vínculo=https://en.wikipedia.org/wiki/File:Nb-SMD-Electrolytic_capacitors.png|miniaturadeimagen|Condensadores electrolíticos de niobio SMD tipo chip Un condensador electrolítico de niobio (históricamente también condensador de columbio) es un condensador electrolítico cuyo ánodo (+) está formado por niobio metálico pasivado o monóxido de niobio, sobre el que actúa como dieléctrico una capa aislante de pentóxido de niobio. Un electrolito sólido en la superficie de la capa de óxido sirve de cátodo (-) del condensador.
Los condensadores de niobio están disponibles en formato SMD y compiten con los condensadores de chip de tantalio en determinados valores de tensión y capacidad. Están disponibles con un electrolito sólido de dióxido de manganeso.
Como la mayoría de los condensadores electrolíticos, los condensadores de niobio son componentes polarizados. Las tensiones inversas o las corrientes de ondulación superiores a las tolerancias especificadas pueden destruir el dieléctrico y, por tanto, el condensador; el cortocircuito resultante puede provocar un incendio o una explosión en las unidades más grandes.
Los condensadores de niobio se desarrollaron en Estados Unidos y la Unión Soviética en la década de 1960. Desde 2002 se comercializan en Occidente, aprovechando el menor coste y la mayor disponibilidad del niobio en comparación con el tantalio.
Información básica El niobio es un metal hermano del tantalio. El niobio tiene un punto de fusión (2744 °C) similar al del tantalio y presenta propiedades químicas parecidas. Los materiales y procesos utilizados para producir condensadores dieléctricos de niobio son esencialmente los mismos que para los actuales condensadores dieléctricos de tantalio. Sin embargo, el niobio como materia prima es mucho más abundante en la naturaleza que el tantalio y es menos costoso. Las características de los condensadores electrolíticos de niobio y de los condensadores electrolíticos de tantalio son prácticamente comparables.
Los condensadores electrolíticos de niobio pueden fabricarse con niobio de gran pureza como ánodo, pero la difusión de oxígeno desde el dieléctrico (Nb2O5) al metal del ánodo de niobio es muy alta, lo que provoca inestabilidad de la corriente de fuga o incluso fallos del condensador. Hay dos formas posibles de reducir la difusión de oxígeno y mejorar la estabilidad de la corriente de fuga: dopando los polvos metálicos de niobio con nitruro para obtener nitruro de niobio pasivado o utilizando óxido de niobio (NbO) como material del ánodo. El óxido de niobio es un material cerámico duro caracterizado por una elevada conductividad metálica. El polvo de óxido de niobio puede prepararse con una estructura similar a la del polvo de tantalio y puede procesarse de forma similar para producir condensadores. También puede oxidarse mediante oxidación anódica (anodizado, conformado) para generar la capa dieléctrica aislante. Así, se comercializan dos tipos de condensadores electrolíticos de niobio, los que utilizan un ánodo de niobio pasivado y los que utilizan un ánodo de óxido de niobio. Ambos tipos utilizan pentóxido de niobio (Nb2O5) como capa dieléctrica.
Oxidación anódica vínculo=https://en.wikipedia.org/wiki/File:Anodic_oxidation.jpg|derecha|miniaturadeimagen|Diagrama que ilustra la oxidación anódica, en la que un ánodo metálico en un electrolito forma una capa de óxido en respuesta a la aplicación de tensión. El niobio, al igual que el tantalio y el aluminio, es un metal de válvula. Al poner este metal en contacto con un baño electrolítico y aplicarle una tensión positiva, se forma una capa de óxido eléctricamente aislante cuyo espesor corresponde a la tensión aplicada. Esta capa de óxido actúa como dieléctrico en un condensador electrolítico.
Esta propiedad del niobio se conocía desde principios del . Aunque el niobio es más abundante en la naturaleza y menos caro que el tantalio, su elevado punto de fusión de 2744 °C obstaculizó el desarrollo de los condensadores electrolíticos de niobio.
En los años 60, la mayor disponibilidad de mineral de niobio en comparación con el de tantalio impulsó la investigación de condensadores electrolíticos de niobio en la Unión Soviética,Tantalum-Niobium International Study Center, Tantalum and Niobium - Early History and Applications for Niobium donde servían para lo mismo que los condensadores de tantalio en Occidente. Con la caída del Telón de Acero, la tecnología se hizo más conocida en Occidente y los grandes fabricantes de condensadores se interesaron por ella a finales de los años noventa. Los materiales y procesos utilizados para fabricar condensadores de niobio son básicamente los mismos que para los de tantalio. El aumento de los precios del tantalio en 2000 y 2001 fomentó el desarrollo de condensadores electrolíticos de niobio con dióxido de manganeso y electrolitos poliméricos, disponibles desde 2002.T. Zednicek, S. Sita, C. McCracken, W. A. Millman, J. Gill, AVX, Niobium Oxide Technology Roadmap, CARTS 2002 PDF Ch. Schnitter, A. Michaelis, U. Merker, H. C. Starck, Bayer, New Niobium Based Materials for Solid Electrolyte Capacitors, Carts 2002 centro|miniaturadeimagen|Se coloca un material dieléctrico entre dos placas conductoras (electrodos), cada una de área A y con una separación d. Todo condensador electrolítico puede considerarse como un "condensador de placa" cuya capacitancia aumenta con el área del electrodo (A) y la permitividad dieléctrica (ε), y disminuye con el espesor dieléctrico (d).
El espesor dieléctrico de los condensadores electrolíticos de niobio es muy fino, del orden de nanómetros por voltio.J. Moore, Kemet, Nb capacitors compared to Ta capacitors a less costly alternative PDF Esta capa dieléctrica tan fina, combinada con una rigidez dieléctrica suficientemente alta, permite a los condensadores electrolíticos de niobio alcanzar una alta capacitancia volumétrica comparable a la de los condensadores de tantalio.
El material del ánodo de niobio se fabrica a partir de un polvo sinterizado en un gránulo con una estructura superficial rugosa destinada a aumentar la superficie A del electrodo en comparación con una superficie lisa con la misma huella. Este aumento de la superficie puede multiplicar la capacitancia por un factor de hasta 200 en los condensadores electrolíticos sólidos de niobio, en función de la tensión nominal.Niobium Powder for Electrolytic Capacitor, JFE Technical Report No. 6 (October 2005) PDF
Las propiedades de la capa dieléctrica de pentóxido de niobio, en comparación con una capa de pentóxido de tantalio, se indican en la siguiente tabla:T. Kárník, AVX, Niobium oxide for capacitor manufacturing, Metal 2008, 2008-05-13 – 2008-05-15, PDF
+ Características de las distintas capas de óxido de tantalio y niobioMaterial del ánodo Dieléctrico Permisividad relativa Estructura del óxido Tensión de ruptura (V/μm) Espesor de la capa dieléctrica (nm/V)tantalio Pentóxido de tantalio Ta2O5 27 amorfo 625 1.6Niobio u óxido de niobio Pentóxido de niobio Nb2O5 41 amorfo 400 2.5 La mayor permitividad y la menor tensión de ruptura del pentóxido de niobio en relación con el pentóxido de tantalio hacen que los condensadores de niobio y los de tantalio tengan tamaños similares para una capacidad dada.
Construcción básica de condensadores electrolíticos de niobio sólido Un condensador de niobio típico es un condensador de chip y consiste en polvo de niobio u óxido de niobio prensado y sinterizado en un pellet como ánodo del condensador, con la capa de óxido de pentóxido de niobio como dieléctrico, y un electrolito sólido de dióxido de manganeso como cátodo.
Comparación de los tipos de condensadores electrolíticos de niobio y tantalio La combinación de materiales de ánodo para los condensadores electrolíticos de niobio y tantalio y los electrolitos utilizados ha dado lugar a una amplia variedad de tipos de condensadores con diferentes propiedades. En la tabla siguiente se resumen las principales características de los distintos tipos. + Características principales de los condensadores electrolíticos de niobio y tantalioFamilia de condensadores electrolíticosElectrólitoRango de capacitancia (μF)Máx. tensión nominal (V)Máx. temperatura (°C)Condensador electrolítico de tantalio, ánodo sinterizado Ácido sulfúrico no sólido 0.1...18,000 630 125/200Sólido, dióxido de manganeso 0.1...3,300 125 125/150Sólido, polímero 10...1,500 25 105Condensador electrolítico de óxido de niobio, ánodo sinterizado Sólido, dióxido de manganeso 1...1,500 10 105Sólido, polímero 4.7...470 16 105 Los condensadores electrolíticos de tantalio y niobio con electrolito sólido como condensadores de chip montables en superficie se utilizan principalmente en dispositivos electrónicos en los que se dispone de poco espacio o se requiere un perfil bajo. Funcionan de forma fiable en un amplio rango de temperaturas sin grandes desviaciones de los parámetros.Y. Pozdeev-Freeman, P. Maden, Vishay, Solid-Electrolyte Niobium Capacitors Exhibit Similar Performance to Tantalum, 2002-02-01, Rutronik, Tantalum & Niobium Capacitors, Technical Standards and Benefits PDF
Comparación de los parámetros eléctricos de los tipos de condensadores de niobio y tantalio Para comparar las diferentes características de los distintos tipos de condensadores electrolíticos de chip, en la siguiente tabla se comparan especímenes con las mismas dimensiones y de capacitancia y tensión comparables. En dicha comparación, los valores de ESR y carga de corriente de rizado son los parámetros más importantes para el uso de condensadores electrolíticos en equipos electrónicos modernos. Cuanto menor sea la ESR, mayor será la corriente de rizado por volumen y, por tanto, mejor será la funcionalidad del condensador en el circuito. + Comparación de las características más importantes de diferentes tipos de condensadores electrolíticos en chip Familia de condensadores electrolíticos Tipo 1 Dimensión DxL, WxHxL (mm) Max. ESR 100 kHz, 20 °C (mΩ) Máx. Corriente de rizado 85/105 °C (mA) Máx. Corriente de fuga después de 2 min. 2 (μA) Condensadores de tantalio, electrolito de MnO2. Kemet T494 330/10 7.3x4.3x4.0 100 1285 10 (0.01CV) Condensadores de tantalio, multiánodo, electrolito de MnO2. Kemet T510 330/10 7.3x4.3x4.0 35 2500 10 (0.01CV) Condensadores de tantalio, Electrolito de polímero Kemet T543 330/10 7.3x4.3x4.0 10 4900 100 (0.1CV) Condensadores de tantalio, multimodo, polímero Kemet T530 150/10 7.3x4.3x4.0 5 4970 100 (0.1CV) Condensadores de niobio, electrolito de MnO2. AVX,NOS 220/6,3 7.3x4.3x4.1 80 1461 20 (0.02CV) Condensadores de niobio, multiánodo, electrolito de MnO2. AVX,NBM 220/6.3 7.3x4.3x4.1 40 2561 20 (0.02CV) Cápsulas de niobio Electrolito polimérico NEC, NMC 100/10 7.3x4.3x2.8 - - 20 (0.02CV) Condensadores de aluminio, Electrolito de polímero Panasonic SP-UE 180/6.3 7.3x4.3x4.2 7 3700 100 (0.1CV) Condensadores de aluminio, Electrolito de polímero Kemet A700 100/10 7.3x4.3x4.0 10 4700 40 (0.04CV)
(1) 100 μF/10 V, a menos que se especifique lo contrario,
(2) calculado para un condensador 100 μF/10 V,
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