Condensateur tantale polarisé

[Donut]

Bonjour à tous,

Ce post s'inscrit plus où moins dans la continuité de la discussion suivante : AOP Inverseur Asymétrique mais le sujet concerne surtout les condensateurs tantale en général.

Je suis en train de reprendre le design (disons... incertain) d'une carte d'instrumentation.
Sur un montage amplificateur inverseur / passe-bas se trouve une capa de 10µF 35V tantale polarisée. Je ne savais par ailleurs pas que les capa tantales pouvaient être polarisées, du moins je n'en n'ai pas souvent utilisé, encore moins dans la gamme du µF.

A ma grande surprise, celle-ci est montée à l'envers (enfin il me semble), la patte (+) sur l'entrée inverseuse de l'AOP, la patte (-) sur la sortie (la tension de sortie est toujours positive et l'AOP maintient V^-=V⁺=0V).
Je ne comprends donc pas pourquoi personne n'a encore assisté à un spectacle son et lumière en utilisant cette carte ?!



Une brève recherche m'a amené à ce site de robotique qui fait mention du fonctionnement aléatoire des capa tantale montées à l'envers (avec un joli pétard en photo).

A contrario dans cette discussion sur le forum on peut lire :

Si vous avez inversé la tension (même avec un ohmetre) appliquée a un tantale, mieux vaut le mettre à la poubelle plutot que dans votre tiroir à composants.

Crois-tu vraiment qu'ils soient aussi susceptibles?

Je crains que oui; une inversion de plus de quelques centaines de mV produit immédiatement des défauts dans la couche isolante. Si l'on a de la chance, ces défauts vont rester stables et simplement augmenter le courant de fuite, mais ils peuvent très bien évoluer dans le mauvais sens et finir par mettre le condo en court-circuit. Contrairement aux chimiques liquides qui peuvent se reformer, les condensateurs au tantale solide ont leur couche d'oxyde formée au cours du processus de fabrication et ne peuvent donc que se dégrader au cours du temps. A noter que les modèles à l'alumium solide, d'aspect extérieur identique aux tantales, sont eux extrêmement résistants aux inversions et peuvent fonctionner indéfiniment avec 1/2 de Vnom en permanence en inverse.
A+

J'ai dessoudé et testé le composant, il fait toujours 10µF à 5% près. Je l'ai remonté dans le bon sens et le filtrage fonctionne tout aussi bien. Je suis donc perplexe...

Est-ce un phénomène commun avec les condos au tantale ? Autant les électrochimiques sont connus pour leur vieillissement problématique et leur faculté à projeter des cotillons en aluminium quand on se "trompe" de polarité...
Peut être que le surdimensionnement (35V pour 5V max) y est pour quelque chose ?
-----

[jiherve]

bonsoir,
un tantale est presque toujours polarisé, il en existe des NP mais je doute que tu en ais jamais vu, petite précision sur un tantale cms la barre noire c'est le positif!
JR

[Donut]

un tantale est presque toujours polarisé

Effectivement, je viens de voir que c'est le cas même pour les petites valeurs, c'est fourbe on voit à peine la barre sur les 100nF.
c.png

petite précision sur un tantale cms la barre noire c'est le positif!

Double piège donc !

Il y a des 10nF sur la carte qui ont la même allure (même boitier jaune-orange en forme de goutte), il faudra que je vérifie mais c'est surement des céramiques.

J'ai trouvé ça dans une doc (capa tantale CMS de KEMET) :

doc.PNG

15% de 35V ça fait 5.25V > 5V ... mais bon
Je reste étonné que ça n'ai jamais cramé et que la valeur soit restée la bonne.

Vous confirmez qu'il est bien à l'envers ce condensateur ?

[gienas]

Bonjour Donut et tout le groupe

… Sur un montage amplificateur inverseur / passe-bas se trouve une capa de 10µF 35V tantale polarisée …

Pour porter un jugement sur un montage, il faut avoir toutes les informations permettant d’émettre une opinion. Là, on ne sait rien des alimentations ni des signaux.

Le peu d’indices est troublant. C’est bien un inverseur, recevant du négatif donc la sortie sera forcément positive.
Le [B]condensateur est donc à l’envers/B].

[A voir en vidéo sur Futura]

[C2H5OH]

Bonjour,

Oui, la plupart des condensateurs au tantale sont polarisés, et il faut vérifier que les tensions du montage respectent le sens de la polarisation.
Si un condensateur tantale subit des tensions "inverses", sa fiabilité sera mauvaise , même s'il résiste un certain temps.

Aujourd'hui, on évite ces condensateurs, pour des raisons écologiques et de coût ( le tantale est plus rare que l'or) . On préfère les remplacer par des condensateurs céramique genre Y5T qui peuvent faire plusieurs µF, avec un encombrement à peine supérieur.

[antek]

. . . c'est fourbe on voit à peine la barre sur les 100nF.
Double piège donc !

Il y a des 10nF sur la carte qui ont la même allure (même boitier jaune-orange en forme de goutte), il faudra que je vérifie mais c'est surement des céramiques.

La barre est au plus pour être cohérent avec les tantal traversant, c'est donc une raison historique et pas un piège. Mais sur les traversant il y a en général à côté de la barre la place pour écrire le symbole + .

Pour un 10 nF je penche plutôt vers un céramique multicouche à sorties radiales.

[jiherve]

bonjour
en tantale goutte la plus petite valeur que j'ai croisé c'est 0.47µF, en dessous c'est plastique, céramique, papier,mica etc etc .
JR

[Donut]

Bonjour,

Pour porter un jugement sur un montage, il faut avoir toutes les informations permettant d’émettre une opinion. Là, on ne sait rien des alimentations ni des signaux.

J'ai mis un lien vers la discussion autour de ce montage dans mon 1er message mais je trouvais le sujet suffisamment éloigné pour en faire un post à part (au cas où cela servirait à quelqu’un un jour, qui sait ?)

En fouillant un peu je suis tombé sur une publication pour la NASA (rien que ça) sur le sujet des condensateurs au tantale polarisés à l'envers :

Reverse Bias Behavior of Surface Mount Solid Tantalum Capacitors, Alexander Teverovsky, Ph.D. QSS Group, Inc./NASA

Il y a des choses très intéressantes notamment dans la partie discussion / conclusion :

Experiments showed that reverse bias stresses during 10 to 20 hours even at relatively low voltages would increase forward leakage currents above the specification limits which signifies a formal failure of the capacitor.
However for a system with inversely inserted capacitors the level of forward leakage currents is not important and the failure condition (the critical level of reverse current) should be determined specifically for each application condition.

[...]

Les expériences ont montré que des contraintes de polarisation inverse pendant 10 à 20 heures, même à des tensions relativement faibles, augmenteraient les courants de fuite au-dessus des limites de spécification, ce qui signifie une défaillance formelle du condensateur.
Cependant, pour un système avec des condensateurs montés à l'envers, le niveau des courants directs n'est pas important et la condition de défaillance (le niveau critique de courant inverse) doit être déterminée spécifiquement pour chaque condition d'application.

In systems with virtually unlimited current supply (typically for tantalum capacitors used in power lines) an increase in reverse voltage would significantly increase the probability of hard failures starting from a certain threshold voltage, Vrth. Below this voltage capacitors can withstand thousand of hours of uninterrupted operation without hard failures.
Based on our experiments this threshold voltage is expected to be somewhere between 15% and 25% of the rated voltages. Most likely for capacitors rated for 35V and 50V this threshold is closer to 15%, whereas for the 20V capacitors it is above 25%

[...]

Dans les systèmes avec une alimentation en courant virtuellement illimitée (typiquement pour les condensateurs au tantale utilisés dans les lignes électriques), une augmentation de la tension inverse augmenterait significativement la probabilité de défaillances matérielles à partir d'une certaine tension seuil, Vrth.
En dessous de cette tension, les condensateurs peuvent supporter des milliers d'heures de fonctionnement ininterrompu sans défaillance matérielle. Sur la base de nos expériences, cette tension seuil devrait se situer quelque part entre 15% et 25% des tensions nominales. Il est très probable que pour les condensateurs évalués à 35V et 50V, cette limite soit plus proche de 15%, tandis que pour les condensateurs de 20 V, elle est supérieure à 25 %.

If a capacitor is used to filter input or output signals in a microcircuit, the available current most likely will be low (milliamperes or less). In this case the initial voltage at the capacitor can be much higher than the threshold voltage Vrth, which is determined for unlimited current conditions, and can reach up to 100% VR. The leakage current in such a capacitor would relatively quickly (during a few hours) increase to the level limited by the external circuit.
This would decrease the voltage drop across the capacitor thus limiting the power dissipated in the part and preventing its catastrophic failure.

[...]

Si un condensateur est utilisé pour filtrer les signaux d'entrée ou de sortie dans un micro-circuit, le courant disponible sera très probablement faible (de l'ordre des milliampères ou moins). Dans ce cas, la tension initiale au niveau du condensateur peut être beaucoup plus élevée que la tension seuil Vrth, qui est déterminée pour des conditions de courant illimité, et peut atteindre jusqu'à 100% de VR. Le courant de fuite dans un tel condensateur augmenterait relativement rapidement (pendant quelques heures) jusqu'au niveau limité par le circuit externe.
Cela diminuerait la chute de tension à travers le condensateur, limitant ainsi la puissance dissipée dans la pièce et évitant une défaillance catastrophique.

At relatively low voltages, below 50% VR, the kinetics of reverse bias currents features three stages.
The first is a relatively short (tens to thousands of seconds) period when currents decrease with time. During the second, hours-scaled stage, currents gradually increase approximately two to three orders of magnitude. Then, during the third stage, currents often exhibit erratic behavior and either reach maximum, after which they are quasi-stabilizing at somewhat lower levels, or continue to increase erratically. In the latter case the part eventually fails due to a thermal run-away.

[...]

À des tensions relativement faibles, en dessous de 50% de VR, la cinétique des courants de polarisation inverse présente trois étapes.
La première est une période relativement courte (de l'ordre de dizaines à des milliers de secondes) pendant laquelle les courants diminuent avec le temps. Pendant la deuxième étape, à l'échelle de plusieurs heures, les courants augmentent progressivement d'environ deux à trois ordres de grandeur. Ensuite, pendant la troisième étape, les courants présentent souvent un comportement erratique et atteignent soit un maximum, après quoi ils se stabilisent plus ou moins à des niveaux plus bas, soit ils continuent d'augmenter de manière erratique. Dans ce dernier cas, la pièce finit par rendre l'âme en raison d'une surchauffe.

On trouve même une page dédiée au problème des condensateurs tantale montées à l'envers dans le domaine de l'aérospatiale (comme quoi la barre sur le (+) a du en induire plus d'un en erreur...) :

https://llis.nasa.gov/lesson/981

The probability of failures of incorrectly installed solid tantalum capacitors has long been an issue in the aerospace community. G. J. Ewell from The Aerospace Corporation addressed this issue in 1984 by analyzing behavior of hermetically sealed metal case solid tantalum capacitors under reverse bias conditions. He found that a long-term reverse bias exposure considerably increases the device leakage current measured under forward bias condition, but does not significantly affect the capacitance and dissipation factor. Some lots of 35V and 50V rated capacitors survived 200 and even 8900 hours of reverse bias testing (RBT) at voltages up to 40% of rated voltage (VR). However, the survival rate was not 100% and the behavior was judged to be lot related.

[...]

La probabilité de défaillance des condensateurs au tantale solide incorrectement installés a longtemps été un problème dans la communauté aérospatiale. G. J. Ewell de The Aerospace Corporation a abordé ce problème en 1984 en analysant le comportement des condensateurs au tantale solide à boîtier métallique hermétiquement scellé dans des conditions de polarisation inverse. Il a constaté qu'une exposition prolongée à la polarisation inverse augmente considérablement le courant de fuite du dispositif mesuré sous une polarisation directe, mais n'affecte pas de manière significative la capacité et le facteur de dissipation. Certains lots de condensateurs évalués à 35V et 50V ont survécu à des tests de polarisation inverse (RBT) 200 et même 8900 heures à des tensions allant jusqu'à 40% de la tension nominale (VR). Cependant, le taux de survie n'était pas de 100% et le comportement dépend du lot.

Dry Slug (Solid) Tantalum Capacitors

• Sensitive to reverse polarity but tend to be much less so than their wet slug counterparts.
• May fail explosively under reverse bias, even catch fire.
• May survive "indefinitely" at room temperature with up to 15% of their voltage rating applied in reverse. Capacitors will have a higher leakage current than in the forward direction, but this may be undetectable in the majority of heavily derated circuit applications. The circuit may operate properly for many hours (hundreds or even thousands) before failure. Influential factors in life expectancy are believed to include: manufacturer, style, size, capacitance, moisture content and of course rated voltage.

[...]

Condensateurs au tantale à noyau solide ("Dry Slug")

• Sensibles à la polarité inverse, mais ont tendance à l'être beaucoup moins que leurs homologues à noyau humide.
• Peuvent succomber de manière explosive sous tension inverse, voire prendre feu.
• Peuvent survivre "indéfiniment" à température ambiante avec jusqu'à 15% de leur tension nominale appliquée en sens inverse. Les condensateurs auront un courant de fuite plus élevé que dans le sens direct, mais cela peut être indétectable dans la majorité des applications de circuits fortement sous-dimensionnés. Le circuit peut fonctionner correctement pendant de nombreuses heures (centaines, voire milliers) avant une défaillance. Les facteurs influents dans l'espérance de vie sont supposés inclure : le fabricant, le style, la taille, la capacité, la teneur en humidité et bien sûr la tension nominale.

Plutôt robustes ces bestioles donc...

[jiherve]

re
oui mais quand çà pète c'est impressionnant et avec certains à électrolyte liquide il y aura projection d’acide sulfurique !
JR

[Donut]

Oui ça ne me serait pas venu à l'idée d'utiliser un condensateur electrolytique classique dans ce type de montage, sans être absolument certain que la tension ne va pas s'inverser.
Ne connaissant pas trop les condensateurs tantale je n'ai pas vu tout de suite la polarisation, et surtout qu'il était à l'envers !

Les Slow Mo Guys ont filmé l'explosion de capas à 187000 images/s, un vrai spectacle pyrotechnique : https://www.youtube.com/watch?v=6WUxgmMDts4

[annjy]

Bsr,

il a existé (et peut-être existe-t-il toujours) des condensateurs tantale non polarisés, formés de 2 polarisés tête bêche en série....
Et on en a discuté il y a quelque temps.....
https://forums.futura-sciences.com/e...polarises.html

cdlt,
JY

PS : JR en était....

[coco34]

Oui ça ne me serait pas venu à l'idée d'utiliser un condensateur electrolytique classique dans ce type de montage, sans être absolument certain que la tension ne va pas s'inverser.
Ne connaissant pas trop les condensateurs tantale je n'ai pas vu tout de suite la polarisation, et surtout qu'il était à l'envers !

Les Slow Mo Guys ont filmé l'explosion de capas à 187000 images/s, un vrai spectacle pyrotechnique : https://www.youtube.com/watch?v=6WUxgmMDts4

j'adore la poussée de la fusée à 2mn10

[titijoy3]

Oui ça ne me serait pas venu à l'idée d'utiliser un condensateur electrolytique classique dans ce type de montage, sans être absolument certain que la tension ne va pas s'inverser.
Ne connaissant pas trop les condensateurs tantale je n'ai pas vu tout de suite la polarisation, et surtout qu'il était à l'envers !

Les Slow Mo Guys ont filmé l'explosion de capas à 187000 images/s, un vrai spectacle pyrotechnique : https://www.youtube.com/watch?v=6WUxgmMDts4

géniale la vidéo, surtout pour la propagation des ondes de choc !

finalement, une capa peut faire un excellent détonateur voire servir à propulser un projectile..

[jiherve]

re
tu ne crois pas si bien dire, dans mes débuts une blague de bizutage consistât à placer un condo tantale dans le corps de chauffe d'un fer de l'époque, lorsque celui ci à explosé la panne a perforé la cloison du labo, piteux ils furent!
JR

[titijoy3]

re
tu ne crois pas si bien dire, dans mes débuts une blague de bizutage consistât à placer un condo tantale dans le corps de chauffe des fers de l'époque, lorsque celui ci à explosé la panne a perforé la cloison du labo, piteux ils furent!
JR

piteux, c'était un moindre mal, imaginons que quelqu'un se soit trouvé sur la trajectoire !

[jiherve]

re
et oui c'est pour çà qu'ils furent piteux!
JR