Согласование балластных резисторов для распределения тока в многотрубном CO2-лазере

Согласование балластных резисторов для распределения тока в многотрубном CO2-лазере

Резюме

Одна быстродействующая осевая трубка CO2 обеспечивает мощность от 500 Вт до 1 кВт, поэтому в системах мощностью от 3 кВт до 6 кВт несколько трубок подключаются параллельно. Тлеющий разряд имеет отрицательное сопротивление от 20 кОм до 40 кОм, что превращает любую небольшую разницу между ветвями в большую разницу токов. В этой статье приводится критерий стабильности балластного резистора, четыре типа отказов в полевых условиях, вызванных плохим согласованием балласта, и этапы проектирования, обеспечивающие равномерное распределение тока в течение всего срока службы трубки.

1. Введение

Мощность одной быстродействующей осевой CO2-лампы достигает максимума в 500–1 кВт. Для достижения мощности 3 кВт, 6 кВт и более обычно подключают несколько разрядных ламп параллельно и заставляют их работать одновременно. В этом случае источник питания питает все лампы от одной высоковольтной шины.

Теоретически каждая лампа должна потреблять равную долю тока и вырабатывать равную долю мощности. На практике же набор ламп из одной партии расходится в течение нескольких недель. Некоторые светят ярко, другие — тускло, а яркая лампа нагревается на 30–50 °C сильнее, чем соседние. Затем она выходит из строя в течение нескольких месяцев.

Причина кроется в отрицательном сопротивлении тлеющего разряда. В рабочем диапазоне напряжение на лампе падает по мере увеличения тока, поэтому ветвь, потребляющая больший ток, потребляет больший ток. Последовательно включенный балластный резистор соответствующего номинала предотвращает этот неконтролируемый рост, поскольку резистор добавляет положительный член к сопротивлению ветви.

Результат определяется двумя факторами: величиной балласта и тем, насколько хорошо компоненты балласта согласуются друг с другом. В этой статье приводятся критерии устойчивости, четыре типа отказов в полевых условиях и этапы проектирования, обеспечивающие балансировку ответвлений от первого включения до последнего планового технического обслуживания.

2. Основной механизм

2.1 Отрицательное сопротивление тлеющего разряда

Разрядная трубка CO2 представляет собой плазменный столб, заполненный смесью CO2/N2/He. После пробоя газа образуется тлеющий разряд, и трубка выдерживает напряжение от 10 до 15 кВ при токе от 100 до 500 мА. Дифференциальное сопротивление ответвления определяется наклоном вольт-амперной характеристики:

r_diff = ΔV / ΔI

где r_diff — дифференциальное сопротивление трубки в кОм, ΔV — изменение напряжения на трубке в кВ, а ΔI — изменение тока на трубке в мА. Для металлического резистора это значение положительно. Для тлеющего разряда оно отрицательно в рабочем диапазоне и может достигать от −20 кОм до −40 кОм.

2.2 Почему параллельные трубки плохо распределяют ток

На одной шине две лампы должны выдерживать одинаковое напряжение. Это равенство приводит к выравниванию токов в ветвях только в том случае, если обе лампы имеют идентичные характеристики. Небольшая разница в давлении газа, износе электродов или нагреве стенок достаточна для нарушения этого равенства.

V_1 = V_2 = V_bus

где V_1 и V_2 — напряжения на лампах в кВ, а V_bus — напряжение на шине в кВ. Предположим, что плотность тока в лампе А на 0.01 % выше, чем в лампе В. Падение напряжения на ней уменьшается, шина подает одинаковое напряжение на обе лампы, и ток в лампе А возрастает. Больший ток снова снижает напряжение в лампе А, поэтому зазор увеличивается. В этом случае одна лампа пропускает большую часть тока, а другая простаивает.

2.3 Балластный резистор как отрицательная обратная связь

Последовательно с каждой лампой включен балластный резистор, который превращает этот неконтролируемый ток в самоограничивающийся процесс. Когда одна из ветвей потребляет больший ток, дополнительный ток приводит к дополнительному падению напряжения на балласте:

ΔV_R = R_b · ΔI

где ΔV_R — дополнительное падение напряжения на балласте в В, R_b — сопротивление балласта в кОм, а ΔI — увеличение тока в мА. Падение напряжения отводит напряжение от лампы, ток лампы уменьшается, и цепь стабилизируется. Резистор преобразует петлю положительной обратной связи в петлю отрицательной обратной связи.

2.4 Диапазон значений для балластного резистора

Балласт стабилизирует ответвление только до тех пор, пока его сопротивление превышает отрицательное сопротивление трубки:

R_b > |r_diff|

где R_b — сопротивление балласта в кОм, а |r_diff| — абсолютное отрицательное сопротивление трубки в кОм. Нижняя граница определяется коэффициентом запаса прочности от 2.5 до 3: R_b,min = k_s · |r_diff|_max. Верхняя граница определяется количеством тепла, которое может отводить резистор: R_b,max = P_max / I_max², где P_max в Вт, а I_max в А. Для быстротекучей осевой трубки мощностью 1 кВт две границы сходятся в диапазоне от 80 кОм до 200 кОм.

Значение также изменяется с повышением температуры. Резистор с температурным коэффициентом +80 ppm/°C изменяет свое значение на 0.48 % при повышении температуры на 60 °C, и это изменение влияет на ток в ветви примерно на 1 %. Согласование компонентов так же важно, как и абсолютное значение.

Рис. 1 — Четыре балластных элемента по 100 кОм распределены в диапазоне от 95 кОм до 108 кОм, в результате чего нижняя ветвь оказывается на 12 % короче, чем трубка с сопротивлением 30 кОм.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Тонкий край разрушается через несколько тысяч часов.

При первоначальном проектировании балласт часто устанавливается чуть выше теоретического предела. При |r_diff| равном 30 кОм выбранный компонент может иметь сопротивление 33 кОм. На бумаге это число выглядит правильно и проходит первый тест.

Отрицательное сопротивление увеличивается со временем. Электродное распыление изменяет газовую смесь, и |r_diff| может измениться с 30 кОм до 45 кОм после нескольких тысяч часов работы. В этом случае балластное сопротивление в 33 кОм оказывается ниже предельного значения, ток переходит в одну из трубок, и срабатывает защита от перегрузки по току. Из-за ложных остановок линия теряет 10 заготовок в день.

Проблема 2: Широкий разброс толерантности приводит к дисбалансу.

Возьмём четыре лампы с четырьмя балластными резисторами по 100 кОм, измеренные значения которых составляют 95 кОм, 100 кОм, 102 кОм и 108 кОм. Этот разброс составляет от -5 % до +8 %, что находится в пределах заявленных параметров многих партий. В этом случае токи в ветвях масштабируются как 1/R, поэтому по ветви 4 протекает примерно на 12 % меньше тока, чем по ветви 1.

На стенке трубки и в срезе виден зазор в 12%. На светлой трубке электроды изнашиваются первыми, а тусклая трубка работает при низкой температуре. Решение проблемы находится на этапе входного контроля: измеряется каждая деталь, и высокое значение сопоставляется с низким значением в одной и той же ветви.

Проблема 3: Смешанный TCR перетасовывает ток после разогрева.

Балласт с сопротивлением 100 кОм и током 120 мА рассеивает 1.44 Вт, что повышает температуру пленки на 40–70 °C выше температуры окружающей среды. Затем значение зависит от температурного коэффициента детали. Четыре значения для +25, −15, +80 и +5 ppm/°C остаются в пределах заявленного диапазона ±100 ppm/°C и все же отклоняются от него.

При повышении температуры на 60 °C деталь с показателем +80 ppm/°C смещается на +0.48 %, а деталь с показателем −15 ppm/°C — на −0.09 %. Комплект деталей, измеренных в холодном состоянии и подобранных с точностью до 0.1 %, может отличаться на 0.57 % в горячем состоянии, что добавляет около 1 % отклонения тока в процессе эксплуатации.

Проблемный момент 4: Резкий скачок напряжения разрушает пленку.

В момент пробоя лампа за десятки микросекунд переходит из состояния разомкнутой цепи в состояние низкоимпедансной нагрузки. Пиковый ток 2 А через балласт 100 кОм означает мгновенную мощность 400 кВт в одной части.

Импульс длится несколько микросекунд, и один импульс не причиняет вреда неповрежденной пленке. В тонкой пленке с пористой структурой образуются микротрещины, и повторяющиеся импульсы пробоя способствуют их распространению. Затем значение изменяется, или деталь выходит из строя. Балласт, рассчитанный на импульсный перепад напряжения и установленный на радиаторе, подвергается воздействию одних и тех же импульсов годами.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Вычислите значение в три этапа.

Сначала считайте вольт-амперную характеристику трубки и возьмите наибольшее абсолютное отрицательное сопротивление в диапазоне рабочих токов. Затем умножьте на коэффициент запаса прочности от 2.5 до 3.0, чтобы получить нижнюю границу. После этого разделите допустимое тепловыделение на квадрат максимального тока, чтобы получить верхнюю границу, и выберите значение внутри этого диапазона.

Стратегия 2: Отсортируйте все ветки и подберите пары.

Измерьте сопротивление и температурный коэффициент сопротивления (TCR) каждой поступающей детали. Отсортируйте детали по номиналу, затем соберите каждую ветвь, используя одну деталь с высоким сопротивлением и одну деталь с низким сопротивлением. В системе из 4 ламп возьмите 8 резисторов, соедините первый с восьмым, а второй с седьмым. Таким образом, каждая ветвь будет иметь почти одинаковое суммарное сопротивление.

Стратегия 3: Укажите допуск и TCR в заказе на покупку.

Требуйте начального допуска ±1 %, температурного коэффициента сопротивления (TCR) ±50 ppm/°C или ниже, а также разброса TCR для всей партии ниже ±15 ppm/°C. Увеличьте номинальную мощность в 5 раз по сравнению с реальными потерями. толстопленочный резистор Пленка с неиндуктивным сопротивлением отвечает всем трем требованиям и сохраняет почти чистое сопротивление на частоте пульсаций импульсного источника питания.

Стратегия 4: Разделить ветвь, чтобы снизить напряжение.

Ветвь на 12 кВ с одним элементом сопротивлением 100 кОм должна одновременно соответствовать пределу напряжения и пределу тепловыделения. Разделите её на 4 последовательных элемента по 25 кОм. Каждый элемент будет выдерживать около 3 кВ, и каждый получит свою собственную точку отвода тепла. Напряжение утечки на корпус снижается с повышением напряжения.

Разделение на серии аналогично регулирует... выпрямительный диод В высоковольтном выходе каждый чип передает несколько киловольт, и параметры утечки должны совпадать.

Стратегия 5: Разработайте путь теплопередачи и путь утечки тепла.

Установите компоненты в воздуховоде с принудительной циркуляцией воздуха или на алюминиевых пластинах, предотвращая взаимный нагрев соседних компонентов. Поддерживайте тепловое сопротивление между корпусом и радиатором ниже 5 °C/Вт с помощью термопрокладки или винтового крепления. Расстояние между клеммами должно соответствовать расстоянию утечки рабочего напряжения, не менее 10 мм для постоянного тока 3 кВ.

Стратегия 6: Отслеживать текущее распределение ресурсов и заменить весь набор одним целым.

Установите делитель высокого номинала на каждом балласте и подайте сигнал на АЦП. Затем контроллер вычисляет ток в ветви как I_i = V_i / R_b,i и выдает предупреждение, когда отклонение превышает ±3 %. Во время обслуживания заменяйте весь комплект балластных компонентов одновременно, поскольку новый и старый компоненты имеют разные значения температурного коэффициента сопротивления (TCR).

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	мин. ползучесть 25 мм
Возможность перенапряжения	100 А при 1 мс	неиндуктивная проволочная обмотка

5. Толстопленочные резисторы HVC для балансировки разряда многолампового транзистора.

Распределение тока между параллельно подключенными трубками определяется согласованием номиналов и тепловым соответствием балластных элементов. Компания HVC производит серии HVRGFP и HVRGXP на собственном заводе площадью 6,000 м² в Дунгуане, осуществляя крупные поставки производителям лазерного и медицинского оборудования.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• Допуск ±1 %, по запросу ±0.5 %. На этикетке каждой детали указано измеренное значение, поэтому разброс внутри одной поставки остается в пределах плана сопряжения филиалов.
• Коэффициент температурного сопротивления (TCR) составляет ±50 ppm/°C или ниже. При повышении температуры более чем на 60 °C значение изменяется максимум на 0.3 %, поэтому измеренное на холодном приборе значение коэффициента температурного сопротивления сохраняется и на горячем.
• Диапазон температурного коэффициента сопротивления (TCR) в пакетном режиме составляет менее ±15 ppm/°C. Четыре балластных элемента в одной системе смещаются вместе, и коэффициент разветвления не меняется во время цикла прогрева.
• Неиндуктивная пленка. Змеевидная пленка RuO₂ на подложке из 96 % Al₂O₃ имеет резистивное сопротивление ниже 1 МГц, поэтому балласт сохраняет свою отрицательную обратную связь при пульсациях переключения.
• Устойчивость к импульсным перенапряжениям. Сверхтолстая пленка и многопроходная обрезка серии HVRGXP выдерживают многократные импульсы пробоя без изменения значений и растрескивания пленки.
• Координированные компоненты. резисторы выборки HVRGXP и N4700 Конденсаторы проходят ту же систему контроля качества, что и балластные компоненты, и дверная ручка конденсаторы покройте места расположения фильтров в той же высоковольтной цепи.

Доставка и поддержка

Стандартные детали отгружаются в течение 4–8 недель, а комплекты — в течение 6–10 недель. К каждому заказу балласта могут прилагаться данные об измеренном сопротивлении, данные о температурном коэффициенте сопротивления при 25 °C и 100 °C, а также Перекрестная ссылка таблица по сравнению с брендами первого эшелона.

Отправьте рабочий ток, количество параллельных ответвлений, условия охлаждения и вольт-амперную характеристику трубки. HVC вернет значение балласта, схему последовательного соединения, план сопряжения ответвлений и образцы для проверки на оборудовании в течение 5 рабочих дней.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Какого размера должен быть балластный резистор для CO2-лазера?

Сопротивление трубки более чем в 3 раза превышает наихудшее отрицательное сопротивление трубки. Трубка с быстрым осевым потоком мощностью 1 кВт показывает сопротивление от 20 кОм до 40 кОм, что соответствует значению от 80 кОм до 200 кОм. Сопротивление детали 33 кОм по сравнению с трубкой 30 кОм не оставляет запаса для дрейфа, который происходит после 5,000 часов работы.

В2: Почему даже при 1% содержании балласта в балласте трубы получаются неравномерными?

Потому что значение, измеренное в холодном состоянии, не соответствует значению в рабочем состоянии. Деталь с сопротивлением 100 кОм при токе 120 мА рассеивает 1.44 Вт, а пленка при этом нагревается на 40–70 °C выше температуры окружающей среды. Детали с разными значениями температурного коэффициента сопротивления (TCR) могут расходиться, поэтому партия, подобранная с точностью до 0.1 % в холодном состоянии, может отличаться на 0.57 % в горячем состоянии.

Вопрос 3: Может ли проволочный резистор использоваться в качестве балласта?

Она передает мощность, а ее индуктивность ухудшает характеристики ответвления. При пульсациях переключения обмотка добавляет реактивное сопротивление последовательно с балластом, поэтому ответвление перестает выглядеть резистивным. Толстопленочный элемент с неиндуктивной пленкой сохраняет значение индуктивности до 1 МГц и выше.

Вопрос 4: На какую мощность должен быть рассчитан балластный резистор?

По меньшей мере в 5 раз превышают реальные потери в компоненте. Балласт 100 кОм при 120 мА потребляет 1.44 Вт, поэтому компонент мощностью 7.5 Вт или больше поддерживает низкую температуру пленки и минимизирует дрейф температурного коэффициента сопротивления. Этот же запас покрывает пробивной импульс, возникающий при каждом импульсе.

В5: Как проверить распределение тока без датчика тока?

Подключите делитель с большим номиналом параллельно каждому балластному резистору и считывайте показания узла с помощью АЦП. Ток в ветви равен I_i = V_i / R_b,i, и контроллер может сравнить его со средним значением по всем ветвям. Отклонение выше ±3 % сигнализирует об износе лампы или дрейфе какой-либо детали.

В6: Что произойдет, если заменить только одну балластную деталь?

Новая и старая детали имеют разные значения TCR, поэтому коэффициенты ветвления меняются после прогрева, и дисбаланс возвращается в течение нескольких недель. Замените весь комплект балластных резисторов вместе с комплектом ламп, затем повторно проверьте распределение тока на нагретом устройстве.

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 60664-1:2007+AMD1:2010, Координация изоляции оборудования в низковольтных системах электроснабжения — Часть 1: Принципы, требования и испытанияЖенева: МЭК, 2010.
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. ANP109: Импедансные спектры различных технологий конденсаторов, Würth Elektronik eiSos GmbH & Co. KG, https://www.we-online.com/ANP109.
9. Зинке, О., и Зайтер, Х., Widerstände, Kondensatoren, Spulen und ihre Werkstoffe, 2. Ауфл. Берлин: Спрингер, 1982.
10. Найду, М.С., и Камараджу, В. Техника высокого напряжения, 6-е изд. Ченнай: McGraw-Hill Education (Индия), 2020.
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com