钽电容器可安全用于新设计吗?


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我听说它表明“固态钽”电容器很危险,可能会引起火灾,短路故障并且对非常短的过电压尖峰具有致命的敏感性。

钽电容器可靠吗?

它们在一般电路和新设计中使用安全吗?


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如果使用正确,钽电容器是安全的,在如今的新设计中,它只是一种愚蠢的选择。在多层陶瓷和固态铝之间,如今几乎没有理由在新设计中使用钽。
Olin Lathrop 2014年

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有人对此表示反对。有人将其作为教程问题,以在下面给出答案(这是创建教程的认可的Stack Exchange方法)。给定41个问题投票和54个答案投票,我建议唯一的拒绝投票者“有问题”。
罗素·麦克马洪

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我很早以前就这个问题和答案都提出了建议,但是这里有些人出于未知的原因而对这类问题提出了建议。正如您现在可能已经意识到的那样,一旦您获得了很高的声望,您就背上了一个目标,人们会出于最小的原因或“正因为如此”而拒绝您的帖子。例如,请参阅electronics.stackexchange.com/q/34745/4512。这是一个非常像这样的问题和答案,这个问题得到4个否决票,答案为1。幸运的是,这在整个销售代表中微不足道。只要这里的匿名投票是匿名的,这将继续。
奥林·拉斯罗普

Answers:


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摘要:

“正确使用”钽电容器是高度可靠的。
与传统的替代产品(如铝湿式电解电容器)相比,它们具有相对较低的内部电阻和较低的电感,具有单位体积电容高和去耦特性好的优点。

“捕获”位于限定词中“正确使用时”。
钽电容器具有故障模式,这种故障模式只能由“超过其额定值”的电压尖峰触发。当用于可为电容器提供大量能量的电路中时,故障会导致热失控,从而引起电容器的火焰和爆炸以及电容器端子的低电阻短路。

为了“安全”,必须确保对使用的电路进行了严格的设计,并且必须满足设计假设。这种“并非总是会发生”。
钽电容器在真正的专家手中或在不需要的电路中都“足够安全”,它们的优势使它们更具吸引力。诸如“ 固态铝”电容器之类的替代品具有类似的优势,并且没有灾难性的故障模式。

许多现代钽电容器都内置有保护机制,可实现各种类型的熔断,该机制旨在在电容器出现故障将其与其端子断开连接,并在大多数情况下限制 pcb炭化。 如果“何时”,“极限”和“多数”是可接受的设计标准,并且/或者您是设计专家,并且您的工厂总是做对了一切,并且您的应用环境总是被人们很好地理解,那么钽电容器可能是您的理想选择。 。


更长:

固态钽电容器有潜在的灾难等待发生。
确保满足其要求的严格设计和实现可以产生高度可靠的设计。如果始终保证您的现实情况不存在超出规格的例外情况,那么钽电容帽也可能对您有效。

一些现代钽电容器具有内置的缓解故障(相对于预防)机制。在对另一个堆叠交换问题的评论中, Spehro指出:

  • Kemet的聚合物钽瓶盖的数据表说(部分):“ KOCAP还表现出良性失效模式,可消除标准MnO2钽类型中可能发生的着火故障。”

    奇怪的是,在其他数据表中我找不到关于“点火失败”功能的任何信息。

固态钽电解电容器传统上具有故障模式,这使得它们在高能电路中的使用存在疑问,而高能电路无法或没有经过严格设计以消除施加电压超过额定电压超过很小百分比的任何可能性。

钽盖通常通过将钽颗粒烧结在一起以形成每体积具有大表面积的连续整体,然后通过化学工艺在外表面上形成薄介电层而制成。此处的“薄”具有新的含义-该层足够厚,可以避免在额定电压下击穿-并且足够薄,可以被不超过额定电压的电压完全击穿。对于例如10 V的额定上限,可以在玩俄罗斯轮盘赌的情况下立即施加15V尖峰的操作。与铝的湿电解盖不同,铝的湿电解盖会在氧化层被刺穿时自动愈合,而钽则倾向于不愈合。少量的能量可能会导致局部损坏并消除传导路径。在向盖提供能量的电路能够提供大量能量的情况下,盖能够提供相应的电阻低电阻短路,并且战斗开始。这会导致气味,烟雾,火焰,噪音和爆炸。我已经看到所有这些都在单个失败中顺序发生。首先,大约30秒钟有一种令人费解的难闻的气味。然后是一声嘶哑的尖叫声,然后是约5秒钟的火焰喷射,发出令人愉悦的低音,然后是令人印象深刻的爆炸。并非所有故障都可以令人满意。然后喷出约5秒钟的火焰,发出令人愉悦的嘶哑声,然后爆发出令人印象深刻的爆炸。并非所有故障都可以令人满意。然后喷出约5秒钟的火焰,发出令人愉悦的嘶哑声,然后爆发出令人印象深刻的爆炸。并非所有故障都可以令人满意。

在不能保证完全没有过电压的高能量尖峰的情况下(如果不是大多数电源电路,在许多情况下就是这种情况),使用钽固体电解电容将是良好的服务来源(或灾难部门)。根据Spehro的参考,Kemet可能已消除了此类失败的更令人兴奋的方面。他们仍然警告最小的过电压。

现实世界中的一些故障:

在此处输入图片说明

维基百科-钽电容器

  • 大多数钽电容器是极化设备,带有明显标记的正极和负极端子。当极性相反时(甚至短暂),电容器会去极化,并且介电氧化物层会击穿,即使稍后以正确的极性进行操作,也会导致其失效。如果故障是短路(最常见的情况),并且电流不限于安全值,则可能会发生灾难性的热失控(请参阅下文)。

Kemet-钽电容器应用手册

  • 阅读第15页的第79页,并在看不见的情况下走开。

AVX-固态钽和铌电容器的降额规则

  • 多年来,每当有人要求钽电容器制造商提供有关使用其产品的一般建议时,共识是“应至少施加50%的降额电压”。此后的经验法则已成为钽技术最流行的设计指南。本文将重新审视此声明,并在对应用程序有所了解的情况下解释为什么并非一定如此。

    随着近来铌和铌氧化物电容器技术的引入,降额讨论也扩展到了这些电容器系列。

Vishay-固态钽电容器常见问题解答

  • 。保险丝(VISHAY SPRAGUE 893D)和非保险丝(VISHAY SPRAGUE 293D和593D)标准钽电容器之间有什么区别?

    答:893D系列设计用于大电流应用(> 10 A),并采用“电子”熔断机制。... 893D保险丝不会在2 A以下“断开”,因为I2R低于激活保险丝所需的能量。在2至3 A之间,保险丝将最终激活,但是可能会发生电容器和电路板“充电”的情况。总之,893D电容器非常适合大电流电路,在大电流电路中,电容器“故障”会导致系统故障。

    893D型电容器将防止电容器或电路板“充电”,并且通常会防止可能与电容器故障相关的任何电路中断。电源两端的“短路”电容器会引起电流和/或电压瞬变,从而触发系统关闭。在大多数情况下,893D保险丝的激活时间足够快,可以消除过多的电流消耗或电压摆幅。

电容器指南-钽电容器

  • ...使用钽电容器的不利之处在于其不良的故障模式,可能导致热失控,火灾和小爆炸,但是可以通过使用外部故障保护设备(例如限流器或热熔断器)来防止这种情况。

多么大的灾难

  • 我在一家制造商,该制造商遇到无法解释的钽电容器故障。并非电容器只是在发生故障,而是故障是灾难性的,并使PCB(印刷电路板)无法修复。似乎没有任何解释。对于这种小型专用微型计算机PCB,我们没有发现任何误用问题。更糟糕的是,供应商指责我们。

    我在Internet上对钽电容器的故障进行了一些研究,发现钽电容器的芯块包含一些次要缺陷,必须在制造过程中清除这些缺陷。在此过程中,电压通过电阻器逐渐增加到额定电压加上保护带。串联电阻可防止不受控制的热失控破坏颗粒。我还了解到,在制造过程中在高温下焊接PCB会产生应力,该应力可能会导致颗粒内部出现微裂纹。这些微裂缝反过来可能导致低阻抗应用中的失败。微裂纹还会降低设备的额定电压,因此故障分析将表明经典的过电压故障。...


有关:

AVX-固态钽电容器的浪涌

固态钽电容器的失效模式和机理 -仅限 Sprague / IEEE摘要。-1963年生。

不同技术制造的钽电容器的AVX失效模式 -年龄?-2001年左右?

湿度对表面贴装固态钽电容器(在AVX协助下的NASA)的特性的影响 -大约在2002年?

赫斯特-如何发现假冒成分

有时很容易:-):

在此处输入图片说明


添加1/2016:

有关:

测试标准湿铝金属罐电容器的反极性。

简要:

对于正确的极性,电位可能为〜=接地。对于反极性,电位可能是施加电压的很大一部分。
根据我的经验,这是一个非常可靠的测试。

更长:

对于标准湿铝盖,我很久以前就发现了一种反向插入测试,在其他地方我从未见过,但众所周知。这适用于具有金属可以进行测试的盖子-由于增加了套筒的方式,大多数盖子的顶部中央都有一个方便的空白区域。

接通电路电源,并测量每个电容盖从地到罐的电压。用电压表--ve引线接地并在罐子周围拉一下,这是一个非常快速的测试。

  • 极性正确的电容几乎可以接地。

  • 极性相反的瓶盖在供应的某些部分具有罐头-可能~~~ = 50%。

以我的经验可靠地工作。

通常,您可以使用罐头标记进行检查,但这取决于预期的方向是否清楚。尽管在一个好的设计中这通常是一致的,但这是不确定的。


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出色而详尽的文章。
Spehro Pefhany 2014年

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+1代表“并非所有故障都可以令人满意……” :-)
TimH 2014年

2
您离最近的恐怖部门站有多远,他们的响应时间是多少?
Ben Voigt 2014年

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引用Kemet的话:“短路故障可能会因此转换为开路故障。” -说“设备会爆炸”的好方法。:)
Volker Siegel 2014年

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很好,我对钽的最大问题是,当钽倒装时,它们通常会存活很长时间。(我保守地使用tant,额定电压是施加电压的3-4倍。)这意味着产品可以通过测试,然后在现场失败。到目前为止,我们已交付的最长的延时“炸弹”是在5 V稳压器上安装了35V电缆……持续了五年(间歇运行),直到它散发出魔力的烟雾并触发了电话。
乔治·赫罗德

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随着紧凑,廉价的高价值(额定值为6.3、10、16V等,10uF及以上)X5R和X7R(合理的电介质)陶瓷电容器的出现,似乎没有太多理由考虑使用钽电容器了。

区别之一是钽电容的ESR约为欧姆。在某些LDO调节器上,这是一个优势,因为LDO不会像女妖一样摆动。在这种情况下,我宁愿使用陶瓷电容器和串联电阻。

在某些灵敏的模拟电路上,我认为钽可能比降低电容的陶瓷电容具有优于陶瓷电容的优势(由于压电活动,在陶瓷电容中)。


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考虑到最近的LDO(近10年左右)在设计时就考虑了陶瓷电容,并且通常在0 ESR输出电容时保持稳定。您必须注意,组织中的某人不会设法节省几百万美元,而是会获得便宜的一批老旧的LDO,这些LDO专为依赖于某些最低ESR的钽电容而设计。
Olin Lathrop 2014年

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一些旧的数据手册甚至都没有提到最低允许的ESR,大概是因为当时认为电容器太好是无法想象的。
Spehro Pefhany 2014年

8

使用它们的一个准则:如果在发生故障时严格限制流过上限的电流,请继续。

限于什么?我建议0.1A。我会很警惕使用它们去耦1A或更高的电源轨,并且不会亲自在10A电源上使用它们。(在那儿见过焰火;拉塞尔的照片并不夸张。)我必须说我没有确凿的证据证明真正“安全”的潮流,欢迎对这些数字发表评论。

但是模拟电路中的许多电源或偏置电压具有相对较高的源阻抗或严格限制的电流,我将在此处使用它们。


根据新(对我!)信息进行编辑...

至少有一家制造商提供了非常相似的包装以及数值和电压范围的氧化铌电容器。在这里所说的默示承认钽问题的默示中,数据表包含以下语句:“失败的OxiCap®不会烧坏类别电压”和一个可爱的小徽标。

在此处输入图片说明

[免责声明:我既未使用过这些电容器,也未尝试验证该声明!]


尽管失败可能没有“点火”功能那么强大,但我必须指出,这仍然是失败。但是,如果电流确实仅限于50-100mA,则可能不会失败。但这意味着它们在旁路应用中的使用非常有限。
Spehro Pefhany 2014年

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关于“为什么用钽代替大型MLCC”的简短说明:

具有X5R和类似电介质的MLCC的特征是0V偏置。但是,当以例如100%的额定电压运行时,有效差分容量可能仅为额定值(!)的10%。特别是具有高额定电压的非常小的电容在偏置时会显示容量的急剧下降。

例1:0402 MLCC,X5R,10µF,6.3V:大约3V时剩下3.5µF。

例2:0402 MLCC,X5R,2.2µF,25V:1.0µF(!)大约保持3V。

TDK的在线数据表很好地显示了这些数据。


将来请避免使用大段文字。阅读一系列小的文章要容易得多,并且更有可能获得投票。例如,“示例”可能是新段落的开始,从而使其在自身的内容和上下文中脱颖而出。
Sparky256 '16

尽管此答案提供了有用的信息,但它无法回答任何问题。它不在主题中作为答案,最好将其用作对其他答案之一的评论,或者作为对其他问题的答案。

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@pipe我认为这个答案是一个有用的补充。我们经常被告知,评论往往会随着时间的流逝而删除,理想情况下,评论中不应包含实质性内容。| 随着大容量陶瓷电容器的问世,在某些情况下,它们已成为钽电容的有吸引力的替代品-于尔根(Jurgen)指出了为什么它们不太适合替代替代品。
罗素·麦克马洪

@RussellMcMahon是否删除评论-这仍然无法回答问题。该站点上有一些直接与该问题有关的问题why Tantalum instead of large MLCCs。它应该张贴在这里,而不是无关的问题。

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仅限@pipe仅供参考- 这是已删除的问题,但我没有意识到您看不到。再次-仅供参考,以关闭循环。我不是要不同意您的意见或延长讨论的时间-实际上,我同意您的观点,他的说法是轶事。仅仅是他的“轶事”与我的“伙伴”相匹配,而一些同事则与之相称。为什么人们在我不知道的灾难潜伏的情况下使用和使用钽,但他对动机的某种不友好的分析似乎并不完全正确。
罗素·麦克马洪

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我这边还有一些其他建议:
是的,可以说钽盖很安全。
它们不仅用于消费者便携式设备的“恶劣”环境(笔记本电脑,智能手机-我从未听说过由于盖而引起智能手机起火),而且还用于诸如心脏起搏器,人工耳蜗或脊柱的医疗植入物中绳索刺激器。

在可靠性方面,工作电压的影响最大(远超过温度)。
根据以下NASA文件,加速因子为AF = exp {(V / VR-1)* 18.772}:https ://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20110015254.pdf

对于医用植入物,例如,Vishay建议的降额为40%(因此,对于10V,您将使用16V的电容,对于6V应用,则应使用10V的电容)。根据上式,寿命的增加是1140倍。

请 请务必牢记,没有不会失败的系统:唯一的问题是累积错误的时间。我在英飞凌做硕士论文。我想我可以记得,在安全要求严格的汽车系统中,以最大功率运行时,MOSFET在10.000小时内允许的故障率为10ppm。条件(温度和电压)


我不同意您的总体前提,但是您也不会说任何与我所说的相矛盾的技术性内容。您在开头声明他们是安全的,“有责任”误导那些没有足够深入地理解您的有用和清晰但又容易被公式忽略的人。[常数应该是〜= 18.8,而不是〜=18800。]含义是,在90%的额定电压下,Tcap的故障“加速率”为0.15,而在110%的额定电压下,AccRate = 6.5。当Vapplied从Vrated的90%变为100%时,变化系数为6.5 / 0.15 = 43:1。
罗素·麦克马洪

我的回答的前3段完全涵盖了您所说的有关专业用途和正确的“专家”设计的内容。我注意到,由于少量超出Vrated导致失败的风险大大增加,您引用的极其有趣且有用的论文证实了这一点。您的答案很有用,但许多人可以轻松阅读并得出与正确答案相反的结论。您建议的40%电压降额听起来很合理。(在V = Vr的60%时得到1825的改善,在Vr的50%时得到〜= 12,000的改善(在Vr的150%时得到+12,000的改善:-))。
罗素·麦克马洪

AF = exp {(V / VR-1)* 18.772}->更好地写成AF = exp [(V-VR)/VR*18.8],而(V / VR-1)的意思是((V / VR )-1),如std运算符优先级规则所示,在检查时可能会对此有所怀疑。| 同样,该常数最初写为“ 18,772”,其中“,”是小数点,即18.772或〜= 18.8。这可能是由于故意在国际站点上使用“,”作为逗号引起的。如果使用正确,提供的公式将非常有用且有趣。请注意,k的“真实”值可能会在大约10到28之间变化,而18.77是折衷的Mil Spec值。
罗素·麦克马洪

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可能在有限空间的应用中,晒黑效果更好,但仅此而已。如果可以的话,我会避免晒黑。普通零件会因排烟而失效。他们不喜欢高的开启电流浪涌,这使其成为大多数电源滤波的不佳选择。至少要使用最高电压部分。他们不喜欢会伤害自我修复的高湿度。陶瓷已经变得越来越好,可以在许多应用中代替陶瓷,有时铝也可以。


钽电容器发生短路故障。
user207421 '17

我就是这样说的。
罗伯特·恩德尔
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