Входной каскад трансформатора тока безопасности: высоковольтные LC-фильтрующие конденсаторы.

Входной каскад трансформатора тока безопасности: высоковольтные LC-фильтрующие конденсаторы.

Резюме

Детекторы компьютерной томографии, используемые в системах безопасности, работают при очень низких уровнях сигнала, а высоковольтное питание трубки также создает широкополосный шум. Этот шум достигает детектора за счет проводимости, излучения и связи, повышает уровень шума и подталкивает автоматическое распознавание к ошибочному решению. В этой статье представлены передаточная функция LC-фильтра, целевые потери на входе, правило саморезонанса и шесть стратегий фильтрации.

1. Введение

Компьютерный томограф для досмотра должен обнаруживать угрозы внутри плотного, смешанного багажа на высокой скорости. Поэтому передняя часть детектора работает при очень низком уровне сигнала, и операторы ожидают получить четкое изображение за один проход. Каждый милливольт добавленного шума снижает разрешение и контрастность.

Тот же высоковольтный источник питания, который питает лампу, также генерирует широкополосный шум. Переключающие устройства, выпрямительные диодыИмпульсные трансформаторы создают быстрые фронты, а шум охватывает диапазон от десятков килогерц до сотен мегагерц. Он достигает детектора путем проводимости по кабелям, излучения через корпус и ближнеполевой связи с сигнальным трактом.

Фильтрация на стороне высокого напряжения — это первое, что останавливает этот шум, поскольку она действует до того, как шум распространится по машине. Конденсатор в этом фильтре устанавливает импеданс на каждой частоте. Таким образом, его эквивалентное последовательное сопротивление (ESR), эквивалентная последовательная индуктивность (ESL) и стабильность напряжения определяют степень ослабления, которую может обеспечить фильтр.

В данной статье рассматриваются пути связи, передаточная функция LC-цепи и вносимые потери, три риска возникновения помех, шесть стратегий фильтрации и значения емкости конденсатора для фильтра на стороне высокого напряжения в компьютерном томографе для обеспечения безопасности.

2. Основной механизм

2.1 Источники шума в компьютерном томографе для обеспечения безопасности

Переключатели, выпрямительные диоды и импульсные трансформаторы в высоковольтном источнике питания создают крутые значения dv/dt и di/dt при каждом переключении. Результирующий спектр шума содержит основную частоту переключения, а также множество высокочастотных гармоник. Он простирается от десятков килогерц до сотен мегагерц и представляет угрозу для детектора во всем этом диапазоне.

Кондуктивные помехи распространяются по высоковольтному кабелю и заземляющему проводу. Излучаемые помехи выходят из корпуса через швы и кабельные вводы. Помехи ближнего поля достигают платы детектора через небольшие петли в схеме. Каждый путь требует индивидуальной обработки.

2.2 LC низкочастотный фильтр и частота среза

Низкочастотная LC-цепь на стороне высокого напряжения подавляет кондуктивные помехи. Передаточная функция одного каскада имеет следующий вид:

H(s) = 1 / (1 + s² · L · C)

где H(s) — передаточная функция, s — комплексная частотная переменная, L — индуктивность фильтра, а C — емкость фильтра. Сеть пропускает высокое напряжение постоянного тока и ослабляет шум выше своего предела.

Угол находится на частоте среза:

f_c = 1 / (2π · √(L · C))

где f_c — частота среза, L — индуктивность, а C — емкость. Сигналы ниже f_c проходят практически без изменений, а сигналы выше f_c затухают со скоростью 40 дБ на декаду на одном каскаде. Для компьютерного томографа, предназначенного для обеспечения безопасности, установите f_c ниже одной десятой частоты переключения: при частоте переключения 100 кГц поддерживайте f_c ниже 10 кГц, что требует емкости C1 2.5 мкФ или более для защиты от этих индуктивностей.

2.3 Вносимые потери и целевое затухание

Показатель вносимых потерь измеряет, насколько фильтр ослабляет сигнал на заданной частоте. Он сравнивает выходное напряжение с фильтром и без него.

IL(dB) = 20 · log10(V_in / V_out)

где IL — вносимые потери в децибелах, V_in — напряжение без фильтра, а V_out — напряжение с фильтром. Фильтры защиты на основе трансформаторов тока обычно требуют 40–80 дБ в полосе подавления, а двухступенчатая схема обеспечивает уровень подавления выше 60 дБ.

Вносимые потери быстро уменьшаются, когда конденсатор становится индуктивным или резистивным. Высокое эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) ограничивает уровень затухания, а высокое эквивалентное последовательное сопротивление (ESL) сужает полезную полосу пропускания. Именно поэтому выбор конденсатора, а не номинал катушки, определяет верхний предел производительности фильтра.

2.4 Собственный резонанс фильтрующего конденсатора

Реальный конденсатор ведёт себя как последовательный LC-контур, поэтому он становится индуктивным выше своей резонансной частоты. В этом случае затухание исчезает.

f_sr = 1 / (2π · √(ESL · C))

где f_sr — собственная резонансная частота, ESL — эквивалентная последовательная индуктивность, а C — емкость. Компонент емкостью 1 нФ с ESL 5 нГн резонирует вблизи 71 МГц. Поддерживайте f_sr выше верхней границы полосы подавления, иначе конденсатор перестанет фильтровать именно там, где шум наиболее силен.

Рис. 1 — Один каскад имеет спад на 40 дБ на декаду, а два каскада — на 80 дБ, но выходной конденсатор перестает фильтровать выше своей собственной резонансной частоты 71 МГц.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Повышение уровня шума приводит к увеличению затрат на решение проблемы.

Высоковольтные коммутационные шумы, достигающие входного каскада детектора, усиливают желаемый сигнал. Уровень шума повышается на несколько милливольт, вплоть до десятков милливольт, что для высокочувствительного детектора означает потерю десятков или сотен шагов разрешения. В результате тонкие объекты растворяются в шуме.

Влияние на обнаружение измеримо. Данные испытаний показывают снижение вероятности обнаружения стальных листов толщиной менее 1 мм на 2–5% на каждый 1 мВ добавленного уровня шума. Это значение невелико на испытательном стенде и велико на оживленном контрольно-пропускном пункте.

Проблема 2: Ошибки автоматического распознавания

Современные системы компьютерной томографии используют модели глубокого обучения для обнаружения угроз. Эти модели обучаются на изображениях с низким уровнем шума, и их точность снижается, когда уровень шума в рабочей среде отличается от обучающих данных. В результате возникают ложные срабатывания, когда обнаруживается обычный объект, и ложные отрицания, когда реальная угроза пропускается.

Обе ошибки имеют свою цену. Ложноположительный результат приводит к необходимости ручной перепроверки и замедляет движение по полосе, а ложноотрицательный результат — к нарушению безопасности. Контроль шума на стороне высоковольтной сети поддерживает алгоритм без переобучения модели.

Проблемный момент 3: Неисправности заземления и экранирования.

Длинный заземляющий провод на фильтрующем конденсаторе или провод, общий с сигнальным заземлением, вносит в детектор шум от контура заземления. Экран, заземленный с обоих концов, образует контур и пропускает циркулирующий ток. Экран, оставленный незаземленным, излучает, а не экранирует.

Многоканальные системы обнаружения затрудняют поиск неисправности. Шум контура заземления передается между каналами и создает систематическое смещение, которое выглядит как ошибка калибровки. Тщательная прокладка одного из путей заземления устраняет оба симптома.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Использовать двухступенчатую фильтрующую сеть на стороне высокого напряжения.

Соберите схему в форме буквы π или T из двух конденсаторов и одного индуктора. Передний конденсатор фильтрует низкочастотные пульсации, а задний — высокочастотный шум. Типичный набор: C1 = 1–10 нФ, L = 10–100 мкГн и C2 = 100 пФ–1 нФ.

Два каскада обеспечивают потери на входе более 60 дБ. Разместите высокочастотный каскад как можно ближе к источнику шума, насколько позволяет компоновка, чтобы кабель не излучал до того, как сработает фильтр.

Стратегия 2: Выбор высоковольтных керамических конденсаторов с низким ESL и низким DF.

N4700 В высоковольтных керамических конденсаторах используется низкоиндуктивная упаковка с электростатической индуктивностью в диапазоне низких наногенри. Это позволяет поддерживать низкое сопротивление в широком диапазоне частот и повышать собственную резонансную частоту выше уровня шума.

Поддерживайте эффективный коэффициент рассеяния ниже 0.15%. Низкий коэффициент рассеяния предотвращает нагрев фильтра, а холодный конденсатор сохраняет свою емкость и частоту среза в течение длительного сдвига.

Стратегия 3: Контроль территории и обратных путей.

Подключите высоковольтный фильтрующий конденсатор к шасси через самую короткую и широкую доступную заземляющую плоскость. Избегайте узких дорожек, общих с сигнальной землей, поскольку общий обратный проводник возвращает коммутирующий ток обратно в цепь детектора.

Используйте звездообразное или раздвоенное заземление там, где это позволяет компоновка, и поддерживайте сопротивление заземления в диапазоне миллиом. Низкое сопротивление заземления превращает фильтр в низкоимпедансный источник высокочастотного шума.

Стратегия 4: Добавить экранирование и изоляцию.

Установите металлическую перегородку между источником высокого напряжения и детектором, а высоковольтную проводку проложите в экранированном кабеле. Заземлите каждый слой экрана в одной точке, чтобы вдоль него не протекал циркулирующий ток.

Для очень чувствительного входного каскада клетка Фарадея вокруг платы детектора дополнительно уменьшает излучаемую связь. Герметизируйте кабельные вводы и швы корпуса, поскольку узкий зазор все еще пропускает высокочастотную энергию.

Стратегия 5: Замедлить фронт переключения с помощью демпфирующего элемента.

Установите демпфирующий резистор УЗО на каждый высоковольтный выключатель, изготовленный из HVR-BSP градуировочные резисторы и конденсаторы N4700. Демпфирующая цепь уменьшает dv/dt на источнике, поэтому в фильтр изначально попадает меньше шума.

Умеренное снижение скорости переключения приводит к небольшому увеличению потерь при переключении и значительному снижению кондуктивных и излучаемых помех. Такой компромисс оправдан на высоковольтном этапе, где весь корпус соединяется с детектором.

Стратегия 6: Проводите предварительные испытания на электромагнитную совместимость на раннем этапе.

В процессе разработки проведите предварительные тесты на кондуктивные и излучаемые помехи, чтобы определить частоты, превышающие допустимый предел. Отрегулируйте значения фильтра в соответствии с этими частотами, затем повторите тест.

Перед началом серийного производства проведите формальное тестирование на электромагнитную совместимость в соответствии со стандартом CISPR 11 или эквивалентным стандартом. Ведите список выявленных проблем с указанием способов их устранения, чтобы при разработке следующего проекта опирались на полученные данные.

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 среднеквадратичного значения.
ЭПР на частоте 1 МГц	ниже 50 мОм	Референсное значение 25 °C.
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 IEC 60068-2.
Возможность импульсного DV/DT	выше 50 кВ/мкс	при номинальном напряжении.

5. Высоковольтные конденсаторы для фильтров электромагнитных помех на стороне высокого напряжения.

Фильтрующий конденсатор должен обладать низкой индуктивностью, низкими потерями и емкостью, сохраняющей свои характеристики при рабочем напряжении. Компания HVC производит компоненты N4700 для всех трех параметров на собственном заводе площадью 6,000 м² в Дунгуане, с номинальными параметрами от 1 кВ до 150 кВ.

HVC также поставляет быстровосстанавливающиеся высоковольтные диоды Что касается выпрямительного каскада, то демпфирующая цепь, фильтрующая сеть и выпрямитель поставляются одним поставщиком.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• Низкий уровень ESL. Корпус и расположение выводов обеспечивают низкий уровень ESL в наногенри, что позволяет поддерживать низкое сопротивление конденсатора вплоть до сотен мегагерц.
• Эффективная частота среза (DF_eff) ниже 0.15%. Низкие потери предотвращают нагрев фильтра, поэтому емкость и частота среза остаются неизменными в течение длительного сдвига.
• Коэффициент напряжения остается неизменным. Диэлектрик класса I N4700 сохраняет свою емкость во всем диапазоне рабочего напряжения, поэтому пороговое значение не изменяется в зависимости от значения кВ.
• Частичный разряд составляет 5 пКл или меньше. Низкий уровень частичного разряда предотвращает превращение самого фильтрующего конденсатора в источник шума при высоком напряжении.
• Отбор проб и калибровка резисторов. резисторы выборки HVRGHP Они покрывают делитель обратной связи, и это же семейство охватывает позиции сброса и разряда.
• Сравните с ведущими брендами. Компоненты HVC соответствуют электрическим характеристикам. Vishay HVCC, радиально-проводные кабели KEMET, Murata DHS/DHR и TDK UHV/FHV, которые сокращают время модернизации для обеспечения электромагнитной совместимости.

Доставка и поддержка

Стандартные детали и винтовые клеммы дверная ручка конденсаторы Срок поставки составляет 4–8 недель, а согласованных комплектов фильтров с низким уровнем ESL — 6–10 недель. Инженеры по применению HVC оказывают поддержку в анализе топологии фильтров, определении целевых значений частоты среза и потерь на входе, а также в выборе демпфирующих элементов.

Укажите частоту переключения, напряжение высоковольтной шины, полосу шума, которую необходимо подавить, и свободное место на плате. HVC в течение пяти рабочих дней предоставит вам таблицу подбора конденсаторов с номерами деталей, данными ESL и ESR для всего диапазона, а также комплект для оценки с двумя образцами.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Как установить частоту среза высоковольтного фильтра электромагнитных помех?

Используйте f_c = 1 / (2π · √(L · C)) и расположите срез ниже одной десятой частоты переключения. При частоте переключения 100 кГц поддерживайте f_c ниже 10 кГц. В этом случае один каскад имеет спад 40 дБ на декаду, а два каскада удваивают этот наклон до 80 дБ на декаду выше среза.

В2: Каковы вносимые потери для детектора компьютерной томографии, используемого в системах безопасности?

Целевой уровень затухания составляет 40–80 дБ в пределах полосы подавления. Однокаскадный усилитель редко достигает верхней границы этого диапазона, поэтому используйте двухкаскадный усилитель и проверяйте измеренное затухание, а не расчетное значение. Вносимые потери также зависят от импеданса источника и нагрузки, поэтому надежной проверкой является стендовое тестирование с использованием реального кабельного жгута.

В3: Почему электростатическая индуктивность конденсатора ограничивает затухание высокочастотных колебаний?

Выше собственной резонансной частоты конденсатор ведет себя как индуктор, и его импеданс возрастает с частотой. Компонент емкостью 1 нФ с эквивалентной последовательной индуктивностью (ESL) 5 нГн резонирует вблизи 71 МГц и перестает фильтровать выше этой частоты. Выберите корпус с низкой ESL и укоротите длину выводов, чтобы f_sr оставался выше полосы шума.

Вопрос 4: Какой уровень шума может выдерживать входной каскад детектора?

Достаточно низкий уровень, чтобы нижний предел оставался в пределах нескольких милливольт. Повышение уровня шума на 1 мВ снижает вероятность обнаружения стали толщиной менее 1 мм на 2–5%. Удерживайте нижний предел на уровне, использованном в обучающих данных, и проверьте его при самом высоком напряжении (кВ) и самом высоком токе трубки.

В5: Куда следует подключить фильтрующий конденсатор к земле?

К шасси по кратчайшему и широкому пути с низким импедансом. Не используйте этот обратный провод совместно с сигнальной землей и поддерживайте импеданс земли в диапазоне миллиом. Длинный или общий обратный провод превращает путь заземления в антенну и возвращает коммутирующий ток обратно в проводку детектора.

В6: Может ли демпфирующий фильтр заменить выходной фильтр?

Нет. Демпфирующий резистор уменьшает dv/dt на выключателе и снижает генерируемый шум, а фильтр удаляет шум, распространяющийся по высоковольтному тракту. Необходимы оба. Один только демпфирующий резистор оставляет гармоники переключения на кабеле, а фильтру приходится поглощать больший спектр сигналов, чем он может ослабить.

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. МЭК 60601-2-54, Медицинское электрооборудование — Часть 2-54: Особые требования к базовой безопасности и основным рабочим характеристикам рентгеновского оборудования для рентгенографии и рентгеноскопии.Женева: МЭК, 2018.
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. Ф. Д. Киферндорф, М. Форстер и Т. А. Липо, Снижение пульсаций тока на конденсаторе шины постоянного тока с помощью преобразователя PAM/PWMIEEE Transactions on Industry Applications, том 40, № 2, стр. 607-614, 2004. https://doi.org/10.1109/tia.2004.824495
8. Сезон дуги и наблюдения за конструкцией доски (техническая заметка о высоковольтном дуговом пробое, остатках флюса и компоновке), Johanson Dielectrics, Inc., https://www.johansondielectrics.com/docs/3939/arc-season-and-board-design-observations.pdf .
9. Зинке, О., и Зайтер, Х., Widerstände, Kondensatoren, Spulen und ihre Werkstoffe, 2. Ауфл. Берлин: Спрингер, 1982.
10. МЭК 61326-1:2020, Электрооборудование для измерения, контроля и лабораторного использования - Требования ЭМС - Часть 1: Общие требования, Изд. 3.0. Женева: Международная электротехническая комиссия, 2020.
11. МЭК 61000-4-4:2012, Электромагнитная совместимость (ЭМС) – Часть 4-4: Методы испытаний и измерений – Испытание на устойчивость к быстрым переходным процессам/импульсам, Изд. 3.0. Женева: Международная электротехническая комиссия, 2012.
12. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com