Was ist ein Tantal-Kondensator?
Ein Tantal-Kondensator ist eine Art Elektrolytkondensator, bei dem Tantaloxid als Dielektrikum verwendet wird.
Elektrolytkondensatoren sind Kondensatoren, die eine Oxidschicht aus Aluminium oder Tantal als Dielektrikum verwenden. Tantal-Kondensatoren oxidieren die Oberfläche des seltenen Metalls Tantal zu Tantalpentoxid (Ta2O5), das dann als Dielektrikum verwendet wird.
Tantal-Kondensatoren sind kleiner und haben eine längere Lebensdauer als Aluminium-Elektrolytkondensatoren und zeichnen sich durch ihre Temperaturbeständigkeit und einen guten Frequenzgang aus. Andererseits ist das Hauptmaterial Tantal sehr teuer, so dass der Preis für einen Kondensator relativ hoch ist.
Außerdem besteht die Gefahr von Kurzschlüssen zwischen den Elektroden, wenn diese unterbrochen werden. Es ist daher wichtig, auf eine ordnungsgemäße Verwendung zu achten.
Anwendungen von Tantal-Kondensatoren
Tantal-Kondensatoren haben ein breites Anwendungsspektrum und werden in allen Arten von elektronischen Geräten eingesetzt, z. B. in Mobiltelefonen, PCs, Videospielkonsolen, Auto-Navigationssystemen und Audiogeräten. Aufgrund ihrer im Vergleich zu Aluminiumkondensatoren besseren Hochfrequenz- und Temperatureigenschaften werden sie in Glättungsschaltungen für Schaltnetzteile verwendet, die den Strom bei hohen Frequenzen ein- und ausschalten.
Eine weitere ideale Anwendung sind Entkopplungskondensatoren, die Störspitzen in Stromversorgungsschaltungen absorbieren. Darüber hinaus werden sie auch als Reservekondensatoren verwendet, um die Stromversorgung vorübergehend aufrechtzuerhalten.
In den letzten Jahren hat die Miniaturisierung Fortschritte gemacht und es sind Produkte mit einer Höhe von 0,5 mm erschienen, die zur Miniaturisierung von Mobiltelefonen, PCs usw. beitragen.
Funktionsweise von Tantal-Kondensatoren
Tantal-Kondensatoren bestehen aus einer Anode, einem Dielektrikum und einer Kathode.
1. Anode
Das Material ist Tantal, das über einen gesinterten Metallstab mit der Elektrode verbunden ist.
2. Dielektrikum
Als Dielektrikum dient ein dünner Film aus Tantalpentoxid, der aus dem Tantal der Anode oxidiert wird. Zwischen dem Tantalpentoxid und der Kathode bildet sich eine Art Diode, die bei Sperrvorspannung eine Kapazität aufweist, bei Vorwärtsspannung jedoch einen großen Strom fließen lässt.
Aus diesem Grund haben Tantal-Kondensatoren eine Polarität. Die extrem dünne Schicht aus Tantalpentoxid ermöglicht eine große Kapazität.
3. Kathode
Mangandioxid oder ein leitfähiges Polymer wird als Kathodenmaterial verwendet, um die Kontinuität zwischen den Elektroden zu gewährleisten. Leitfähige Polymere haben einen geringeren Widerstand und bessere ESR-Eigenschaften als Mangandioxid.
Darüber hinaus werden stromführende Metalle wie Silber oder Graphit zwischen Kathode und Elektrode eingefügt, um den Widerstand zu verringern. Aluminium-Elektrolytkondensatoren verwenden einen Elektrolyt, dessen Nachteil darin besteht, dass der Elektrolyt allmählich verdampft und eine relativ kurze Lebensdauer hat. Tantal-Kondensatoren hingegen bestehen vollständig aus festem Material und haben daher eine lange Lebensdauer.
Weitere Informationen zu Tantal-Kondensatoren
1. Vorsichtsmaßnahmen bei der Verwendung
Die Hauptursache für den Ausfall von Tantal-Kondensatoren ist ein örtlicher Kurzschluss im Dielektrikum des Kondensators. Beim Anschluss an einen Stromkreis mit niedriger Impedanz, z. B. eine Stromleitung, kann sich ein großer Strom auf den Kurzschluss konzentrieren und erhitzen, was zu einer Entzündung führt.
Wenn sich ein Tantal-Kondensator einmal entzündet hat, brennt er mit Flammen weiter und brennt aus. Aus diesem Grund haben viele Hersteller von Geräten, die eine hohe Zuverlässigkeit erfordern oder ständig unter Strom stehen, die Verwendung von Tantal-Kondensatoren gänzlich untersagt. Selbst in tragbaren, batteriebetriebenen Geräten wurde über das Durchbrennen von Tantal-Kondensatoren berichtet, so dass bei ihrer Verwendung Vorsicht geboten ist und die Schaltkreise überprüft werden müssen.
Zwei allgemeine Maßnahmen sind: auf keinen Fall Rückwärtsspannung anlegen und einen Kondensator mit einer Nennspannung wählen, die eine ausreichende Spanne für die an den Kondensator angelegte Spannung aufweist. Insbesondere beim Einsatz in Stromversorgungsschaltungen ist es wünschenswert, Tantal-Kondensatoren mit einer Nennspannung zu verwenden, die mindestens das Doppelte, wenn möglich das Dreifache der Versorgungsspannung beträgt.
Wenn der Ripplestrom hoch ist, kann die im Kondensator erzeugte Wärme zu einer Beeinträchtigung führen, so dass es auch sinnvoll ist, ein größeres Gehäuse zu wählen, das einen Vorteil bei der Wärmeableitung hat.
2. Polaritätsangabe bei Tantal-Kondensatoren
Tantal-Kondensatoren sind gepolt und wenn die angegebene Polarität nicht stimmt, kann ein großer Strom fließen, der im schlimmsten Fall zur Entzündung führt. Daher ist es wichtig, die Polaritätsangaben auf den Elektroden zu kennen.
Tantal-Kondensatoren können aufgrund ihrer Bauweise in drei Typen eingeteilt werden: Chip-Typ, hermetisch versiegelter Typ mit Metallgehäuse und in Harz getauchter Typ. Die Polarität dieser Tantal-Kondensatoren lautet wie folgt:
- Chip-Typ
Auf der Oberseite des schwarzen Gehäuses ist ein weißer Streifen mit der Kapazität und der Nennspannung aufgedruckt und die Elektrode unterhalb des Streifens ist die Anode. - Metallgehäuse, hermetisch abgedichteter Typ
Für Anwendungen, die eine hohe Zuverlässigkeit erfordern, ist auf der Oberfläche der runden, zylindrischen Form ein +-Zeichen aufgedruckt, zusammen mit der Kapazität, Nennspannung usw. Die Leitungsdrähte auf der Seite des +-Zeichens sind die Anoden. Der Leitungsdraht auf der Seite des +-Zeichens ist die Anode. - Harz-Tauchtyp
Vertikaler Aufbau, aber mit dem + Zeichen auf der Harzoberfläche zusammen mit der Kapazität und der Nennspannung. Der Anschlussdraht auf der Seite neben dem Pluszeichen ist die Anode. Die Leitungslängen sind ungleich, wobei die Leitung auf der Kathodenseite kürzer ist.
Auch Aluminium-Elektrolytkondensatoren, die ebenfalls gepolt sind, sind auf der Anodenseite gekennzeichnet und unterscheiden sich von Tantal-Kondensatoren durch die Art der Kennzeichnung. Beim Ersetzen eines Aluminium-Elektrolyt-Kondensators durch einen Tantal-Kondensator muss auf die richtige Polarität geachtet werden.