Graças às suas características únicas, os condensadores de tântalo são utilizados em diversas aplicações e, em alguns casos, podem substituir os condensadores eletrolíticos de alumínio ou os MLCCs. No artigo seguinte, descreveremos os seus princípios de design, construção, vantagens e desvantagens, além de apresentarmos os critérios a considerar na seleção de condensadores.

• Conceção, construção e produção de condensadores
• Capacitores de montagem superficial (SMD) – dimensões e especificações
• Capacitores de montagem passante (THT) – dimensões e especificações
• Vantagens e desvantagens

Projeto e Construção de Capacitores de Tântalo:
A produção de condensadores é um processo complexo no qual os parâmetros de cada etapa devem ser selecionados e configurados com absoluta precisão. Neste artigo, apresentamos uma descrição deste processo com base nas da Kyocera-AVX.

e
um dielétrico. O processo de produção deste tipo de condensador começa com a compressão do pó de tântalo em torno de um fio do mesmo material e, em seguida, a sinterização a alta temperatura para criar o ânodo. A temperatura elevada faz com que as partículas de pó se juntem (criando a estrutura aqui descrita), mas para obter um conjunto específico de parâmetros, a temperatura e o tempo de sinterização adequados devem ser determinados com precisão. Um tempo de sinterização demasiado longo ou uma temperatura demasiado elevada reduzem a capacitância do condensador, enquanto que um tempo de sinterização demasiado curto ou uma temperatura demasiado baixa a aumentam. Na prática, isto significa que os parâmetros do condensador (capacitância e tensão de funcionamento) já estão determinados na etapa de seleção do pó. É também importante lembrar que muitas etapas do processo de produção são influenciadas por fatores como o tamanho (da ordem de alguns micrómetros) e a forma das partículas de pó.

A capacitância dos condensadores de tântalo é determinada pela seguinte fórmula:

ε – permissividade dielétrica
ε0 – permeabilidade ao vácuo
A – área da superfície dielétrica
d – espessura da camada dielétrica

dielétrico
é o "coração" de todo o condensador, pois "capta" energia no seu campo elétrico. O óxido de tântalo (Ta₂O₅) é utilizado como dielétrico nos condensadores de tântalo. Como referido anteriormente, a etapa de sinterização é seguida pela formação da camada dielétrica. O tântalo é um condutor, pelo que não pode ser utilizado como dielétrico. Assim, os componentes sofrem um processo de anodização, ou seja, são mergulhados numa solução ácida aquecida a 85 °C e sujeitos a uma corrente elétrica. Isto provoca uma reação química que cria pentóxido de tântalo (Ta₂O₅) na superfície do ânodo. A espessura da camada dielétrica depende da tensão, pelo que a corrente é inicialmente mantida constante até que a tensão selecionada seja atingida. Esta tensão é então mantida a este nível até que se obtenha uma camada dielétrica de espessura uniforme em toda a superfície do componente. Os condensadores de tântalo polarizam-se devido às reações que ocorrem durante a formação da camada dielétrica. Forma-se uma camada de óxido entre o óxido de tântalo e o tântalo puro, atuando como semicondutor. Esta camada dielétrica forma-se a uma tensão superior à tensão de funcionamento do condensador; dependendo da série de condensadores, esta tensão pode ser duas a quatro vezes superior à tensão nominal de funcionamento do condensador.

Cátodo:
A etapa seguinte do processo de produção envolve a formação de um cátodo como resultado da pirólise do nitrato de manganês(II) em óxido de manganês(IV). Isto é feito mergulhando os componentes numa solução aquosa de nitrato de manganês(II) e tratando-os termicamente para remover a água. Esta operação é repetida várias vezes para garantir que o cátodo atinge a espessura correta. Os elementos são depois revestidos com grafite e, por fim, com prata. O grafite é utilizado para separar a prata e o óxido de manganês, que, caso contrário, poderiam reagir e afetar negativamente as propriedades do componente. No processo de formação do cátodo, pode também ser utilizado um polímero em vez do manganês; esta solução apresenta muitas vantagens, embora não seja totalmente isenta de desvantagens.

Capacitores SMD de Tântalo e Tântalo/Polímero.
Os condensadores de montagem superficial (SMD) são o tipo mais comum de condensadores de tântalo. Os condensadores SMD de tântalo são dimensionados para se ajustarem aos tamanhos de invólucro padrão dos condensadores MLCC, permitindo que os condensadores MLCC sejam substituídos por condensadores de tântalo sem a necessidade de redimensionar a placa de circuito impresso (PCB). Os condensadores de tântalo são especificados não só pelo seu comprimento e largura (como nos MLCCs), mas também pela sua altura. Assim sendo, a letra correspondente do alfabeto latino é adicionada a cada uma destas dimensões. Além disso, parâmetros como a tensão, a capacitância e a polaridade são especificados no invólucro do condensador. Uma descrição detalhada destas marcações e dimensões segue abaixo.

Como já explicámos, os parâmetros de um condensador estão indicados na sua carcaça. Abaixo, segue uma lista de marcas para diversos tipos de carcaças de condensadores da série KYOCERA-AVX TAJ.

condensadores
. Comparativamente aos condensadores SMD, o processo de produção difere apenas na etapa final, durante a qual os terminais são ligados. Os parâmetros dos condensadores de tântalo THT também estão marcados na carcaça.

A seguir, descrevemos os formatos dos pinos e os armários compatíveis com os mesmos.

Vantagens dos condensadores de tântalo:
Os condensadores de tântalo oferecem inúmeras vantagens, sendo ideais para uma variedade de aplicações. Também podem ser utilizados para substituir ou complementar condensadores eletrolíticos de alumínio e MLCCs, poupando espaço na placa de circuito impresso (PCI). Uma das características mais importantes dos condensadores de tântalo é a estabilidade dos seus parâmetros numa ampla gama de temperaturas, o que significa que mantêm valores de capacitância estáveis ​​de -55 °C a 125 °C. Outra vantagem é a ausência de polarização CC, uma vez que, ao contrário dos MLCC, os condensadores de tântalo não perdem capacitância quando é aplicada uma tensão CC à linha de sinal. Um benefício adicional é que a vida útil dos condensadores de tântalo é muito semelhante à dos condensadores cerâmicos. Neste aspeto, os condensadores de tântalo têm outra vantagem em relação aos condensadores MLCC: não estão sujeitos a envelhecimento (como é o caso dos condensadores MLCC de Classe 2), o que significa que o seu valor de capacitância não diminui com o tempo. Os condensadores de tântalo não envelhecem, mantendo assim os seus parâmetros durante muitos anos. Além disso, a sua estrutura esponjosa garante uma elevada eficiência volumétrica. Por exemplo, a eficiência volumétrica dos condensadores eletrolíticos de alumínio SMD é de 11,8 µFV/mm³, enquanto que para os condensadores de tântalo, este parâmetro é de 63 µFV/mm³ ou superior. Isto significa que os condensadores de tântalo podem atingir uma capacitância várias vezes superior à dos condensadores eletrolíticos de alumínio de um determinado tamanho. Os condensadores de tântalo-polímero possuem uma baixa resistência equivalente em série (ESR), o que garante uma maior eficiência e uma menor ondulação de corrente CA durante o funcionamento. É por isso que os condensadores de tântalo-polímero são uma excelente solução em aplicações como equipamentos médicos, IoT, conversores CC/CC e instrumentos de medição inteligentes. Graças à menor ESR resultante da utilização do polímero, os sistemas utilizados em diversos tipos de projetos podem ser muito mais pequenos, o que é especialmente benéfico em aplicações com restrições de espaço, como eletrónica wearable, IoT e dispositivos de processamento de sinal.

Desvantagens dos Capacitores de Tântalo
Infelizmente, os condensadores de tântalo também apresentam diversas desvantagens que os tornam apenas adequados para determinadas aplicações. Uma dessas desvantagens é a redução de potência, o que significa que deve ser selecionada uma tensão de funcionamento inferior à tensão nominal do componente. No caso dos condensadores de tântalo, este valor pode ser reduzido até 70%, o que significa que um condensador com uma tensão nominal de 35 V deve funcionar a 12 V quando ocorrem correntes elevadas ou picos de tensão repentinos em circuitos de baixa impedância. Portanto, a tensão de funcionamento real é reduzida para manter um nível adequado de fiabilidade. É de notar que uma redução de tensão de 50% é aceitável na maioria das aplicações, e reduções adicionais podem resultar de temperaturas de funcionamento mais elevadas (acima de 85 °C). Lembre-se de que os condensadores de tântalo são suscetíveis a falhas causadas por sobrecorrente ou sobretensão, bem como por instalação inadequada. Os condensadores de tântalo não podem ser montados de qualquer forma devido à sua polaridade específica, que deve ser respeitada para evitar problemas de funcionamento. Por isso, preste muita atenção às marcações de polaridade e às condições de instalação (fluxo). Outra desvantagem dos condensadores de tântalo é o seu modo de falha; a rutura por avalanche provoca um curto-circuito. Os condensadores de tântalo/polímero são mais resistentes a isto devido à sua baixa ESR e à falta de sensibilidade à corrente de pico. Infelizmente, também são sensíveis à humidade, com cada condensador a apresentar um nível MSL de 3 ou superior (chegando até MSL 5). Por conseguinte, as condições de armazenamento, montagem e operação devem ser cuidadosamente monitorizadas. A última desvantagem dos condensadores de tântalo é a sua tensão de funcionamento relativamente baixa. Enquanto os condensadores MLCC e eletrolíticos têm tensões de funcionamento de várias centenas de volts ou mesmo kV, a tensão máxima de funcionamento dos condensadores de tântalo é de 125 volts.

Resumo:
Fatores como um projeto de circuito bem elaborado e a seleção criteriosa de condensadores de tântalo podem mitigar consideravelmente as suas desvantagens. São utilizados há décadas numa ampla variedade de áreas, desde dispositivos móveis de consumo a equipamentos de alta fiabilidade para naves espaciais. Apesar do seu tamanho reduzido, os condensadores de tântalo oferecem valores de alta capacitância e potência, sendo ideais para projetos com tamanho e peso limitados. São também uma escolha melhor quando se exige estabilidade de capacitância a longo prazo numa vasta gama de temperaturas e condições de circuito. Como referido anteriormente, estes produtos estão disponíveis em diversos formatos e com vários tipos de cátodo, oferecendo uma vasta gama de parâmetros que os tornam adequados para diversas aplicações.

Conteúdo produzido pela Transfer Multisort Elektronik Sp. z oo.