Высоковольтные толстопленочные резисторы для лазерных делителей и цепей разделения

Высоковольтные толстопленочные резисторы для лазерных делителей и цепей разделения

Резюме

В источнике питания CO2-лазера высоковольтный толстопленочный резистор выполняет три функции: делит напряжение питания до нескольких вольт для контура управления, распределяет обратное напряжение по цепочке умножителей и разряжает накопленный заряд после отключения питания. Каждая из этих функций устанавливает предел дрейфа. В этой статье приводятся коэффициенты напряжения и температуры, путь утечки влаги, расчеты разрядного резистора и этапы выбора, позволяющие удерживать коэффициент деления в пределах 0.5% на протяжении всего срока службы.

1. Введение

Источник питания CO2-лазера измеряет собственное выходное напряжение через цепочку делителей из толстопленочных резисторов. Цепь понижает напряжение с 10 кВ до нескольких вольт, и контур управления считывает это значение. Каждая ошибка в цепочке становится ошибкой в ​​напряжении питания.

Та же деталь встречается еще в двух местах. Резисторы, разделяющие элементы схемы, поддерживают равномерное обратное напряжение на всех каскадах цепи умножителя. Разрядные резисторы разряжают фильтрующие конденсаторы до безопасного значения после отключения питания, чтобы сервисный инженер не столкнулся с перегрузкой по напряжению питания.

Выбор часто ограничивается значением сопротивления и номинальной мощностью. Два параметра наносят ущерб в процессе эксплуатации: коэффициент напряжения и температурный коэффициент. Деталь с сопротивлением −100 ppm/V теряет 5% своего значения при 10 кВ, и контур затем корректирует напряжение на шине, которое на 5% выше нормы.

В данной статье рассматриваются три параметра, определяющие точность, шесть причин отказов, возникающих из-за несоответствия предельных значений, а также этапы выбора и проверки, обеспечивающие поддержание оптимального коэффициента деления.

2. Основной механизм

2.1 Коэффициент напряжения сопротивления

Коэффициент напряжения измеряет, насколько изменяется сопротивление при приложенном напряжении.

VCR = (R_V − R_0) / (R_0 · V) · 10⁶

где VCR — коэффициент напряжения в ppm/В, R_V — сопротивление при рабочем напряжении в Ом, R_0 — сопротивление при испытательном напряжении ниже 1 В в Ом, а V — рабочее напряжение в В.

Стандартный толстопленочный элемент имеет разброс значений от −50 до −200 ppm/В. При напряжении 10 кВ этот разброс достигает от −5% до −20% от значения. Элемент, предназначенный для работы при высоком напряжении, имеет разброс значений от −5 до −20 ppm/В, что позволяет удерживать сдвиг ниже 0.2% при напряжении 10 кВ.

Коэффициент деления зависит от сопротивления.

K = R_low / (R_high + R_low)

где K — коэффициент делителя, R_high — общее сопротивление цепи верхнего плеча в Ом, а R_low — сопротивление цепи нижнего плеча в Ом. Изменение значения цепи верхнего плеча на 5% сдвигает сигнал обратной связи на 5%, и контур отвечает на это ошибкой в ​​напряжении питания в 5%.

2.2 Температурный коэффициент сопротивления

Температурный коэффициент показывает, насколько изменяется сопротивление при нагревании окружающей среды.

TCR = (R_T − R_25) / (R_25 · (T − 25)) · 10⁶

где TCR — температурный коэффициент в ppm/°C, R_T — сопротивление при температуре T в Ом, R_25 — сопротивление при 25 °C в Ом, а T — температура в °C.

Стандартная деталь имеет диапазон температур от ±100 до ±300 ppm/°C. В промышленном цехе температура лазерного источника питания колеблется от 10 °C зимой до 50 °C внутри герметичного шкафа, что составляет 40 °C.

ΔR/R = TCR · ΔT

где ΔR/R — относительное изменение, TCR — коэффициент в ppm/°C, а ΔT — диапазон температур в °C. При 200 ppm/°C в диапазоне 40 °C значение изменяется на 0.8%. При ±50 ppm/°C значение изменяется на 0.2% в том же диапазоне.

Сдвиг на 0.8% в цепи делителя напряжения 1 ГОм изменяет соотношение на 0.8%, и в результате контур удерживает напряжение на шине на расстоянии 0.8% от заданного значения холодным утром.

2.3 Просачивание воздуха через поверхность

Поверхностная изоляция расположена параллельно корпусу резистора, и влага на поверхности снижает её сопротивление.

I_surface = V / R_surface

где I_surface — поверхностный ток утечки в мкА, V — приложенное напряжение в В, а R_surface — поверхностное сопротивление изоляции в МОм.

Делительный резистор сопротивлением 100 МОм при напряжении 10 кВ потребляет ток 100 мкА через свой корпус. Если сопротивление поверхности падает до 1 ГОм во влажном воздухе, поверхность добавляет 10 мкА, что изменяет эффективное значение на 10%. Эпоксидное или силиконовое покрытие поддерживает сопротивление поверхности выше 10 ГОм при 85 °C и 85% относительной влажности, поэтому ток утечки остается ниже 1% от тока корпуса.

2.4 Импульсное напряжение и долговременный дрейф

Пленка пропускает постоянный ток плюс импульсную составляющую напряжения питания. Повторяющиеся импульсные воздействия перемещают ионы серебра вдоль пленки и образуют микротрещины, что приводит к повышению сопротивления. Высоковольтный компонент с номинальным дрейфом 0.1% на 1,000 часов сохраняет коэффициент деления в течение 10 лет. Стандартный компонент с дрейфом 1% на 1,000 часов этого не делает.

Рис. 1 — Один толстопленочный элемент выполняет три функции: делитель устанавливает коэффициент на уровне −20 ppm/В, для ветви распределения требуется 125 кОм, а для разрядного элемента — 1.3 МОм при мощности 77 Вт.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Коэффициент делителя изменяется, и направляющая следует за ним.

Цепь высокого напряжения при −100 ppm/В теряет 10% своего значения при 10 кВ. Сигнал обратной связи показывает низкий уровень, контур увеличивает коэффициент заполнения, и напряжение на шине поднимается выше заданного значения. Под воздействием разрядной нагрузки, которая перегружает трубу, качество резки также снижается.

Проблема 2: Один из каскадов пропускает слишком высокое напряжение.

В восьмиступенчатой ​​цепи резистор с увеличенным номиналом пропускает меньший ток, поэтому его каскад блокирует меньшее напряжение, и соседние каскады несут разницу. Диоды на высоковольтном конце выходят из строя первыми, и заводская проверка нового устройства ничего не показывает.

Проблемный момент 3: Влажность изменяет соотношение на 10%.

Влажная пленка на поверхности корпуса резистора отводит 10 мкА при напряжении 10 кВ, что соответствует току тела 100 мкА. Показания при этом меняются в зависимости от погодных условий, поэтому фиксированная компенсация не позволяет их удерживать. Защитные кольца и покрытие корпуса устраняют этот путь.

Проблема №4: Клапан сброса давления жертвует безопасностью ради повышения мощности.

Слишком большой дренажный патрубок оставляет напряжение на шине выше 60 В в течение нескольких минут после отключения питания, что представляет опасность поражения электрическим током для сервисного инженера. Слишком маленький дренажный патрубок потребляет десятки ватт в нормальном режиме работы и требует большого корпуса и радиатора.

Проблема 5: Видеомагнитофоны в сумме дают значительную стоимость в цепочке подключения.

Цепочка на 10 кВ распределяет напряжение питания по 20 резисторам по 500 В каждый. Каждая часть смещается в одном направлении, поэтому смещения суммируются. Смещение на −5% на каждую часть становится смещением на −5% в цепочке, и коэффициент делителя изменяется соответственно.

Проблема №6: Пленка портится с течением месяцев.

Импульсные нагрузки и термические циклы приводят к образованию микротрещин в пленке. Сопротивление медленно возрастает, а коэффициент деления отклоняется от своей калибровочной точки. Этот отказ не проявляет ранних признаков и появляется через 6–12 месяцев непрерывной работы.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Установите пределы VCR и TCR до значения

В спецификацию необходимо внести следующие ограничения: VCR в пределах −20 ppm/В и TCR в пределах ±100 ppm/°C. Резистор делителя с коэффициентом усиления −100 ppm/В смещается на 5% при 10 кВ, и это смещение невозможно устранить с помощью калибровки, поскольку оно следует за нагрузкой.

Стратегия 2: Размер резистора, разделяющего поток, определяется разбросом тока утечки.

Текущий объем доли должен превышать разброс утечек на данном этапе в 10 раз или более.

R_balance = V_stage / (10 · I_leak_max)

где R_balance — сопротивление распределения в Ом, V_stage — напряжение на каскад в В, а I_leak_max — наихудший случай утечки при самой высокой температуре в А. При напряжении 1.25 кВ на каскад и токе утечки 1 мкА значение составляет 125 кОм.

Удерживайте нормальное рассеивание мощности этого резистора ниже 50% от его номинального значения и берите все резисторы в одной цепочке из одной производственной партии с разбросом менее ±0.5%.

Стратегия 3: Подберите размер дренажного клапана, исходя из безопасного времени и мощности.

Значение определяется двумя ограничениями. Напряжение на шине должно упасть до безопасного уровня в пределах рабочего диапазона, а резистор должен выдерживать заданную мощность.

R_bleed = t_max / (C_total · ln(V_rated / V_safe))

где R_bleed — сопротивление разрядного резистора в Ом, t_max — время разряда в с, C_total — общая емкость фильтра в Ф, V_rated — напряжение питания в В, а V_safe — безопасный уровень в В. При 10 нФ и 10 кВ, с допустимым временем разряда 60 с и безопасным уровнем 60 В, значение составляет примерно 1.3 МОм.

P_bleed = V_rated² / R_bleed

где P_bleed — потери мощности в Вт. При напряжении 10 кВ на сопротивлении 1.3 МОм разрядник потребляет 77 Вт, поэтому для данного устройства требуется номинальная мощность 150 Вт или последовательно-параллельная схема подключения.

Стратегия 4: Покрыть тело и охранять ринг.

Для влажных помещений выбирайте корпус с покрытием или герметиком. Добавьте заземленное защитное кольцо вокруг высоковольтного резистора на плате, чтобы ток поверхностной утечки достигал земли до того, как достигнет узла отбора проб. Защитное кольцо должно располагаться вне пути утечки, иначе его назначение теряет смысл.

Стратегия 5: Выдержать партию перед сборкой.

Проводите старение в течение 48–96 часов при номинальном напряжении и номинальной температуре. Измерьте сопротивление до и после старения и отбракуйте все устройства, у которых отклонение превышает ±0.5%. Эта фильтрация отсеивает устройства с тонкой пленкой или слабым сцеплением пленки с подложкой, поскольку именно такие устройства подвержены дрейфу в процессе эксплуатации.

Стратегия 6: Сопоставьте части цепочки.

Используйте N4700 керамический дисковый конденсатор В каскаде фильтра напряжение каскада сохраняет свое значение при импульсных нагрузках, а делитель получает стабильное напряжение. Измерьте ток в цепи с помощью HVRGXP. резистор выборки, что позволяет удерживать показания в пределах ±1% в заданном температурном диапазоне.

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 делителей и цепей распределения.

Компания HVC производит серии HVRGFP и HVRGXP для выборки с помощью делителя напряжения, управления цепями и разрядными каналами, а также хранит коэффициенты, определяющие точность. Серийные поставки осуществляются производителям промышленных лазеров с собственного завода площадью 6,000 м² в Дунгуане, в диапазоне напряжений от 1 кВ до 150 кВ.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• Коэффициент подавления помех внутри цепи составляет −20 ppm/В. При рабочем напряжении 10 кВ сдвиг в одном блоке остается ниже 0.2%, а сдвиг в цепи — ниже 0.5%, что удерживает напряжение на шине на заданном уровне.
• Показатель TCR в пределах ±100 ppm/°C и ±50 ppm/°C для серии HVRGFP. В диапазоне температур от −20 °C до +70 °C значение отклоняется в пределах ±0.9%, поэтому рельс сохраняет свои характеристики как зимой, так и летом.
• Диапазон сопротивлений от 100 кОм до 10 ГОм, с номинальным напряжением отдельных устройств от 10 кВ до 40 кВ. Более широкий диапазон номинальных напряжений на единицу позволяет сократить количество последовательно соединенных компонентов и, соответственно, уменьшить дрейф, который они вызывают.
• Номинальная мощность составляет от 1 Вт до 10 Вт для серии HVRGFP и от 10 Вт до 50 Вт для серии HVRGXP. Для разрядника мощностью 77 Вт потребуется три компонента, и блок из двадцати более мелких устройств уже не является единственным вариантом.
• Поверхностная изоляция превышает 10 ГОм после 1,000 часов при 85 °C и 85 % относительной влажности, для покрытого тела. Коэффициент утечки остается ниже 1 % от тока тела во влажном промышленном цехе.
• Координированные детали. HVCT8G часть содержит умножительный каскад, а выпрямительный диод обеспечивает время восстановления менее 100 нс, и один из поставщиков документирует конструкцию стека.

Доставка и поддержка

Стандартные детали отгружаются в течение 4–8 недель, а детали нестандартного сопротивления или класса напряжения — в течение 6–10 недель. К каждому заказу прилагается отчет по VCR и TCR, данные о теплоизоляции от влаги, запись о дрейфе в течение 1,000 часов и т. д. Перекрестная ссылка Таблица в сравнении с аналогичными деталями ведущих брендов.

Передайте коэффициент делителя, напряжение питания, количество каскадов цепи и диапазон окружающего напряжения. HVC вернет список резисторов с данными VCR и TCR для каждого элемента, арифметические операции разряда и два образца для проверки точности делителя.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Почему коэффициент делителя изменяется при подъеме рельса?

Из-за коэффициента напряжения. Часть с напряжением −100 ppm/В теряет 5% своего значения при 10 кВ, поэтому сигнал обратной связи падает, и контур поднимает напряжение. Часть с напряжением −20 ppm/В теряет 0.2% при том же напряжении, что позволяет удерживать коэффициент делителя в пределах 0.5%.

В2: Насколько сильно изменяется температура окружающей среды при разнице в 40 °C?

ΔR/R = TCR · ΔT. При 200 ppm/°C выше 40 °C значение изменяется на 0.8%, а при ±50 ppm/°C — на 0.2%. В цепи с сопротивлением 1 ГОм первое значение соответствует погрешности в 0.8% для напряжения питания, равного 80 В на выходе 10 кВ.

Вопрос 3: Как правильно подобрать размер резистора с общим сопротивлением?

R_balance = V_stage / (10 · I_leak_max). Ток утечки должен превышать разброс тока утечки в 10 раз, поэтому при 1.25 кВ на каскад и 1 мкА тока утечки значение составит 125 кОм. Удерживайте потери в режиме ожидания ниже 50% от номинального значения и берите всю цепь из одной партии.

Вопрос 4: Как правильно подобрать разрядный резистор?

Исходя из безопасного времени и мощности в режиме ожидания. При 10 нФ, 10 кВ, 60 с и безопасном уровне 60 В сопротивление составляет около 1.3 МОм, и эта деталь потребляет 77 Вт в нормальном режиме работы. Ее мощность может передаваться корпусу мощностью 150 Вт или трем меньшим деталям.

Вопрос 5: Почему в дождливый день показания меняются?

Поверхностная утечка параллельно корпусу. При напряжении 10 кВ поверхностное сопротивление 1 ГОм добавляет 10 мкА к току корпуса 100 мкА, что изменяет эффективное значение на 10%. Покрытие корпуса и заземленное защитное кольцо удерживают этот путь ниже 1% от тока корпуса.

В6: Что улавливает стареющий экран?

Измерения проводятся на устройствах с тонкой пленкой или слабым сцеплением пленки с подложкой. Необходимо протестировать устройство в течение 48–96 часов при номинальном напряжении и номинальной температуре, затем сравнить сопротивление до и после измерения. Устройство, отклоняющееся более чем на ±0.5%, будет продолжать отклоняться в процессе эксплуатации, и на заводе это отклонение устраняется с помощью сетки.

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 60825-1:2014, Безопасность лазерной продукции — Часть 1: Классификация оборудования и требованияЖенева: МЭК, 2014.
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. Б. Ван, Дж. Мэн и П. Чжао, Мониторинг состояния старения алюминиевых электролитических конденсаторов в преобразователях частотыIEEE Transactions on Power Electronics, том 37, № 4, стр. 4564-4574, 2022. https://doi.org/10.1109/tpel.2021.3121813
8. 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/.
9. MIL-PRF-55681 Ред. H, Конденсатор, чип, многослойный, фиксированный, с керамическим диэлектриком, с установленной и неустановленной надежностью, общие технические характеристики.Колумбус, Огайо: DLA Land and Maritime, 2025.
10. IEC 60664-1:2020+AMD1:2025 CSV, Координация изоляции оборудования в низковольтных системах электроснабжения – Часть 1: Принципы, требования и испытания, Изд. 3.1. Женева: Международная электротехническая комиссия, 2025.
11. 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/ .
12. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Технические ресурсы по высоковольтным керамическим конденсаторамhttps://www.hv-caps.com