Tekanan operasional maksimal kapasitor tantalum dan elektrolit

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?

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.

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.

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$^\circ$ ke 80$^\circ$Celcius 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.

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.