Condensatori polimerici al tantalio: Un'interessante alternativa ai condensatori al tantalio convenzionali?

 dJuergen Geier, Field Application Engineer Ceramic Capacitors, Rutronik
I condensatori polimerici al tantalio sono stati costantemente migliorati e ottimizzati allo scopo di soddisfare le esigenze di applicazioni sempre più piccole e di conseguenza i requisiti relativi al layout, alla riduzione della resistenza interna (ESR) e all’aumento della capacità. Sono quindi diventati una vera e propria alternativa ai condensatori al tantalio convenzionali?
L’unica differenza tra un condensatore polimerico al tantalio e un condensatore al tantalio convenzionale è il catodo: Al posto di MnO2 (biossido di manganese), il primo utilizza un polimero altamente conduttivo (si veda la Figura 1).

Figura 1: Differenza fra un condensatore convenzionale e un condensatore polimerico al tantalio: Quest’ultimo fa uso di un polimero al catodo (in rosso) invece di MnO2 (in blu). (Fonte dell’immagine: Rutronik)

 
A differenza del MnO2, questo strato di polimero non possiede un atomo di ossigeno e di conseguenza offre un vantaggio determinante: non potendo rilasciare ossigeno anche nella peggiore delle ipotesi, è pressoché completamente escluso il rischio di combustione in caso di sovraccarico. I condensatori polimerici al tantalio offrono quindi una maggiore affidabilità e la relativa deriva di tensione tipica è di appena il 20%. Oltre che da una resistenza interna (ESR) significativamente più bassa, questa tecnologia è anche caratterizzata da un intervallo di tensioni nominali che arriva fino a 125V ed è di conseguenza interessante per le applicazioni caratterizzate da una tensione operativa fino a 100V. Grazie alla loro elevata efficienza volumetrica, è possibile ottenere valori molto più elevati di capacità (fino a 1.500µF) in rapporto alle dimensioni, rispetto a quanto è attualmente possibile con un condensatore ceramico. Gli effetti piezoelettrici e la sensibilità alla rottura sono inoltre  impossibili con i tipi di materiali polimerici.

Longevità

Un altro vantaggio dei condensatori polimerici al tantalio: grazie alla loro struttura, la loro longevità è praticamente illimitata. Questo perché, diversamente dai condensatori elettrolitici in alluminio, essi sono costituiti esclusivamente da materiali solidi senza effetti di essiccamento, che potrebbero avere un impatto negativo sulla loro durata.
Non essendoci praticamente alcun limite di longevità per i condensatori polimerici, è possibile calcolare un tasso di errore per questa tecnologia: quest’ultimo è influenzato dai seguenti fattori.

  • Tasso di errori di base
  • Deriva di tensione
  • Temperatura ambiente
  • Resistenza serie del circuito

Se questi fattori sono noti, è possibile chiaramente determinare il tasso di errore.
Nel frattempo, alcuni dei condensatori polimerici al tantalio sono stati qualificati anche secondo AEC-Q200, garantendo la loro idoneità per le applicazioni automotive.

Riduzione dell’ingombro e dei costi

Quando si utilizzano i condensatori convenzionali, diversi condensatori sono spesso collegati in parallelo con l’obiettivo di ridurre l’ESR. Grazie al loro bassissimo valore di ESR, i condensatori polimerici al tantalio forniscono l’opportunità di raggiungere il valore desiderato con un solo componente. Essendo necessario mantenere bassa la deriva di tensione  (generalmente del 20%), nella maggior parte dei casi è sufficiente un valore più basso di tensione nominale. In relazione ai parametri richiesti, è quindi possibile selezionare il formato successivamente più piccolo e ridurre ulteriormente il numero dei componenti.
La Figura 2 mostra tre condensatori tantalio standard, ciascuno con una ESR di 75mOhm, connessi in parallelo per ridurre l’ESR complessiva a 25mOhm. In questo esempio, un unico condensatore polimerico al tantalio può già raggiungere l’ESR desiderata. Tuttavia, il discorso vale solo se l’ESR è l’unico parametro di interesse in questo contesto.
Inoltre, occorre stabilire se il circuito richiede una rispettiva corrente di ripple, che ha un effetto diretto sull’ESR,o se è richiesta una capacità minima per il corretto funzionamento dell’applicazione. Nell’esempio precedente, l’ESR è prioritaria. Utilizzando la tecnologia dei condensatori polimerici al tantalio, questo valore di ESR può già essere ottenuto con una capacità inferiore.
 

Figura 2: Un condensatore polimerico al tantalio può sostituire tre condensatori al tantalio convenzionali – con un ingombro notevolmente inferiore. (Fonte: Rutronik)

Nel caso in cui la tensione di esercizio sia di 5V, è possibile utilizzare un condensatore di tipo polimerico da 6,3V, grazie alla  bassa deriva di tensione dopo il collaudo tecnico.
Ciò significa che sostituendo i condensatori convenzionali con i condensatori polimerici al tantalio, è possibile ridurre i costi degli apparecchi e i costi complessivi, oltre ad ottenere la miniaturizzazione richiesta in molti casi. Di conseguenza, la tecnologia polimerica fornisce agli sviluppatori nuove possibilità per migliorare ulteriormente le proprie applicazioni. Per sfruttare appieno il potenziale di questa tecnologia, i progetti esistenti potrebbero richiedere un re-design. Ogni caso deve essere analizzato separatamente per valutare i relativi potenziali di ottimizzazione. Fondamentalmente, è necessario considerare con attenzione le regole di progettazione dei singoli fornitori per poter ottenere applicazioni affidabili nel lungo termine.

Redazione Fare Elettronica