Каждая технология преследует свои собственные интересы и имеет свои слабые и сильные стороны. Тантал в электролитических конденсаторах занимает особую нишу.
Танталовые конденсаторы: в сердцевине технологий
Если рассматривать такие характеристики, как эквивалентное последовательное сопротивление (Equivalent Series Resistance, ESR) и токи утечки, то пленочные и керамические конденсаторы смотрятся явно лучше, чем танталовые или, например, алюминиевые (табл. 1). А если мы обратим внимание на срок службы и способность выдерживать жесткие условия внешней среды, то танталовые, пленочные и керамические конденсаторы имеют показатели гораздо выше, чем алюминиевые. Эта особенность привела к тому, что, например, алюминиевые конденсаторы запрещены ЕКА (Европейское космическое агентство) для использования в космической технике. С другой стороны, существует два параметра, по которым алюминиевые и танталовые (танталовые объемно-пористые) смотрятся гораздо привлекательнее, чем пленочные и керамические, а именно по таким параметрам, как удельная энергоемкость (плотность энергии на единицу объема) и относительная стоимость (€/Ф).
В самом деле, по этим двум параметрам танталовые конденсаторы (ТК) хоть и выглядят гораздо лучше, чем пленочные и керамические, все же они еще очень далеки от алюминиевых. И это ставит ТК в некоторое «промежуточное» положение среди упомянутых технологий.
Пути совершенствования
Поскольку такие параметры, как относительная стоимость и удельная энергоемкость, являются связанными между собой, то вполне логично, что потребитель остановит свой выбор именно на ТК, ибо он всегда хочет получить как можно больше, и это в полной мере относится к указанным параметрам. В итоге у потребителя появляется возможность миниатюризировать свои проекты, снизив, соответственно, их стоимость. А если обратить внимание на объемно-пористые ТК, то становится очевидным, что многие проекты могут быть реализованы с оптимальным соотношением этих специфических характеристик в конечных продуктах.
Если обратить внимание на двух крупных американских производителей, то обе компании используют своего рода гибридные технологии, позволяющее, например, получить емкость до 750 мкФ с рабочим напряжением 75 В в корпусе Т4 (типоразмер класса MIL) из типоразмеров CLR 79.
Компания Exxelia Firadec предпочла иной путь. В итоге значительный успех имело семейство конденсаторов ST79, номинальная емкость которых была ограничена 470 мкФ для рабочего напряжения 75 В. Эти конденсаторы были сертифицированы для использования в космической технике и включены в предпочтительный перечень элементов ЕКА–EPPL (ESA Prefered Part List, EPPL). Впрочем, это касается вовсе не оксидно-полупроводниковых танталовых конденсаторов. Чтобы стать потенциальным лидером в этом направлении, компании Exxelia Firadec необходимо было увеличить максимальное значение номинальной емкости конденсаторов, что и было достигнуто в случае с устройствами семейства WT83. Их номинальная емкость вдвое выше по сравнению с конденсаторами ST79, что делает их более конкурентно-способными. Сравнение этих новых конденсаторов с конкурентными продуктами показано на рис 1.
Рис. 2. Характеристики предлагаемых объемно-пористых ТК, выпускаемых компанией Exxelia Firadec
Серия ТК WT83 позволяет Exxelia Firadec практически на 30% повысить уровень номинальной емкости для нескольких рабочих напряжений. Кроме того, инновационные технологии должны позволить компании совершить еще один рывок в этом направлении в ближайшие три года, а также выпустить высокотемпературную версию рассмотренной серии высокоемкостных конденсаторов с рабочей температурой до +200 °C.
Соотношение емкость/рабочее напряжение изделий компании Exxelia Firadec представлено на рисунке 2.
Применение ТК для проектирования вторичных шин питания космических аппаратов
Общий источник питания (ИП) в космических аппаратах (КА), например спутниках, как правило, представляет собой мощный DC/DC-преобразователь с двумя шинами. Одна шина является первичной и обычно характеризуется высоким рабочим напряжением, а вторая является вторичной и рассчитана на более низкие напряжения (10–100 В). На этом вторичном уровне некоторые его особенности требуют применения конденсаторов, но наиболее важной функцией является фильтрация выходного напряжения — как основного, так и вторичного. Для реализации этой функции, поскольку алюминиевые конденсаторы для использования в космической технике из-за сброса давления и надежности запрещены, могут быть использованы только три технологии изготовления конденсаторов:
- керамические;
- пленочные;
- танталовые (оксидно-полупроводниковые или объемно-пористые, в зависимости от имеющихся ограничений).
Керамические и пленочные конденсаторы имеют свои преимущества, такие как малое эквивалентное последовательное сопротивление ESR, возможность выдерживать обратное напряжение и безопасность при отказе.
Но, как уже было сказано, ТК имеют два основных преимущества, которые делают их основным и наилучшим решением во многих случаях: удельная энергоемкость (табл. 2) и относительная стоимость.
Для фильтрации выходного напряжения в большинстве случаев требуются конденсаторы большой емкости (например, в несколько десятков миллифарад). Таким образом, это означает, что необходимо использовать большое количество пленочных или керамических конденсаторов, которые будут занимать значительную площадь на печатной плате. В результате фильтрация выходного напряжения в этой конфигурации становится чересчур дорогой и громоздкой.
Большинство конструкторов при проектировании сталкивается с тем, что рабочее напряжение ТК не превышает 100 В для оксидно-полупроводниковых с твердым электро-литом и 150 В для объемно-пористых с жидким электролитом (рис. 3).
В 2014 г. компания Exxelia Firadec исследовала данную тему, и ее специалистам удалось найти выход из сложившейся ситуации. Чтобы получить, как минимум, те же характеристики конденсаторов, рассчитанных на рабочее напряжение в 150 В, но при более высоких напряжениях (пусть даже при определенных ограничениях в части условий эксплуатации), был использован весь наколенный годами опыт целого ряда подразделений Exxelia. Например, поставленная задача могла быть реализованной для более узкого диапазона рабочих температур, но с более высоким коэффициентом использования объема конденсатора. Все это, в итоге, привело к разработке нескольких новых конденсаторов в корпусах различных типоразмеров, которые соответствуют T3 и T4 по стандартам MIL (рис. 4, табл. 3).
Емкость рассматриваемых конденсаторов:
- 33 мкФ 160 В в корпусе C;
- 47 мкФ 160 В в корпусе D;
- 82 мкФ 160 и 170 В в корпусе D.
Учитывая необходимый запас по рабочему напряжению для КА, это позволяет проектировщикам использовать такие конденсаторы до рабочего напряжения в 100 В (100/0,6 = 168,5 В).
Рис. 5. Типовая блок-схема DC/DC-преобразователя
Доказательство длительного срока службы новых конденсаторов
Приведенные выше характеристики — это лишь первый шаг на пути к достижению максимально высокой надежности. В данном случае проведенные испытания показали отличную стабильность конденсаторов после 1000 ч наработки в ходе испытаний на срок службы (табл. 4).
Кроме того, есть еще интересные теоретические расчеты. В реальной практике мы используем формулы, которые были разработаны для стандартов MIL, их также иногда использует и Европейский координационный комитет по компонентам для КА — ESCC. Таким образом, у нас есть возможность вычислить интенсивность отказов:
FR = 3 × πT × πV × πC × πE × πq × 10 -9/ч,
где коэффициенты имеют следующий смысл: πT — влияние температуры; πV — влияние напряжения; πC— емкость конденсатора; πE — окружающие условия эксплуатации; πq— квалификационный коэффициент, класс элемента.
Зададим максимальную температуру в +70 °С, что является обычным для КА. Тогда:
πT = exp (1,8 × (T/Tmax)²) = exp (1,8) = 6,05;
πV = exp (Up/Ur)² = exp (0,6)² = 1,43;
πC = 1,2, что соответствует конденсатору емкостью в 82 мкФ; πq= 2, поскольку этот элемент не сертифицирован как изделия для КА (0,5 — если бы был сертифицирован); πE= 0,5 для орбитального КА (спутника) или 20 для космического ракетоносителя.
Отсюда имеем:
- FR = 31 × 10-9/ч для орбитального спутника;
- FR = 12,4 × 10-7/ч для космического ракетоносителя.
Это соответствует предполагаемому сроку службы в 32 300 тыс. ч для орбитального космического аппарата и 806 000 ч для космического ракетоносителя.
Конечно, эти цифры являются сугубо теоретическими. Такие большие сроки службы достаточно трудно доказать экспериментально, но все же эти результаты являются достаточно информативными для оценки поведения описываемых изделий в устройствах космического назначения.
Такие же, как и для всех иных сертифицированных для использования в космической промышленности продуктов, Exxelia Firadec может применить к предлагаемым конденсаторам 100%-й контроль по правилам Европейского космического агентства (ЕКА) и соответствующие приемо-сдаточные испытания (ПСИ), в том числе по программе, включающей различные проверки и тесты (схема на рис. 6).
Таким образом, благодаря новым высоковольтным объемно-пористым танталовым конденсаторам WT82 компании Exxelia Firadec оборудование для космоса можно будет сделать менее габаритным и более дешевым.
Рис. 6. Схема приемо-сдаточных испытаний по ESCC (Общие технические условия № 3003)
