タンタルおよび電解コンデンサの最大動作圧力

高圧環境（窒素ガス）で動作するデバイスを設計する必要があります。動作圧力は、1bar（大気圧）から20..30barゲージ圧まで変化します。通常の作業圧力は約10barです。

そのため、デバイスにはLM2674-5を備えたスイッチング電圧レギュレータが含まれており、比較的高い値（100uFなど）の入力および出力コンデンサが必要です。

液体電解質を使用した通常の電解コンデンサは、おそらくこのような圧力によって押しつぶされることは明らかです。

しかし、使用するコンデンサは何ですか？タンタルコンデンサはより耐圧が高いですか？

これは重要な注意事項と言われていますが、加圧環境向けの唯一の電解コンデンサオプションは、固体電解質を備えたコンデンサなので、固体タンタル、タンタルポリマー、またはアルミニウムポリマーコンデンサです。

たとえば、Cornell Dublierは、すべてのアルミニウム電解コンデンサの動作範囲が1.5気圧から10,000フィートであると具体的に述べています（出典-9ページ）。

アルミニウム電解コンデンサは完全にボイドがないわけではなく、通常の動作と初期陽極酸化により、工場から直接、少量の水素ガスがすでに内部に存在することが保証されます。適度な圧力では、汚染物質はコンデンサを通過してシールを通過し、潜在的に短絡または静電容量の変化を引き起こします。高圧では、それらは単に内側に押しつぶされ、短絡故障モードを保証します。

簡単に言えば、通常のアルミ電解は完全にテーブルから外れています。

さて、ここで注意が必要です。圧力耐性のある電子機器を設計するとき、ほとんどの場合、あなたは自分自身のようなものです。つまり、会社にメールを送信したとしても、ほとんどのコンポーネントの「最大運用圧力」などの質問に対する答えを見つけられないということです。これは、そのようなニッチが非常に小さいため、そのような異常な環境下で製品をテストまたは認定する時間と労力を費やすだけの価値がないからです。

コンデンサなどの高耐圧コンポーネントの選択を制限している会社は数社（ごく少数）あり、一部は10,000 psiにもなります。これらのコンデンサは非常に高価になります-価格を見つけることさえできませんでした。見積もりを依頼する必要があります。ボリュームが十分に大きい場合でも、コンデンサあたり500〜1000ドルをはるかに超える費用がかかると思われます。それらは巨大な50,000µFのタンタルコンデンサーであり、実際には10,000 psiのモンスターです。したがって、実際に事前に認定された実用的な部品を見つけることも、あなたにとって現実的な選択肢ではないと思います。

これが意味することは、コンポーネントを自分で修飾するかどうかはあなた次第です。あなたは教育された決定を使用してCOTSコンデンサを選択する必要がありますが、それが機能するかどうか、またはあなたのような環境でその特性または寿命がどのように影響を受けるかについて、誰もあなたに確実に言うことができません。このすべてを自分でテストする必要があります。

これが、ほとんどの圧力耐性電子機器の設計方法です。独自のテストを通じて部品を個別に認定し、テスト中にアセンブリ全体をさらに認定し、セットアップの信頼性や寿命について少しでも理解するために必要な多くの時間とお金を費やします。あなたは最高のものを望んでいるだけです（そして、現場のデバイスに何が起こるかから学びます。

したがって、あなたはまた、何が危機にatしているか、そしてあなたの取締役会が破綻した場合の結果はどうなるかをよく認識し、例えば、誰の安全も危険にさらされないように手当が作られていることを確認する必要があります。

とはいえ、バルク電解容量の場合、性能の変化を最小限に抑えながら圧力に耐えるには、固体タンタルコンデンサが最善の策です。

別のオプションは、電解コンデンサが本当に必要なことを確認することです。 定格10Vおよび100µFのセラミックコンデンサは容易に入手でき、恐ろしく高価ではありません。たとえば、この村田コンデンサはオプションです。DCバイアスグラフに注意してください。大容量のセラミックコンデンサのほとんどは、強誘電効果を示す誘電体を使用しています。磁場の存在下での強磁性体と同様に、強誘電体は電界に似ています（電界として保存されるエネルギーは、最終的にコンデンサが最終的に保存するものです）。これは、DCバイアス下でセラミックコンデンサの実効容量が低下することを意味します。そのため、静電容量をディレーティングし、複数のコンデンサを並行して使用する必要があります。

耐圧構造電子機器のゴールドスタンダードは常にポリプロピレン金属フィルムコンデンサでしたが、明らかにこれらは非常に低値であり、バルク容量アプリケーションにはまったく適していません。しかし、完全を期すためにここでそれらを書き留めると思いました。

最後に、アプリケーションにとって実用的でない可能性のあるかなりエキゾチックな高圧の海水コンデンサは別として、あなたの質問に対する簡単な答えは、タンタルコンデンサとほとんどのコンデンサが単に最大動作圧力定格を持たないということです。ここでは、評価が意図的に強調されています。これは、任意の圧力で動作できることを意味すると誤解しないでください。彼らは確かに彼らがで動作することが期待される最大の圧力を持っていますが、評価自体は単に存在しません。

ただし、これですべてがっかりさせないでください。深海耐圧の電子機器などが経験する圧力は30 barよりもはるかに高く、高品質のタンタルコンデンサがここで最初に選択されます。また、専用の深海10,000 PSIコンデンサもすべてタンタルコンデンサです。

コンデンサが故障した場合、または故障した場合、メーカーが故障していないことを理解してください。これは単に障害をチェックすることを意味するのではなく、回路にとって重要なさまざまなプロパティが許容レベル内にあることを確認することを意味します。

固体タンタルコンデンサを入手して、自分でテストします。あなたはおそらく最初の試行でそれを取得しますが、いくつかの異なるブランドや建設タイプを試す準備をしてください。

最後の注意：他のコンポーネントは、高圧環境で予期しない動作をする可能性があります。「金属缶」構造の物がないことを確認してください。見過ごされがちなのは水晶振動子です。貫通穴またはSMDは缶内部に空きスペースがあり、水晶に機械的ストレスが加えられると、単純に破壊されない限り、周波数が抜けます。

また、湿ったタンタルコンデンサにも注意してください。これらは避けてください。流体は圧縮可能ではないという一般的な誤解があります。これは単に真実ではありません-それらはガスよりも圧縮がはるかに困難ですが、固体と同様に圧縮可能です。それが、体積弾性率-物質の圧縮率です。重要なのは、液体と固体の圧縮率の差が10〜100、つまり1〜2桁であることです。これは、液体が固体よりもはるかに圧縮することを意味し、潜在的に大きな機械的歪みを可能にします。

水の場合、大気あたり約46.4ppm圧縮されます。したがって、30バールの圧力にさらされると、与えられた水量は総量の約0.14％を失います。これにより、ブリキ缶のように破裂するものはありませんが、内部に非常に脆い材料（五酸化タンタルなど）があるコンポーネントの場合、これにより十分な屈曲/ひずみが心配になります。固体電解質はあなたが望むものです。

>> 1MHzで動作するより良い設計を選択することで問題を解決できる場合があります。したがって、過酷な環境に適したフィルムキャップを使用します。

これは、キャップの極低温試験に関するNASAの参考資料です。

たとえば、ポリプロピレン、ポリカーボネート、およびマイカコンデンサは、液体窒素でテストすると優れた安定性を示しましたが、固体タンタルコンデンサはその温度で誘電損失の増加を示しました。ほとんどのEDLコンデンサは経年変化はありませんが、極端な温度では機能しないように見えました。

可能な上限の推奨リストを以下に示します

優れたバッテリーソースとフィルムキャップで要件を満たすために、1.5〜3MHzの独自のデザインを見つけることができます。

Neil_UKの素晴らしい知恵と経験が彼のコメントで指摘されているように、これは見かけほど大きな問題ではありません。

高圧を受けるコンデンサはどのように故障しますか？破裂すると思われるかもしれませんが、コンデンサーが完全に固体であるか液体で満たされている場合、気体だけが非常に圧縮可能であるため、これは単に真実ではありません。液体の圧縮率ははるかに低くなります。

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液体で満たされたコンデンサー内の4％の残留ガス（これはほとんど）は、20 barでの総体積に3.8％の変動を与えます。もちろん、熱膨張は加算されますが、同じ大きさであることがわかります。

これは、固体に囲まれているため、気泡が収縮して気泡圧力を環境圧力にすることができない固体には当てはまりません。すべての圧力はバブルの壁の小さな表面に集中します。

答えは、制約、予算、信頼性に依存します。

高価な深海用コンデンサも、交換にかかる費用が膨大であるため、長い寿命と低い故障率を必要とします。

これはあなたの場合ではないかもしれませんし、通常のコンデンサを使用して自分でテストするメタコリンのソリューションは良いと安いかもしれません。もちろん、上記の理由で固体ではなく、電解液の体積変動に対する許容範囲がはるかに大きいという理由だけで、より広い温度範囲のコンデンサを検索します。

また、私が見つけた古い研究では、高圧環境（最大70 bar）で実際に故障した唯一の通常のグレードのコンポーネントは、内部に空気が入ったコンポーネントと金属ケースダイオードのような弱いケースでした。