich niska wytrzymałość elektryczna. Najmocniejsze próbki są w stanie pracować stabilnie i niezawodnie przy napięciach do 35 V.
Przyjęte standardowe oznaczenie kondensatorów tantalowych składa się ze wskazania styku dodatniego i wartości liczbowej. A kolor obudowy wskazuje napięcie robocze. Na przykład:
- kolor różowy - napięcie do 35 V;
- kolor biały - do 30 V;
- kolor szary - do 35 V;
- kolor niebieski - do 20 V;
- kolor zielony - do 16 V;
- kolor czarny - do 10 V;
- kolor żółty - do 6,3 V.
Stary system znakowania jest bardziej skomplikowany i niewygodny, więc zrezygnowano z niego. Składał się z trzech pasków i kropek w różnych kolorach. Kolor pasków odpowiadał wartości liczbowej, a kolor kropki wskazywał mnożnik, przez który pomnożono wartość liczbową. Taki system często wprowadzał w błąd techników radiowych i wymagał zwiększonej uwagi podczas pracy z kondensatorami, więc porzucili go i opracowali nowe oznaczenie.
Diagnostyka możliwych usterek
Najczęstszą wadą jest uszkodzenie warstwy dielektrycznej na anodzie. Jego grubość to zaledwie kilka tysięcy angstremów, czyli około 500 razy cieńsza niż ludzki włos.
Niewielki skok napięcia może prowadzić do awarii, w którym warstwa dielektryczna nabiera struktury krystalicznej i staje się przewodnikiem elektryczności. W tym przypadku kondensator staje się przewodnikiem, a rezystancja między anodą a katodą zbliża się do zera. Ciemnienie, a czasem karbonizacja ochronnej powłoki lakierniczej są często widoczne wizualnie na obudowie podczas awarii.
Utrata pojemności nominalnej jest trudniejsza do zdiagnozowania. W tym celu nie można zidentyfikować takiej awarii w domu wymagany specjalistyczny sprzęt diagnostyczny.
Koszt kondensatorów tantalowych i niobowych jest tak niski, że nie ma sensu przeprowadzać skomplikowanych prac pomiarowych. Podejrzany element jest po prostu zastępowany nowym lub znanym dobrym.
