Je dois concevoir un appareil qui doit fonctionner dans un environnement à haute pression (azote gazeux). La pression de service peut varier de 1 bar (atmosphérique) à 20..30 bar de pression manométrique. La pression de travail régulière sera d'environ 10 bars.
Ainsi, l'appareil contient un régulateur de tension de commutation avec LM2674-5 qui a besoin de condensateurs d'entrée et de sortie avec une valeur relativement élevée - quelque chose comme 100uF.
Il est assez évident que les condensateurs électrolytiques habituels à électrolyte liquide seront probablement écrasés par de telles pressions.
Mais quels condensateurs utiliser? Les condensateurs au tantale sont-ils plus résistants à la pression?
Réponses:
Cela est dit avec des mises en garde importantes, mais les seules options de condensateurs électrolytiques pour un environnement sous pression sont celles avec un électrolyte solide, donc du tantale solide, du polymère de tantale ou des condensateurs de polymère d'aluminium.
Cornell Dublier, par exemple, déclare spécifiquement que tous ses condensateurs électrolytiques en aluminium ont une plage de fonctionnement de 1,5 atmosphère à 10 000 pieds ( source - page 9 ).
Les condensateurs électrolytiques en aluminium ne sont pas parfaitement exempts de vides et leur fonctionnement normal et leur anodisation initiale garantissent qu'il y a déjà une petite quantité d'hydrogène gazeux à l'intérieur, directement de l'usine. À des pressions modestes, tous les contaminants seront forcés dans le condensateur au-delà de ses joints, provoquant potentiellement un court-circuit ou altérant la capacité, et à des pressions plus élevées, ils seront simplement écrasés vers l'intérieur et garantiront un mode de défaillance de court-circuit.
Autrement dit, les électrolytes en aluminium normaux sont complètement hors de la table.
Maintenant, c'est là que cela devient délicat: lors de la conception de composants électroniques tolérants à la pression, la plupart du temps, vous êtes un peu seul. Ce que je veux dire par là, c'est que vous n'allez pas trouver de réponses à des questions comme la «pression opérationnelle maximale» de la plupart des composants, même si vous envoyez un e-mail à l'entreprise. En effet, une telle niche est incroyablement petite et ne vaut tout simplement pas le temps et les efforts nécessaires pour tester ou qualifier des produits dans des circonstances environnementales aussi inhabituelles.
Il y a quelques (très peu) sociétés qui font une sélection limitée de composants à haute pression comme les condensateurs, certains atteignant 10 000 psi . Ces condensateurs seront très chers - je n'ai même pas pu trouver de prix, il faut demander un devis. Si vous avez un volume suffisamment élevé, je m'attendrais toujours à ce qu'ils coûtent bien plus de 500 $ à 1000 $ par condensateur. Ils sont également énormes, 50 000 µF de condensateurs au tantale , de véritables monstres de 10 000 psi. Donc, trouver des pièces pré-qualifiées qui sont pratiques n'est pas, je pense, une option réaliste pour vous.
Cela signifie que c'est à vous de qualifier les composants vous-même. Vous devez utiliser une décision éclairée et sélectionner un condensateur COTS, mais personne ne peut vous dire avec certitude s'il fonctionnera ou comment ses propriétés ou sa longévité seront affectées dans un environnement tel que le vôtre. Vous devez tester tout cela vous-même.
C'est ainsi que la plupart des composants électroniques tolérants à la pression doivent être conçus. Vous qualifiez les pièces individuellement par le biais de vos propres tests, puis vous qualifiez davantage l'ensemble dans son ensemble sous test, puis vous passez soit beaucoup de temps et d'argent pour obtenir même une légère idée de la fiabilité ou de la longévité de votre configuration, vous vous espérez juste pour le meilleur (et apprenez de ce qui arrive aux appareils sur le terrain - essai au feu si vous voulez).
Vous devez donc également être parfaitement conscients de ce qui est en jeu, et quelles seraient les conséquences en cas de défaillance de votre conseil d'administration, et assurez-vous que des indemnités sont prévues pour que, par exemple, la sécurité de personne ne soit pas mise en danger.
Cela dit, pour la capacité électrolytique en vrac, les condensateurs au tantale solides seraient votre meilleur pari pour tolérer la pression avec des changements de performances minimes .
Une autre option consiste à vous assurer que vous avez vraiment besoin de condensateurs électrolytiques. Les condensateurs en céramique de 10 V et 100 µF sont facilement disponibles et pas horriblement chers . Ce condensateur Murata est une option, par exemple. Méfiez-vous du graphique de polarisation CC - la plupart des condensateurs céramiques haute capacité utilisent des diélectriques qui présentent l'effet ferroélectrique. Semblables aux matériaux ferromagnétiques en présence d'un champ magnétique, les matériaux ferroélectriques sont analogues mais pour les champs électriques (et l'énergie stockée sous forme de champ électrique est finalement ce que le condensateur stocke finalement). Cela signifie que la capacité effective des condensateurs en céramique chute sous la polarisation CC. Il vous faudrait donc réduire leur capacité et en utiliser plusieurs en parallèle.
L'étalon-or de l'électronique tolérante à la pression a toujours été le condensateur à film métallique en polypropylène , mais évidemment, leur valeur est beaucoup trop faible et ne convient tout simplement pas à une application de capacité en vrac. J'ai pensé que je les noterais ici pour être complets cependant.
En terminant, à part une haute pression assez exotique, des condensateurs de mer DEAP qui sont probablement pas pratique pour votre application, la réponse à votre question est que les condensateurs au tantale, ainsi que la plupart des condensateurs ne disposent tout simplement pas une pression de service maximale note . Ici, l'accent est mis sur le but - ne confondez pas cela pour signifier qu'ils peuvent fonctionner à n'importe quelle pression. Ils ont certainement une pression maximale à laquelle ils peuvent s'attendre, mais la cote elle-même n'existera tout simplement pas.
Mais ne laissez pas tout cela vous décourager. Les pressions subies par des éléments comme l'électronique tolérante à la pression en haute mer sont bien supérieures à 30 bars, et les condensateurs au tantale de qualité sont le premier choix ici, et tous les condensateurs de haute mer de 10000 PSI spécialement conçus sont également des condensateurs au tantale.
Comprenez simplement que le fabricant n'est pas en faute si ou quand les condensateurs tombent en panne, et vous devez toujours les qualifier vous-même. Cela ne signifie pas seulement de vérifier l'échec, mais de s'assurer que leurs différentes propriétés qui sont importantes pour votre circuit restent dans des niveaux acceptables.
Procurez-vous des condensateurs au tantale solides et testez-les vous-même. Vous l'obtiendrez probablement du premier coup, mais soyez prêt à essayer quelques marques ou types de construction différents.
Remarques finales: D'autres composants peuvent présenter un comportement inattendu dans des environnements à haute pression. Assurez-vous que vous n'avez rien qui a une construction en «boîte métallique». Les cristaux de quartz sont faciles à ignorer - à travers un trou ou un SMD, ils ont un espace vide à l'intérieur de la boîte et une contrainte mécanique sur le cristal passera par la fréquence, s'il n'est pas simplement détruit.
Méfiez-vous également des condensateurs au tantale humides . Vous devriez les éviter. Il existe une idée fausse commune selon laquelle les fluides ne sont pas compressibles. Ce n'est tout simplement pas vrai - ils sont beaucoup plus difficiles à compresser que le gaz, mais il est toujours compressible, tout comme les solides. C'est ce qu'est le module en vrac - la compressibilité d'une substance. Il est important de noter que la différence de compressibilité entre les liquides et les solides se situe entre 10 et 100, soit 1 à 2 ordres de grandeur. Cela signifie que le liquide se compressera beaucoup plus que les solides, ce qui permettrait une contrainte mécanique potentiellement importante.
Pour l'eau, elle se comprime d'environ 46,4 ppm par atmosphère. Ainsi, un volume d'eau donné perdra environ 0,14% de son volume total s'il est exposé à 30 bars de pression. Cela ne fera rien imploser comme une boîte de conserve, mais pour les composants contenant des matériaux très cassants à l'intérieur (comme le pentoxyde de tantale), cela pourrait permettre à suffisamment de flexion / déformation d'être inquiétant. L'électrolyte solide est ce que vous voulez.
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Votre problème peut être résolu en choisissant une meilleure conception qui fonctionne >> 1 MHz en utilisant ainsi un capuchon de film capable d'en choisir un pour votre environnement hostile.
Voici une référence de la NASA pour les tests cryogéniques sur les bouchons.
Voici ma liste suggérée de plafonds possibles
Vous pouvez trouver votre propre conception de 1,5 à 3 MHz pour répondre à vos besoins avec une bonne source de batterie et des bouchons de film.
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Comme Neil_UK avec sa grande sagesse et son expérience l'a souligné dans son commentaire, ce n'est pas un gros problème qu'il n'y paraît.
Comment un condensateur soumis à une haute pression peut-il tomber en panne? Vous pourriez penser qu'il imploserait, mais ce n'est tout simplement pas vrai si le condensateur est entièrement solide ou rempli de liquide car seuls les gaz sont hautement compressibles. Les liquides sont beaucoup moins compressibles.
Un gaz résiduel de 4% dans un condensateur rempli de liquide (ce qui est à peu près) donnera une variation de 3,8% du volume total à 20 bars. Bien sûr, la dilatation thermique s'additionne mais vous voyez qu'elles sont dans le même ordre de grandeur.
Ce n'est pas vrai pour un solide où la bulle ne peut pas rétrécir pour amener la pression de la bulle à la pression de l'environnement car il est entouré de solide, toute la pression est concentrée sur la petite surface du mur de la bulle.
La réponse dépend de vos contraintes, de votre budget et de votre fiabilité.
Les condensateurs coûteux en eau profonde nécessitent également une longue durée de vie et un faible taux de défaillance car le coût de leur remplacement est énorme.
Ce n'est peut-être pas votre cas et la solution de metacollin d'utiliser des condensateurs habituels et de les tester vous-même peut être bonne et bon marché. Bien sûr, pas solide pour la raison ci-dessus et rechercher des condensateurs avec une plage de température plus large simplement parce qu'ils ont une tolérance beaucoup plus grande aux variations de volume d'électrolyte.
Une vieille étude que j'ai trouvée montre également que les seuls composants de qualité habituelle qui ont vraiment échoué dans un environnement à haute pression (jusqu'à 70 bars) étaient des composants avec de l'air à l'intérieur et des boîtiers faibles comme des diodes enrobées de métal.
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