탄탈륨 및 전해 커패시터의 최대 작동 압력

고압 환경 (질소 가스)에서 작동해야하는 장치를 설계해야합니다. 작동 압력은 1bar (대기압)에서 20..30bar 게이지 압력까지 다양 할 수 있습니다. 일반적인 작업 압력은 약 10bar입니다.

따라서이 장치에는 100uF와 같이 비교적 높은 값의 입력 및 출력 커패시터가 필요한 LM2674-5가 포함 된 스위칭 전압 조정기가 포함되어 있습니다.

액체 전해질을 가진 일반적인 전해 커패시터는 아마도 그러한 압력에 의해 분쇄 될 것입니다.

그러나 어떤 커패시터를 사용해야합니까? 탄탈륨 커패시터는 내압성이 더 우수합니까?

이것은 상당한 경고가 있지만 가압 환경에 대한 유일한 전해 커패시터 옵션은 고체 전해질, 고체 탄탈륨, 탄탈륨 폴리머 또는 알루미늄 폴리머 커패시터가있는 옵션입니다.

예를 들어 Cornell Dublier는 모든 알루미늄 전해 커패시터의 작동 범위가 1.5 기압에서 10,000 피트 ( 소스-페이지 9 ) 인 것으로 명시하고 있습니다.

알루미늄 전해 커패시터에는 공극이 완벽하게 포함되어 있지 않으며 정상적인 작동과 초기 아노다이징으로 공장 내부에서 소량의 수소 가스가 이미 내부에 있습니다. 적당한 압력에서는 오염 물질이 실링을지나 커패시터로 강제로 들어가 캐패시턴스가 짧아 지거나 변경 될 수 있으며, 높은 압력에서는 간단하게 안쪽으로 찌그러져 단락 고장 모드를 보장합니다.

간단히 말해서, 일반적인 알루미늄 전해는 완전히 벗어납니다.

이제는 까다로운 부분이 있습니다. 내압 전자 장치를 설계 할 때는 대부분 자신이 있습니다. 내가 의미하는 바는 회사에 이메일을 보내더라도 대부분의 구성 요소의 '최대 운영 압력'과 같은 질문에 대한 답을 찾지 못할 것입니다. 이러한 틈새 시장은 엄청나게 작기 때문에 이러한 특별한 환경 환경에서 제품을 테스트하거나 검증하는 데 시간과 노력을 들일 가치가 없기 때문입니다.

커패시터와 같은 고압 등급의 부품을 선택하는 소수 (매우 소수) 회사가 있습니다 (일부 10,000 psi) . 이 커패시터는 매우 비쌀 것입니다-가격조차 찾을 수 없으므로 견적을 요청해야합니다. 볼륨이 충분하다면 커패시터 당 $ 500- $ 1000 이상이 될 것으로 예상됩니다. 또한 거대한 50,000µF의 탄탈륨 커패시터, 진정한 10,000psi 괴물입니다. 따라서 실제로 사전 검증 된 부품을 찾는 것도 현실적인 옵션이 아니라고 생각합니다.

이것이 의미하는 바는 구성 요소를 직접 검증하는 것입니다. 당신은 교육받은 결정을 사용하고 COTS 커패시터를 선택해야하지만, 그것이 작동하는지 또는 당신의 환경과 같은 환경에서 그 성질이나 수명이 어떻게 영향을 받는지 아무도 당신에게 말할 수 없습니다. 이 모든 것을 직접 테스트해야합니다.

이것이 대부분의 내압 전자 장치 설계 방식입니다. 자체 테스트를 통해 부품을 개별적으로 검증 한 다음 테스트를 통해 전체 어셈블리를 추가로 검증 한 다음, 설정의 신뢰성 또는 수명에 대해 약간의 아이디어를 얻는 데 많은 시간과 비용을 소비하고, 당신은 단지 최선을 다하기를 바랄뿐입니다.

따라서 위기에 처한 것이 무엇인지, 그리고 이사회가 실패 할 경우 어떤 결과가 초래 될지 잘 알고, 예를 들어, 아무도 안전에 위험이 없도록 허용됩니다.

즉, 대량 전해 용량의 경우 고체 탄탈륨 커패시터는 성능 변화를 최소화하면서 압력을 견딜 수있는 최선의 방법입니다 .

또 다른 옵션은 전해 커패시터가 실제로 필요한지 확인하는 것입니다. 10V 및 100µF 등급의 세라믹 커패시터는 쉽게 구입할 수 있으며 비용이 많이 들지 않습니다 . 이 Murata 커패시터 는 예를 들어 옵션입니다. DC 바이어스 그래프에주의하십시오. 대부분의 고용량 세라믹 커패시터는 강유전체 효과를 나타내는 유전체를 사용합니다. 자기장이 존재하는 강자성 재료와 유사하게, 강유전체 재료는 유사하지만 전기장과 유사하다 (그리고 전기장으로 저장된 에너지는 궁극적으로 커패시터가 저장하는 에너지이다). 이것은 DC 커패시터에서 세라믹 커패시터의 유효 정전 용량이 떨어진다는 것을 의미합니다. 따라서 커패시턴스를 줄이고 하나 이상의 병렬을 사용해야합니다.

내압 전자 장치의 금 본위제는 항상 폴리 프로필렌 금속 필름 커패시터 였지만,이 값은 너무 낮은 값이며 벌크 커패시턴스 응용 제품에는 적합하지 않습니다. 나는 여기서 완전성을 위해 그것들을 주목할 것이라고 생각했다.

마지막으로, 응용 분야에 실용적이지 않은 다소 이국적인 고압의 짙은 바다 축전기 이외에도, 탄탈 축전기뿐만 아니라 대부분의 축전기에는 최대 작동 압력 등급 이 없다는 질문에 대한 짧은 대답이 있습니다 . 여기서 등급은 의도적으로 강조됩니다. 어떤 압력에서도 작동 할 수 있다는 것을 오해하지 마십시오. 그들은 확실히 작동 할 것으로 예상되는 최대 압력을 가지고 있지만 등급 자체는 존재하지 않습니다.

그러나이 모든 것이 당신을 낙담시키지 마십시오. 심해 내압 전자 장치와 같은 압력은 30 bar보다 훨씬 높으며, 고품질 탄탈륨 커패시터가 가장 먼저 선택되며, 모든 목적으로 만들어진 심해 10,000 PSI 커패시터도 마찬가지로 탄탈륨 커패시터입니다.

커패시터에 장애가 발생했을 때 또는 제조업체가 오류가 발생하지 않았 음을 여전히 이해해야합니다. 이는 단순히 고장을 확인하는 것이 아니라 회로에 중요한 다양한 속성이 허용 가능한 수준 내에 있는지 확인하는 것을 의미합니다.

탄탈륨 커패시터를 사용하여 직접 테스트하십시오. 첫 번째 시도에서 얻을 수 있지만 몇 가지 다른 브랜드 또는 시공 유형을 시도 할 준비를하십시오.

최종 참고 사항 : 다른 구성 요소는 고압 환경에서 예기치 않은 동작을 보일 수 있습니다. '금속 캔'구조의 물건이 없어야합니다. 간과하기 쉬운 석영 크리스탈은 구멍 또는 SMD를 통해 캔 내부에 빈 공간이 있으며, 크리스탈이 파괴되지 않는 경우 주파수를 통해 크리스탈에 기계적 응력이 가해집니다.

또한 습식 탄탈륨 커패시터에 주의하십시오 . 이것을 피해야합니다. 유체를 압축 할 수 없다는 일반적인 오해가 있습니다. 이것은 단순히 사실이 아닙니다-가스보다 압축하기가 훨씬 어렵지만 고체와 마찬가지로 여전히 압축 가능합니다. 그것이 물질의 압축 성인 벌크 모듈러스입니다. 중요하게도, 액체 대 고체에 대한 압축성의 차이는 10-100 또는 1 내지 2 크기의 차이이다. 이는 액체가 고체보다 훨씬 더 많이 압축되어 잠재적으로 심각한 기계적 변형을 허용 함을 의미합니다.

물의 경우 대기 당 약 46.4ppm 압축됩니다. 따라서 30 bar의 압력에 노출되면 주어진 양의 물이 총 부피의 약 0.14 %를 잃게됩니다. 이로 인해 주석 캔처럼 흠집이 나지 않지만 탄탈륨 오산화 물질과 같이 매우 부서지기 쉬운 물질이 포함 된 부품의 경우 충분한 굴곡 / 변형이 걱정 될 수 있습니다. 고체 전해질은 당신이 원하는 것입니다.

>> 1MHz로 작동하는 더 나은 디자인을 선택하여 열악한 환경에 적합한 것을 선택할 수있는 필름 캡을 사용하면 문제를 해결할 수 있습니다.

다음은 캡에 대한 극저온 테스트에 대한 NASA 의 참고 자료 입니다 .

예를 들어, 폴리 프로필렌, 폴리 카보네이트 및 운모 커패시터는 액체 질소에서 시험 할 때 탁월한 안정성을 나타내지 만, 고체 탄탈륨 커패시터는 그 온도에서 유전 손실의 증가를 나타냈다. 대부분의 EDL 커패시터는 노화에 따른 변화가 없었지만 극한 온도에서는 작동하지 않는 것 같습니다.

여기에 가능한 한도의 제안 목록이 있습니다.

우수한 배터리 소스 및 필름 캡으로 요구 사항을 충족하는 1.5 ~ 3MHz의 고유 한 디자인을 찾을 수 있습니다.

그의 위대한 지혜와 경험을 가진 Neil_UK가 그의 의견에서 지적했듯이, 이것은 큰 문제는 아닙니다.

고압에 노출되는 커패시터는 어떻게 고장입니까? 가스가 압축 될 수 있기 때문에 축전기가 완전히 단단하거나 액체로 채워져 있다면 이것이 사실이 아니라고 생각할 수도 있습니다. 액체는 압축성이 훨씬 떨어집니다.

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액체로 채워진 커패시터의 4 % 잔류 가스 (대부분)는 20bar에서 총 부피가 3.8 % 변화합니다. 물론 열팽창이 더해 지지만 그것들은 같은 크기의 것을 볼 수 있습니다.

이것은 기포 압력이 주변 압력에 도달하기 위해 기포가 수축 될 수없는 고체에 대해서는 사실이 아니며, 모든 압력은 버블의 벽면에 집중되어 있기 때문입니다.

답은 제약 조건, 예산 및 신뢰성에 따라 다릅니다.

고가의 심해 캐패시터는 또한 교체 비용이 엄청 나서 긴 수명과 낮은 고장률을 요구합니다.

이것은 귀하의 경우가 아니며 일반적인 커패시터를 사용하고 직접 테스트하는 메타 콜린의 솔루션은 좋고 저렴할 수 있습니다. 물론, 상기 이유로 인해 고체가 아니며, 전해질 부피 변화에 대해 훨씬 큰 내성을 갖기 때문에 더 넓은 온도 범위를 갖는 커패시터를 검색한다.

또한 내가 찾은 오래된 연구에 따르면 고압 환경 (실제 최대 70bar)에서 실제로 고장난 유일한 등급의 구성 요소는 내부에 공기가 있고 금속 케이스 다이오드와 같은 약한 케이스 인 구성 요소였습니다.