Tantal-Elektrolytkondensator

Auf älteren Laptop-Platinen, in Hörgeräten und auf vielen Entwicklungsboards findest du kleine gelbe oder schwarze Kunststoffquader mit einem Balken an einem Ende und einem Code wie „106 16“. Das sind Tantal-Elkos. Sie bringen 10 µF in ein Gehäuse von 3,5 × 2,8 mm, ändern ihre Kapazität kaum mit Spannung und Temperatur und trocknen nicht aus. Dafür verzeihen sie Überspannung und Verpolung schlecht: Ein Tantal-Elko, der durchschlägt, kann einen Kurzschluss bilden und brennen. Wer ihn richtig auslegt, bekommt ein sehr zuverlässiges Bauteil.

Aufbau und Funktionsweise

Das gemeinsame Prinzip aller Elkos – Ventilmetall, formierte Oxidschicht, Elektrolyt als Gegenelektrode – erklärt Elektrolytkondensator. Beim Tantal-Elko ist die Anode keine Folie, sondern ein kleiner poröser Block. Hersteller pressen feinstes Tantalpulver um einen Tantaldraht und sintern es im Vakuum bei hoher Temperatur. Die Körner verschmelzen an ihren Berührungsstellen zu einem Schwamm mit riesiger innerer Oberfläche.

Auf dieser Oberfläche entsteht durch Formierung Tantalpentoxid (Ta₂O₅). Es hat eine Permittivitätszahl von etwa 27, rund dreimal so viel wie Aluminiumoxid, und wächst mit etwa 1,6 nm pro Volt Formierspannung. Weil die Formierspannung beim Tantal etwa das Drei- bis Vierfache der Nennspannung beträgt, ist das Oxid eines 16-V-Typs ungefähr 80 bis 100 nm dick.

Die Gegenelektrode ist bei klassischen Tantal-Elkos Mangandioxid (MnO₂), ein fester Halbleiter. Der Block wird mehrfach in eine Mangannitratlösung getaucht und erhitzt, bis die Poren gefüllt sind. Darüber folgen eine Graphit- und eine Silberschicht, die den Kontakt zum Minusanschluss herstellen. Das Ganze ist in Epoxidharz vergossen. Bei Tantal-Polymer-Typen ersetzt ein leitfähiges Polymer das Mangandioxid (siehe Polymer-Elko).

Selbstheilung und ihr Grenzfall

An einer Fehlstelle im Oxid fließt ein kleiner Strom durch das Mangandioxid. Die örtliche Erwärmung wandelt das MnO₂ dort in schlecht leitendes Mn₂O₃ um, die Stelle wird isoliert. Dieser Mechanismus macht Tantal-Elkos im normalen Betrieb sehr langlebig; anders als ein Aluminium-Elko haben sie keine Verschleißgrenze durch austrocknenden Elektrolyt.

Ist der Strom an der Fehlstelle aber groß – etwa weil eine niederohmige Quelle den Kondensator beim Einschalten schlagartig lädt –, reicht die Zeit für die Heilung nicht. Die Fehlstelle erhitzt sich, das Mangandioxid gibt Sauerstoff ab, und der kann mit dem Tantal reagieren. Das Bauteil wird zum Kurzschluss und kann brennen. Darum brauchen Tantal-Elkos mit MnO₂ eine große Spannungsreserve.

Schaltzeichen

Gezeichnet wird der Tantal-Elko als gepolter Kondensator mit Pluszeichen, genau wie ein Aluminium-Elko (siehe Elektrolytkondensator und Schaltzeichen). Am Bauteil ist es umgekehrt: Der Balken auf dem Tantal-Chip markiert den Pluspol, beim Aluminium-Elko markiert der Streifen den Minuspol. Bei Tantalperlen steht ein „+“ am Pluspol, und das Plusbein ist länger. Weitere Aufdrucke erklärt Kennzeichnung von Elkos.

Kennwerte im Datenblatt

Als Beispiel ein verbreiteter MnO₂-Typ, KEMET T491B106K016AT:

Was die Zahlen bedeuten:

• ESR: Der klassische Tantal-Elko liegt mit einigen Ohm deutlich über einem Polymer-Elko oder MLCC. Für Schaltreglerausgänge gibt es „Low-ESR“-Tantal mit mehreren Anoden und Tantal-Polymer mit unter 100 mΩ.
• Leckstrom: Für Tantal gilt die Grenze I_L ≤ 0,01 · C · U_R, hier 0,01 · 10 · 16 µA = 1,6 µA. Das ist wenig – ein Vorteil gegenüber Polymer-Typen.
• Rippelstrom: Er ergibt sich aus der Verlustleistung, die das Gehäuse abführen kann. Für Gehäuse B sind das etwa 0,085 W: I_max = √(P_max / ESR) = √(0,085 W / 2,8 Ω) ≈ 174 mA.
• Stabilität: Anders als Klasse-2-Keramik verliert ein Tantal-Elko unter Gleichspannung keine Kapazität, und zwischen −55 °C und +125 °C ändert sie sich nur um etwa ±10 %.

Spannungsreserve (Derating)

Den Ladevorgang selbst – wie Strom und Spannung über einen Widerstand verlaufen – zeigt Kondensator im Gleichstromkreis.

Bauformen

• SMD-Chip (vergossen): der heutige Standard. Die Gehäuse heißen nach EIA-Größe mit Buchstaben: A (3216-18), B (3528-21), C (6032-28), D (7343-31), E (7343-43); dazu flache Varianten mit nur 1 bis 1,2 mm Höhe. Die Buchstaben sind zwischen den Herstellern nicht ganz einheitlich, die vierstelligen Codes schon.
• Tantalperle (getaucht): radial bedrahtet, tropfenförmig mit gelber, orangefarbener oder blauer Lackhülle. Früher sehr verbreitet, heute vor allem in Reparatur und Bestand.
• Axial im Metallgehäuse und Nass-Tantal mit flüssigem Elektrolyt im hermetisch verschlossenen Tantalbecher: für Luftfahrt, Militär und Medizintechnik, mit hohen Kapazitäten bis über 100 V.

Zur Größe von SMD-Gehäusen allgemein siehe SMD-Bauelemente und IC-Gehäuse.

Typische Anwendungen

• Ausgangskondensator älterer LDOs: Regler wie der LM1117 verlangen am Ausgang einen ESR in einem bestimmten Fenster; ein 10-µF-Tantal-Elko trifft es genau. Mehr dazu unter LDO-Regler.
• Pufferung auf engem Raum: Hörgeräte, Mobilgeräte, Module, wo viel Kapazität ohne Kapazitätsverlust durch Gleichspannung gebraucht wird.
• Hohe Temperaturen und lange Lebensdauer: Fahrzeug-, Industrie- und Medizinelektronik, weil nichts austrocknet.
• Analoge Filter und Zeitglieder mit großen Werten, wo Klasse-2-Keramik zu spannungsabhängig wäre.

In neuen Designs hat der Tantal-Elko viele dieser Plätze an MLCCs abgegeben, die billiger sind und keine Brandgefahr bergen. Er bleibt die bessere Wahl, wenn die Kapazität unter Gleichspannung stabil bleiben muss oder ein Regler einen gewissen ESR braucht.

Auswahl und Praxistipps

Wähle zuerst die Bauart: MnO₂ für kleinen Leckstrom und geringen Preis, Polymer für kleinen ESR und geringere Brandgefahr. Dann die Nennspannung nach der Tabelle oben, den Rippelstrom und erst zuletzt das Gehäuse.

Häufige Fehler:

• Polarität verwechselt: Der Balken ist Plus. Wer gewohnheitsmäßig den Streifen als Minus liest, lötet den Tantal-Chip verkehrt herum ein. Er wird heiß und schließt kurz.
• Zu wenig Spannungsreserve: Ein 16-V-Tantal an einer 12-V-Schiene mit Einschaltspitzen fällt nicht sofort, sondern Tage später aus – oft mit Rauch.
• Direkt an einem Akku oder einem dicken Netzteil: Ohne Strombegrenzung trifft der Einschaltstrom ungebremst auf den Kondensator. Ein kleiner Serienwiderstand oder eine Sanftanlaufschaltung hilft.
• Am heißen Ort mit voller Spannung: Über 85 °C sinkt die erlaubte Spannung auf etwa zwei Drittel.
• Tantalperlen in Reparaturen ohne Prüfung: Alte Perlen mit Kurzschluss findest du am schnellsten mit dem Ohmmeter. Ersetze sie durch neue Tantal-, Polymer- oder Aluminium-Elkos mit ausreichender Spannung.

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