El catálogo de TME contiene más de 1.300 condensadores de tantalio y de tantalio/polímero diferentes de la marca KYOCERA AVX, incluidos 434 condensadores de tantalio/polímero diferentes para montaje en superficie (SMD) y 874 condensadores de tantalio (150 componentes THT y 724 componentes SMD). Su voltaje de funcionamiento oscila entre 2 V DC y 125 V DC, y la capacidad oscila entre 0,1 µF y 1500 µF.

Gracias a sus características únicas, los condensadores de tantalio se utilizan en muchas aplicaciones diferentes y, en algunos casos, pueden servir como reemplazo de los condensadores electrolíticos de aluminio o MLCC. En el siguiente artículo describiremos los principios de su diseño, así como su construcción, ventajas y desventajas, e indicaremos los criterios que se deben seguir a la hora de elegir condensadores.

• Diseño, construcción y producción de condensadores
• Condensadores de montaje superficial (SMD) – dimensiones y especificaciones
• Condensadores de montaje pasante (THT) – dimensiones y especificaciones
• Ventajas y desventajas

Diseño y construcción de condensadores de tantalio
La producción de condensadores es un proceso complejo en el que los parámetros de cada etapa deben seleccionarse y configurarse con perfecta precisión. En este artículo, presentamos una descripción de dicho proceso basado en las especificaciones Kyocera-AVX.

Ánodo
El diseño de los condensadores de tantalio se basa en el tantalio, que parece una esponja. Contiene un ánodo, un cátodo y un dieléctrico. El proceso de producción de este tipo de condensadores comienza comprimiendo polvo de tantalio alrededor de un alambre del mismo material y luego sinterizándolo a alta temperatura para crear un ánodo. El efecto de la alta temperatura hace que las partículas de polvo se combinen (y creen la estructura que se describe aquí), pero para obtener un conjunto específico de parámetros, se deben determinar con precisión la temperatura y el tiempo de sinterización adecuados. Un tiempo de sinterización demasiado largo o una temperatura demasiado alta reducen la capacitancia del condensador, mientras que un tiempo de sinterización demasiado corto o una temperatura demasiado baja la aumentan. En la práctica, esto significa que los parámetros del condensador (capacidad y tensión de funcionamiento) ya se determinan en la etapa de selección del polvo. También hay que recordar que muchas etapas del proceso de producción están influenciadas por factores como el tamaño (del orden de varios micrómetros) y la forma de las partículas de polvo.

La capacidad de los condensadores de tantalio está determinada por la siguiente fórmula:

ε – permitividad dieléctrica
ε0 – permeabilidad al vacío
A – superficie dieléctrica
d – espesor de la capa dieléctrica

Dieléctrico
El dieléctrico es el "corazón" de todo condensador porque "atrapa" energía en su campo eléctrico. El óxido de tantalio (Ta2O5) se utiliza como dieléctrico en los condensadores de tantalio. Como mencionamos anteriormente, a la etapa de sinterización le sigue la formación de la capa dieléctrica. El tantalio es un conductor, por lo que no puede utilizarse como dieléctrico. Por lo tanto, los componentes se someten a un proceso de anodizado, es decir, se sumergen en una solución ácida calentada a 85°C y se someten a una corriente eléctrica, lo que provoca una reacción química que crea pentóxido de tantalio (Ta2O5) en la superficie del ánodo. El espesor de la capa dieléctrica depende del voltaje, por lo que la corriente se mantiene inicialmente constante hasta alcanzar el voltaje seleccionado. Luego, esta tensión se mantiene a este nivel hasta que se obtiene una capa dieléctrica de espesor uniforme en toda la superficie del componente. Los condensadores de tantalio se polarizan debido a las reacciones que ocurren durante la formación de la capa dieléctrica, ya que entre el óxido de tantalio y el tantalio puro se forma una capa de óxido, que actúa como semiconductor. La capa dieléctrica se forma a un voltaje superior al voltaje de funcionamiento del condensador; dependiendo de la serie, este voltaje puede ser de 2 a 4 veces mayor que el voltaje de funcionamiento del condensador supuesto.

Cátodo
La siguiente etapa del proceso de producción implica la formación de un cátodo como resultado de la pirólisis del nitrato de manganeso (II) en óxido de manganeso (IV). Esto se hace sumergiendo los componentes en una solución acuosa de nitrato de manganeso (II) y tratándolos térmicamente para eliminar el agua. Esta operación se repite varias veces para asegurar el espesor adecuado del cátodo. Luego los elementos se cubren con grafito y finalmente con plata. El grafito se utiliza para separar la plata y el óxido de manganeso, que de otro modo podrían reaccionar y afectar negativamente a las propiedades del componente. En el proceso de formación del cátodo, también se puede utilizar un polímero en lugar de manganeso; esta solución tiene muchas ventajas, aunque no está completamente exenta de inconvenientes.

Condensadores SMD de tantalio y tantalio/polímero
Los condensadores de montaje superficial (SMD) son el tipo más común de condensadores de tantalio. Los condensadores de tantalio SMD están dimensionados para adaptarse a los tamaños de carcasas de condensadores MLCC estándar, gracias a lo cual los condensadores MLCC se pueden reemplazar con tantalio sin tener que cambiar el tamaño de la PCB. En el caso de los condensadores de tantalio, no sólo se especifica su longitud y anchura (como en el caso de los MLCC), sino también su altura. Es por eso que al valor de cada una de estas dimensiones se le suma la letra apropiada del alfabeto latino. Además, en la carcasa del condensador se especifican parámetros como voltaje, capacidad y polarización. A continuación se muestra una descripción detallada de estas marcas y dimensiones.

Como ya hemos explicado, los parámetros de un condensador vienen dados en su carcasa. A continuación presentamos una lista de marcas para varios tipos de carcasas de condensadores en serie KYOCERA-AVX TAJ.

Condensadores de tantalio THT
El catálogo de productos de TME también incluye condensadores de tantalio con cables para montaje pasante (THT). En comparación con los condensadores SMD, el proceso de producción sólo se diferencia en la última etapa, durante la cual se les conectan los cables. Los parámetros de los condensadores de tantalio THT también están marcados de serie en la carcasa.

A continuación describimos los tipos de formas de pinout y las carcasas compatibles con ellas.

Ventajas de los condensadores de tantalio
Los condensadores de tantalio tienen muchas ventajas, lo que los hace perfectos para diversas aplicaciones y también pueden usarse para reemplazar o soportar condensadores electrolíticos de aluminio y MLCC y así ahorrar espacio en PCB. Una de las características más importantes de los condensadores de tantalio es la estabilidad de los parámetros en un amplio rango de temperatura, lo que significa que mantienen valores de capacitancia estables a temperaturas de -55°C a 125°C. Otra ventaja de estos componentes es la ausencia de un fenómeno llamado "polarización de CC", porque a diferencia de los MLCC, los condensadores de tantalio no pierden capacidad cuando aparece voltaje de corriente continua (CC) en la línea de señal. Una ventaja adicional es el hecho de que la vida útil de los condensadores de tantalio es muy similar a la vida útil de los condensadores cerámicos. En este sentido, los condensadores de tantalio tienen otra ventaja sobre los condensadores MLCC, es decir, no están sujetos a envejecimiento (como es el caso de los condensadores MLCC de clase 2), es decir, su valor de capacidad no disminuye con el tiempo. Los condensadores de tantalio no envejecen, por lo que conservan sus parámetros durante muchos años. Además, su estructura esponjosa garantiza una alta eficiencia volumétrica. Por ejemplo, la eficiencia volumétrica de los estándar de los condensadores electrolíticos SMD de aluminio es de 11,8 µFV/mm3, mientras que en el caso de los condensadores de tantalio el valor de este parámetro es de 63 µFV/mm3 o superior. Esto significa que los condensadores de tantalio pueden alcanzar una capacidad varias veces mayor en comparación con los condensadores electrolíticos de aluminio de un tamaño determinado. Los condensadores de polímero de tantalio Tienen una resistencia en serie equivalente (ESR) baja, lo que garantiza una mayor eficiencia y el valor nominal del componente de AC de la corriente de ondulación del condensador durante el funcionamiento. Es por eso que los condensadores de tantalio/polímero son una excelente solución en aplicaciones como equipos médicos, IoT, convertidores DC/DC e instrumentos de medición inteligentes. Gracias al menor valor de ESR resultante del uso del polímero, los sistemas utilizados en diversos tipos de proyectos pueden ser mucho más pequeños, lo que resulta especialmente beneficioso en aplicaciones con espacio limitado, por ejemplo, en electrónica portátil, IoT y dispositivos de procesamiento de señales.

Desventajas de los condensadores de tantalio
Desafortunadamente, los condensadores de tantalio también tienen varias desventajas que los hacen adecuados sólo para determinadas aplicaciones. Una de esas desventajas es la reducción de potencia, es decir, tener que seleccionar una tensión de funcionamiento inferior a la tensión nominal del componente. En el caso de los condensadores de tantalio, este valor se puede reducir hasta un 70%, lo que significa que un condensador con una tensión nominal de 35 V debería funcionar a 12 V cuando se producen altas corrientes o picos repentinos de tensión en circuitos de baja impedancia. Por lo tanto, la tensión de funcionamiento real se reduce para que el condensador mantenga un nivel adecuado de fiabilidad. Cabe señalar que una reducción de voltaje del 50 % es aceptable en la mayoría de las aplicaciones, y una reducción adicional puede resultar de temperaturas de funcionamiento más altas (por encima de 85 °C). Recuerde que los condensadores de tantalio son susceptibles a fallas causadas por sobrecorriente o sobretensiones, así como también por una instalación incorrecta. Los condensadores de tantalio no se pueden montar de ninguna manera ya que tienen una polaridad específica que se debe respetar para evitar problemas en su funcionamiento. Para ello, preste atención a las marcas de polaridad y a las condiciones de instalación (flujo). Otra desventaja de los condensadores de tantalio es su forma de fallar, es decir, la rotura por avalancha provoca un cortocircuito. Los condensadores de tantalio/polímero son más resistentes a esto, lo que se debe a su baja ESR y su falta de sensibilidad a la corriente de arranque inicial. Desafortunadamente, también son sensibles a la humedad, es decir, este parámetro tiene para cada pieza un nivel de MSL 3 o superior (incluso hasta MSL 5). Por lo tanto, se deben controlar cuidadosamente las condiciones de almacenamiento, montaje y funcionamiento. La última desventaja de los condensadores de tantalio es su tensión de funcionamiento relativamente baja, es decir, en el caso de los condensadores MLCC y los condensadores electrolíticos su valor alcanza varios cientos de V o incluso kV, mientras que la tensión de funcionamiento máxima de los condensadores de tantalio es de 125 V.

Resumen
Factores como un diseño de circuito bien pensado y una cuidadosa selección de condensadores de tantalio permiten neutralizar en gran medida sus desventajas. Se han utilizado durante décadas en una amplia variedad de áreas, desde dispositivos móviles comerciales hasta equipos altamente confiables para vehículos espaciales. A pesar de su pequeño tamaño, los condensadores de tantalio proporcionan altos valores de capacitancia y potencia, lo que los hace perfectos para diseños con tamaño/pesos limitados. También son una mejor opción cuando se requiere estabilidad de capacidad a largo plazo en una amplia gama de temperaturas y condiciones del circuito. Como mencionamos anteriormente, estos productos están disponibles en muchos formatos diferentes y con diferentes tipos de cátodos, lo que proporciona una amplia gama de parámetros que los hacen adecuados para una variedad de aplicaciones.

Contenido elaborado por Transfer Multisort Elektronik Sp. z o.o.