Коварный тантал

Недавно мне пришлось в оче­ред­ной раз стол­к­нуть­ся с про­б­ле­мой тан­та­ло­вых элек­тро­ли­ти­че­ских кон­ден­са­то­ров. На­пом­ню, ес­ли кто не в кур­се, чем они от­ли­ча­ют­ся от при­выч­ных алю­ми­ни­е­вых элек­т­ро­ли­тов. Преж­де все­го, ра­бо­чим тем­пе­ра­тур­ным ди­а­па­зо­ном, мень­ши­ми то­ка­ми утеч­ки и низ­ки­ми ди­э­лек­т­ри­че­ски­ми по­те­ря­ми. Ес­ли алю­ми­ни­е­вые элек­т­ро­ли­ты мо­гут на пре­де­ле воз­мож­но­стей ра­бо­тать до –40°C, то тан­та­ло­вые вы­дер­жи­ва­ют вплоть до –60°C при не­зна­чи­тель­ном умень­ше­нии ем­кос­ти (до 5%).

Современные танталовые конденсаторы 33,0 мкФ, рассчитанные на рабочее напряжение в 10 Вольт — TAJC336M010RTX производства AVX Corp.

 

Почему их не применяли везде, где только можно? Ответ простой — цена. Танталовый электролитический конденсатор стоит раз в 10 дороже обычного алюминиевого. Для производства требуется конструкция на основе редкоземельного элемента, помещенная в более надежный и устойчивый к внешним воздействиям корпус. Со­вре­мен­ные ста­ра­те­ли с удо­воль­ст­ви­ем скупают танталовые конденсаторы в любых количествах, зачастую, именно из-за корпуса: некоторые со­вет­ские электролиты (например, К52-1) изготавливались в корпусах с содержанием серебра до 90%.

По моим наблюдениям, танталовые конденсаторы ЭТО и К52-1 лет 15, а то и 20 не меняют своих свойств. Если вре­мя бе­рет своё — тут начинаются сюрпризы. При старении у обычного алюминиевого конденсатора умень­ша­ет­ся ем­кость, или уве­ли­чи­ва­ет­ся утечка, или окис­ля­ют­ся до без­об­ра­зия выводы, у тан­та­ло­вого — без ви­ди­мых на то причин про­с­то возникает внутреннее короткое замыкание.

Последствия нетрудно предугадать, так как основное назначение электролитических конденсаторов — это ис­поль­зо­ва­ние в цепях питания и развязывающих фильтрах. Встречается, правда, ситуации, когда элек­тро­ли­ти­че­ские кон­ден­са­то­ры ус­та­нов­ле­ны во вре­мя­за­да­ю­щих цепях, но это считается дурным тоном.

Случай с УКВ радиоприемником

Недавно у меня произошел очередной отказ, виновником которого стал старый танталовый конденсатор. Я купил ста­рый советский УКВ-радиоприемник для радиоразведки Р313М2, который давно напрашивался в мою коллекцию. Про­дав­ца я знаю не первый год, человек порядочный, никогда меня не обманывал и не подводил. Приемник анон­си­ро­вал­ся как ра­бо­чий. И вот приношу я сей аппарат домой, включаю, и тишина… Никакой реакции на органы управления.

У меня за годы работы с техникой выработалось правило — там, где это возможно всегда использовать ограничение то­ка или защиту по току, поэтому перед первым выключением на внешнем блоке питания я выставил предел в 2А. В при­ем­ни­ке на входе стоит ком­пен­са­ци­он­ный стабилизатор напряжения на 10V с проходным транзистором П210 ус­та­нов­лен­ным на лицевой панели приемника. Этот стабилизатор питает двухтактный преобразователь для по­лу­че­ния не­об­хо­ди­мых на­пря­же­ний питания всех узлов приемника. Я подумал, что не хватает тока для запуска пре­об­ра­зо­ва­те­ля, и увеличил ток защиты до 5 Ампер. Больший ток мой блок питания выдать не может. Результат тот же. Тогда я по­нял, что есть неисправность в блоке питания приемника.

Фрагмент схемы питания УКВ-радиоприемника Р313М2 для радиоразведки

Фрагмент схемы питания УКВ-радиоприемника Р313М2 для радиоразведки

Блок питания конструктивно установлен в приемнике на разъеме и легко извлекается. Отрадно, что старичок П210А (ПП34) выдержал пятиамперные издевательства с моей стороны и даже не нагрелся. После недолгих манипуляций с тестером, была найдена точка короткого замыкания и, как оказалось, виновником оказался конденсатор С206 (указан на схеме красной стрелкой). Это был электролитический конденсатор типа ЭТО-2 на 400 мкФ 15В. И стоит он как раз в цепи фильтрации напряжения, питающего импульсный двухтактный преобразователь. Добраться к нему было совсем непросто.

Электролитический конденсатор емкостью 400,0 мкФ на 15В серии ЭТО-2

Электролитический конденсатор емкостью 400,0 мкФ на 15В серии ЭТО-2

Вынимать конденсатор из платы было тоже нелегко, так как он был намертво приклеен к плате эпоксидной смолой. Я обратил внимание, что адгезия (сила сцепления) краски конденсатора со смолой была выше, чем с кор­пу­сом са­мо­го кон­ден­са­то­ра.

Сила сцепления краски конденсатора со смолой была выше, чем с корпусом самого конденсатора

 

И еще было видно, что из конденсатора вытек электролит и запачкал весь отсек.

Из конденсатора вытек электролит

 

Это фото сделано уже после того, как отсек был очищен от загрязнения. При измерении сопротивления конденсатора я увидел следующее.

Измерение сопротивления конденсатора

 

Комментарии, как говорится, излишни. Пробит наглухо.

Конденсаторов ЭТО-2 у меня уже давно нет, было решено поставить связку из трех более современных, и, со­от­вет­ст­вен­но, более свежих «танталов» К52-1 на 100,0 мкФ х 35В. В сумме получилось 300,0 мкФ, но в данном случае это до­пус­ти­мо: у родного конденсатора был допуск ±20%. Современную маркировку всегда нужно ве­ри­фи­ци­ро­вать по при­бо­рам, что и было сделано на китайском тестере Т4.

Измерение параметров конденсаторной сборки с помощью китайского тестера Т4

 

Результаты измерений меня удовлетворили, показатель утечки в 0,4% очень хороший. Для сравнения, у подавляющего количества современных новых алюминиевых электролитов этот показатель колеблется от 1% до 2,5%. Конденсаторы были изготовлены в декабре 2006 года, значит прослужат еще лет десять, а там видно будет.

После окончательной сборки приемник ожил и устойчиво заработал на всех диапазонах. Вот так выглядит приемник во включенном состоянии.

 УКВ-радиоприемник для радиоразведки Р313М2

Практические выводы

Из практики применения танталовых конденсаторов в импульсных блоках питания на­пра­ши­ва­ет­ся оче­вид­ный вы­вод: всег­да нужно брать более, чем двукратный запас по напряжению. Стоит также избегать больших номиналов ём­кос­ти в од­ном из­де­лии — лучше включить параллельно несколько конденсаторов меньшего номинала. Если ис­точ­ник пи­та­ния, к примеру, на 12В то на выходе «тантал» лучше ставить на 25В, а не на 16В, как может показаться. Проверено.

Особенно тщательно следует выбирать современные SMD-конденсаторы. У них огромное раз­но­об­ра­зие ти­пов, при­чем пол­ное название изделия доступно только на упаковке. В итоге, может оказаться, что вы ставите в схему кон­ден­са­тор, ко­то­рый не годится для данных условий эксплуатации.

Ошибка — и «тантал» при первом же включении буквально горит синим пламенем. На мон­таж­ни­ков гре­шить не стоит — по­ляр­ность и но­ми­на­лы как и должно быть. Просто в импульсных схемах при выборе танталовых SMD-кон­ден­са­то­ров нуж­но ру­ко­вод­ст­во­вать­ся гра­фи­ком допустимого рабочего напряжения и реального напряжения в схеме, причем, для раз­ной ём­кос­ти гра­фи­ки разные.

А еще лучше применять конденсаторы определённого типа. Если вместо конденсаторов серии TPS фирмы AVX, ус­та­но­вить конденсаторы TAJ того же производителя, то стоит принять во внимание, что TPS при том же рабочем на­пря­же­нии имеют в два раза большие габариты по высоте и соответственно большую стоимость и ре­ко­мен­до­ва­ны для ра­бо­ты при импульсных нагрузках.

Кое-кто объясняет возгорание «тантала» тем, что у него малые величины эквивалентного по­сле­до­ва­тель­но­го со­про­тив­ле­ния и при быстрой перезарядке конденсатора внутри него возникают огромные пиковые токи. Бороться с этим яв­ле­ни­ем предлагается путем последовательного включения с конденсатором резистора сопротивлением 0,1-0,5 Ом. Такое умышленное увеличение ESR не совсем правильно (за что боролись?). Тут, по моему мнению, дол­жен быть ком­про­мисс меж­ду емкостью, стоимостью и габаритами. И, конечно, надо подбирать тип конденсатора со­глас­но спра­воч­ным дан­ным. Танталовые емкости вольного обращения не прощают.