Pressão operacional máxima de tântalo e capacitores eletrolíticos

15

Preciso projetar um dispositivo que precise operar em um ambiente de alta pressão (gás nitrogênio). A pressão operacional pode variar de 1 bar (atmosférico) até 20 a 30 bar de pressão manométrica. A pressão de trabalho regular será em torno de 10bar.

Portanto, o dispositivo contém um regulador de tensão de comutação com LM2674-5 que precisa de capacitores de entrada e saída com valor relativamente alto - algo como 100uF.

É bastante óbvio que os capacitores eletrolíticos usuais com eletrólito líquido provavelmente serão esmagados por essas pressões.

Mas quais capacitores usar? Os capacitores de tântalo são mais resistentes à pressão?

johnfound
fonte
6
geralmente, coisas "bastante óbvias" não são. Você percebe que o líquido é incompressível? Você precisa se preocupar com vazios de gás ou vácuo. Se um componente não for especificado para uma condição ambiental extrema, você não deve usá-lo lá. Leia as folhas de dados. Pode ser necessário perguntar diretamente aos fabricantes, pois eles costumam ter mais dados do que publicam.
Neil_UK 17/01/19
1
Os capacitores preenchidos com líquido definitivamente não podem ser preenchidos em 100%. Sempre deve haver algum gás para permitir a expansão térmica do líquido. É por isso que acho que usar tampas de líquidos não é uma boa ideia.
johnfound
2
Usei com sucesso tampas sólidas de tântalo em equipamentos submarinos que operam na faixa de 100m a 150m (10-15 bar) por semanas seguidas, sem efeitos negativos observados.
brhans
1
Cuidado com a pressão e as mudanças de pressão, distorcendo o silício dentro dos pacotes de epóxi. Essa distorção (provavelmente) causará desequilíbrios nas tensões limite dos FETs (MOSFETs) e, portanto, seus circuitos analógicos de precisão terão tensões OFFSET surpreendentes. Pergunte ao fabricante sobre isso.
Analogsystemsrf 17/01/19
3
@ Neil_UK É claro que os líquidos são compressíveis. Então são sólidos. Procure o que significa 'módulo em massa' e tente encontrar qualquer material que não possua um. Mais importante, os líquidos comprimem entre 10 e 100 vezes mais que os sólidos para a mesma pressão, o que é suficiente para introduzir uma tensão mecânica significativa sob pressões mais altas. A água perde 0,14% do seu volume a 30 bar, enquanto o aço perde 1/74 do volume. Isso significa que a pressão exercerá muito mais pressão sobre um recipiente cheio de líquido do que sobre um sólido. Isso importa? Depende. Mas não deve ser ignorado.
metacollin

Respostas:

11

Isso é dito com ressalvas significativas, mas as únicas opções de capacitores eletrolíticos para um ambiente pressurizado são aquelas com um eletrólito sólido, portanto capacitores sólidos de tântalo, polímero de tântalo ou polímero de alumínio.

A Cornell Dublier, por exemplo, afirma especificamente que todos os seus capacitores eletrolíticos de alumínio têm uma faixa operacional de 1,5 atmosferas a 10.000 pés ( fonte - página 9 ).

Os capacitores eletrolíticos de alumínio não estão perfeitamente livres de vazios e sua operação normal e anodização inicial garantem que já exista uma pequena quantidade de gás hidrogênio no interior, diretamente da fábrica. Em pressões modestas, quaisquer contaminantes serão forçados a entrar no capacitor após suas vedações, potencialmente causando um curto ou alterando a capacitância, e a pressões mais altas, eles simplesmente serão esmagados para dentro e garantirão um modo de falha de curto-circuito.

Simplificando, os eletrolíticos de alumínio normais estão completamente fora da mesa.

Agora, é aqui que fica complicado: ao projetar eletrônicos tolerantes a pressão, na maioria das vezes, você fica por conta própria. O que quero dizer com isso é que você não encontrará respostas para perguntas como 'pressão operacional máxima' da maioria dos componentes, mesmo se enviar um e-mail à empresa. Isso ocorre porque esse nicho é incrivelmente pequeno e simplesmente não vale a pena gastar tempo e esforço para testar ou qualificar produtos em circunstâncias ambientais tão incomuns.

Existem algumas (muito poucas) empresas que fazem uma seleção limitada de componentes com classificação de alta pressão, como capacitores, alguns com até 10.000 psi . Esses capacitores serão muito caros - eu nem consegui encontrar um preço, você precisa solicitar uma cotação. Se você tiver um volume alto o suficiente, eu ainda esperaria que eles custassem mais de US $ 500 a US $ 1000 por capacitor. Eles também são enormes, 50.000 µF de capacitores de tântalo , verdadeiros monstros de 10.000 psi. Então, na verdade, encontrar peças pré-qualificadas e práticas também não é uma opção realista para você.

O que isso significa é que depende de você qualificar os componentes. Você precisa tomar uma decisão fundamentada e selecionar um capacitor COTS, mas ninguém pode dizer com certeza se ele funcionará ou como suas propriedades ou longevidade serão afetadas em um ambiente como o seu. Você tem que testar tudo isso sozinho.

É assim que a maioria dos eletrônicos tolerantes à pressão deve ser projetada. Você qualifica as peças individualmente por meio de seu próprio teste e, em seguida, qualifica toda a montagem em conjunto sob teste, e gasta muito tempo e dinheiro necessários para ter uma idéia da confiabilidade ou longevidade de sua configuração, você apenas espera o melhor (e aprenda com o que acontece com os dispositivos em campo - teste de fogo, se desejar).

Portanto, você também deve estar bem ciente do que está em jogo e quais seriam as consequências se o seu conselho falhar e verifique se há subsídios para que, por exemplo, a segurança de ninguém seja posta em risco.

Dito isto, para capacitância eletrolítica em massa, os capacitores sólidos de tântalo seriam sua melhor aposta para tolerar a pressão com alterações mínimas no desempenho .

Outra opção é garantir que você realmente precise de capacitores eletrolíticos. Capacitores de cerâmica classificados para 10V e 100µF estão prontamente disponíveis e não são terrivelmente caros . Este capacitor Murata é uma opção, por exemplo. Cuidado com o gráfico de polarização DC - a maioria dos capacitores cerâmicos de alta capacidade usa dielétricos que exibem o efeito ferroelétrico. Semelhante aos materiais ferromagnéticos na presença de um campo magnético, os materiais ferroelétricos são análogos, exceto para os campos elétricos (e a energia armazenada como um campo elétrico é, em última análise, o que o capacitor está armazenando). Isso significa que a capacitância efetiva dos capacitores de cerâmica cai sob polarização DC. Então você precisaria diminuir sua capacidade e usar mais de um em paralelo.

O padrão ouro em eletrônicos tolerantes à pressão sempre foi o capacitor de filme metálico de polipropileno , mas obviamente esses são valores muito baixos e simplesmente não são adequados para qualquer aplicação de capacitância a granel. Eu pensei em anotá-las aqui por completo.

Para finalizar, além de alguns capacitores marítimos compactos de alta pressão e exóticos que provavelmente não são práticos para a sua aplicação, a resposta curta à sua pergunta é que capacitores de tântalo e a maioria dos capacitores simplesmente não têm uma classificação de pressão operacional máxima . A classificação é enfatizada de propósito aqui - não confunda isso com o significado de que eles podem operar com qualquer pressão. Eles certamente têm uma pressão máxima na qual se espera que operem, mas a classificação em si simplesmente não existe.

Não deixe que tudo isso desanime você, no entanto. As pressões sofridas por coisas como eletrônicos tolerantes à pressão do mar profundo são muito superiores a 30 bar, e capacitores de tântalo de qualidade são a primeira escolha aqui, e todos os capacitores de 10.000 PSI do mar profundo criados para esse fim também são capacitores de tântalo.

Apenas entenda que o fabricante não tem culpa se ou quando os capacitores falharem e você ainda precisa qualificá-los. Isso não significa apenas verificar a falha, mas garantir que as várias propriedades importantes para o seu circuito permaneçam dentro de níveis aceitáveis.

Obtenha alguns capacitores sólidos de tântalo e teste-os você mesmo. Você provavelmente conseguirá na primeira tentativa, mas esteja preparado para experimentar algumas marcas ou tipos de construção diferentes.

Notas finais: Outros componentes podem exibir comportamento inesperado em ambientes de alta pressão. Verifique se você não tem nada que tenha uma construção de 'lata de metal'. É fácil ignorar os cristais de quartzo - através do orifício ou SMD, eles têm espaço vazio dentro da lata e o estresse mecânico no cristal diminui com a frequência, se não for simplesmente destruído.

Além disso, tenha cuidado com os capacitores de tântalo úmidos . Você deve evitar isso. Existe um equívoco comum de que os fluidos não são compressíveis. Isso simplesmente não é verdade - eles são muito mais difíceis de compactar do que o gás, mas ainda são compressíveis, assim como os sólidos. É esse o módulo a granel - a compressibilidade de uma substância. É importante ressaltar que a diferença na compressibilidade entre líquidos e sólidos está entre 10 e 100, ou 1 a 2 ordens de magnitude. Isso significa que o líquido comprimirá muito mais do que os sólidos, o que permitiria uma tensão mecânica potencialmente significativa.

Para a água, ele comprimirá cerca de 46,4 ppm por atmosfera. Portanto, dado o volume de água perderá cerca de 0,14% do seu volume total se exposto a 30 bar de pressão. Isso não fará nada implodir como uma lata, mas para componentes com materiais muito frágeis no interior (como pentóxido de tântalo), isso pode permitir que a flexibilidade / tensão seja preocupante. Eletrólito sólido é o que você deseja.

metacolina
fonte
Bem, resposta interessante. Obrigado pelo seu esforço. Ele não respondeu diretamente à pergunta, mas eu não esperava por isso. :) Apenas uma pergunta adicional. Estou assumindo que todos os capacitores de chip SMD de tântalo (fator de forma prismático) são do tipo sólido de eletrólito. Está certo ou devo verificar as folhas de dados para cada modelo / fabricante individual?
johnfound
Sua suposição de que um eletrólito sólido é melhor do que um úmido está completamente errada. Até os capacitores caros que você apontou estão usando eletrólito úmido. Consulte as especificações: evanscap.com/pdf/TDD_REV_I.pdf parágrafo 2.1.
Dorian
@Dorian: É claro que é possível projetar um capacitor úmido para suportar grandes pressões. Mas perguntei sobre elementos baratos de produção em massa. É bastante estúpido usar componentes especiais e muito caros, enquanto é possível ter o mesmo dispositivo funcionando corretamente com componentes seriais e baratos. Não é?
precisa saber é
Concordo plenamente com tudo o mais na sua resposta. Mas é mais provável que um capacitor sólido falhe devido a uma bolha de gás do que a um eletrólito líquido. O líquido dispersará a tensão local em toda a superfície da caixa do capacitor enquanto não estiver sólido.
Dorian
5

Seu problema pode ser resolvido escolhendo um design melhor que funcione >> 1MHz, usando uma tampa de filme capaz de escolher uma para o seu ambiente hostil.

Aqui está uma referência da NASA para testes criogênicos em cápsulas.

Por exemplo, enquanto os capacitores de polipropileno, policarbonato e mica mostraram excelente estabilidade quando testados em nitrogênio líquido, o capacitor sólido de tântalo exibiu um aumento em sua perda dielétrica a essa temperatura. A maioria dos capacitores EDL não sofreu alterações com o envelhecimento, mas parecia não funcionar à temperatura extrema.

Aqui está minha lista sugerida de possíveis limites

Você pode encontrar seu próprio design de 1,5 a 3MHz para atender às suas necessidades com uma boa fonte de bateria e tampas de filme.

insira a descrição da imagem aqui

Tony Stewart Sunnyskyguy EE75
fonte
Eu me pergunto por que a NASA não informou sobre tampas eletrolíticas. Sugiro que a constante dielétrica dos dielétricos úmidos seja GN em temperaturas criogênicas. e tântalo sólido é mais lossy que gera calor
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75
Não vejo baixas temperaturas especificadas na pergunta.
Dorian
1

Como Neil_UK, com sua grande sabedoria e experiência, apontou em seu comentário, esse não é um problema tão grande quanto parece.

Como um capacitor sujeito a uma alta pressão falha? Você pode pensar que implodiria, mas isso simplesmente não é verdade se o capacitor for totalmente sólido ou cheio de líquido, porque apenas os gases são altamente compressíveis. Líquidos são muito menos compressíveis.

Um gás residual de 4% em um capacitor cheio de líquido (que é praticamente) dará uma variação de 3,8% no volume total a 20 bar. É claro que a dilatação térmica aumenta, mas você vê que elas estão na mesma ordem de magnitude.

Isso não é verdade para um sólido em que a bolha não pode encolher para trazer a pressão da bolha à pressão do ambiente, porque ela é cercada por um sólido, toda a pressão é concentrada na pequena superfície da parede do balão.

insira a descrição da imagem aqui

A resposta depende de suas restrições, orçamento e confiabilidade.

Os capacitores de alto mar caros também exigem uma vida útil longa e baixa taxa de falhas, porque o custo de substituí-los é enorme.

Pode não ser o seu caso, e a solução da Metacollin de usar capacitores comuns e testá-los você mesmo pode ser boa e barata. Obviamente, não é sólido pela razão acima e busca capacitores com faixa de temperatura mais ampla, apenas porque eles têm uma tolerância muito maior às variações de volume de eletrólitos.

Também um estudo antigo que encontrei mostra que os únicos componentes usuais de classe que realmente falharam em ambiente de alta pressão (até 70 bar) eram componentes com ar interno e casos fracos, como diodos revestidos de metal.

Dorian
fonte
Vocês dois leram o relatório da NASA que vinculei? azoto líquido, o condensador de tântalo sólido exibiu um aumento da sua perda dieléctrica a essa temperatura
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75
1
@ SunnyskyguyEE75 Não há nada em questão sobre baixas temperaturas.
Dorian
Se a bolha de gás diminuir seu volume, o líquido deve aumentar seu volume ou o invólucro externo deve diminuir seu volume. Porque Vg + Vliq = Vcase sempre.
precisa saber é
@johnfound A caixa do capacitor é flexível para acomodar dilatação ou encolhimento térmico. Vcase não é constante.
Dorian