Maximaler Betriebsdruck von Tantal- und Elektrolytkondensatoren

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Ich muss ein Gerät entwickeln, das unter hohem Druck betrieben werden muss (Stickstoffgas). Der Betriebsdruck kann von 1 bar (atmosphärisch) bis zu 20 ... 30 bar Überdruck variieren. Der reguläre Arbeitsdruck liegt bei 10bar.

Daher enthält das Gerät einen Schaltspannungsregler mit LM2674-5, der Eingangs- und Ausgangskondensatoren mit einem relativ hohen Wert benötigt - etwa 100 uF.

Es ist ziemlich offensichtlich, dass die üblichen Elektrolytkondensatoren mit flüssigem Elektrolyten wahrscheinlich durch solche Drücke zerkleinert werden.

Aber welche Kondensatoren sollen verwendet werden? Sind die Tantalkondensatoren druckfester?

Johnfound
quelle
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Im Allgemeinen sind "ziemlich offensichtliche" Dinge nicht. Ist Ihnen klar, dass Flüssigkeit inkompressibel ist? Was Sie sich Sorgen machen müssen, sind Gas- oder Vakuumhohlräume. Wenn eine Komponente nicht für extreme Umgebungsbedingungen spezifiziert ist, sollten Sie sie dort nicht verwenden. Lesen Sie die Datenblätter. Möglicherweise müssen Sie die Hersteller direkt fragen, sie haben oft mehr Daten als sie veröffentlichen.
Neil_UK
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Die mit Flüssigkeit gefüllten Kondensatoren können definitiv nicht zu 100% gefüllt werden. Es sollte immer etwas Gas vorhanden sein, um die Wärmeausdehnung der Flüssigkeit zu ermöglichen. Deshalb halte ich die Verwendung von Flüssigkapseln für keine gute Idee.
Johnfound
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Ich habe wochenlang erfolgreich feste Tantalkappen in Unterwasserausrüstungen im Bereich von 100 m bis 150 m (also 10 bis 15 bar) verwendet, ohne dass es zu Nebenwirkungen kam.
brhans
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Achten Sie auf Druck und Druckänderungen, die das Silizium in den Epoxid-Gehäusen verzerren. Diese Verzerrung führt (wahrscheinlich) zu Ungleichgewichten bei den Schwellenspannungen von FETs (MOSFETs), und daher weisen Ihre Präzisionsanalogschaltungen überraschende OFFSET-Spannungen auf. Fragen Sie hierzu den Hersteller.
analogsystemsrf
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Natürlich sind Flüssigkeiten komprimierbar. So sind Feststoffe. Schauen Sie nach, was "Bulk-Modul" bedeutet, und versuchen Sie, ein Material zu finden, das kein solches enthält. Noch wichtiger ist, dass Flüssigkeiten bei gleichem Druck 10-100-mal stärker komprimieren als Feststoffe. Dies reicht aus, um bei höheren Drücken eine bedeutende mechanische Belastung einzuführen. Wasser verliert bei 30 bar 0,14% seines Volumens, während Stahl 1/74 dieses Volumens verliert. Dies bedeutet, dass der Druck einen mit Flüssigkeit gefüllten Behälter viel stärker belastet als einen festen. Ist das wichtig? Hängt davon ab. Aber es sollte nicht ignoriert werden.
Metacollin

Antworten:

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Dies wird mit erheblichen Einschränkungen gesagt, aber die einzigen Elektrolytkondensatoroptionen für eine druckbeaufschlagte Umgebung sind solche mit einem festen Elektrolyten, also festen Tantal-, Tantalpolymer- oder Aluminiumpolymerkondensatoren.

So gibt beispielsweise Cornell Dublier ausdrücklich an, dass alle Aluminium-Elektrolytkondensatoren einen Betriebsbereich von 1,5 Atmosphären bis 10.000 Fuß haben ( Quelle - Seite 9 ).

Aluminium-Elektrolytkondensatoren sind nicht vollkommen frei von Hohlräumen und ihr normaler Betrieb und ihre anfängliche Eloxierung stellen sicher, dass bereits eine geringe Menge Wasserstoffgas direkt ab Werk enthalten ist. Bei geringem Druck werden alle Verunreinigungen an den Dichtungen vorbei in den Kondensator gedrückt, wodurch möglicherweise ein Kurzschluss oder eine Änderung der Kapazität verursacht wird. Bei höheren Drücken werden sie einfach nach innen gedrückt und gewährleisten einen Kurzschlussfehler.

Einfach ausgedrückt, normale Aluminiumelektrolyseprodukte sind völlig vom Tisch.

Jetzt wird es schwierig: Wenn Sie drucktolerante Elektronik entwickeln, sind Sie meistens auf sich allein gestellt. Damit meine ich, dass Sie keine Antworten auf Fragen wie den maximalen Betriebsdruck der meisten Komponenten finden werden, selbst wenn Sie dem Unternehmen eine E-Mail senden. Dies liegt daran, dass eine solche Nische unglaublich klein ist und es sich einfach nicht lohnt, Produkte unter solch ungewöhnlichen Umgebungsbedingungen zu testen oder zu qualifizieren.

Es gibt einige wenige (sehr wenige) Unternehmen, die eine begrenzte Auswahl an Bauteilen mit hohem Druck wie Kondensatoren herstellen, von denen einige bis zu 10.000 psi hoch sind . Diese Kondensatoren werden sehr teuer sein - ich konnte nicht einmal einen Preis finden, Sie müssen ein Angebot anfordern. Wenn Sie genug Volumen haben, würde ich immer noch davon ausgehen, dass sie weit über 500 - 1000 US-Dollar pro Kondensator kosten. Sie sind auch riesig, 50.000µF Tantalkondensatoren , echte 10.000 psi Monster. Daher ist es meiner Meinung nach auch keine realistische Option für Sie, vorqualifizierte Teile zu finden, die praktisch sind.

Dies bedeutet, dass Sie die Komponenten selbst qualifizieren müssen. Sie müssen eine fundierte Entscheidung treffen und einen COTS-Kondensator auswählen, aber niemand kann Ihnen mit Sicherheit sagen, ob er funktioniert oder wie sich seine Eigenschaften oder Langlebigkeit in einer Umgebung wie Ihrer auswirken werden. Sie müssen das alles selbst testen.

So muss die drucktoleranteste Elektronik konstruiert werden. Sie qualifizieren die Teile einzeln durch Ihre eigenen Tests, und anschließend qualifizieren Sie die gesamte Baugruppe gemeinsam durch Tests. Anschließend investieren Sie entweder viel Zeit und Geld, um sich selbst ein Bild von der Zuverlässigkeit oder Langlebigkeit Ihres Aufbaus zu machen. Sie hoffen nur auf das Beste (und lernen, was mit den Geräten im Feld passiert - wenn Sie so wollen, versuchen Sie es mit Feuer).

Sie sollten daher auch genau wissen, was auf dem Spiel steht und welche Konsequenzen ein Ausfall Ihres Boards haben würde, und sicherstellen, dass Wertberichtigungen vorgenommen werden, damit beispielsweise die Sicherheit von Personen nicht gefährdet wird.

Allerdings sind Festtantalkondensatoren für die elektrolytische Kapazität in großen Mengen die beste Wahl, um den Druck bei minimalen Leistungsänderungen zu tolerieren .

Eine andere Möglichkeit ist, sicherzustellen, dass Sie wirklich überhaupt Elektrolytkondensatoren benötigen. Keramikkondensatoren, die für 10 V und 100 uF ausgelegt sind, sind leicht verfügbar und nicht schrecklich teuer . Dieser Murata-Kondensator ist beispielsweise eine Option. Beachten Sie nur den DC-Bias-Graphen - die meisten Keramikkondensatoren mit hoher Kapazität verwenden Dielektrika, die den ferroelektrischen Effekt aufweisen. Ähnlich wie ferromagnetische Materialien bei Vorhandensein eines Magnetfelds sind ferroelektrische Materialien analog, jedoch für elektrische Felder (und als elektrisches Feld gespeicherte Energie ist letztendlich das, was der Kondensator letztendlich speichert). Dies bedeutet, dass die effektive Kapazität von Keramikkondensatoren unter Gleichstromvorspannung abfällt. Sie müssten also ihre Kapazität verringern und mehr als eine parallel verwenden.

Der Goldstandard in der drucktoleranten Elektronik war schon immer der Polypropylen-Metallfilmkondensator , aber offensichtlich sind diese viel zu niedrig und einfach nicht für Anwendungen mit großen Kapazitäten geeignet. Ich dachte, ich würde sie der Vollständigkeit halber hier notieren.

Abschließend, abgesehen von einigen ziemlich exotischen Hochdruck, Hochsee - Kondensatoren , die für Ihre Anwendung wahrscheinlich nicht praktikabel sind, ist die kurze Antwort auf Ihre Frage , die Tantal - Kondensatoren sowie die meisten Kondensatoren einfach nicht einen maximalen Betriebsdruck haben Bewertung . Die Bewertung wird hier absichtlich hervorgehoben - verwechseln Sie dies nicht damit, dass sie bei jedem Druck arbeiten können. Sie haben sicherlich einen maximalen Druck, mit dem sie arbeiten können, aber das Rating selbst wird einfach nicht existieren.

Lassen Sie sich davon jedoch nicht entmutigen. Die Drücke, die unter anderem in der Tiefsee mit drucktoleranter Elektronik auftreten, liegen weit über 30 bar, und hochwertige Tantalkondensatoren sind hier die erste Wahl, und alle speziell für Tiefsee gefertigten Kondensatoren mit 10.000 PSI sind ebenfalls Tantalkondensatoren.

Verstehen Sie nur, dass der Hersteller kein Fehler begangen hat, wenn die Kondensatoren ausfallen, und dass Sie sie trotzdem selbst qualifizieren müssen. Dies bedeutet nicht nur das Überprüfen auf Fehler, sondern auch, dass die verschiedenen Eigenschaften, die für Ihre Schaltung von Bedeutung sind, in einem akzeptablen Bereich bleiben.

Holen Sie sich einige feste Tantalkondensatoren und testen Sie sie selbst. Sie werden es wahrscheinlich beim ersten Versuch bekommen, aber seien Sie bereit, ein paar verschiedene Marken oder Bauarten auszuprobieren.

Schlussbemerkungen: Andere Komponenten können in Hochdruckumgebungen ein unerwartetes Verhalten aufweisen. Stellen Sie sicher, dass Sie nichts haben, das eine Metalldose hat. Quarzkristalle sind leicht zu übersehen - Durchgangsloch oder SMD, sie haben einen leeren Raum in der Dose und mechanische Beanspruchung des Kristalls wird durch die Frequenz weg, wenn sie nicht einfach zerstört werden.

Seien Sie auch vorsichtig bei nassen Tantalkondensatoren . Sie sollten diese vermeiden. Es gibt ein weit verbreitetes Missverständnis, dass Flüssigkeiten nicht komprimierbar sind. Das ist einfach nicht wahr - sie sind viel schwerer zu komprimieren als Gas, aber es ist immer noch komprimierbar, ebenso wie Feststoffe. Das ist der Kompressionsmodul - die Kompressibilität einer Substanz. Wichtig ist, dass der Unterschied in der Kompressibilität für Flüssigkeiten gegenüber Feststoffen zwischen 10 und 100 oder 1 bis 2 Größenordnungen liegt. Dies bedeutet, dass Flüssigkeit viel stärker komprimiert als Feststoffe, was eine möglicherweise erhebliche mechanische Belastung ermöglichen würde.

Für Wasser wird es um etwa 46,4 ppm pro Atmosphäre komprimiert. Ein bestimmtes Wasservolumen verliert also etwa 0,14% seines Gesamtvolumens, wenn es einem Druck von 30 bar ausgesetzt wird. Dies lässt nichts wie eine Blechdose implodieren, aber bei Bauteilen mit sehr spröden Materialien (wie Tantalpentoxid) kann dies dazu führen, dass genügend Biegsamkeit / Dehnung auftreten, um Probleme zu verursachen. Festelektrolyt ist was Sie wollen.

Metacollin
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Nun, interessante Antwort. Danke für deinen Einsatz. Die Frage wurde nicht direkt beantwortet, aber ich habe es trotzdem nicht erwartet. :) Nur eine zusätzliche Frage. Ich gehe davon aus, dass alle Tantal-SMD-Chip-Kondensatoren (prismatischer Formfaktor) vom Typ Festelektrolyt sind. Ist das richtig, oder sollte ich die Datenblätter für jedes einzelne Modell / Hersteller überprüfen?
Johnfound
Ihre Annahme, ein fester Elektrolyt sei besser als ein nasser, ist schlicht falsch. Sogar die teuren Kondensatoren, auf die Sie hingewiesen haben, verwenden nassen Elektrolyten. Bitte beachten Sie die technischen Daten : evanscap.com/pdf/TDD_REV_I.pdf Absatz 2.1.
Dorian
@Dorian: Natürlich ist es möglich, einen nassen Kondensator so zu konstruieren, dass er großen Drücken standhält. Ich habe aber nach billigen, serienmäßigen Elementen gefragt. Es ist ziemlich dumm, spezielle, sehr teure Komponenten zu verwenden, während es möglich ist, dass dasselbe Gerät mit seriellen, billigen Komponenten ordnungsgemäß funktioniert. Ist es nicht
Johnfound
Ich stimme mit allem anderen in Ihrer Antwort völlig überein. Es ist jedoch wahrscheinlicher, dass ein fester Kondensator aufgrund einer Gasblase ausfällt als ein flüssiger Elektrolyt. Die Flüssigkeit verteilt die lokale Spannung auf die gesamte Oberfläche des Kondensatorgehäuses, während ein Feststoff dies nicht tut.
Dorian
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Ihr Problem kann gelöst werden, indem Sie ein besseres Design wählen, das >> 1MHz arbeitet, und eine Filmkappe verwenden, die in der Lage ist, eine für Ihre raue Umgebung zu wählen.

Hier ist eine Referenz der NASA für kryogene Tests an Verschlüssen.

Während beispielsweise Polypropylen-, Polycarbonat- und Glimmerkondensatoren beim Testen mit flüssigem Stickstoff eine hervorragende Stabilität zeigten, wies der feste Tantalkondensator bei dieser Temperatur einen Anstieg seines dielektrischen Verlusts auf. Die meisten EDL-Kondensatoren zeigten mit zunehmendem Alter keine Veränderung, schienen jedoch bei extremen Temperaturen nicht zu funktionieren.

Hier ist meine vorgeschlagene Liste möglicher Obergrenzen

Sie können Ihr eigenes Design von 1,5 bis 3 MHz finden, um Ihre Anforderungen mit einer guten Batteriequelle und Filmkappen zu erfüllen.

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Tony Stewart Sunnyskyguy EE75
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Ich frage mich, warum die NASA nicht über Elektrolytkappen berichtet hat. Ich schlage vor, dass die Dielektrizitätskonstante von Nassdielektrika bei kryogenen Temperaturen NG ist. und
festes
Ich sehe keine niedrigen Temperaturen in der Frage angegeben.
Dorian
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Wie Neil_UK mit seiner großen Weisheit und Erfahrung in seinem Kommentar hervorhob, ist dies kein so großes Problem, wie es scheint.

Wie kann ein Kondensator, der einem hohen Druck ausgesetzt ist, ausfallen? Sie könnten denken, es würde implodieren, aber dies ist einfach nicht wahr, wenn der Kondensator vollständig fest oder mit Flüssigkeit gefüllt ist, da nur Gase stark komprimierbar sind. Flüssigkeiten sind viel weniger komprimierbar.

Ein 4% Restgas in einem flüssigkeitsgefüllten Kondensator (was ziemlich viel ist) ergibt eine Variation des Gesamtvolumens von 3,8% bei 20 bar. Natürlich summiert sich die thermische Ausdehnung, aber Sie sehen, dass sie in der gleichen Größenordnung liegen.

Dies gilt nicht für einen Feststoff, bei dem die Blase nicht schrumpfen kann, um den Blasendruck auf Umgebungsdruck zu bringen, da sie von Feststoff umgeben ist und der gesamte Druck auf die kleine Oberfläche der Wand der Blase konzentriert ist.

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Die Antwort hängt von Ihren Einschränkungen, Ihrem Budget und Ihrer Zuverlässigkeit ab.

Die teuren Tiefseekondensatoren erfordern auch eine lange Lebensdauer und eine geringe Ausfallrate, da die Kosten für ihren Austausch enorm sind.

Dies ist möglicherweise nicht Ihr Fall, und die Lösung von metacollin, herkömmliche Kondensatoren zu verwenden und diese selbst zu testen, ist möglicherweise gut und billig. Natürlich nicht fest aus dem oben genannten Grund und suchen Kondensatoren mit einem breiteren Temperaturbereich, nur weil sie eine viel größere Toleranz gegenüber Schwankungen des Elektrolytvolumens aufweisen.

Auch eine alte Studie, die ich fand, zeigt, dass die einzigen üblichen Komponenten, die in einer Hochdruckumgebung (bis zu 70 bar) wirklich versagten, Komponenten mit Luft im Inneren und schwachen Gehäusen wie metallummantelten Dioden waren.

Dorian
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Haben Sie beide den NASA-Bericht gelesen, den ich verlinkt habe? flüssiger Stickstoff, der feste Tantalkondensator, wies bei dieser Temperatur einen Anstieg seines dielektrischen Verlusts auf
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75,
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@ SunnyskyguyEE75 Es steht nichts in der Frage nach niedrigen Temperaturen.
Dorian
Wenn die Gasblase ihr Volumen verringert, sollte entweder die Flüssigkeit ihr Volumen erhöhen oder das äußere Gehäuse ihr Volumen verringern. Weil Vg + Vliq = Vcase immer.
Johnfound
@johnfound Das Kondensatorgehäuse ist flexibel, um eine Wärmeausdehnung oder ein Schrumpfen auszugleichen. Vcase ist nicht konstant.
Dorian