Tekanan operasional maksimal kapasitor tantalum dan elektrolit


15

Saya perlu merancang perangkat yang harus beroperasi di lingkungan bertekanan tinggi (gas Nitrogen). Tekanan operasional dapat bervariasi dari 1bar (atmosfer) hingga 20..30bar pengukur tekanan. Tekanan kerja reguler akan sekitar 10bar.

Jadi, perangkat berisi regulator tegangan switching dengan LM2674-5 yang membutuhkan kapasitor input dan output dengan nilai yang relatif tinggi - sekitar 100uF.

Cukup jelas bahwa kapasitor elektrolit biasa dengan elektrolit cair mungkin akan dihancurkan oleh tekanan seperti itu.

Tetapi kapasitor apa yang digunakan? Apakah kapasitor tantalum lebih tahan tekanan?


6
umumnya, hal-hal 'cukup jelas' tidak. Apakah Anda sadar bahwa cairan itu tidak tertekan? Yang perlu Anda khawatirkan adalah kekosongan gas atau vakum. Jika komponen tidak ditentukan untuk beberapa kondisi lingkungan yang ekstrem, maka Anda tidak boleh menggunakannya di sana. Baca lembar data. Anda mungkin harus bertanya kepada pabrikan secara langsung, mereka seringkali memiliki lebih banyak data daripada yang mereka terbitkan.
Neil_UK

1
Kapasitor diisi cairan pasti tidak dapat diisi pada 100%. Harus selalu ada gas untuk memungkinkan ekspansi termal cairan. Itu sebabnya saya berpikir bahwa menggunakan tutup cairan bukanlah ide yang baik.
johnfound

2
Saya telah berhasil menggunakan tutup tantalum padat di peralatan bawah laut yang beroperasi dalam kisaran 100m-150m (jadi 10-15 bar) selama berminggu-minggu pada suatu waktu tanpa efek buruk yang diamati.
brhans

1
Waspadai tekanan, dan perubahan tekanan, mendistorsi silikon di dalam paket epoksi. Distorsi ini akan (kemungkinan) menyebabkan ketidakseimbangan dalam ambang batas tegangan FET (MOSFET) dan dengan demikian sirkuit analog presisi Anda akan memiliki tegangan OFFSET yang mengejutkan. Tanyakan pabrikan tentang ini.
analogsystemsrf

3
@Neil_UK Tentu saja cairan dapat dimampatkan. Begitu juga makanan padat. Cari tahu apa arti 'modulus curah', dan cobalah untuk menemukan bahan apa pun yang tidak memilikinya. Lebih penting lagi, cairan dikompresi antara 10-100 kali lebih banyak daripada padatan untuk tekanan yang sama, yang cukup untuk menghasilkan tekanan mekanis yang berarti di bawah tekanan yang lebih tinggi. Air kehilangan 0,14% volumenya pada 30 bar, sementara baja kehilangan 1/74 volume itu. Ini berarti tekanan akan memberikan lebih banyak tekanan pada wadah yang diisi dengan cairan daripada yang padat. Apakah itu penting? Tergantung. Tapi itu seharusnya tidak diabaikan.
metacollin

Jawaban:


11

Ini dikatakan dengan peringatan yang signifikan, tetapi satu - satunya pilihan kapasitor elektrolitik untuk lingkungan bertekanan adalah yang dengan elektrolit padat, sehingga tantalum padat, polimer tantalum, atau kapasitor polimer aluminium.

Cornell Dublier, misalnya, secara khusus menyatakan bahwa semua kapasitor elektrolit aluminiumnya memiliki jangkauan operasional 1,5 atmosfer hingga 10.000 kaki ( sumber - halaman 9 ).

Kapasitor elektrolit aluminium tidak sepenuhnya bebas dari kekosongan dan operasi normal serta anodisasi awal memastikan bahwa ada sejumlah kecil gas hidrogen yang sudah ada di dalam, langsung dari pabrik. Pada tekanan sederhana, setiap kontaminan akan dipaksa masuk ke dalam kapasitor melewati segelnya, berpotensi menyebabkan pendek atau mengubah kapasitansi, dan pada tekanan yang lebih tinggi, mereka hanya akan dihancurkan ke dalam dan menjamin mode kegagalan hubung singkat.

Sederhananya, elektrolitik aluminium normal sepenuhnya dari meja.

Sekarang, di sinilah sulitnya: ketika merancang elektronik yang tahan tekanan, sebagian besar, Anda sendiri. Yang saya maksud dengan itu adalah Anda tidak akan menemukan jawaban untuk pertanyaan seperti 'tekanan operasional maksimum' dari sebagian besar komponen, bahkan jika Anda mengirim email ke perusahaan. Ini karena ceruk seperti itu sangat kecil dan tidak sepadan dengan waktu dan upaya untuk menguji atau memenuhi syarat produk dalam keadaan lingkungan yang tidak biasa.

Ada beberapa (sangat sedikit) perusahaan yang membuat pilihan terbatas komponen dengan tekanan tinggi seperti kapasitor, beberapa setinggi 10.000 psi . Kapasitor ini akan sangat mahal - saya bahkan tidak dapat menemukan harga, Anda harus meminta penawaran. Jika Anda memiliki volume yang cukup tinggi, saya masih mengharapkan mereka menghabiskan biaya lebih dari $ 500 - $ 1000 per kapasitor. Mereka juga besar, 50.000μF kapasitor tantalum , benar 10.000 psi monster. Jadi sebenarnya menemukan bagian pra-kualifikasi yang praktis juga, saya pikir, bukan pilihan realistis untuk Anda.

Artinya adalah terserah Anda untuk memenuhi syarat komponen sendiri. Anda harus menggunakan keputusan yang berpendidikan dan memilih kapasitor COTS, tetapi tidak ada yang bisa memberi tahu Anda dengan pasti apakah itu akan berfungsi atau bagaimana sifat atau umur panjangnya akan terpengaruh dalam lingkungan seperti milik Anda. Anda harus menguji semua ini sendiri.

Beginilah sebagian besar elektronik yang tahan tekanan harus dirancang. Anda memenuhi syarat bagian-bagian secara individual melalui pengujian Anda sendiri, dan kemudian Anda lebih lanjut memenuhi syarat seluruh perakitan bersama-sama dalam pengujian, dan kemudian Anda menghabiskan banyak waktu dan uang yang diperlukan untuk mendapatkan bahkan sedikit gagasan tentang keandalan atau umur panjang dari pengaturan Anda, Anda hanya berharap yang terbaik (dan belajar dari apa yang terjadi pada perangkat di lapangan - uji coba jika Anda mau).

Jadi, Anda juga harus sangat waspada dengan apa yang dipertaruhkan, dan apa akibatnya jika dewan Anda gagal, dan pastikan bahwa uang saku dibuat sehingga, misalnya, tidak ada keselamatan siapa pun yang akan berisiko.

Yang mengatakan, untuk kapasitansi elektrolit massal, kapasitor tantalum padat akan menjadi pilihan terbaik Anda untuk mentolerir tekanan dengan perubahan minimal dalam kinerja .

Pilihan lain adalah memastikan Anda benar-benar membutuhkan kapasitor elektrolitik sama sekali. Kapasitor keramik berperingkat 10V dan 100μF sudah tersedia dan tidak terlalu mahal . Kapasitor Murata ini adalah opsi, misalnya. Waspadai grafik bias DC - sebagian besar kapasitor keramik kapasitas tinggi menggunakan dielektrik yang menunjukkan efek feroelektrik. Mirip dengan bahan feromagnetik di hadapan medan magnet, bahan feroelektrik analog tetapi untuk medan listrik (dan energi yang disimpan sebagai medan listrik pada akhirnya adalah apa yang akhirnya disimpan oleh kapasitor). Ini berarti kapasitansi efektif kapasitor keramik turun di bawah bias DC. Jadi Anda perlu menurunkan kapasitansi mereka dan menggunakan lebih dari satu secara paralel.

Standar emas dalam elektronik tahan tekanan selalu menjadi kapasitor film-logam polypropylene , tetapi jelas ini jauh lebih rendah nilainya dan sama sekali tidak cocok untuk aplikasi kapasitansi massal. Saya pikir saya akan mencatatnya di sini untuk kelengkapan.

Sebagai penutup, selain dari beberapa tekanan tinggi yang cukup eksotis, kapasitor laut deap yang mungkin tidak praktis untuk aplikasi Anda, jawaban singkat untuk pertanyaan Anda adalah bahwa kapasitor tantalum serta paling kapasitor tidak punya maksimal tekanan operasional Peringkat . Peringkat ditekankan dengan sengaja di sini - jangan salah mengartikan ini berarti bahwa mereka dapat beroperasi pada tekanan apa pun. Mereka tentu saja memiliki tekanan maksimum yang bisa diharapkan untuk beroperasi, tetapi peringkat itu sendiri tidak akan ada.

Namun, jangan biarkan semua ini membuat Anda kecil hati. Tekanan yang dialami oleh hal-hal seperti elektronik toleran tekanan laut dalam jauh lebih tinggi dari 30 bar, dan kapasitor tantalum berkualitas adalah pilihan pertama di sini, dan semua kapasitor 10.000 PSI laut dalam yang dibuat khusus juga merupakan kapasitor tantalum.

Cukup pahami bahwa pabrikan tidak bersalah jika atau ketika kapasitor gagal, dan Anda masih harus memenuhi syarat sendiri. Ini tidak hanya berarti memeriksa kegagalan, tetapi memastikan berbagai properti mereka yang penting bagi sirkuit Anda tetap dalam level yang dapat diterima.

Dapatkan beberapa kapasitor tantalum padat dan uji sendiri. Anda mungkin akan mendapatkannya pada percobaan pertama, tetapi bersiaplah untuk mencoba beberapa merek atau tipe konstruksi yang berbeda.

Catatan akhir: Komponen lain dapat menunjukkan perilaku tak terduga dalam lingkungan tekanan tinggi. Pastikan Anda tidak memiliki apa pun yang memiliki konstruksi 'kaleng logam'. Salah satu yang mudah untuk diabaikan adalah kristal kuarsa - melalui lubang atau SMD, mereka memiliki ruang kosong di dalam kaleng dan tekanan mekanis pada kristal akan melalui frekuensi jauh, jika tidak hancur begitu saja.

Juga, berhati-hatilah dengan kapasitor tantalum basah . Anda harus menghindari ini. Ada kesalahpahaman umum bahwa cairan tidak kompresif. Ini tidak benar - mereka jauh lebih sulit untuk dikompres daripada gas tetapi masih dapat dikompresi, seperti halnya benda padat. Itulah yang dimaksud modulus massal - kompresibilitas suatu zat. Yang penting, perbedaan dalam kompresibilitas untuk cairan vs padatan adalah antara 10-100, atau 1 hingga 2 urutan besarnya. Ini berarti cairan akan mengompresi lebih banyak daripada padatan, yang akan memungkinkan adanya regangan mekanis yang berpotensi signifikan.

Untuk air, itu akan memampatkan sekitar 46,4 ppm per atmosfer. Jadi volume air yang diberikan akan kehilangan sekitar 0,14% dari total volume jika terkena tekanan 30 bar. Ini tidak akan membuat sesuatu meledak seperti kaleng, tetapi untuk komponen dengan bahan yang sangat rapuh di dalamnya (seperti tantalum pentoxide), ini dapat membuat cukup fleksibel / galur menjadi mengkhawatirkan. Elektrolit padat adalah apa yang Anda inginkan.


Nah, jawaban yang menarik. Terima kasih atas usaha anda Itu tidak langsung menjawab pertanyaan, tetapi saya tetap tidak mengharapkannya. :) Hanya satu pertanyaan tambahan. Saya mengasumsikan bahwa semua kapasitor tantalum smd chip (faktor bentuk prismatik) adalah tipe elektrolit padat. Apakah ini benar, atau saya harus memeriksa lembar data untuk setiap model / produsen individu?
johnfound

Asumsi Anda bahwa elektrolit padat lebih baik daripada elektrolit basah adalah salah. Bahkan kapasitor mahal yang Anda tunjuk menggunakan elektrolit basah. Silakan lihat spesifikasi: evanscap.com/pdf/TDD_REV_I.pdf paragraf 2.1.
Dorian

@Dorian: Tentu saja kapasitor basah dirancang untuk menahan tekanan besar. Tetapi saya telah bertanya tentang elemen produksi massal yang murah. Sangat bodoh untuk menggunakan komponen khusus yang sangat mahal, sementara dimungkinkan untuk memiliki perangkat yang sama berfungsi dengan baik dengan komponen serial, murah. Bukan?
johnfound

Saya sepenuhnya setuju dengan semua yang lain dalam jawaban Anda. Tapi itu lebih mungkin untuk kapasitor padat gagal karena gelembung gas daripada yang elektrolit cair. Cairan akan menyebarkan tegangan lokal ke semua permukaan case kapasitor sementara solid tidak.
Dorian

5

Masalah Anda dapat diatasi dengan memilih desain yang lebih baik yang beroperasi >> 1MHz sehingga menggunakan penutup film yang mampu memilih satu untuk lingkungan yang keras.

Berikut ini adalah referensi dari NASA untuk pengujian cryogenic pada topi.

Sebagai contoh, sementara kapasitor polypropylene, polycarbonate , dan mika menunjukkan stabilitas yang sangat baik ketika diuji pada nitrogen cair, kapasitor tantalum padat menunjukkan peningkatan kehilangan dielektriknya pada suhu tersebut. Sebagian besar kapasitor EDL tidak mengalami perubahan dengan penuaan tetapi tampaknya tidak berfungsi pada suhu ekstrem.

Berikut adalah daftar topi yang saya sarankan

Anda dapat menemukan desain Anda sendiri dari 1,5 hingga 3MHz untuk memenuhi kebutuhan Anda dengan sumber baterai dan penutup film yang bagus.

masukkan deskripsi gambar di sini


Saya heran mengapa NASA tidak melaporkan tutup elektrolit. Saya menyarankan konstanta dielektrik dielektrik basah adalah NG pada suhu cryogenic. dan Solid tantalum lebih merugi yang menciptakan panas
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75

Saya tidak melihat suhu rendah yang ditentukan dalam pertanyaan.
Dorian

1

Seperti yang ditunjukkan Neil_UK dengan kebijaksanaan dan pengalamannya yang hebat dalam komentarnya, ini bukan masalah besar seperti yang terlihat.

Bagaimana kapasitor dapat mengalami tekanan tinggi gagal? Anda mungkin berpikir itu akan meledak tetapi ini tidak benar jika kapasitor sepenuhnya padat atau diisi dengan cairan karena hanya gas yang sangat kompresibel. Cairan jauh lebih tidak kompresif.

Juga, penutup kapasitor elektrolitik dibangun untuk mentolerir variasi volume karena perubahan suhu. Dari 0 ke 80Celcius pertumbuhan volume sekitar 4%. Saya yakin bahwa margin besar diambil di atas ini ketika merancang sebuah penutup kapasitor.

Gas residual 4% dalam kapasitor berisi cairan (yang cukup banyak) akan memberikan variasi 3,8% dalam volume total pada 20 bar. Tentu saja dilatasi termal bertambah tetapi Anda melihat bahwa mereka berada dalam urutan yang sama besarnya.

Ini tidak benar untuk benda padat di mana gelembung tidak dapat menyusut untuk membawa tekanan gelembung ke tekanan lingkungan karena dikelilingi oleh benda padat, semua tekanan terkonsentrasi pada permukaan kecil dinding bubblle.

masukkan deskripsi gambar di sini

Jawabannya tergantung pada kendala, anggaran, dan keandalan Anda.

Kapasitor laut dalam yang mahal juga membutuhkan masa pakai yang panjang dan tingkat kegagalan yang rendah karena biaya penggantiannya sangat besar.

Ini mungkin bukan kasus Anda dan solusi metakolin menggunakan kapasitor biasa dan mengujinya sendiri mungkin bagus dan murah. Tentu saja, tidak solid karena alasan di atas dan mencari kapasitor dengan kisaran suhu yang lebih luas hanya karena mereka memiliki toleransi yang jauh lebih besar terhadap variasi volume elektrolit.

Juga sebuah studi lama yang saya temukan menunjukkan bahwa satu-satunya komponen kelas biasa yang benar-benar gagal dalam lingkungan tekanan tinggi (hingga 70 bar) adalah komponen dengan udara di dalam dan kasus-kasus yang lemah seperti dioda terbungkus logam.


Apakah Anda berdua membaca laporan NASA yang saya tautkan? nitrogen cair, kapasitor tantalum padat menunjukkan peningkatan kehilangan dielektriknya pada suhu tersebut
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75

1
@ SunnyskyguyEE75 Tidak ada dalam pertanyaan tentang suhu rendah.
Dorian

Jika gelembung gas mengurangi volumenya, cairan harus meningkatkan volumenya, atau kasing luar harus mengurangi volumenya. Karena Vg + Vliq = Vcase selalu.
johnfound

@ johnfound Casing kapasitor fleksibel untuk mengakomodasi dilatasi termal atau menyusut. Vcase tidak konstan.
Dorian
Dengan menggunakan situs kami, Anda mengakui telah membaca dan memahami Kebijakan Cookie dan Kebijakan Privasi kami.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.