Condensador de niobi
Un condensador electrolític de niobi (històricament també condensador de columbio) és un condensador electrolític que el seu ànodo (+) està format per niobi metàlic pasivado o monòxit de niobi, sobre el que actua com dielèctric una capa aïllant de pentóxido de niobi. Un electrolito sòlit en la superfície de la capa d'òxit servix de càtodo (-) del condensador.
Els condensadores de niobi estan disponibles en format SMD i competixen en els condensadores de chip de tantalio en determinats valors de tensió i capacitat. Estan disponibles en un electrolito sòlit de diòxit de manganeso.
Com la majoria dels condensadores electrolítics, els condensadores de niobi són components polarisats. Les tensions inverses o les corrents d'ondulació superiors a les tolerància especificades poden destruir el dielèctric i, per tant, el condensador; el curtcircuit resultant pot provocar un incendi o una explosió en les unitats més grans.
Els condensadores de niobi es varen desenrollar en Estats Units i l'Unió Soviètica en la década de 1960. Des de 2002 es comercialisen en Occident, aprofitant el menor cost i la major disponibilitat del niobi en comparació al tantalio.
Informació bàsica
[editar | editar còdic]El niobi és un metal germà del tantalio. El niobi té un punt de fusió (2744 °C) similar al del tantalio i presenta propietats químiques paregudes. Els materials i processos utilisats per a produir condensadores dielèctrics de niobi són essencialment els mateixos que per als actuals condensadores dielèctrics de tantalio. No obstant, el niobi com a matèria primera és molt més abundant en la naturalea que el tantalio i és menys costós. Les característiques dels condensadores electrolítics de niobi i dels condensadores electrolítics de tantalio són pràcticament comparables.
Els condensadores electrolítics de niobi poden fabricar-se en niobi de gran purea com a ànodo, pero la difusió d'oxigen des del dielèctric (Nb2O5) al metal de l'ànodo de niobi és molt alta, lo que provoca inestabilitat de la corrent de fuga o inclús fallos del condensador. Hi ha dos formes possibles de reduir la difusió d'oxigen i millorar l'estabilitat de la corrent de fuga: dopant les pols metàliques de niobi en nitrur per a obtindre nitrur de niobi pasivado o utilisant òxit de niobi (NbO) com a material de l'ànodo. L'òxit de niobi és un material ceràmic dur caracterisat per una elevada conductivitat metàlica. La pols d'òxit de niobi pot preparar-se en una estructura similar a la de la pols de tantalio i pot processar-se de forma similar per a produir condensadores. També pot oxidarse per mig d'oxidació anódica (anodizado, conformat) per a generar la capa dielèctrica aïllant. Aixina, es comercialisen dos tipos de condensadores electrolítics de niobi, els que utilisen un ànodo de niobi pasivado i els que utilisen un ànodo d'òxit de niobi. Abdós tipos utilisen pentóxido de niobi (Nb2O5) com a capa dielèctrica.
Oxidació anódica
[editar | editar còdic]
El niobi, de la mateixa manera que el tantalio i l'alumini, és un metal de vàlvula. En posar este metal en contacte en un bany electrolític i aplicar-li una tensió positiva, es forma una capa d'òxit eléctricamente aïllant la gruixa del qual correspon a la tensió aplicada. Esta capa d'òxit actua com dielèctric en un condensador electrolític.
Esta propietat del niobi es coneixia des de principis de el XX. Encara que el niobi és més abundant en la naturalea i menys car que el tantalio, el seu elevat punt de fusió de 2744 °C va obstaculisar el desenroll dels condensadores electrolítics de niobi.
En els anys 60, la major disponibilitat de mineral de niobi en comparació al de tantalio va impulsar l'investigació de condensadores electrolítics de niobi en l'Unió Soviètica,[1] a on servien para lo mateix que els condensadores de tantalio en Occident. En la caiguda del Teló d'Acer, la tecnologia es va fer més coneguda en Occident i els grans fabricants de condensadores es varen interessar per ella a finals dels anys noranta. Els materials i processos utilisats per a fabricar condensadores de niobi són bàsicament els mateixos que per als de tantalio. L'aument dels preus del tantalio en 2000 i 2001 va fomentar el desenroll de condensadores electrolítics de niobi en diòxit de manganeso i electrolitos polimèrics, disponibles des de 2002.[2][3]
Tot condensador electrolític pot considerar-se com un "condensador de placa" que la seua capacitancia aumenta en l'àrea de l'electrodo (A) i la permitividad dielèctrica (ε), i disminuïx en la gruixa dielèctrica (d).
La gruixa dielèctrica dels condensadores electrolítics de niobi és molt fi, de l'orde de nanómetros per volt.[4] Esta capa dielèctrica tan fina, combinada en una rigidea dielèctrica suficientment alta, permet als condensadores electrolítics de niobi alcançar una alta capacitancia volumètrica comparable a la dels condensadores de tantalio.
El material de l'ànodo de niobi es fabrica a partir d'una pols sinterizado en un grànul en una estructura superficial rugosa destinada a aumentar la superfície A de l'electrodo en comparació a una superfície plana en la mateixa chafada. Este aument de la superfície pot multiplicar la capacitancia per un factor de fins a 200 en els condensadores electrolítics sòlits de niobi, en funció de la tensió nominal.[5]
Les propietats de la capa dielèctrica de pentóxido de niobi, en comparació a una capa de pentóxido de tantalio, s'indiquen en la següent taula:[6]
| Material de l'ànodo | Dielèctric | Permissivitat relativa | Estructura de l'òxit | Tensió de ruptura (V/μm) | Gruixa de la capa dielèctrica (nm/V) |
|---|---|---|---|---|---|
| tantalio | Pentóxido de tantalio Ta2O5 | 27 | amorfo | 625 | 1.6 |
| Niobi o òxit de niobi | Pentóxido de niobi Nb2O5 | 41 | amorfo | 400 | 2.5 |
La major permitividad i la menor tensió de ruptura del pentóxido de niobi en relació en el pentóxido de tantalio fan que els condensadores de niobi i els de tantalio tinguen tamanys similars per a una capacitat donada.
Construcció bàsica de condensadores electrolítics de niobi sòlit
[editar | editar còdic]- Construcció d'un condensador de chip de niobi sòlit
-
La cèlula condensadora d'un condensador electrolític de niobi està formada per niobi sinterizado o pols de monòxit de niobi.
-
Representació esquemàtica de l'estructura d'un condensador electrolític de niobi sinterizado en electrolito sòlit i les capes de contacte del càtodo.
-
Construcció d'un condensador electrolític de niobi SMD típic en electrolito sòlit
Un condensador de niobi típic és un condensador de chip i consistix en pols de niobi o òxit de niobi prensage i sinterizado en un pellet com a ànodo del condensador, en la capa d'òxit de pentóxido de niobi com a dielèctric, i un electrolito sòlit de diòxit de manganeso com a càtodo.
Comparació dels tipos de condensadores electrolítics de niobi i tantalio
[editar | editar còdic]La combinació de materials d'ànodo per als condensadores electrolítics de niobi i tantalio i els electrolitos utilisats ha donat lloc a una àmplia varietat de tipos de condensadores en diferents propietats. En la taula següent es resumixen les principals característiques dels distints tipos.
| Família de condensadores electrolítics | Electròlit | Ranc de capacitancia (μF) | Máx. tensió nominal (V) | Máx. temperatura (°C) |
|---|---|---|---|---|
| Condensador electrolític de tantalio, ànodo sinterizado | Àcit sulfúric no sòlit | 0.1...18,000 | 630 | 125/200 |
| Sòlit, diòxit de manganeso | 0.1...3,300 | 125 | 125/150 | |
| Sòlit, polímero | 10...1,500 | 25 | 105 | |
| Condensador electrolític d'òxit de niobi, ànodo sinterizado | Sòlit, diòxit de manganeso | 1...1,500 | 10 | 105 |
| Sòlit, polímero | 4.7...470 | 16 | 105 |
Els condensadores electrolítics de tantalio i niobi en electrolito sòlit com condensadores de chip montables en superfície s'utilisen principalment en dispositius electrònics en els que es dispon de poc espai o es requerix un perfil baix. Funcionen de forma fiable en un ampli ranc de temperatures sense grans desviacions dels paràmetros.[2][4][6][7][8]
Comparació dels paràmetros elèctrics dels tipos de condensadores de niobi i tantalio
[editar | editar còdic]Per a comparar les diferents característiques dels distints tipos de condensadores electrolítics de chip, en la següent taula es comparen espècimen en les mateixes dimensions i de capacitancia i tensió comparables. En dita comparació, els valors de ESR i càrrega de corrent de rullat són els paràmetros més importants per a l'us de condensadores electrolítics en equips electrònics moderns. Quant menor siga la ESR, major serà la corrent de rullat per volum i, per tant, millor serà la funcionalitat del condensador en el circuit.
| Família de condensadores electrolítics | Tipo 1 | Dimensió DxL, WxHxL (mm) | Max. ESR 100 kHz, 20 °C (mΩ) | Máx. Corrent de rullat 85/105 °C (mA) | Máx. Corrent de fuga despuix de 2 min. 2 (μA) |
|---|---|---|---|---|---|
| Condensadores de tantalio, electrolito de MnO2. | Kemet T494 330/10 | 7.3x4.3x4.0 | 100 | 1285 | 10 (0.01CV) |
| Condensadores de tantalio, multiánodo, electrolito de MnO2. | Kemet T510 330/10 | 7.3x4.3x4.0 | 35 | 2500 | 10 (0.01CV) |
| Condensadores de tantalio, Electrolito d'polímero | Kemet T543 330/10 | 7.3x4.3x4.0 | 10 | 4900 | 100 (0.1CV) |
| Condensadores de tantalio, multimodo, polímero | Kemet T530 150/10 | 7.3x4.3x4.0 | 5 | 4970 | 100 (0.1CV) |
| Condensadores de niobi, electrolito de MnO2. | AVX,NOS 220/6,3 | 7.3x4.3x4.1 | 80 | 1461 | 20 (0.02CV) |
| Condensadores de niobi, multiánodo, electrolito de MnO2. | AVX,NBM 220/6.3 | 7.3x4.3x4.1 | 40 | 2561 | 20 (0.02CV) |
| Càpsules de niobi Electrolito polimèric | NEC, NMC 100/10 | 7.3x4.3x2.8 | - | - | 20 (0.02CV) |
| Condensadores d'alumini, Electrolito d'polímero | Panasonic SP-UE 180/6.3 | 7.3x4.3x4.2 | 7 | 3700 | 100 (0.1CV) |
| Condensadores d'alumini, Electrolito d'polímero | Kemet A700 100/10 | 7.3x4.3x4.0 | 10 | 4700 | 40 (0.04CV) |
(1) 100 μF/10 V, a menos que s'especifique lo contrari,
(2) calculat per a un condensador 100 μF/10 V,
Referències
[editar | editar còdic]- ↑ Tantalum-Niobium International Study Center, Tantalum and Niobium - Early History [1] and Applications for Niobium [2] [3] archivat en Wayback Machine.
- ↑ 2,0 2,1 T. Zednicek, S. Sítia, C. McCracken, W. A. Millman, J. Gill, AVX, Niobium Oxide Technology Roadmap, CARTS 2002 PDF [4] archivat en Wayback Machine.
- ↑ Ch. Schnitter, A. Michaelis, U. Merker, H. C. Starck, Bayer, New Niobium Based Materials for Solid Electrolyte Capacitors, Carts 2002
- ↑ 4,0 4,1 J. Moore, Kemet, Nb capacitors compared to Ta capacitors a less costly alternative PDF
- Archivat el 16 de novembre de 2019 archivat en Wayback Machine.
- ↑ Niobium Powder for Electrolytic Capacitor, JFE Technical Report No. 6 (October 2005) PDF
- ↑ 6,0 6,1 T. Kárník, AVX, Niobium oxide for capacitor manufacturing, Metal 2008, 2008-05-13 – 2008-05-15, PDF
- ↑ Y. Pozdeev-Freeman, P. Maden, Vishay, Solid-Electrolyte Niobium Capacitors Exhibit Similar Performance to Tantalum, 2002-02-01, [5]
- ↑ Rutronik, Tantalum & Niobium Capacitors, Technical Standards and Benefits PDF
- Este artícul conté una traducció derivada de «Condensador de niobio» de Wikipedia en castellà publicada baix la Llicència de documentació lliure de GNU i la Llicència Creative Commons Reconeiximent-CompartirIgual 4.0 Internacional.