Muszę zaprojektować urządzenie, które będzie musiało działać w środowisku o wysokim ciśnieniu (azot). Ciśnienie robocze może wahać się od 1 bara (atmosferycznego) do ciśnienia 20..30 barów. Normalne ciśnienie robocze będzie wynosić około 10 barów.
Tak więc urządzenie zawiera regulator napięcia przełączania z LM2674-5, który potrzebuje kondensatorów wejściowych i wyjściowych o stosunkowo wysokiej wartości - około 100uF.
Jest całkiem oczywiste, że zwykłe kondensatory elektrolityczne z ciekłym elektrolitem zostaną prawdopodobnie zmiażdżone przez takie ciśnienia.
Ale jakich kondensatorów użyć? Czy kondensatory tantalowe są bardziej odporne na ciśnienie?
Odpowiedzi:
Jest to powiedziane ze znacznymi zastrzeżeniami, ale jedynymi opcjami kondensatora elektrolitycznego dla środowiska pod ciśnieniem są te z litym elektrolitem, a więc z litym kondensatorem tantalu, polimeru tantalu lub aluminiowych polimerów.
Na przykład Cornell Dublier w szczególności stwierdza, że wszystkie aluminiowe kondensatory elektrolityczne mają zakres roboczy od 1,5 atmosfery do 10 000 stóp ( źródło - strona 9 ).
Aluminiowe kondensatory elektrolityczne nie są idealnie pozbawione pustych przestrzeni, a ich normalne działanie i wstępne anodowanie zapewniają, że w środku jest już niewielka ilość wodoru, prosto z fabryki. Przy umiarkowanych ciśnieniach wszelkie zanieczyszczenia zostaną wtłoczone do kondensatora poza jego uszczelnienia, potencjalnie powodując zwarcie lub zmianę pojemności, a przy wyższych ciśnieniach po prostu zostaną zmiażdżone do wewnątrz i zagwarantują tryb awarii zwarcia.
Mówiąc najprościej, normalne elektrolityki aluminiowe są całkowicie poza stołem.
Teraz jest to trudne: przy projektowaniu elektroniki odpornej na ciśnienie przeważnie jesteś sam. Rozumiem przez to, że nie znajdziesz odpowiedzi na pytania takie jak „maksymalne ciśnienie operacyjne” większości komponentów, nawet jeśli wyślesz wiadomość e-mail do firmy. Wynika to z faktu, że taka nisza jest niezwykle mała i po prostu nie warto poświęcać czasu i wysiłku na testowanie lub kwalifikowanie produktów w tak nietypowych warunkach środowiskowych.
Istnieje kilka (bardzo nielicznych) firm, które dokonują ograniczonego wyboru komponentów o wysokim ciśnieniu, takich jak kondensatory, niektóre nawet o wartości 10 000 psi . Te kondensatory będą bardzo drogie - nie mogłem nawet znaleźć ceny, musisz poprosić o wycenę. Jeśli masz wystarczająco dużą głośność, nadal oczekiwałbym, że będą kosztować znacznie ponad 500-1000 USD za kondensator. Są też ogromne, 50 000 µF kondensatorów tantalu , prawdziwe potwory 10 000 psi. Tak więc, znajdowanie wstępnie zakwalifikowanych części, które są praktyczne, jest również, moim zdaniem, nierealną opcją dla ciebie.
Oznacza to, że to Ty musisz samodzielnie zakwalifikować komponenty. Musisz podjąć przemyślaną decyzję i wybrać kondensator COTS, ale nikt nie może powiedzieć na pewno, czy zadziała lub jak wpłynie na jego właściwości lub żywotność w takim środowisku jak twoje. Musisz to wszystko przetestować sam.
W ten sposób należy zaprojektować większość elektroniki odpornej na ciśnienie. Kwalifikujesz części indywidualnie na podstawie własnych testów, a następnie dodatkowo kwalifikujesz cały zespół do testowania, a następnie albo spędzasz dużo czasu i pieniędzy wymaganych, aby uzyskać choćby niewielki obraz niezawodności lub długowieczności konfiguracji, masz tylko nadzieję na najlepsze (i ucz się z tego, co dzieje się z urządzeniami w terenie - próbuj przez ogień, jeśli chcesz).
Powinieneś więc być bardzo świadomy tego, o co toczy się gra i jakie byłyby konsekwencje, gdyby twoja rada upadła, i upewnij się, że wprowadzono odpowiednie ulgi, aby na przykład nikt nie był zagrożony.
To powiedziawszy, dla masowej pojemności elektrolitycznej stałe kondensatory tantalowe byłyby najlepszym wyborem do tolerowania ciśnienia przy minimalnych zmianach wydajności .
Inną opcją jest upewnienie się, że naprawdę potrzebujesz kondensatorów elektrolitycznych. Kondensatory ceramiczne o napięciu 10 V i 100 µF są łatwo dostępne i nie są strasznie drogie . Ten kondensator Murata jest na przykład opcją. Uważaj tylko na wykres obciążenia prądu stałego - większość ceramicznych kondensatorów o dużej pojemności wykorzystuje dielektryki, które wykazują działanie ferroelektryczne. Podobnie jak materiały ferromagnetyczne w obecności pola magnetycznego, materiały ferroelektryczne są analogiczne, ale dla pól elektrycznych (a energia zgromadzona jako pole elektryczne jest ostatecznie tym, co ostatecznie gromadzi kondensator). Oznacza to, że efektywna pojemność kondensatorów ceramicznych spada pod wpływem napięcia stałego. Musisz więc zmniejszyć ich pojemność i użyć więcej niż jednego równolegle.
Złotym standardem w elektronice tolerancyjnej na ciśnienie zawsze był polipropylenowy kondensator metalowo-foliowy , ale oczywiście mają one zdecydowanie zbyt niską wartość i po prostu nie nadają się do żadnych zastosowań z pojemnością pojemnościową. Pomyślałem jednak, że zanotuję je tutaj dla kompletności.
Na zakończenie, oprócz jakiegoś dość egzotycznych wysokim ciśnieniem, DEAP kondensatory morskie, które prawdopodobnie nie są praktyczne dla danej aplikacji, krótka odpowiedź na to pytanie jest to, że kondensatory tantalu, jak również większość kondensatorów po prostu nie mają maksymalne ciśnienie robocze rating . Ocenę podkreślono tutaj celowo - nie myl tego, aby oznaczać, że mogą działać pod dowolnym ciśnieniem. Z pewnością mają maksymalną presję, przy której można oczekiwać, że będą działać, ale sama ocena po prostu nie będzie istnieć.
Nie pozwól jednak, aby wszystko to Cię zniechęciło. Ciśnienie, na jakie narażone są takie elementy, jak elektronika tolerująca ciśnienie w głębokim morzu, jest znacznie wyższe niż 30 barów, a kondensatory tantalowe wysokiej jakości są tutaj najlepszym wyborem, a wszystkie specjalnie zaprojektowane kondensatory głębinowe 10 000 PSI są również kondensatorami tantalowymi.
Po prostu zrozum, że producent nie ponosi winy za awarie kondensatorów i nadal musisz je sam zakwalifikować. Nie oznacza to tylko sprawdzenia awarii, ale upewnienie się, że ich różne właściwości, które są ważne dla obwodu, pozostają w dopuszczalnym poziomie.
Zdobądź solidne kondensatory tantalu i sam je przetestuj. Prawdopodobnie dostaniesz go za pierwszym razem, ale przygotuj się na wypróbowanie kilku różnych marek lub typów konstrukcji.
Uwagi końcowe: Inne elementy mogą wykazywać nieoczekiwane zachowanie w środowiskach o wysokim ciśnieniu. Upewnij się, że nie masz niczego, co ma konstrukcję „metalowej puszki”. Jednym z łatwych do przeoczenia są kryształy kwarcu - przez otwór lub SMD mają pustą przestrzeń w puszce, a naprężenia mechaniczne na krysztale spadną z częstotliwością, jeśli nie zostaną po prostu zniszczone.
Uważaj również na mokre kondensatory tantalowe . Powinieneś ich unikać. Istnieje powszechne błędne przekonanie, że płyny nie są ściśliwe. To po prostu nieprawda - są znacznie trudniejsze do sprężenia niż gaz, ale nadal jest ściśliwy, podobnie jak ciała stałe. Taki właśnie jest moduł objętościowy - ściśliwość substancji. Co ważne, różnica w ściśliwości cieczy i ciał stałych wynosi między 10–100 lub 1–2 rzędów wielkości. Oznacza to, że ciecz ściśnie znacznie więcej niż ciała stałe, co pozwoliłoby na potencjalnie znaczące obciążenie mechaniczne.
W przypadku wody będzie się kompresować o 46,4 ppm na atmosferę. Tak więc podana objętość wody straci około 0,14% całkowitej objętości, jeśli zostanie poddana działaniu ciśnienia 30 barów. Nie spowoduje to implozji niczego jak puszka, ale w przypadku komponentów z bardzo kruchymi materiałami w środku (takich jak pięciotlenek tantalu) może to pozwolić na niepokojącą wystarczającą elastyczność / odkształcenie. Stały elektrolit jest tym, czego chcesz.
źródło
Twój problem można rozwiązać, wybierając lepszą konstrukcję, która działa >> 1MHz, a tym samym używając nakładki filmowej, która może wybrać jedną dla twojego trudnego środowiska.
Oto odniesienie od NASA do testów kriogenicznych na czapkach.
Oto moja sugerowana lista możliwych ograniczeń
Możesz znaleźć swój własny projekt od 1,5 do 3 MHz, aby spełnić Twoje wymagania, z dobrym źródłem baterii i osłonami filmowymi.
źródło
Jak zauważył Neil_UK ze swoją wielką mądrością i doświadczeniem w swoim komentarzu, nie jest to tak duży problem, jak się wydaje.
W jaki sposób kondensator poddany działaniu wysokiego ciśnienia może zawieść? Można by pomyśleć, że imploduje, ale nie jest to prawdą, jeśli kondensator jest w pełni stały lub wypełniony cieczą, ponieważ tylko gazy są wysoce ściśliwe. Ciecze są znacznie mniej ściśliwe.
4% gazu resztkowego w kondensatorze wypełnionym cieczą (co jest dość duże) da 3,8% zmianę całkowitej objętości przy 20 barach. Oczywiście termiczne rozszerzenie się sumuje, ale widać, że są tego samego rzędu wielkości.
Nie dotyczy to ciała stałego, w którym pęcherzyk nie może się skurczyć, aby doprowadzić ciśnienie pęcherza do ciśnienia otoczenia, ponieważ jest otoczony ciałem stałym, całe ciśnienie jest skoncentrowane na małej powierzchni ścianki pęcherzyka.
Odpowiedź zależy od ograniczeń, budżetu i niezawodności.
Drogie kondensatory głębinowe wymagają również długiej żywotności i niskiego wskaźnika awaryjności, ponieważ koszt ich wymiany jest ogromny.
To może nie być twój przypadek, a metacollinowe rozwiązanie polegające na użyciu zwykłych kondensatorów i samodzielnym przetestowaniu ich może być dobre i tanie. Oczywiście nie są stałe z powyższego powodu i szukają kondensatorów o szerszym zakresie temperatur tylko dlatego, że mają znacznie większą tolerancję na zmiany objętości elektrolitu.
Również stare badanie, które znalazłem, pokazuje, że jedynymi typowymi komponentami, które naprawdę zawiodły w środowisku wysokiego ciśnienia (do 70 barów), były komponenty z powietrzem w środku i słabe obudowy, takie jak diody w metalowych obudowach.
źródło