Tìm hiểu về tụ điện tantalum

Tụ tantalum là gì?

TụTantalum là một nhánh con của tụ hóa. Loại tụ này được làm bằng kim loại tantalum hoạt động như một cực dương, được bao phủ bởi một lớp oxit hoạt động như chất điện môi, và được bao quanh bởi một cực âm dẫn điện. Việc sử dụng tantalum cho phép một lớp điện môi rất mỏng. Điều này dẫn đến giá trị điện dung cao trên mỗi đơn vị thể tích, đặc tính tần số vượt trội so với nhiều loại tụ điện khác và độ ổn định tuyệt vời theo thời gian. Các tụ điện Tantalum thường được phân cực, điều đó có nghĩa là chúng chỉ có thể được nối với nguồn DC theo đúng cực. 

Nhược điểm của việc sử dụng tụ điện tantalum là khi nó bị hỏng có thể dẫn đến sự thoát nhiệt, hỏa hoạn và vụ nổ nhỏ, nhưng điều này có thể được ngăn chặn thông qua việc sử dụng các thiết bị đảm bảo an toàn bên ngoài như bộ giới hạn dòng điện hoặc cầu chì nhiệt. Tiến bộ công nghệ cho phép tụ điện tantalum được sử dụng trong nhiều loại mạch, thường thấy trong máy tính xách tay, công nghiệp ô tô, điện thoại di động và các loại khác, thường là ở dạng thiết bị gắn trên bề mặt (SMD). Các tụ điện tantalum gắn trên bề mặt này tốn ít không gian hơn trên bảng mạch in và cho phép mật độ đóng gói lớn hơn.

Nét đặc trưng

Đặc điểm chung

Tụ Tantalum được chế tạo với các giá trị điện dung từ 1nF đến 72mF và chúng có kích thước nhỏ hơn nhiều so với tụ điện điện phân nhôm có cùng điện dung. Điện áp định mức cho tụ điện tantalum thay đổi từ 2V đến hơn 500V. Chúng có điện trở chuỗi tương đương (ESR) nhỏ hơn mười lần so với ESR của tụ điện điện phân nhôm, cho phép dòng điện lớn hơn đi qua tụ điện với lượng nhiệt sinh ra ít hơn. Tụ tantalum rất ổn định theo thời gian và điện dung của chúng không thay đổi đáng kể, đặc biệt là khi so sánh với tụ điện điện phân nhôm. Loại tụ điện này rất đáng tin cậy khi được xử lý đúng cách và thời hạn sử dụng của chúng hầu như không giới hạn.

Phân cực

Tụ điện Tantalum là thiết bị phân cực đặc biệt. Trong khi các tụ điện điện phân nhôm, cũng bị phân cực, có thể tồn tại một điện áp ngược được áp dụng trong thời gian ngắn, các tụ điện tantalum rất nhạy cảm với phân cực ngược. Nếu một điện áp phân cực ngược được áp dụng, oxit điện môi bị phá vỡ, đôi khi tạo thành một mạch ngắn. Sự cố ngắn mạch này sau đó có thể gây ra sự thoát nhiệt và phá hủy tụ điện.

Cần lưu ý rằng các tụ điện tantalum thường có đầu cực dương được đánh dấu, trái ngược với các tụ điện điện phân nhôm, có đầu cực âm được đánh dấu trên vỏ.

Kiểu sự cố

Tantalum tụ có kiểu sự cố nguy hiểm tiềm tàng. Trong trường hợp điện áp tăng vọt, cực dương tantalum có thể tiếp xúc với cực âm mangan dioxide, và nếu năng lượng của gai spike tăng lên, nó có thể bắt đầu phản ứng hóa học. Phản ứng hóa học này tạo ra nhiệt và tự duy trì và có thể tạo ra khói và lửa. Để ngăn chặn sự thoát nhiệt này xảy ra, các mạch an toàn bên ngoài như bộ giới hạn dòng điện và cầu chì nhiệt nên được sử dụng kết hợp với tụ điện tantalum.

Cấu tạo và tính chất của tụ điện tantalum

Tụ điện Tantalum, giống như các tụ điện điện khác, bao gồm cực dương, chất điện phân và cực âm. Cực dương được cách ly với cực âm nên chỉ có dòng điện một chiều rò rỉ rất nhỏ có thể chạy qua tụ điện. Cực dương được làm bằng kim loại tantalum tinh khiết. Kim loại được nghiền thành bột mịn và thiêu kết thành dạng viên ở nhiệt độ cao. Điều này tạo thành một cực dương rất xốp với diện tích bề mặt cao. Một diện tích bề mặt cao trực tiếp chuyển thành giá trị điện dung tăng.

Cực dương sau đó được phủ một lớp oxit cách điện, hoạt động như một chất điện môi. Quá trình này được gọi là anodization. Bước này phải được kiểm soát chính xác để giảm dung sai và đảm bảo giá trị điện dung chính xác vì mức độ tăng trưởng của oxit xác định độ dày điện môi.

Chất điện phân được thêm vào cực dương bằng phương pháp nhiệt phân trong trường hợp tụ điện tantalum rắn. Các tụ điện tantalum rắn sau đó được nhúng vào một dung dịch đặc biệt và nung trong lò để tạo ra lớp phủ mangan dioxide. Quá trình này được lặp lại cho đến khi có lớp phủ dày trên tất cả các bề mặt bên trong và bên ngoài của viên. Cuối cùng, các viên được sử dụng trong các tụ điện tantalum rắn được nhúng vào than chì và bạc để cung cấp một kết nối cực âm tốt. Trái ngược với tụ điện tantalum rắn, tụ điện tantalum ướt sử dụng chất điện phân lỏng. Sau khi cực dương được thiêu kết và lớp điện môi được phát triển, nó được nhúng vào chất điện phân lỏng trong vỏ bọc. Vỏ và chất điện phân cùng nhau đóng vai trò là cực âm trong các tụ điện tantalum ướt.

Các ứng dụng cho tụ điện tantalum

Các ứng dụng sử dụng tụ điện tantalum tận dụng dòng rò thấp, công suất cao và độ ổn định và độ tin cậy lâu dài. Ví dụ, chúng được sử dụng trong các mạch giữ mẫu và giữ dựa trên dòng rò thấp để đạt được thời gian giữ lâu. Chúng cũng thường được sử dụng để lọc cung cấp điện trên bo mạch chủ máy tính và điện thoại di động do kích thước nhỏ và độ ổn định lâu dài, thường là ở dạng gắn trên bề mặt. Tụ tantalum cũng có sẵn trong các phiên bản thông số kỹ thuật quân sự (MIL-SPEC), cung cấp dung sai chặt chẽ hơn và phạm vi nhiệt độ hoạt động rộng hơn. Chúng là sự thay thế phổ biến cho chất điện phân nhôm trong các ứng dụng quân sự vì chúng không có xu hướng bị khô và thay đổi điện dung theo thời gian. Điện tử y tế cũng dựa vào tantalum vì tính ổn định cao. Bộ khuếch đại âm thanh đôi khi sử dụng tụ điện tantalum trong đó sự ổn định là một yếu tố quan trọng.