Электрострикция в керамических конденсаторах вызывает акустический шум в КТ.

Электрострикция в керамических конденсаторах вызывает акустический шум в КТ.

Резюме

Скрип компьютерного томографа, доносящийся ночью, часто связывают с вентилятором или подшипником. Источником может быть высоковольтный фильтр, где керамический диэлектрик деформируется под действием переменного поля и передает эту вибрацию в корпус. Деформация следует квадрату поля, поэтому она проявляется на частоте, вдвое превышающей частоту переключения, а структурные резонансы возвращают ее в слышимый диапазон. В этой статье описывается механизм деформации, три симптома, проявляющиеся под действием поля, и шесть шагов по подавлению скрипа.

1. Введение

Инженеры, работающие с компьютерными томографами, определяют состояние аппарата по звуку. Вентилятор тихо и постоянно гудит. Высокочастотный скрип или тон, изменяющийся в зависимости от протокола сканирования, указывают на что-то другое внутри корпуса.

Один из источников этого тона находится в высоковольтном фильтре. Керамический диэлектрик меняет форму под действием переменного поля, и корпус конденсатора движется вместе с ним. Эффектом является электрострикция, с меньшим линейным членом, обусловленным обратным пьезоэлектрическим откликом.

Вибрация не остается в конденсаторе. Она распространяется по выводам и креплению в корпус, а оттуда в воздух или в кронштейн детектора.

В этой статье рассматриваются физические принципы деформации, три симптома, проявляющиеся в полевых условиях, и шесть этапов их подавления. В заключение приводятся данные о вибрации, которые следует запросить у поставщика конденсаторов.

2. Основной механизм

2.1 Квадратичная деформация в диэлектрике

Электрострикция — это механическая деформация, которую диэлектрик испытывает под воздействием приложенного поля. Деформация пропорциональна квадрату поля.

S = M · E²

где S — деформация, M — электрострикционный коэффициент керамики, а E — приложенное электрическое поле.

Внутри конденсатора поле равно напряжению, деленному на толщину, поэтому деформация пропорциональна квадрату напряжения:

S = M · (V / d)²

где V — напряжение на детали, а d — толщина диэлектрика. Более тонкий диэлектрик увеличивает деформацию при том же напряжении, поэтому небольшая высоковольтная деталь может перемещаться так же сильно, как и более крупная.

При переменном напряжении V(t) = V_0 · sin(ωt) деформация принимает следующий вид:

S(t) = (M · V_0² / (2 · d²)) · [1 − cos(2ωt)]

где V_0 — пиковое напряжение, ω — угловая частота, а t — время. Следовательно, деформация колеблется с частотой, вдвое превышающей частоту возбуждения.

Инвертор, переключающийся с частотой 100 кГц, в основном вибрирует на частоте 200 кГц, которую никто не слышит. Слышимый тон возникает из-за гармоник и структурных резонансов в диапазоне от 20 Гц до 20 кГц.

2.2 Обратный пьезоэлектрический отклик в деталях класса II

Пьезоэлектрическая керамика, такая как материалы класса II на основе титаната бария, не обладает центросимметричностью, поэтому она также демонстрирует обратный пьезоэлектрический эффект:

S = d_ij · E

где d_ij — пьезоэлектрическая постоянная керамики, а E — приложенное поле.

Этот деформационный член линейно зависит от поля, поэтому колебания происходят на той же частоте возбуждения. Керамика Y5T и Y5P обладает гораздо более сильным пьезоэлектрическим откликом, чем диэлектрики класса I, такие как N4700, и, соответственно, проблема шума у ​​них хуже.

Линейный член важен, потому что он направляет энергию непосредственно на частоту переключения. Переключающий тон частотой 90 кГц может возбудить режим работы шасси с частотой 90 кГц без преобразования гармоник.

2.3 Структурный резонанс и звуковое излучение

Корпус конденсатора передает свое движение через выводы и паяные соединения на печатную плату. Плата ведет себя как тонкая пластина, и ее собственные частоты следуют следующим образом:

f_mn = (π / 2) · √(D / (ρ · h)) · [(m / a)² + (n / b)²]

где f_mn — собственная частота моды (m, n), D — жесткость на изгиб доски, ρ — плотность, h — толщина, a и b — размеры доски, а m и n — порядки мод.

Когда вибрация конденсатора или одна из его гармоник попадает вблизи колебательного режима платы, плата усиливает это движение и излучает его в воздух. Это же движение изменяет геометрию между высоковольтными дорожками и детектором, и паразитная емкость изменяется вместе с ним.

Рис. 1 — Электрострикция создает напряжение в диске с частотой, вдвое превышающей частоту переключения 100 кГц, а колебания платы вблизи 1.2 кГц втягивают эту энергию в слышимый диапазон.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Шум, сопровождающий вызовы сервисной службы, приводит к увеличению количества обращений.

В больницах и клиниках шум рассматривается как сигнал неисправности. Непрерывный скрип во время ночного сканирования беспокоит пациента и воспринимается оператором как признак неисправности оборудования. Некоторые проекты не прошли приемку только из-за шума, что вынуждает проводить полную акустическую модернизацию оборудования после утверждения проекта.

Болевой пункт 2: Микровибрация модулирует сигнал детектора.

Когда высоковольтный фильтрующий конденсатор расположен рядом с детектором, его перемещение изменяет геометрию кабелей и пиксельных модулей. Паразитное изменение незначительно, около 0.001 пФ, но его достаточно, чтобы сместить базовую линию канала подсчета фотонов и оставить полосатые артефакты на изображении.

Болевой момент 3: Длительная вибрация изнашивает суставы.

Непрерывная вибрация создает циклическую нагрузку на выводы и паяные соединения. После 10–100 миллионов циклов могут появиться трещины в припое. Микротрещины внутри керамики также распространяются под воздействием переменного напряжения, что снижает выдерживаемое напряжение и повышает уровень частичных разрядов в течение срока службы.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Использовать диэлектрик N4700 класса I в высоковольтном фильтре.

Керамика I класса имеет гораздо более низкий коэффициент электрострикционного сопротивления и практически не проявляет пьезоэлектрического отклика. При одинаковом поле и частоте, N4700 Керамические дисковые конденсаторы демонстрируют на 50–70% меньшее ускорение вибрации, чем компоненты класса II. Выбор диэлектрика позволяет устранить большую часть возбуждения в источнике.

Стратегия 2: Разорвать путь распространения вибрации в конструкции.

Переместите высоковольтные фильтрующие конденсаторы подальше от детектора и аналогового входного каскада и разместите их внутри высоковольтного отсека там, где это позволяет компоновка. Используйте гибкие перемычки или демпфирующие прокладки между конденсатором и платой.

Избегайте установки конденсатора в центре тонкой платы, где наблюдаются пики отклонения и излучения звука. В местах, где компонент должен располагаться рядом с детектором, добавьте экранирующий кожух и вибропоглощающую прокладку.

Стратегия 3: Сдвинуть частоту переключения с резонансных уровней.

Измерьте режимы работы платы и шасси с помощью метода конечных элементов, затем установите частоту переключения и ее гармоники вдали от этих пиков. Если первая структурная мода находится на частоте 1.2 кГц, исключите из плана переключения частоты 600 Гц, 1.2 кГц и 2.4 кГц.

Современные цифровые генераторы высокого напряжения задают частоту переключения в ПЛИС, поэтому активная петля подавления частоты не требует дополнительных аппаратных затрат.

Стратегия 4: Разделить емкость на более мелкие части.

Замените один большой конденсатор несколькими меньшими компонентами, соединенными параллельно. В этом случае каждый компонент будет воспринимать меньшую силу возбуждения, и источники вибрации распределятся по плате. При правильной компоновке и распределении фаз, от 4 до 6 HVCT8G Конденсаторы, расположенные в виде дверных ручек и распределенные по схеме, снижают амплитуду вибрации на критических частотах более чем на 30 %.

Стратегия 5: Добавить пересадку и впитывание влаги.

Заполните пространство вокруг конденсаторов высокопотерным силиконом или эпоксидной смолой, чтобы механическая энергия преобразовывалась в тепло. Больший коэффициент потерь tanδ_m обеспечивает лучшее демпфирование. В процессе заливки необходимо избегать образования пузырьков, поскольку пузырек концентрирует поле и вызывает частичный разряд. Компания HVC предлагает предварительно залитые высоковольтные конденсаторы с контролируемым количеством пустот и подтвержденным уровнем частичного разряда 5 пКл.

Стратегия 6: Акустическая изоляция модуля.

Оберните высоковольтный генератор звукопоглощающей пеной или слоем металлорезинового композита, чтобы уменьшить излучение в корпус и воздух. Проверьте также вентиляторы, контактные кольца и другие движущиеся части, чтобы их шум не усиливал шум конденсатора.

Подберите остальные компоненты высоковольтной цепи с учетом вибрации. резисторы выборки HVRGXP Закрепите делитель обратной связи короткими жесткими проводами.

HVR-BSP В плоских толстопленочных резисторах используется аналогичная система демпфирования на выходе умножителя.

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. Высоковольтные конденсаторы для малошумящих высоковольтных модулей трансформаторов тока.

Компания HVC оптимизирует свои высоковольтные керамические конденсаторы для снижения уровня шума как на уровне материала, так и на уровне конструкции. Компоненты поставляются с собственного завода площадью 6,000 м² в Дунгуане и охватывают диапазон напряжений от 1 кВ до 150 кВ.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• Низкоэлектрострикционный диэлектрик N4700. Линейный отклик класса I ослабляет как электрострикционную, так и обратную пьезоэлектрическую деформацию, поэтому деталь излучает меньше.
• Коэффициент потерь DF_eff ниже 0.5 % при номинальном напряжении. Меньшие потери означают меньший диэлектрический нагрев и меньшую механическую деформацию, вызванную тепловым воздействием.
• Структурное демпфирование. Выводы, клеммы и покрытие спроектированы совместно для обеспечения более высокого механического демпфирования, что снижает уровень излучения в режимах работы платы.
• Конструкция с предварительной заливкой компаундом. Контролируемый процесс заливки удаляет пузырьки, которые могли бы концентрировать звуковое поле, и обеспечивает демпфирование в наиболее шумных местах.
• Частичный разряд при 5 пКл и напряжении, в 1.2 раза превышающем номинальное. Низкий уровень частичного разряда устраняет механический удар, который разряд мог бы нанести конструкции.
• Координированные пассивные компоненты. Высоковольтные резисторы HVRGFP и HVRGXP, а также высоковольтные диоды HVR-BSP и BOP имеют компактные корпуса и жесткие выводы, и они соответствуют электрическим характеристикам TDK UHV, Murata DHS/DHR и Vishay HVCC для прямой замены.

Доставка и поддержка

Стандартные компоненты поставляются в течение 4–8 недель, а предварительно залитые компаундом малошумящие комплекты — в течение 6–10 недель, тогда как для вышеуказанных брендов этот срок составляет 20–30 недель. Инженеры-технологи HVC оказывают поддержку в выборе материалов, проверке компоновки и акустических измерениях.

Укажите частоту переключения, емкость, монтажный чертеж и количество. HVC предоставит данные вибрационных испытаний, данные скрининга частичных разрядов и комплект для оценки двух образцов в течение пяти рабочих дней, а также соответствующие документы. быстровосстанавливающиеся диоды для того же модуля.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Что заставляет керамический конденсатор вибрировать в компьютерном томографе?

Электрострикция плюс обратный пьезоэлектрический эффект. Переменное поле деформирует диэлектрик на величину S = M · E², а пьезоэлектрическая керамика добавляет линейный член S = d_ij · E. Затем корпус конденсатора перемещается, а выводы и плата передают это движение в шасси и воздух.

В2: Почему вибрация возникает при удвоенной частоте переключения?

Поскольку деформация подчиняется квадрату поля. При V(t) = V_0 · sin(ωt) квадрат дает член на частоте 2ω, поэтому частота переключения 100 кГц создает механическую вибрацию частотой 200 кГц. Слышимый тон обусловлен гармониками и модами платы, которые попадают в диапазон от 20 Гц до 20 кГц.

В3: Какой тип керамики обеспечивает более тихую работу?

Керамика класса I, например, N4700 (T3M). Она обладает малым электрострикционным коэффициентом и практически не имеет пьезоэлектрического отклика, поэтому при одинаковом поле и частоте вибрирует на 50–70 % меньше, чем детали из сплавов Y5T или Y5P. В высоковольтном фильтре КТ эта разница определяет, будет ли сканирование слышимым.

Вопрос 4: Как предотвратить воздействие вибрации конденсатора на детектор?

Разделите эти два элемента на схеме. Переместите высоковольтные фильтрующие конденсаторы в полость генератора, подальше от детектора и аналогового входного каскада, и используйте гибкие перемычки или демпфирующие прокладки. Там, где компонент должен располагаться близко, добавьте экранирующий кожух и вибропоглощающую прокладку. Паразитного изменения в 0.001 пФ достаточно, чтобы сместить базовую линию подсчета фотонов.

Вопрос 5: Пленочный конденсатор вибрирует меньше, чем керамический дисковый конденсатор?

Да, в большинстве случаев. пленочный конденсатор Не имеет пьезоэлектрической доменной структуры, поэтому электрострикционное напряжение меньше, а слышимый тон слабее. Компромисс заключается в объеме: при 50 кВ и 10 нФ пленочный элемент занимает в несколько раз больше места, чем керамический диск.

В6: Как доказать, что шум исходит от конденсаторов?

Измерьте ускорение вибрации на корпусе конденсатора и на шасси с помощью акселерометра и изменяйте частоту переключения. Звуковой сигнал, повторяющий частоту переключения или удваивающий её, и изменяющийся при развязке конденсатора, указывает на конденсатор. Сравните полученный уровень с сигналом от микросхемы N4700, используемой в качестве эталона.

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. Х. Ван и Ф. Блаабьерг, Надежность конденсаторов в силовых электронных преобразователях, использующих звенья постоянного тока: обзор.IEEE Transactions on Industry Applications, том 50, № 5, стр. 3569-3578, 2014. https://doi.org/10.1109/tia.2014.2308357
8. Использование низких напряжений для проверки высоковольтных конденсаторов (ток утечки).Форум сообщества EEVblog по электронике, https://www.eevblog.com/forum/testgear/using-low-voltage-levels-to-test-hv-capacitors-leakage-current/ .
9. Зинке, О., и Зайтер, Х., Widerstände, Kondensatoren, Spulen und ihre Werkstoffe, 2. Ауфл. Берлин: Спрингер, 1982.
10. 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 .
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com