Apakah kapasitor tantalum aman untuk digunakan dalam desain baru?

Saya pernah mendengarnya menyatakan bahwa kapasitor "tantalum padat" berbahaya dan dapat menyebabkan kebakaran, dapat menyebabkan korsleting dan sangat sensitif terhadap bahkan lonjakan tegangan yang sangat pendek.

Apakah kapasitor tantalum dapat diandalkan?

Apakah aman untuk digunakan di sirkuit umum dan desain baru?

Ringkasan:

"Ketika digunakan dengan benar" kapasitor tantalum sangat dapat diandalkan.
Mereka memiliki keunggulan kapasitansi tinggi per volume dan karakteristik decoupling yang baik karena resistansi internal yang relatif rendah dan induktansi yang rendah dibandingkan dengan alternatif tradisional seperti kapasitor elektrolitik aluminium basah.

'Tangkapan' ada di kualifikasi "bila digunakan dengan benar".
Kapasitor Tantalum memiliki mode kegagalan yang dapat dipicu oleh lonjakan tegangan hanya 'sedikit lebih' dari nilai pengenalnya. Ketika digunakan dalam rangkaian yang dapat memberikan energi besar pada kegagalan kapasitor dapat menyebabkan pelarian termal dengan nyala dan ledakan kapasitor dan hubungan arus pendek yang rendah dari terminal kapasitor.

Agar "aman", sirkuit yang digunakan harus dijamin telah dirancang dengan cermat dan asumsi desain harus dipenuhi. Ini 'tidak selalu terjadi'.
Kapasitor Tantalum 'cukup aman' di tangan para ahli asli, atau di sirkuit yang tidak menuntut, dan keunggulan mereka membuatnya menarik. Alternatif seperti kapasitor "aluminium padat " memiliki kelebihan yang serupa dan tidak memiliki mode kegagalan katastropik.

Banyak kapasitor tantalum modern telah membangun mekanisme perlindungan yang menerapkan peleburan berbagai jenis, yang dirancang untuk melepaskan kapasitor dari terminalnya ketika gagal dan membatasi pembalut PCB dalam banyak kasus.
Jika 'kapan', 'batas' dan 'sebagian besar' adalah kriteria desain yang dapat diterima dan / atau Anda adalah ahli desain dan pabrik Anda selalu mendapatkan segalanya dengan benar dan lingkungan aplikasi Anda selalu dipahami dengan baik, maka kapasitor tantalum mungkin merupakan pilihan yang baik untuk Anda .

Lebih lama:

Kapasitor Tantalum padat berpotensi bencana menunggu untuk terjadi.
Desain dan implementasi yang ketat yang menjamin bahwa persyaratan mereka terpenuhi dapat menghasilkan desain yang sangat andal. Jika situasi dunia nyata Anda selalu dijamin tidak memiliki pengecualian spec, maka tantalum caps dapat bekerja dengan baik untuk Anda juga.

Beberapa kapasitor tantalum modern memiliki mekanisme mitigasi kegagalan (sebagai lawan dari pencegahan) yang ada di dalamnya . Dalam komentar tentang pertanyaan pertukaran tumpukan lain, catatan Spehro:

• Lembar data untuk tutup Polymer-Tantalum Kemet mengatakan (sebagian): "KOCAP juga menunjukkan mode kegagalan jinak yang menghilangkan kegagalan pengapian yang dapat terjadi pada jenis tantalum MnO2 standar.".

  Anehnya, saya tidak menemukan apa pun tentang fitur "ignition failure" di lembar data lainnya.

Kapasitor elektrolit solid Tantalum secara tradisional memiliki mode kegagalan yang membuat penggunaannya dipertanyakan dalam sirkuit energi tinggi yang tidak dapat atau belum dirancang dengan ketat untuk menghilangkan setiap prospek dari tegangan yang diterapkan melebihi tegangan pengenal lebih dari persentase kecil.

Tutup Tantalum biasanya dibuat dengan menyatukan butiran tantalum bersama-sama untuk membentuk keseluruhan kontinu dengan luas permukaan per volume yang besar dan kemudian membentuk lapisan dielektrik tipis di atas permukaan luar dengan proses kimia. Di sini "tipis" mengambil arti baru - lapisannya cukup tebal untuk menghindari kerusakan pada tegangan pengenal - dan cukup tipis sehingga akan dilubangi oleh tegangan yang tidak jauh melebihi tegangan terukur. Untuk topi dengan nilai 10 V misalnya, pengoperasian dengan mengatakan paku 15V yang diterapkan dapat benar di sana dengan memainkan Roulette Rusia. Tidak seperti tutup elektrolit basah Al yang cenderung sembuh sendiri ketika lapisan oksida tertusuk, tantalum cenderung tidak sembuh. Sejumlah kecil energi dapat menyebabkan kerusakan lokal dan penghapusan jalur konduksi. Di mana sirkuit memberikan energi ke tutup mampu memberikan energi besar tutup mampu menawarkan resistensi rendah yang sesuai pendek dan pertempuran dimulai. Ini dapat menyebabkan bau, asap, api, kebisingan dan ledakan. Saya telah melihat semua ini terjadi secara berurutan dalam satu kegagalan. Pertama, ada bau busuk yang membingungkan selama sekitar 30 detik. Lalu suara jeritan nyaring, lalu semburan api selama 5 detik dengan suara wooshing yang memuaskan dan kemudian ledakan yang mengesankan. Tidak semua kegagalan memuaskan secara sensual. kemudian semburan api selama 5 detik dengan suara wooshing yang memuaskan dan kemudian ledakan yang mengesankan. Tidak semua kegagalan memuaskan secara sensual. kemudian semburan api selama 5 detik dengan suara wooshing yang memuaskan dan kemudian ledakan yang mengesankan. Tidak semua kegagalan memuaskan secara sensual.

Jika tidak ada lonjakan energi tinggi yang tidak dapat dijamin, yang akan menjadi masalah di banyak atau bahkan sebagian besar rangkaian catu daya, penggunaan tutup elektrolit padat tantalum akan menjadi sumber layanan yang baik (atau layanan mengerikan) panggilan. Berdasarkan referensi Spehro, Kemet mungkin telah menghilangkan aspek yang lebih menarik dari kegagalan tersebut. Mereka masih memperingatkan terhadap tegangan rendah minimal.

Beberapa kegagalan dunia nyata:

Wikipedia - kapasitor tantalum

• Kebanyakan kapasitor tantalum adalah perangkat yang terpolarisasi, dengan terminal positif dan negatif yang ditandai dengan jelas. Ketika mengalami polaritas terbalik (bahkan sebentar), kapasitor mendepolarisasi dan lapisan oksida dielektrik rusak, yang dapat menyebabkan kegagalan bahkan ketika kemudian dioperasikan dengan polaritas yang benar. Jika kegagalannya adalah korsleting (kejadian paling umum), dan arus tidak terbatas pada nilai yang aman, pelarian termal katastropik dapat terjadi (lihat di bawah).

Kemet - catatan aplikasi untuk kapasitor tantalum

• Baca bagian 15., halaman 79 dan berjalan pergi dengan tangan di depan mata.

AVX - aturan penurunan tegangan untuk kapasitor tantalum dan niobium padat

• Selama bertahun-tahun, setiap kali orang bertanya kepada produsen kapasitor tantalum untuk rekomendasi umum tentang penggunaan produk mereka, konsensusnya adalah "batas tegangan minimum 50% harus diterapkan". Aturan praktis ini telah menjadi pedoman desain yang paling umum untuk teknologi tantalum. Makalah ini meninjau kembali pernyataan ini dan menjelaskan, diberikan pemahaman tentang aplikasi, mengapa hal ini belum tentu demikian.

  Dengan diperkenalkannya teknologi kapasitor niobium dan niobium oksida baru-baru ini, diskusi penurunan telah diperluas ke keluarga kapasitor ini juga.

Vishay - FAQ kapasitor tantalum padat

• . APA PERBEDAAN ANTARA KECEPATAN (VISHAY SPRAGUE 893D) DAN STANDAR, NON-FUSED (VISHAY SPRAGUE 293D DAN 593D) KAPASITOR TANTALUM?

  A. Seri 893D dirancang untuk beroperasi pada aplikasi arus tinggi (> 10 A) dan menggunakan mekanisme peleburan "elektronik". ... Sekring 893D tidak akan "terbuka" di bawah 2 A karena I2R berada di bawah energi yang diperlukan untuk mengaktifkan sekering. Antara 2 dan 3 A, sekring pada akhirnya akan aktif, tetapi beberapa kapasitor dan papan sirkuit "hangus" mungkin terjadi. Singkatnya, kapasitor 893D ideal untuk rangkaian arus tinggi di mana "kegagalan" kapasitor dapat menyebabkan kegagalan sistem.

  Kapasitor tipe 893D akan mencegah kapasitor atau papan sirkuit "hangus" dan biasanya mencegah gangguan sirkuit yang dapat dikaitkan dengan kegagalan kapasitor. Kapasitor "korsleting" di seluruh sumber daya dapat menyebabkan transien arus dan / atau tegangan yang dapat memicu shutdown sistem. Waktu aktivasi sekering 893D cukup cepat dalam sebagian besar kasus untuk menghilangkan guncangan arus atau tegangan yang berlebihan.

Panduan kapasitor - kapasitor tantalum

• ... Kelemahan menggunakan kapasitor tantalum adalah mode kegagalan yang tidak menguntungkan yang dapat menyebabkan pelarian termal, kebakaran, dan ledakan kecil, tetapi ini dapat dicegah melalui penggunaan perangkat pengaman eksternal yang gagal seperti pembatas arus atau sekering termal.

Apa cap-astrophe

• Saya bekerja di pabrik yang mengalami kegagalan tantalum-kapasitor yang tidak dapat dijelaskan. Bukan karena kapasitor hanya gagal, tetapi kegagalannya adalah bencana besar dan membuat PCB (papan sirkuit tercetak) tidak dapat diperbaiki. Sepertinya tidak ada penjelasan. Kami tidak menemukan masalah penerapan untuk PCB mikro kecil yang berdedikasi ini. Lebih buruk lagi, pemasok menyalahkan kami.

  Saya melakukan riset Internet tentang kegagalan kapasitor tantalum dan menemukan bahwa pelet kapasitor tantalum mengandung cacat kecil yang harus dibersihkan selama manufaktur. Dalam proses ini, tegangan dinaikkan secara bertahap melalui resistor ke voltase pengenal ditambah pelindung. Resistor seri mencegah pelarian termal yang tidak terkontrol dari menghancurkan pelet. Saya juga belajar bahwa menyolder PCB pada suhu tinggi selama pembuatan menyebabkan tekanan yang dapat menyebabkan mikro di dalam pelet. Microfractures ini dapat menyebabkan kegagalan pada aplikasi dengan impedansi rendah. Microfractures juga mengurangi peringkat tegangan perangkat sehingga analisis kegagalan akan menunjukkan kegagalan tegangan lebih klasik. ...

Terkait:

AVX - lonjakan kapasitor tantalum padat

Mode dan mekanisme kegagalan pada kapasitor tantalum padat - Hanya abstrak Sprague / IEEE. - LAMA 1963.

MODE AVX - KEGAGALAN KAPASITOR TANTALUM DIBUAT OLEH TEKNOLOGI YANG BERBEDA - Umur? - sekitar tahun 2001?

Pengaruh Kelembaban terhadap Karakteristik Kapasitor Tantalum Solid Mount Mount - NASA dengan bantuan AVX - sekitar tahun 2002?

Hearst - Cara mengenali komponen palsu

Terkadang mudah :-):

Ditambahkan 1/2016:

Terkait:

Uji polaritas terbalik untuk kapasitor kaleng logam aluminium basah standar.

Singkat:

Untuk polaritas yang benar, potensial bisa ~ = ground. Untuk polaritas terbalik dapat berpotensi merupakan persentase signifikan dari tegangan yang dipasang.
Tes yang sangat andal dalam pengalaman saya.

Lebih lama:

Untuk cap Al basah std saya dulu menemukan tes untuk memasukkan terbalik yang belum pernah saya lihat disebutkan di tempat lain tetapi mungkin cukup dikenal. Ini berfungsi untuk penutup yang memiliki logam yang dapat diakses untuk pengujian - sebagian besar memiliki titik jelas yang nyaman di bagian tengah atas karena cara selongsong ditambahkan.

Power up circuit dan ukur voltase dari ground ke kaleng masing-masing tutup. Ini adalah tes yang sangat cepat dengan volt-meter - -timbal timah dan zip sekitar kaleng.

• Tutup polaritas yang benar hampir dapat di tanah.

• Tutup polaritas terbalik memiliki kaleng di sebagian kecil pasokan - mungkin ~~~ = 50%.

Bekerja dengan andal dalam pengalaman saya.

Anda biasanya dapat memeriksa menggunakan tanda kaleng tetapi ini tergantung pada orientasi yang dimaksudkan diketahui dan jelas. Sementara itu biasanya konsisten dalam desain yang baik ini tidak pernah pasti.

Dengan hadirnya kapasitor keramik bernilai tinggi (10uF dan lebih murah, dengan nilai 6.3, 10, 16V, dan seterusnya) kapasitor keramik X5R dan X7R (dielektrik yang masuk akal) tampaknya ada jauh lebih sedikit alasan untuk mempertimbangkan kapasitor tantalum.

Salah satu perbedaannya adalah bahwa topi tantalum memiliki ESR yang sesuai urutan ohm. Pada beberapa regulator LDO, itu merupakan keuntungan, karena LDO tidak akan terombang-ambing seperti banshee. Dalam kasus seperti itu, saya lebih suka menggunakan kapasitor keramik dan resistor seri.

Pada beberapa sirkuit analog yang sensitif, saya pikir mungkin ada keuntungan untuk tantalum lebih dari tutup keramik dalam mikrofonik berkurang (dalam tutup keramik, karena aktivitas piezo-listrik).

Satu pedoman dalam menggunakannya: jika arus melalui tutup sangat terbatas jika terjadi kegagalan, silakan.

Terbatas untuk apa? Saya akan menyarankan 0.1A. Saya akan merasa khawatir menggunakannya untuk memisahkan 1A atau rel pasokan yang lebih tinggi, dan tidak akan secara pribadi menggunakannya di suplai 10A. (Pernah ke sana, melihat kembang api; Gambar-gambar Russell tidak membesar-besarkan.) Saya harus mengatakan bahwa saya tidak punya bukti kuat tentang arus yang benar-benar "aman" dan mengomentari angka-angka ini akan diterima.

Tetapi banyak pasokan atau tegangan bias dalam rangkaian analog memiliki impedansi sumber yang relatif tinggi atau arus yang sangat terbatas, dan saya akan menggunakannya di sana.

EDIT berdasarkan pada informasi baru (untuk saya!) ...

Setidaknya satu produsen menawarkan kapasitor Niobium Oxide dalam kemasan yang sangat mirip dan kisaran nilai dan voltase. Dalam apa yang mungkin dibaca sebagai penerimaan diam-diam dari masalah tantalum yang dijelaskan di sini, lembar data berisi pernyataan "Gagal OxiCap® tidak akan terbakar hingga tegangan kategori" dan logo kecil yang lucu ...

[Penafian: Saya belum pernah menggunakan kapasitor ini atau berusaha memverifikasi klaim!]

Catatan singkat tentang "mengapa Tantalum bukan MLCC besar":

MLCC dengan X5R dan dielektrik serupa dicirikan pada bias 0V. Namun, ketika dijalankan pada misalnya 100% tegangan pengenal, kapasitas diferensial efektif hanya mungkin 10% dari tegangan pengenal (!). Terutama tutup yang sangat kecil dengan peringkat tegangan tinggi menunjukkan penurunan dramatis dalam kapasitas ketika bias.

Contoh 1: 0402 MLCC, X5R, 10μF, 6.3V: 3.5μF tersisa sekitar 3V.

Contoh 2: 0402 MLCC, X5R, 2.2μF, 25V: 1.0µF (!) Tersisa sekitar 3V.

Data itu ditampilkan dengan baik di lembar data online dari TDK.

Beberapa hal tambahan dari pihak saya:
Ya, dapat dinyatakan bahwa Tantalum Caps aman.
Mereka tidak hanya digunakan di lingkungan "kasar" perangkat konsumen portabel (notebook, smartphone - Saya tidak pernah mendengar ada kebakaran di smartphone karena tutupnya) tetapi juga digunakan dalam implan medis seperti alat pacu jantung, implan koklea atau tulang belakang. stimulator tali pusat.

Sehubungan dengan keandalan, tegangan operasi memiliki dampak terkuat (lebih dari suhu). Faktor akselerasi adalah
AF = exp {(V / VR-1) * 18.772} sesuai dengan dokumen NASA berikut: https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20110015254.pdf

Untuk implan medis, penurunan yang diusulkan oleh misalnya Vishay adalah 40% (jadi Anda akan menggunakan tutup 16V untuk peringkat 10V atau 10V untuk aplikasi 6V). Menurut formula atas, peningkatan dalam seumur hidup adalah faktor 1140.

Pls. selalu ingat bahwa tidak ada sistem yang tidak akan gagal: Satu-satunya pertanyaan adalah waktu untuk kesalahan kumulatif. Saya membuat Tesis Master saya di Infineon. Saya pikir saya dapat mengingat bahwa MOSFET dalam sistem otomotif yang kritis-keselamatan memiliki tingkat kegagalan yang diizinkan sebesar 10ppm dalam 10.000 jam ketika dioperasikan pada maks. kondisi (Temp & tegangan)

Mungkin ada aplikasi terbatas ruang di mana tans lebih baik, tapi itu saja. Saya menghindari tans jika saya bisa. Bagian umum gagal dengan membiarkan asap keluar. Mereka tidak suka lonjakan arus turn-on tinggi membuat mereka pilihan yang buruk untuk sebagian besar penyaringan catu daya. Setidaknya gunakan bagian tegangan tertinggi yang Anda bisa. Mereka tidak menyukai kelembaban tinggi yang dapat melukai diri sendiri. Keramik telah menjadi lebih baik dan dapat menggantikannya dalam banyak aplikasi, seperti halnya aluminium beberapa kali.