Демпфирующие конденсаторы для перехвата импульсов от контактных колец в штативе компьютерного томографа.

Демпфирующие конденсаторы для перехвата импульсов от контактных колец в штативе компьютерного томографа.

Резюме

На портале трансформатора тока третьего поколения постоянно работают контактные щетки, и каждая дуга генерирует импульс напряжения в киловольтах, поступающий в высоковольтный контур. Импульсы имеют время нарастания около 10 нс и энергию в мегагерцовом диапазоне, поэтому обычный LC-фильтр пропускает их. В этой статье представлена ​​модель дуги, спектр импульсов и энергетический баланс демпфирующего элемента. Затем перечислены шесть стратегий перехвата и параметры конденсатора, обеспечивающие работоспособность самого демпфирующего элемента.

1. Введение

В компьютерных томографах третьего поколения рентгеновская трубка и детектор вращаются с частотой от 2 до 4 Гц. Высоковольтный генератор и система обработки данных остаются на неподвижной раме. Питание и данные пересекают эту границу через контактные кольца, где угольные щетки скользят по металлическим кольцам.

Скользящий контакт никогда не бывает электрически тихим. Микроколебания щетки, разрушение оксидов, карбонизация смазки и механический износ — все это прерывает путь тока на несколько наносекунд. Каждое прерывание высвобождает энергию, запасенную в индуктивности контура. В результате возникает переходный процесс с амплитудой в несколько киловольт.

Эти импульсы распространяются по высоковольтному кабелю в заднюю ступень генератора. Наиболее уязвимы два звена: выпрямительные диоды с их цепочкой умножителей напряжения и резисторы обратной связи с их фильтрующими конденсаторами. По данным полевых испытаний, искрение контактных колец является причиной 25–35% отказов высоковольтных контуров в системах трансформаторов тока.

Один ремонт резервуара может составить более 15% от годовых затрат на техническое обслуживание одного сканера. Эти пики носят случайный, широкополосный характер и имеют высокую амплитуду, поэтому обычный LC-фильтр их не блокирует. В этой статье рассматривается дуговая модель, спектр и работающая сеть перехвата.

2. Основной механизм

2.1 Индуктивность петли и амплитуда импульса

Сопротивление контакта между щеткой и кольцом изменяется в зависимости от площади контакта, толщины оксидного слоя и скорости скольжения. Когда контакт размыкается на 10 нс, ток в контуре должен за это время упасть до нуля. Индуцированное напряжение подчиняется закону индуктивности:

V_spike = L_loop · (dI/dt)

где V_spike — индуцированное напряжение, L_loop — индуктивность контура, I — ток контура, а t — время. При L_loop = 5 мкГн, I = 5 А и времени прерывания 10 нс пиковое значение достигает примерно 2.5 кВ.

Повторное возникновение дуги приводит к дополнительным колебаниям, поэтому амплитуда поля часто превышает 5 кВ. Дуга действует как переключатель, который переключает состояние между проводящим и разомкнутым. Каждое переключение запускает широкополосный переходный процесс в кабеле.

2.2 Спектр импульсов и пути распространения

Импульс, возникающий при контактном соединении, представляет собой последовательность импульсов, а не отдельную синусоиду. Спектральная огибающая прямоугольного импульса амплитудой A и шириной τ имеет свой первый нуль в точке:

f_0 = 1 / τ

где f_0 — первый спектральный нуль, а τ — ширина импульса. Типичная ширина импульса от 10 нс до 100 нс позволяет разместить большую часть энергии в диапазоне от 10 МГц до 100 МГц. Гармоники простираются за пределы 300 МГц.

Этот диапазон находится выше собственного резонанса намотанных электролитических конденсаторов, которые выглядят индуктивными выше 10 МГц. пленочный конденсатор В этом диапазоне он ведет себя лучше, но нагревается под действием тока. Только керамика класса I с низким ESL обеспечивает низкоимпедансный путь до 100 МГц.

Внутри резервуара импульсы распространяются по двум путям. Кабель образует линию передачи и отражается между узлами умножителя. Емкость обмотки также связывает импульсы с низковольтной стороной управления, где они нарушают контур обратной связи и могут вызвать ложное срабатывание защиты.

2.3 Энергетический баланс демпфера

Демпфирующая цепь должна поглощать энергию импульса и не затрагивать выходное постоянное напряжение. Для RC-демпфера энергия, запасенная в конденсаторе C_s при импульсном напряжении V_spike, составляет:

E_C = 0.5 · C_s · V_spike²

где E_C — запасенная энергия, C_s — демпфирующая емкость, а V_spike — амплитуда импульса. Последовательно включенный резистор R_s рассеивает эту энергию после импульса. Его средняя мощность зависит от частоты повторения импульсов:

P_R = 0.5 · C_s · V_spike² · f_spike

где P_R — средняя мощность резистора, а f_spike — эффективная частота больших импульсов. При C_s = 1 нФ, V_spike = 2 кВ и f_spike = 1 Гц значение составляет около 2 мВт.

Это число является нижней границей. Диэлектрические потери и частичный разряд внутри конденсатора добавляют тепло, которое в расчете не учитывается. День, состоящий из 200 экзаменов при 3 оборотах в секунду, генерирует десятки тысяч импульсных событий. Следовательно, демпфирующий конденсатор должен иметь низкий эффективный коэффициент рассеяния и частичный разряд ниже 5 пКл.

2.4. Где неподавленные всплески наносят ущерб.

Неподавленный импульс напряжения попадает на интервал обратного восстановления выпрямительных диодов. Затем PN-переход подвергается мгновенному перенапряжению, и при полевом ремонте проявляется классическое явление перегорания диодной матрицы. Тот же переходный процесс создает нагрузку на делитель обратной связи и фильтрующие конденсаторы, что приводит к смещению показаний в киловольтах без появления кода ошибки.

Связь с управляющей стороной представляет собой второй путь повреждения. Индуцированный ток на низковольтном заземляющем контакте смещает вход усилителя ошибки на несколько микросекунд. Затем контур корректирует ложную ошибку, и выходное напряжение в киловольтах колеблется во время облучения.

Рис. 1 — Петля индуктивности 5 мкГн, прерываемая за 10 нс, создает напряжение около 2.5 кВ на контакте, поэтому демпфирующий контур емкостью 1 нФ должен поглощать воздействие в диапазоне 10–100 МГц.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Амплитуду спайка трудно предсказать.

Дуговое искрение контактных колец зависит от влажности, износа щеток, скорости вращения портала и тока нагрузки. В лабораторных условиях невозможно воспроизвести все условия эксплуатации, поэтому инженеры работают на основе приблизительных расчетов. Консервативный расчет приводит к завышению размеров демпфирующего конденсатора и зажимов, что увеличивает стоимость и объем. Завышенный расчет оставляет «слепую зону». Кроме того, спектр слишком широк для одного устройства, поэтому сеть требует нескольких каскадов.

Проблема 2: демпфер становится новой точкой отказа.

Обычный высоковольтный керамический конденсатор может перегреваться при скачкообразном токе, если его тангенс угла диэлектрических потерь высок. Индуктивность выводов в этом случае суммируется с индуктивностью L·di/dt, что делает внутреннее поле неоднородным. Края электродов начинают разряжаться, а частичный разряд выше 5 пКл медленно ухудшает изоляцию. В результате возникает короткое замыкание или обрыв цепи, что усугубляет дефект резонансного контура, который конденсатор должен был предотвращать.

Проблема 3: Непрохождение сертификации по электромагнитной совместимости.

Неподавленные импульсы проходят через фильтр силовой линии и излучаются из высоковольтного кабеля, который действует как антенна. В результате система не проходит испытания на электромагнитную совместимость по стандарту IEC 60601-1-2. Как правило, группа разработчиков обнаруживает дефект поглощения в задней части усилителя только после проведения полномасштабных испытаний системы на электромагнитную совместимость. Переделка герметичного высоковольтного бака на этом этапе увеличивает срок службы на 3-6 недель.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Установить демпфер RC первой ступени на выходе контактного кольца.

Установите демпфирующий провод в точке выхода высоковольтного кабеля из вращающегося портала. Это первый затвор перед резервуаром. Используйте компонент с низким эквивалентным уровнем звукового давления (ESL) с радиальными выводами или SMD-компонент с емкостью от 100 пФ до 2.2 нФ и номинальным напряжением не менее чем в 2 раза превышающим напряжение кольца.

Согласно уравнению энергии, конденсатор емкостью 1 нФ при напряжении 3 кВ поглощает 4.5 мДж за одно событие, что охватывает большинство дуговых разрядов щеток. Сопротивление резистора должно быть в пределах от 10 Ом до 1 кОм, а его номинальная мощность должна в 5 раз превышать потери в установившемся режиме. HVR-BSP Плоская деталь устанавливается в пространство рядом с кабельным вводом.

Стратегия 2: Добавить ограничительные диоды на вход умножителя.

RC-демпфер справляется с быстрым фронтом, но не с длительным импульсным скачком. Добавьте однонаправленный или двунаправленный ограничитель, собранный из TVS-диодов, и быстровосстанавливающийся диод стопки. Зажим удерживает импульс внутри безопасной рабочей зоны выпрямительных диодов.

Подберите конденсатор для зажима в соответствии со временем отклика диодного блока. Керамический конденсатор с низким эквивалентным уровнем звукового давления (ESL) обеспечивает низкое сопротивление зажима в течение десятков наносекунд. Проверьте емкость перехода и индуктивность выводов каждого устройства в зажиме. Они могут сформировать новый резонанс с петлей.

Стратегия 3: Снижение индуктивности контура при прокладке кабеля.

Амплитуда импульса пропорциональна индуктивности петли, поэтому схема прокладки кабеля определяет напряжение. Высоковольтные кабели должны быть короткими, а положительный и отрицательный выводы прокладывать вместе. Витая пара или коаксиальная конструкция компенсируют магнитное поле петли.

Заземляйте экран только со стороны портала, это позволит избежать контура заземления. Измерения показывают, что уменьшение площади кабельного контура со 100 см² до 20 см² снижает наведенный импульс примерно на 60%.

Стратегия 4: Распределить демпфирующие конденсаторы внутри бака.

Один централизованный демпфирующий конденсатор не может защитить каждый узел длинной цепочки умножителей. Установите небольшой конденсатор емкостью от 100 пФ до 1 нФ при напряжении 3 кВ параллельно каждому каскаду. Такая система распределяет энергию импульса между многими элементами, так что ни один элемент не будет принимать на себя весь ток.

Каждый конденсатор располагается рядом с защищаемым им диодом, что уменьшает паразитную индуктивность цепи. HVCT8G В этой серии представлены модели с номинальным напряжением 3 кВ, 6 кВ и 10 кВ в компактных корпусах для плотной компоновки.

Стратегия 5: Блокировать пути распространения излучения.

Излучение в основном исходит от высоковольтного кабеля. Добавьте ферритовое кольцо или синфазный дроссель в месте входа кабеля в бак. Заземлите корпус бака со всех сторон и используйте токопроводящие прокладки в местах стыков для обеспечения целостности экрана.

Разделите высоковольтные силовые слои от низковольтных управляющих слоев с помощью сплошной заземляющей плоскости. Керамический материал с низким ESL сохраняет свои характеристики шунтирования на частоте 100 МГц, а его комбинация с синфазным дросселем снижает излучаемые помехи на 10–20 дБ.

Стратегия 6: Мониторинг состояния контактных колец.

Аппаратная защита поглощает импульс; техническое обслуживание снижает частоту импульсов в источнике. Отслеживайте контактное сопротивление, износ щеток и количество дуг в контроллере системы. Когда количество дуг превышает пороговое значение, запланируйте замену щеток или очистку кольца.

Данные полевых исследований показывают, что регулярное техническое обслуживание сокращает количество отказов резервуаров, связанных с контактными кольцами, более чем на 60%. Оно также увеличивает среднее время между отказами на стороне портала.

Параметр компонента	Типичное значение	Условие теста
Номинальное напряжение (серия HVCT8G)	10 кВ постоянного тока	высоковольтный режим 1.5× в течение 60 с
емкость	4700 пФ ±20% (472М)	1 МГц, 1 В среднеквадратичное значение
ЭПР на частоте 1 МГц	ниже 50 мОм	-
Индуктивность петли (хорда E40)	ниже 8 нГн	Расстояние между клеммами: 40 мм
сопротивление изоляции	сопротивление выше 10 ГОм при напряжении 500 В постоянного тока	25 ° C, 60% относительной влажности
Диапазон температур	от −40 °C до +125 °C	Серия МЭК 60068-2
Возможность импульсного DV/DT	выше 50 кВ/мкс	при номинальном напряжении

5. Конденсаторы HVC N4700 для перехвата импульсных помех.

Демпфирующий конденсатор должен поглощать быстрый импульс высокого тока и сохранять своё значение. Это определяется двумя свойствами: потерями на высоких частотах и ​​поведением при частичном разряде. HVC-конструкции N4700 Комплектующие для обеих моделей производятся на собственном заводе площадью 6,000 м² в Дунгуане и имеют номинальные напряжения от 1 кВ до 150 кВ.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• Коэффициент потерь ниже 0.1%. Тангенс угла потерь остается низким на высоких частотах и ​​высоких напряжениях, поэтому ток демпфирования остается чистым, а напряжение ограничения — предсказуемым.
• TCC ±30 ppm/°C. Емкость сохраняется в диапазоне от −40 °C до +125 °C, поэтому демпфирующий элемент не перенастраивается по мере нагревания портала.
• ESL ниже 10 нГн. Коротковыводные и SMD-корпуса обеспечивают низкую последовательную индуктивность, поэтому демпфирующий проводник продолжает проводить ток на частоте 100 МГц.
• Частичная разрядность ниже 5 пКл при напряжении, в 1.5 раза превышающем номинальное. Это ограничивает деградацию диэлектрика при длительном импульсном воздействии, поэтому демпфирующий элемент сохраняет свои значения на протяжении всего срока службы.
• Скоординированные компоненты. HVRGXP детали с низкой индуктивностью, HVR-BSP Трубчатые толстопленочные резисторы BOP и диодные схемы выпрямителей могут быть выбраны с демпфирующими конденсаторами в качестве единой цепи.
• Сравните с ведущими брендами. Компоненты HVC соответствуют электрическим параметрам. Murata Используются свинцовые аккумуляторы серий DHS/DHR, Vishay HVCC и TDK, применяемые в крупносерийном производстве генераторов компьютерной томографии для OEM-производителей медицинского оборудования из списка Fortune 500.

Доставка и поддержка

Стандартные детали поставляются в течение 4-8 недель, а комплекты демпфирующих элементов, изготовленные на заказ, — в течение 6-10 недель, в то время как для указанных выше брендов этот срок составляет 20-30 недель. Инженеры-технологи HVC оказывают поддержку в оценке энергии импульсов, моделировании демпфирующих элементов и выборе ограничителей.

Отправьте напряжение кольца, длину кабеля и измеренную форму импульсного сигнала. HVC в течение пяти рабочих дней предоставит вам сопроводительный лист с номерами деталей, данными DF и ESR на частоте 1 МГц, а также комплект для оценки с двумя образцами.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Почему обычный LC-фильтр пропускает иглы от контактных колец?

Поскольку энергия импульса находится в диапазоне от 10 МГц до 100 МГц, а намотанный электролитический конденсатор ведет себя индуктивно выше 10 МГц, стандартный LC-фильтр, следовательно, не имеет низкоимпедансного пути в этом диапазоне. Импульс проходит через фильтр и попадает на выпрямительные диоды. Низкоэмиссионный керамический демпфер, установленный на выходе контактного кольца, обеспечивает недостающий путь.

В2: Какая емкость необходима для демпфирующего контура?

Для демпфирующего контура первого каскада требуется емкость от 100 пФ до 2.2 нФ. Выбор зависит от энергии импульса: элемент емкостью 1 нФ при напряжении 3 кВ поглощает 4.5 мДж на одно событие, что охватывает большинство дуговых разрядов. Большее значение поглощает больше энергии на одно событие и также увеличивает потери на резисторе. Выберите мощность резистора, в 5 раз превышающую расчетное значение в установившемся режиме, затем подтвердите значение на стенде, сравнив его с реальной частотой дугового разряда.

В3: Какое номинальное напряжение должен иметь демпфирующий конденсатор?

Напряжение должно быть как минимум в 2 раза выше номинального напряжения контактного кольца, а при высокой частоте дуги — в 2.5 раза выше. Пиковое напряжение суммируется с постоянным током, и конденсатор воспринимает эту сумму. Поэтому для кольца на 10 кВ требуется деталь на 20 кВ. Подтвердите номинальные параметры с помощью испытания на частичный разряд при напряжении, в 1.5 раза превышающем номинальное, поскольку именно пиковое напряжение приводит к деградации диэлектрика.

Вопрос 4: Какой резистор следует включить в RC-демпфер?

Неиндуктивная высоковольтная деталь с низким коэффициентом напряжения. Для большинства демпфирующих элементов с контактными кольцами подходят значения от 10 Ом до 1 кОм. Номинальная мощность должна быть в 5 раз больше расчетных потерь, поскольку среднее значение скрывает пиковый импульс. Толстопленочная трубчатая деталь, например, HVR-BSP Семья сохраняет свою ценность под воздействием переменчивого течения времени.

В5: Как снизить скачок напряжения без замены конденсатора?

Уменьшите индуктивность петли кабеля. Держите выводы короткими, прокладывайте их вместе и уменьшите площадь петли. Уменьшение площади с 100 см² до 20 см² снизит наведенный импульс примерно на 60%. Заземлите экран только с одного конца. Эти изменения не требуют замены компонентов и снижают нагрузку на все последующие компоненты.

В6: Как узнать, что демпфер по-прежнему работает в полевых условиях?

Следите за количеством дуговых разрядов и температурой в камере. Добавьте счетчик импульсов частичного разряда или монитор пульсаций на выходе постоянного тока. Увеличение количества частичных разрядов или медленная потеря емкости указывают на деградацию диэлектрика. Замените деталь до того, как частота дуговых разрядов возрастет, и соблюдайте интервал технического обслуживания щеточного и кольцевого узла.

7. Рекомендации

1. IEC 60601-1:2005+AMD1:2012, Медицинское электрооборудование — Часть 1: Общие требования к базовой безопасности и основным рабочим характеристикамЖенева: МЭК, 2012.
2. IEC 60601-1-2:2014+AMD1:2020, Медицинское электрооборудование — Часть 1-2: Электромагнитные помехи — Требования и испытанияЖенева: МЭК, 2020.
3. МЭК 60384-8, Неподвижные конденсаторы для использования в электронном оборудовании — Часть 8: Неподвижные конденсаторы с керамическим диэлектриком, класс 1Женева: МЭК, 2015.
4. МЭК 60270, Методы высоковольтных испытаний — Измерения частичных разрядовЖенева: МЭК, 2015.
5. Эриксон Р.В. и Максимович Д., Основы силовой электроники, 3-е изд. Чам: Спрингер, 2020.
6. Мохан, Н., Унделанд, Т.М., и Роббинс, В.П. Силовая электроника: преобразователи, применение и дизайн, 3-е изд. Хобокен, Нью-Джерси: Wiley, 2003.
7. А. Марискотти и Л. Ваккаро, Катушка Роговского для высоковольтных применений, в сборнике трудов конференции IEEE Instrumentation and Measurement Technology Conference 2008 года, стр. 1069-1073, 2008. https://doi.org/10.1109/imtc.2008.4547197
8. США 6,937,027, Гибридный датчик для обнаружения высокочастотных частичных разрядов, Hanyang Hak Won Co., Ltd., выдано в 2005 г., https://www.freepatentsonline.com/6937027.html.
9. ГБ/Т 6346.1-2024, 电子设备用固定电容器 第1部分:总规范 (Постоянные конденсаторы для использования в электронном оборудовании – Часть 1: Общая спецификация). Пекин: 国家市场监督管理总局, 2024 г.
10. Схемы защиты от дугового разряда и внешние последовательные ограничивающие резисторыSpellman High Voltage Electronics Corporation, Примечание по применению AN-13, https://www.spellmanhv.com/en/Technical-Resources/Application-Notes-HVPS/AN-13 .
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com