Резистивный делитель напряжения с обратной связью для обеспечения стабильности высоковольтного напряжения при лазерной резке

Резистивный делитель напряжения с обратной связью для обеспечения стабильности высоковольтного напряжения при лазерной резке

Резюме

Питание лазерного резака регулирует выходное напряжение 20 кВ с помощью резистивного делителя, который уменьшает напряжение на шине до 2 В. Этот делитель также является точкой телеметрии станка, поэтому его собственный дрейф отображается как дрейф выходного напряжения. В этой статье приводятся уравнения для коэффициента, дрейфа и полосы пропускания, четыре проблемные точки и пять этапов проектирования, охватывающих согласование элементов, выравнивание, фильтрацию отводов, буферизацию и автокалибровку.

1. Введение

Станок лазерной резки поддерживает выходное напряжение от 3 до 20 кВ в пределах ±0.5%, поскольку выходное напряжение контролирует ионизацию вспомогательным газом, зажигание плазмы и стабильность разряда, формирующего кромку реза. Для регулирования необходимо точное отображение этого выходного напряжения.

Практически в каждой промышленной конструкции изображение формируется с помощью резистивного делителя напряжения. Цепочка высоковольтных резисторов преобразует 20 кВ в сигнал напряжением от 2 до 5 В, который может считывать контроллер. Делитель также является компонентом, которому уделяется наименьшее внимание при анализе проекта.

Точность при вводе в эксплуатацию определяет абсолютную калибровку контура. Температурный коэффициент определяет температурный дрейф выходного сигнала, старение определяет долговременный дрейф калибровки, а полоса пропускания ограничивает то, что может видеть контур. Делитель, дрейф которого составляет 0.1%, превращает машину, которая поставлялась с точностью ±0.3%, в машину, которая через год обеспечивает точность ±0.4%.

Мониторинг стабильности добавляет вторую функцию. Точка отбора пробы является естественной точкой телеметрии для оценки состояния оборудования: амплитуда пульсаций, содержание пиков и тенденции дрейфа — все это появляется там до того, как достигнет зоны резки. Достоверность этого сигнала зависит от надежности делителя, который его генерирует.

2. Основной механизм

2.1 Коэффициент деления и напряжение отвода

Резистивный делитель — единственная пассивная схема, которая позволяет масштабировать напряжение 20 кВ до уровня, который контроллер может оцифровать:

V_tap = V_out × R_low / (R_high + R_low)

где V_tap — напряжение на выводе делителя, V_out — выходное напряжение питания, R_high — сопротивление верхней части схемы, а R_low — сопротивление нижней части схемы.

Сопротивление верхнего резистора 200 МОм и нижнего резистора 20 кОм дает соотношение 10 000:1, поэтому напряжение 20 кВ поступает на контроллер в виде 2.00 В. Цепь состоит из двадцати элементов по 10 МОм, соединенных последовательно, и каждый элемент передает 1 кВ.

2.2 Члены дрейфа, входящие в соотношение

Напряжение на отводе переносит все ошибки, вносимые цепью. Ошибка соотношения усугубляет допуски элементов из-за их дрейфа:

ΔV_tap/V_tap = √[(ΔR_high/R_high)² + (ΔR_low/R_low)²] + TCR_eff × ΔT + k_age × √t

где ΔV_tap/V_tap — относительная погрешность отношения, ΔR/R — допуски элементов, TCR_eff — эффективный температурный коэффициент цепи, ΔT — колебания температуры, k_age — коэффициент старения, а t — время службы.

Делитель с допуском 0.1%, изготовленный из элементов с допуском ±50 ppm/°C при колебаниях температуры на 20 °C, компенсирует 0.1% только за счет теплового фактора. Два года старения добавляют еще 0.1% в соответствии с законом квадратного корня. Калибровка при вводе в эксплуатацию устраняет первоначальный допуск в 0.1%, а остаточные 0.2% сохраняются.

На шине 20 кВ остаточная погрешность составляет 40 В, что составляет 40% от допустимого отклонения регулирования ±0.5% еще до начала движения контура. Та же цепочка, построенная из элементов с точностью ±25 ppm/°C, удерживает тепловой фактор на уровне 0.05%, а суммарный двухлетний показатель — на уровне 0.15%, или 30 В.

2.3 Пропускная способность телеметрии

Ширина полосы пропускания делителя определяется сопротивлением на отводе и емкостью, которая его шунтирует:

f_3dB = 1 / (2π × (R_high ∥ R_low) × C_tap)

где f_3dB — граничная частота, R_high ∥ R_low — параллельное соединение цепи, а C_tap — общая емкость на отводе.

Поскольку 200 МОм, соединенные параллельно с 20 кОм, составляют 20 кОм, емкость отвода в 10 пФ смещает пик на частоту 796 кГц. Это охватывает пульсации телеметрии от 20 до 200 кГц и оставляет субмикросекундные всплески на краю отклика. Любая добавленная емкость на отводе пропорционально снижает пик.

2.4 Сбор данных с использованием метода выборки и удержания

Контроллер оцифровывает сигнал от датчика через буфер и схему выборки и хранения, а сообщаемое значение содержит погрешность всей цепи:

V_displayed = V_out × ratio × (1 + ε_divider) × (1 + ε_buffer) × (1 + ε_ADC)

где V_displayed — отображаемое напряжение, ratio — коэффициент деления, а три ε — относительные ошибки делителя, буфера и преобразователя.

Время сбора данных определяет, что может запечатлеть платформа, поскольку удерживающий конденсатор заряжается через импеданс источника:

τ_acq = R_source × C_hold

где τ_acq — постоянная времени сбора данных, R_source — импеданс, измеренный на отводе, а C_hold — емкость удержания. Источник 20 кОм с емкостью удержания 100 пФ обеспечивает время 2 мкс, поэтому апертура 1 мкс достигает лишь 39% шага. Микросекундные события поступают на преобразователь с недостоверностью считывания более чем вдвое.

Рис. 1 — Тепловой дрейф определяет нижний предел каждой цепочки; для элементов с температурой 25 ppm/°C этот показатель достигает 0.15% через два года, по сравнению с 0.2% для элемента с температурой 50 ppm/°C.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Перегрев делителя регистрируется как дрейф выходного сигнала.

Делитель частоты, собранный с элементами, обеспечивающими точность ±100 ppm/°C, при колебаниях температуры в цехе на 25 °C, демонстрирует дрейф в 0.25%. Монитор отображает это значение как дрейф выходного сигнала, после чего ремонтная бригада приступает к работе с источником питания. В худшем случае калибровка корректируется с учетом делителя частоты, который сам является источником ошибки.

Проблема 2: паразитная емкость делает отношение зависимым от частоты.

На частотах пульсаций коэффициент деления изменяется, поскольку паразитная емкость шунтирует высоковольтные элементы. В результате монитор показывает амплитуду пульсаций, которая отличается от истинной пульсации шины на 10–30%, что искажает данные о тенденции пульсаций, используемые для прогнозирования старения конденсаторов.

Проблема 3: Частичный разряд в цепи искажает телеметрию.

Резисторы делителя с большим номиналом и их выравнивающие конденсаторы могут разряжаться внутри под действием приложенного напряжения. Каждое такое событие вносит в сигнал отвода импульс, который монитор классифицирует как переходный процесс на шине, и оператор учится игнорировать сигнал тревоги.

Проблема 4: Провал в режиме удержания выборки приводит к потере данных за микросекунды.

Когда емкость удерживающего контура слишком мала для времени работы апертуры, схема выборки и удержания начинает работать с перебоями, и оцифрованное значение занижает показания быстрых событий. Всплески и быстрые пульсации, которые делитель передавал точно, теряются между ответвлением и преобразователем.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Использовать для цепочки соответствующие элементы с низким TCR.

Укажите элементы делителя, подобранные с точностью до ±0.5%, с температурным коэффициентом ниже ±25 ppm/°C, чтобы температурный дрейф коэффициента оставался ниже 0.05% при колебаниях температуры на 20 °C. Это позволит отделить истинный дрейф выходного сигнала от дрейфа делителя и сделать отчеты монитора пригодными для принятия решений.

Стратегия 2: Выравнивание цепи с помощью конденсаторов класса I, не вызывающих частичных разрядов.

Добавьте выравнивающие конденсаторы между элементами делителя, используя N4700 Керамика класса I с частичным разрядом ниже 5 пКл при номинальном напряжении. Выравнивание сглаживает распределение напряжения вдоль цепочки, что снижает поле на самом слабом элементе и устраняет ложные переходные процессы, вызванные разрядом, из отвода.

Стратегия 3: Установите емкость отвода в соответствии с проектом.

Установите стабильный конденсатор нижнего плеча, который будет преобладать над паразитной емкостью на отводе, чтобы частотная характеристика делителя была заданной постоянной величиной, а не переменной, зависящей от конкретной модели. Компонент класса I с компенсацией ±30 ppm/°C обеспечивает стабильную компенсацию при нагреве корпуса.

Стратегия 4: Добавить фильтр сглаживания, соответствующий целевому значению телеметрии.

Перед преобразователем установите фильтр второго порядка, настроенный на самую высокую частоту, которую должен видеть монитор: около 10 кГц для пульсаций или 1 МГц для пиковых значений. Резистор 1.6 кОм с конденсатором класса I 10 нФ обеспечивает срез на частоте 9.95 кГц. Компоненты класса I обеспечивают стабильность среза при изменении температуры, поэтому отображаемый спектр остается постоянным преобразованием спектра шины.

Стратегия 5: Автоматическая калибровка цепи с использованием прецизионного эталона.

При запуске станка через калибровочный переключатель подается эталонное значение 0.01%, после чего сохраняется корректировка коэффициента. Это компенсирует дрейф делителя из-за старения, который в рассматриваемой цепи составляет около 0.05% в год, и позволяет зафиксировать неисправность делителя в тот день, когда корректировка превысит свой предел.

Стратегия 6: Перекрестная проверка с использованием независимого преобразователя.

Добавьте второе измерение, дрейф которого не коррелирует с резисторной цепочкой, например, небольшой высоковольтный конденсатор, подключенный к отводу. Если расхождение между двумя каналами превышает 0.2%, монитор сообщает о неисправности делителя, а не о неисправности фантомного выходного сигнала.

Параметр компонента	Типичное значение	Условие теста
Номинальная мощность (серия HVR)	50 Вт при 70 °C	алюминиевый корпус, свободный поток воздуха
Значение сопротивления	10 кОм ±5%	эталонная температура 25 °C
Рабочее напряжение	10 кВ переменного/постоянного тока	(CIJ)
Устойчивость к импульсам	30 кВ при 10 мкс	10 импульсов, класс IEC 60110
Температурный коэффициент (резистивный)	±50 частей на миллион/°C	от −55 °C до +155 °C
сопротивление изоляции	сопротивление выше 1 ГОм при напряжении 1000 В постоянного тока	Ползучесть не менее 25 мм
Возможность перенапряжения	100 А при 1 мс	неиндуктивная проволочная обмотка

5. Конденсаторы HVC N4700 для делительной цепи

Делитель отображает то, что позволяют ему отображать его конденсаторы. Компания HVC производит для этой задачи выравнивающие и фильтрующие конденсаторы, а также толстопленочный резистор элементы цепи, изготовленные на собственном заводе площадью 6,000 м² в Дунгуане, охватывают диапазон напряжений от 1 кВ до 100 кВ.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• Стабильная эквализация. Конденсаторы N4700 обеспечивают погрешность ±30 ppm/°C и коэффициент рассеяния ниже 0.1%, поэтому частотная компенсация цепи остается постоянной при изменении температуры, а сообщаемые пульсации точно отражают пульсации шины.
• Телеметрия без разрядов. Заводская проверка на уровень ниже 5 пКл при номинальном напряжении предотвращает внесение артефактов разряда в сигнал отвода из выравнивающих и фильтрующих конденсаторов.
• Диапазон напряжения охватывает всю цепь. От фильтрации с шагом 1 кВ до выравнивания с помощью делителя напряжения 100 кВ, диапазон охватывает каждый узел цепи с гарантированными данными для квалификации.
• Фильтрация с низким уровнем ESL. Корпуса с радиальными и винтовыми выводами и уровнем ESL ниже 30 нГн обеспечивают эффективность фильтра сглаживания в мегагерцовом диапазоне, что позволяет сохранять быстродействующие события, которые должен подсчитывать монитор.
• Утечка, не нарушающая соотношение. Параллельная утечка на постоянном токе остается незначительной, поэтому добавленные элементы не изменяют соотношение, которое должна обеспечивать цепочка.
• Проверенная временем замена. Серия 40 кВ / 441. дверная ручка конденсаторы являются подходящей заменой для Murata В программе ремонта источников света для литографии используются винтовые конденсаторы, а разработчики DUV-технологий теперь указывают в качестве компонентов HVC в новых источниках света.

Доставка и поддержка

Стандартные компоненты поставляются в течение 4–8 недель, а подобранные комплекты делителей — в течение 6–10 недель. Инженеры-технологи HVC оказывают поддержку в подборе элементов, компоновке эквализации, проектировании фильтров и планировании автоматической калибровки. Необходимо указать выходное напряжение, допуск регулирования, диапазон телеметрии и схему делителя. HVC предоставит лист выбора цепи с данными TCR и отчетами PD в течение пяти рабочих дней. резистор выборки Путь калибровки можно указать в ходе того же запуска.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Какое соотношение делителей напряжения мне нужно для шины 20 кВ?

Коэффициент усиления 10 000:1 преобразует 20 кВ в 2.00 В, что подходит для преобразователя на 3.3 В с запасом по напряжению. Соберите схему с сопротивлением 200 МОм на стороне высокого напряжения и 20 кОм на стороне низкого напряжения, используя двадцать элементов по 10 МОм, так чтобы каждый из них выдерживал 1 кВ.

В2: Какую погрешность вносит делитель в контур регулирования?

Цепь с погрешностью ±50 ppm/°C при колебаниях температуры на 20 °C вносит 0.1% теплового дрейфа, а два года старения добавляют еще 0.1%. Эти 0.2% составляют 40 В на шине 20 кВ, или 40% от допустимого отклонения ±0.5%, установленного регламентом. Элементы с согласованной погрешностью ±25 ppm/°C снижают ее до 0.15%.

В3: Почему монитор показывает дрейф, которого нет на выходе?

Поскольку делитель находится внутри измерительного тракта, цепь с элементами ±100 ppm/°C в цехе с температурой колебаний 25 °C, по-видимому, имеет дрейф 0.25%, и это значение доходит до оператора как дрейф выходного сигнала. Сравните коэффициент делителя с сохраненным значением калибровки, прежде чем прикасаться к источнику питания.

Вопрос 4: Какова скорость работы делителя частоты, и что её ограничивает?

Частота среза зависит от емкости отвода. При емкости отвода 10 пФ и импедансе цепи 20 кОм частота среза составляет 796 кГц, чего достаточно для телеметрии пульсаций в диапазоне от 20 до 200 кГц. Дополнительная емкость отвода пропорционально снижает частоту среза.

В5: Как предотвратить исчезновение быстрых событий в режиме выборки и удержания?

Зарезервируйте отвод таким образом, чтобы удерживающий конденсатор не зарядился до 20 кОм. Источник 20 кОм с удерживающим конденсатором 100 пФ имеет постоянную времени захвата 2 мкс, поэтому апертура с временем захвата 1 мкс захватывает только 39% шага.

В6: Как часто следует калибровать делитель частоты?

При каждом запуске системы автоматически выполняйте калибровку с эталонным значением 0.01%. Сохраненная коррекция затем отслеживает дрейф, вызванный старением, который составляет примерно 0.05% в год, и превышает свой предел в день, когда цепь нуждается в замене.

7. Рекомендации

1. Э. Куффель, В.С. Заенгль, Дж. Куффель, Основы высоковольтной техники, 2-е изд., Ньюнес, 2000.
2. Мохан, Н., Унделанд, Т.М., и Роббинс, В.П. Силовая электроника: преобразователи, применение и дизайн, 3-е изд. Хобокен, Нью-Джерси: John Wiley & Sons, 2003.
3. Уведомление 2 MIL-HDBK-217F. Прогнозирование надежности электронного оборудования, 1995.
4. МЭК 61010-1:2010, Требования безопасности к электрооборудованию для измерений, контроля и лабораторного применения — Часть 1: Общие требования, 3-е изд. Женева: МЭК, 2010.
5. МЭК 60664-1:2020, Координация изоляции оборудования в низковольтных системах электроснабжения — Часть 1: Принципы, требования и испытания., 3-е изд. Женева: МЭК, 2020.
6. Военно-морской стандарт RPF-49470D. Конденсатор, фиксированный, с керамическим диэлектриком, импульсный источник питания (общего назначения и термостабильный), стандартная и высокая надежность, общие технические характеристики.Вашингтон, округ Колумбия: Министерство обороны США, 2017.
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. Ук-Джин Ли и Сын-Ки Соль, Стабилизация напряжения звена постоянного тока для инвертора с уменьшенным количеством конденсаторов в звене постоянного токаIEEE Transactions on Industry Applications, том 50, № 1, стр. 404-414, 2014. https://doi.org/10.1109/tia.2013.2268733.
9. Разработка высокоемкостных и высоковольтных многослойных керамических конденсаторов BME X7R.KEMET Electronics (Материалы конференции CARTS USA 2011), https://www.mouser.jp/pdfdocs/2011-03CARTS-DevelopmentofHighCapacitance-HighVoltageBMEX7RMLCCapacitors.pdf .
10. Высоковольтные керамические конденсаторы для силовой электроники, Х. Лавиль (Exxelia), техническая статья EE Power, https://eepower.com/technical-articles/high-voltage-ceramic-capacitors-for-power-electronics/.
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Технические ресурсы по высоковольтным керамическим конденсаторамhttps://www.hv-caps.com