Derating of tantalum capacitors
Мы уже как-то обсуждали как по-инженерному определять номинальное напряжение керамического конденсатора. А что на счет танталовых?
Танталовые конденсаторы вообще очень чувствительны к overvoltage и весьма эффектно взрываются, даже при небольшом перенапряжении.
Наиболее частый и простой совет от опытных инженеров или даже от производителей - используйте тантал с номинальным напряжением в 2 раза больше, чем ваше рабочее напряжение.
Т.е. рабочее напряжение должно быть 50% от номинального напряжения танталового конденсатора. Это простой, но упрощенный ответ на вопрос. А потому, всеми любимый и популярный.
Но точно ли значение 50% всегда применимо? А можно выбрать 60%?
А есть смысл снижать до 40%, чтоб вот прям наверняка?
Честный инженерный ответ на все эти вопросы: "это зависит". И в этой статье я попробую разобраться от чего же именно это зависит.
Основные факторы
Вообще, если отбросить тот факт, что они красочно взрываются от перенапряжения или перепутанной полярности, то танталовые конденсаторы - классные ребята. У них хорошая стабильность емкости, долгое время жизни, низкие токи утечки.
Поэтому их используют в девайсах, которые эксплуатируются в жестких условиях (военка например), в портативной электронике, где нужно экономить заряд батареи или просто в компактных устройствах, где нужна высокая емкость. Часто их можно увидеть на выходе DC-DC конверторов или драйверов моторов.
И даже конденсатор работает на чистейшем напряжении в 24В, без каких либо помех или импульсов, то это не значит, что можно использовать тантал с номиналом 25В.
Рабочее напряжение на тантале влияет на следующие параметры:
Время жизни
Вообще, я не часто видел, чтоб Hardware инженер занимался расчетом надежности конденсатора или каких-либо других электронных элементов, а тем более всего устройства. Обычно для этого есть специальные люди, которые считают какие-то там коэффициенты, перемножают их на количество слоёв на плате, количество переходных отверстий и так далее.
Если ваша компания не обладает такой роскошью, то время жизни тантала можно рассчитать по формуле из MIL-STD 317:
Как видно, время жизни зависит от сопротивления нагрузки (FR), температуры (FT) и номинального напряжения (FU).
А если быть точнее, то коэффициент FU зависит не просто от номинального напряжения, а от соотношения рабочего напряжения (operating voltage) к номинальному (rated voltage).
Вот это соотношения Voperating/Vrated называется voltage derating.
Влияние этого соотношения на коэффициент FU, можно сказать, логарифмическое:
Для наглядности, можно посмотреть ниже, как меняется время жизни конденсатора, если снизить его derating (Ur в этой таблице) со 100% до 50%. Только учтите, что эти расчеты сделаны для определенной серии конденсаторов от KEMET и могут отличаться для других.
Таким образом, с помощью небольшого расчета вы можете прикинуть, действительно ли вам нужны эти 50% или для вашей задачи подойдет и 80%.
Импульсный ток
Максимальный импульсный ток, который тантал может пропускать через себя зависит от его номинального напряжения. Чем оно больше, тем больше тока он способен пропустить.
Импульсный ток случается как во время overvoltage, так и во время подачи напряжения. Как посчитать его - отдельный вопрос, описанный в этой статье, и может получиться так, что если у вас протекает большой импульсный ток, то даже 50% derating может быть недостаточно. А если маленький, то и 80% хватит.
Токи утечки
То, что конденсаторы могут разряжать батарею, как-то не часто вспоминается при разработке портативных устройства. Тем не менее, свой вклад они вносят и могут сократить ожидаемое время работы девайса.
Ток утечки танталов, как и у многих других конденсаторов, тоже зависит от приложенного напряжения. И если нет возможности влиять на рабочее напряжение, то можно подобрать конденсатор с большим номинальным напряжением. Ну или как мы уже говорили, снизить derating.
В таблице ниже приведеy пример для тантала с номинальным напряжением 10В.
Как видно, разница между токами утечки при 50% и 100% derating составляет 4 раза. Между 50% и 33% - 1.5 раза.
Танталовые полимерные конденсаторы
Помимо обычных конденсаторов, существует еще такой подвид как "танталовые полимерные" конденсаторы. Они обладают меньшей горючестью, меньшей капризностью и большей надежностью, по сравнению с обычными (Нобиум Оксидных) танталами.
Для некоторых из них рекомендуемый derating является не 50%, а целых 90%!
Поэтому, как говорится, запас 2 раза запасу в 2 раза рознь! Ситуации бывают разные, виды и серии конденсаторов тоже.
Источники
[1] - Tantalum Capacitor
[2] - Hongda Capacitors - Application Guidelines For Tantalum Electroilytic Capacitors
[3] - Hongda Capacitors - QUESTIONS AND ANSWERS
[4] - AVX - Voltage Derating Rules for Solid Tantalum and Niobium Capacitors
[5] - KEMET Webinar | Component Basics Tantalum Capacitors
[6] - AVX - Tantalum Wet Electrolytic Capacitor Technical Summary and Application Guidelines