我需要设计一个必须在高压环境(氮气)中运行的设备。工作压力可能从 1bar(大气压)到 20..30bar 表压不等。正常工作压力约为 10bar。
因此,该器件包含一个带有 LM2674-5 的开关稳压器,它需要具有相对较高值的输入和输出电容器 - 例如 100uF。
很明显,通常带有液体电解质的电解电容器可能会被这种压力压碎。
但是用什么电容呢?钽电容是否更耐压?
我需要设计一个必须在高压环境(氮气)中运行的设备。工作压力可能从 1bar(大气压)到 20..30bar 表压不等。正常工作压力约为 10bar。
因此,该器件包含一个带有 LM2674-5 的开关稳压器,它需要具有相对较高值的输入和输出电容器 - 例如 100uF。
很明显,通常带有液体电解质的电解电容器可能会被这种压力压碎。
但是用什么电容呢?钽电容是否更耐压?
据说这是有重大警告的,但加压环境中唯一的电解电容器选项是具有固体电解质的电解电容器,因此是固体钽、钽聚合物或铝聚合物电容器。
例如,Cornell Dublier 特别声明其所有铝电解电容器的工作范围为 1.5 个大气压至 10,000 英尺(来源 - 第 9 页)。
铝电解电容器并非完全没有空隙,它们的正常运行和初始阳极氧化确保内部已经有少量氢气,直接来自工厂。在适度的压力下,任何污染物都将通过其密封件进入电容器,可能导致短路或改变电容,而在较高的压力下,它们将简单地向内压碎并保证短路故障模式。
简而言之,普通铝电解液完全不适用。
现在,这就是它变得棘手的地方:在设计耐压电子设备时,在大多数情况下,你有点靠自己。我的意思是,即使您向公司发送电子邮件,您也不会找到大多数组件的“最大运营压力”等问题的答案。这是因为这样的利基市场非常小,在这种不寻常的环境条件下测试或鉴定产品根本不值得花费时间和精力。
少数(极少数)公司会选择有限的高压组件,例如电容器,有些甚至高达 10,000 psi。这些电容器将非常昂贵——我什至找不到价格,您必须要求报价。如果你有足够大的容量,我仍然希望它们每个电容器的成本超过 500 至 1000 美元。它们也是巨大的,50,000µF 的钽电容器,真正的 10,000 psi 怪物。因此,我认为,实际上找到实用的预认证零件对您来说也不是一个现实的选择。
这意味着由您自己确定组件的资格。您必须做出明智的决定并选择 COTS 电容器,但没有人能确切地告诉您它是否会起作用,或者在您这样的环境中,它的特性或寿命将如何受到影响。您必须自己测试所有这些。
这就是大多数耐压电子设备的设计方式。您通过自己的测试单独对零件进行鉴定,然后在测试中进一步对整个组件进行鉴定,然后您要么花费大量时间和金钱来稍微了解设置的可靠性或寿命,你只是希望最好(并从现场设备发生的事情中学习 - 如果你愿意的话,可以进行试验)。
因此,您还应该敏锐地意识到什么是危险的,如果您的董事会失败会产生什么后果,并确保留出余地,例如,不会危及任何人的安全。
也就是说,对于大容量电解电容,固体钽电容器将是您在性能变化最小的情况下承受压力的最佳选择。
另一种选择是确保您确实需要电解电容器。 额定电压为 10V 和 100µF 的陶瓷电容器很容易买到,而且价格也不贵。例如,这个村田电容器是一种选择。请注意直流偏置图 - 大多数大容量陶瓷电容器使用表现出铁电效应的电介质。与存在磁场的铁磁材料类似,铁电材料是类似的,但对于电场(作为电场存储的能量最终是电容器最终存储的)。这意味着陶瓷电容器的有效电容在直流偏置下会下降。因此,您需要降低它们的电容并并联使用多个。
耐压电子产品的黄金标准一直是聚丙烯金属膜电容器,但显然这些值太低了,根本不适合任何大容量电容应用。不过,我想我会在这里记录它们的完整性。
最后,除了一些可能对您的应用不实用的相当奇特的高压深海电容器外,对您的问题的简短回答是,钽电容器以及大多数电容器根本没有最大工作压力额定值。这里特意强调评级——不要误以为他们可以在任何压力下运作。他们当然有一个可以预期的最大压力,但评级本身根本不存在。
然而,不要让这一切让你灰心。深海耐压电子产品所承受的压力远高于30 bar,这里首选优质钽电容,所有特制的深海10,000 PSI电容同样都是钽电容。
只要明白,如果电容器发生故障或当电容器发生故障时,制造商没有过错,您仍然必须自己对它们进行鉴定。这不仅意味着检查故障,还意味着确保它们对您的电路很重要的各种属性保持在可接受的水平内。
获取一些固体钽电容器并自己测试它们。您可能会在第一次尝试时得到它,但要准备好尝试几个不同的品牌或结构类型。
最后说明:其他组件在高压环境中可能会表现出意外行为。确保您没有任何具有“金属罐”结构的东西。一个容易被忽视的是石英晶体 - 通孔或 SMD,它们在罐内有空白空间,如果晶体没有被简单地破坏,晶体上的机械应力将通过频率方式消失。
另外,要小心潮湿的钽电容。你应该避免这些。有一个普遍的误解,即流体不可压缩。这根本不是真的——它们比气体更难压缩,但它仍然是可压缩的,固体也是如此。这就是体积模量 - 物质的可压缩性。重要的是,液体与固体的可压缩性差异在 10-100 或 1 到 2 个数量级之间。这意味着液体将比固体压缩得多,这将允许潜在的显着机械应变。
对于水,每大气压将压缩约 46.4 ppm。因此,如果暴露在 30 巴的压力下,给定体积的水将损失其总体积的 0.14% 左右。这不会像锡罐那样使任何东西内爆,但是对于内部具有非常脆性材料的组件(例如五氧化二钽),这可能会使足够的弯曲/应变令人担忧。固体电解质就是你想要的。
您的问题可以通过选择更好的设计来解决,该设计的频率 > 1MHz,因此使用能够为您的恶劣环境选择一种的薄膜帽。
这是NASA提供的关于瓶盖低温测试的参考资料。
例如,虽然聚丙烯、聚碳酸酯和云母电容器在液氮下测试时表现出出色的稳定性,但固态钽电容器在该温度下表现出介电损耗增加。大多数 EDL 电容器随着老化没有变化,但在极端温度下似乎不起作用。
您可以找到自己的 1.5 至 3MHz 设计来满足您对良好电池源和薄膜盖的要求。
正如 Neil_UK 以其巨大的智慧和经验在评论中指出的那样,这并不是一个看起来那么大的问题。
承受高压的电容器如何失效?您可能认为它会内爆,但如果电容器完全是固体或充满液体,这根本不是真的,因为只有气体是高度可压缩的。液体的可压缩性要小得多。
此外,电解电容器的外壳构造成能够承受由于温度变化引起的体积变化。从 0 \$^\circ\$到 80 \$^\circ\$摄氏度,体积增长约为 4%。我确信在设计电容器外壳时会在此之上留出很大的余量。
充满液体的电容器中 4% 的残余气体(几乎是这样)将在 20 bar 时产生 3.8% 的总体积变化。当然,热膨胀加起来,但您会看到它们处于同一数量级。
对于气泡不能收缩以使气泡压力达到环境压力的固体而言,情况并非如此,因为它被固体包围,所有压力都集中在气泡的壁小表面上。
答案取决于您的限制条件、预算和可靠性。
昂贵的深海电容器还需要长寿命和低故障率,因为更换它们的成本巨大。
这可能不是您的情况,metacollin 使用常用电容器并自己测试它们的解决方案可能既好又便宜。当然,由于上述原因,并不是固态的,而是寻找具有更宽温度范围的电容器,因为它们对电解液体积变化的容忍度要大得多。
此外,我发现的一项旧研究表明,在高压环境(高达 70 bar)中真正失效的唯一普通级组件是内部有空气和弱外壳的组件,例如金属封装的二极管。