Блог о качестве/конденсаторах
Соотношение газов CO2-N2-H2 и конденсаторы для формирования импульсов в TEA-лазерах
Длительность импульса TEA-лазера уменьшается с 2500 нс до 400 нс при увеличении содержания H2 с 0 % до 8 % в смеси CO2-N2-H2. В данном руководстве показано соотношение газов и импеданс разряда, емкость накопителя и эквивалентное последовательное сопротивление конденсатора (ESR), а также указаны шаги расчета размеров батареи и пределы ESR для импульса длительностью 400 нс при напряжении 18 кВ.
Соотношение газов CO2-N2-H2 и конденсаторы для формирования импульсов в TEA-лазерах
Инженерный ответ
Сначала настройте газовую смесь, затем определите размеры импульсной сети. При соотношении 1:1:0:8 (CO2:N2:H2:He) длительность импульса составляет 2500 нс с хвостом в 35 %; при соотношении 1:2:8:0 — 400 нс с хвостом менее 1 %. Как только содержание H2 превысит 4 %, ширина импульса будет соответствовать 1/(k_H2·[H2]). Поддерживайте эквивалентное последовательное сопротивление импульсного конденсатора ниже 20 мОм на частоте 1 МГц, чтобы 95 % накопленной энергии покидали блок в течение 200 нс.
- Перед проектированием импульсной сети необходимо отрегулировать состав смеси и давление.
- Измерьте импеданс разряда для каждой смеси, которую вы будете отправлять.
- Рассчитывайте размер накопителя памяти таким образом, чтобы он обеспечивал кратчайший импульс, генерируемый процессом смешивания.
- Для получения импульсов длительностью менее микросекунды необходимо поддерживать эквивалентное последовательное сопротивление конденсатора ниже 20 мОм на частоте 1 МГц.
- Зарегистрируйте ширину импульса, долю хвоста и напряжение заряда для каждой смеси.
Резюме
Увеличение N2 с 1:1 до 1:2 сокращает фронт нарастания на 5–10%. Увеличение H2 с 0% до 8% уменьшает ширину импульса с 3000 нс до 500 нс и устраняет хвост. В этой статье рассматриваются кинетические аспекты этих значений, ограничения ESR и емкости, которые узкий импульс накладывает на запоминающее устройство, а также алгоритм проектирования, связывающий микс с сетью.
1. Введение
На испытательном стенде CO2-лазера TEA изменение газовой смеси влияет на выходной импульс. Изменение соотношения CO2:N2:He с 1:1:8 на 1:2:6 приводит к изменению энергии импульса на 30 %, ширине с 2 мкс до 1.2 мкс и появлению хвостового импульса после основного импульса. Настройки источника питания при этом не изменялись.
Первым делом обычно перенастраивают источник питания: повышают напряжение зарядки, заменяют индуктор формирования импульса, сдвигают время срабатывания переключателя. Однако у этой работы есть предел. При отсутствии H2 никакие настройки сети не устраняют хвостовой импульс, поскольку он возникает из-за медленной релаксации нижнего уровня CO2.
Эти три газа выполняют разные функции. CO2 поддерживает верхний уровень лазерного излучения и определяет энергию на единицу объема. N2 передает энергию на этот уровень посредством столкновений. H2 опустошает нижний уровень и завершает импульс. Он стабилизирует разряд. Их соотношение определяет время нарастания, ширину, время спада и хвостовую часть импульса.
В этой статье представлены кинетическая временная шкала для каждого газа, четыре типа отказов в полевых условиях, наблюдаемых при несовпадении параметров смеси и источника питания, алгоритм проектирования, начинающийся с выбора смеси, а также параметры конденсатора, определяющие, сможет ли импульс длительностью 400 нс передать свою энергию.
2. Основной механизм
2.1 Концентрация N2 и фронт нарастания
Атом азота (N2) передает энергию верхнему уровню молекулы CO2 посредством резонансного столкновения. Прирост энергии от этого столкновения невелик, около 18 см⁻¹, поэтому два уровня остаются близкими, и передача происходит быстро.
k_N2 = σ_N2 · v_rel · [N2]
где k_N2 — скорость переноса, σ_N2 — сечение столкновения при приблизительно 10⁻¹⁶ см², v_rel — средняя относительная скорость молекул, а [N2] — плотность числа N2.
Более высокая плотность N2 увеличивает скорость, поэтому верхний уровень заполняется быстрее, а фронт подъема становится круче. В диапазоне от 1:0.5 до 1:3 каждые 10 % добавленного N2 сокращают фронт подъема на 5 %–10 %. Прирост прекращается при соотношении N2:CO2 = 2:1.
Ограничение возникает из-за разбавления. Дополнительный азот занимает объем, который в противном случае занимал бы углекислый газ, поэтому энергия на единицу объема снижается. При превышении этого соотношения пиковая мощность не увеличивается.
2.2 Концентрация H2, край падения и хвост
Водород (H2) опустошает нижний уровень CO2 в результате столкновений. Этот этап определяет скорость коллапса инверсии после основного импульса и то, появится ли вообще хвост инверсии.
τ_pulse ≈ 1 / (k_H2 · [H2] + k_spont + k_diff)
где τ_pulse — ширина импульса, k_H2 — скорость столкновений H2 с CO2, [H2] — плотность числа атомов H2, k_spont — скорость спонтанного излучения, а k_diff — скорость диффузионных потерь.
Сечение H2 составляет примерно 3 × 10⁻¹⁶ см², что значительно выше значения для He или N2 на том же уровне. Как только член k_H2 · [H2] начинает доминировать, ширина определяется исключительно плотностью H2.
Измеренные данные при 1 атм соответствуют этому соотношению. Повышение концентрации H2 с 0 % до 8 % уменьшает ширину импульса примерно с 3000 нс до 500 нс, а хвостовой импульс исчезает. При отсутствии H2 в смеси инверсия сохраняется после разряда и высвобождает от 20 % до 40 % энергии импульса в виде маломощного хвостового свечения.
2.3 Концентрация CO2 и энергия на единицу объема
CO2 является переносчиком перехода, поэтому его плотность определяет энергию, доступную в объеме усиления.
E_stored = N_CO2 · hν · Δn / V
где E_stored — запасенная энергия на единицу объема, N_CO2 — плотность числа молекул CO2, hν — энергия фотона с энергией около 0.117 эВ в диапазоне 10.6 мкм, Δn — плотность инверсии, а V — объем усиления.
Низкая доля CO2 ограничивает амплитуду импульса. Высокая доля повышает импеданс разряда, поскольку CO2 связывает электроны, и в этом случае разряд протекает в виде нитей, а не равномерного свечения.
2.4 Согласование импеданса разряда и напряжения питания
Состав смеси также определяет импеданс разрядного канала, и этот импеданс должен соответствовать импульсной сети.
Z_discharge ≈ V_sustain / (n_e · e · μ_e · A / d)
где Z_discharge — импеданс разряда, V_sustain — напряжение поддержания, n_e — плотность электронов, e — заряд электрона, μ_e — подвижность электронов, A — поперечное сечение разряда, и d — зазор между электродами.
Водород (H2) обладает более высокой подвижностью электронов, чем углекислый газ (CO2), поэтому большее количество H2 снижает импеданс, и источник питания должен подавать больший ток при меньшем напряжении. Схема, построенная для одной смеси, затем работает с несовместимой смесью на другой, и верхняя граница импульса начинает звенеть.
2.5 Кинетические временные шкалы, соответствующие техническим условиям поставки.
| газовый параметр | Импульсная функция | Шкала времени | Показатель предложения |
|---|---|---|---|
| концентрация N2 | Подъемный край | от 100 до 500 нс | Индуктор PFN di/dt |
| концентрация H2 | Край падения и хвост | от 200 нс до 2 мкс | Скорость отключения банковского списания |
| концентрация СО2 | Амплитуда и энергия | диапазон мкс | Номинальные значения емкости и напряжения |
| Он концентрация | Однородность и импеданс | Непрерывный | Диапазон выходного импеданса |
| Общее давление | Напряжение пробоя | Непрерывный | Диапазон зарядного напряжения |
Рис. 1 — Повышение H2 с 0 % до 8 % сжимает импульс с 2500 нс до 400 нс и обрезает хвост с 35 % до менее 1 %.
3. Проблемы проектирования
Проблема 1: Настройка, осуществляемая только поставщиками, застревает на локальном оптимуме.
Многие команды оптимизируют форму сигнала, исходя только из параметров источника питания: значение индуктора, значение конденсатора, напряжение зарядки, время переключения. Когда само микширование плохое, этот диапазон узок. При нулевом значении H2 отсутствие индуктора и конденсатора устраняет хвостовой импульс, поскольку источник хвоста находится в газовой кинетике.
Проблема 2: Несоответствие импедансов после смены микшера.
Переход от соотношения 1:1:8 к 1:2:5 сдвигает импеданс разряда на 20–30%. В этом случае сеть, рассчитанная на номинальное сопротивление, выходит за пределы допустимого диапазона или издает резонансные колебания на пике импульса, и накопитель не может высвободить весь свой заряд за кратчайшее время.
Оператор наблюдает усиление пульсации после смены газа и сообщает о снижении подаваемой энергии. Измеренная энергия подтверждает это, что указывает на неисправность в одном из узлов машины.
Проблемный момент 3: ЭПР конденсатора растягивает импульс длительностью менее микросекунды.
При содержании H2 выше 5 % ширина импульса падает ниже 1 мкс, и у батареи есть несколько сотен наносекунд для разряда. При эквивалентном последовательном сопротивлении (ESR) 500 мОм относительно петли 5 Ом большая часть заряда остается в батарее в конце импульса. В результате передаваемая энергия оказывается ниже расчетного значения, в то время как запасенная энергия соответствует норме.
Проблемный момент 4: энергия хвостовой части преобразуется в тепло в рабочей зоне.
В смесях с низким содержанием H2 или без него, хвостовая часть импульса несет от 20% до 40% энергии импульса при низкой мощности. Для точных работ, таких как микрорезка и сварка тонких пластин, этот световой поток не приносит никакой пользы. Энергия передается в виде тепла, кромка среза желтеет, а зона термического воздействия расширяется.
4. Этапы проектирования
Стратегия 1: Рассматривать состав смеси и давление как параметры проектирования.
Перед составлением схемы сети зафиксируйте целевую смесь и рабочее давление. Все последующие значения определяются импедансом этой смеси.
| Этап проектирования | вход | Результат |
|---|---|---|
| 1. Импеданс разряда | Смесь, давление, зазор между электродами | Номинальное сопротивление Z0 |
| 2. Сопоставление сетей | Z0 и целевая ширина | Импеданс PFN вблизи Z0 |
| 3. Емкость хранилища | Z0, ширина, напряжение зарядки | C_stored |
| 4. Импульсная индуктивность | Z0 и целевая ширина | L_PFN |
Поддерживайте диапазон корректировки в сети ±20 %, чтобы последующие изменения в миксе оставались в пределах допустимого диапазона.
Стратегия 2: Распределение размера блока хранения данных на основе длительности импульса.
Для определения характеристик батареи и индуктора используются два параметра, оба — импеданс разряда и ширина целевого элемента.
C_stored = τ_pulse / Z0
где C_stored — емкость накопителя, τ_pulse — ширина целевого импульса, а Z0 — импеданс разряда.
L_PFN = τ_pulse · Z0
где L_PFN — индуктивность формирования импульса, τ_pulse — целевая ширина импульса, а Z0 — импеданс разряда. Для импульса длительностью 400 нс в канале с сопротивлением 35 Ом требуется около 11 нФ и 14 мкГн.
Стратегия 3: Выберите конденсатор с низкими потерями для узкого импульса.
В окне длительностью 400 нс потери в банке определяют энергию, которая фактически покидает его. Сравнивайте кандидатов на частоте переключения, а не на частоте 1 кГц.
| Параметр | Класс II X7R | Пленочный конденсатор | Класс I N4700 |
|---|---|---|---|
| ЭПР на частоте 1 МГц | от 100 до 500 мОм | от 20 до 50 мОм | от 5 до 20 мОм |
| Саморезонансная частота | 1 чтобы 5 МГц | 0.5 чтобы 2 МГц | 5 чтобы 50 МГц |
| Плотность импульсного тока | Средний | Высокий | Очень высоко |
| Температурный коэффициент | от -15 % до +15 % | ± 2% | ±30 частей на миллион/°C |
Деталь с эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR) 10 мОм и частотой резонансного поля (SRF) выше 20 МГц отдаёт более 95 % своего заряда в течение 200 нс. N4700 Дисковая часть соответствует обоим показателям при напряжении 15 кВ и емкости 4700 пФ.
Стратегия 4: Создать таблицу соответствия "микс-импульс-подача" для подачи сигнала.
Измерьте импульс под каждой смесью, которую вы собираетесь использовать, и запишите соответствующие настройки питания. Таблица преобразует новую смесь в известную отправную точку.
| Смесь CO2:N2:H2:He | полное сопротивление | Зарядное напряжение | Ширина | Хвостовая доля | C_stored |
|---|---|---|---|---|---|
| 1: 1: 0: 8 | 50 Ω | 25 кВ | 2500 ns | 35% | 50 нФ |
| 1: 1: 2: 6 | 45 Ω | 23 кВ | 1200 ns | 15% | 27 нФ |
| 1: 1: 4: 4 | 42 Ω | 22 кВ | 800 ns | 5% | 19 нФ |
| 1: 2: 4: 3 | 38 Ω | 20 кВ | 600 ns | 3% | 16 нФ |
| 1: 2: 8: 0 | 35 Ω | 18 кВ | 400 ns | менее 1 % | 11 нФ |
Стратегия 5: Добавить импульсную обратную связь для компенсации старения газа.
Состав газа изменяется по мере движения герметичной трубки, поэтому форма сигнала также изменяется. Быстродействующий фотодетектор считывает импульс, цифровой сигнальный процессор сравнивает ширину и хвостовую часть импульса с целевыми значениями, а контроллер корректирует напряжение зарядки и параметры сети. Когда отклонение выходит за пределы корректируемого диапазона, устройство запрашивает замену газа.
Для подавления паразитных колебаний, возникающих после каждого переключения сети, используйте... HVR-BSP толстопленочный резистор Размер импульса определяется его энергией. Плоская вершина импульса без перерегулирования повышает энергию, достигающую газа.
Стратегия 6: Координация выпрямителя и цепи импульсов.
Путь зарядки и путь импульса используют один и тот же источник энергии. А быстровосстанавливающийся диод Благодаря времени восстановления менее 100 нс зарядное устройство не извлекает заряд из батареи во время формирования импульса.
| 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. Импульсные конденсаторы HVC для лазерных смесей TEA.
Для узкого импульса необходима импульсная батарея с низкими потерями и высокой точкой саморезонанса, а также эти два свойства при рабочем напряжении. Компания HVC производит компоненты класса I для импульсных батарей на собственном заводе площадью 6,000 м² в Дунгуане, работающем в диапазоне напряжений от 1 кВ до 150 кВ.
Шесть параметров, которые здесь имеют значение.
- ЭПР ниже 20 мОм на частоте 1 МГц. Более 95 % накопленного заряда покидает устройство в течение 200 нс, поэтому импульс длительностью 400 нс достигает расчетной энергии.
- Резонансная частота выше 20 МГц. Компонент сохраняет емкостные характеристики во всем спектре импульсов, поэтому во время разряда батарея не звенит о собственные выводы.
- Изменение емкости при постоянном смещении менее 1 %. Необходимая сети емкость 11 нФ при напряжении 18 кВ соответствует емкости аккумуляторной батареи, поэтому ширина емкости сохраняется во всем диапазоне зарядки.
- Температурный коэффициент ±30 ppm/°C. Повышение температуры на 35 °C при частоте 500 Гц изменяет значение менее чем на 0.12 %, поэтому ширина полосы одинакова как в холодном, так и в горячем состоянии.
- Частичный разряд ниже 5 пКл при напряжении, в 1.5 раза превышающем номинальное. Повторное импульсное воздействие не приводит к увеличению внутренних пустот, которые могли бы изменить потери и ширину в течение срока службы.
- Координированные компоненты. HVCT8G Винтовые клеммы передают импульсный ток. резистор выборки HVRGXP считывает импульсный ток, и пленочный конденсатор охватывает низковольтное соединение постоянного тока со стороны зарядного устройства.
Доставка и поддержка
Стандартные компоненты отгружаются в течение 4–8 недель, а подобранные импульсные блоки — в течение 6–10 недель. К каждому заказу прилагаются данные об эквивалентном последовательном сопротивлении (ESR) на рабочей частоте и отчет о частичном разряде при 5 пКл.
Передайте целевое соотношение компонентов, ширину импульса, частоту повторения и напряжение зарядки. HVC вернет схему банка с номерами компонентов. Перекрестная ссылка для испытаний на сверхвысоком вакууме (UHV) с использованием компонентов Murata DHS и TDK, а также двух тестовых образцов для импульсных испытаний.
6. Часто задаваемые вопросы
В1: Почему хвостовой импульс сохраняется после настройки источника питания?
Потому что его источник находится в газе, а не в сети. При отсутствии H2 в смеси нижний уровень CO2 релаксирует медленно, поэтому инверсия сохраняется после разряда и излучает свет в течение нескольких микросекунд после основного импульса. Добавление 4–8% H2 устраняет её, сокращая время жизни нижнего уровня.
Вопрос 2: Какое количество H2 должно содержаться в смеси?
Достаточно, чтобы член k_H2 · [H2] доминировал в релаксации. На практике от 4% до 8% от общего давления увеличивает ширину пика с 2500 нс до 400 нс и обрезает хвост с 35% до менее 1%. Выше этого значения импеданс падает, и напряжение заряда должно падать вместе с ним.
В3: Как определить необходимый размер хранилища данных?
Исходя из ширины и импеданса, получаем C_stored = τ_pulse / Z0 и L_PFN = τ_pulse · Z0, а импульс длительностью 400 нс на нагрузке 35 Ом дает 11 нФ и 14 мкГн. Затем проверяем эквивалентное последовательное сопротивление (ESR), поскольку потеря заряда определяет, какая часть заряда попадет в газ.
Вопрос 4: Какое значение ЭПР достаточно низкое для импульса длительностью 400 нс?
Сопротивление менее 20 мОм при 1 МГц для элемента емкостью 10 нФ. При таком значении батарея отдает более 95 % своего заряда в течение 200 нс. Элемент класса II с эквивалентным последовательным сопротивлением 300 мОм оставляет большую часть заряда, и энергия импульса оказывается меньше накопленной энергии.
В5: Может ли одна сеть обслуживать несколько газовых смесей?
В пределах полосы ±20 % от номинального импеданса — да. Используйте переключаемые конденсаторные батареи для ширины полосы и индукторы с отводами для согласования, а также ведите таблицу соответствия смеси, ширины полосы и напряжения зарядки. За пределами этой полосы возникают колебания на вершине импульса, и для схемы требуется вторая конфигурация сети.
В6: Как старение газа изменяет форму волны с течением времени?
В герметичной трубке CO2 диссоциирует на CO и O, а H2 расходуется. Ширина кривой увеличивается, а хвост возвращается по мере уменьшения доли H2. Фотодетектор и контур DSP регулируют напряжение зарядки и сеть, а устройство регистрирует изменение газа, когда отклонение выходит за пределы корректируемого диапазона.
7. Рекомендации
- МЭК 60825-1:2014, Безопасность лазерной продукции — Часть 1: Классификация оборудования и требованияЖенева: МЭК, 2014.
- МЭК 61000-6-2:2016, Электромагнитная совместимость (ЭМС) — Часть 6-2: Общие стандарты — Стандарт помехоустойчивости для промышленных условийЖенева: МЭК, 2016.
- МЭК 60384-8:2015, Неподвижные конденсаторы для использования в электронном оборудовании — Часть 8: Неподвижные конденсаторы с керамическим диэлектриком, класс 1Женева: МЭК, 2015.
- МЭК 60270:2015, Методы высоковольтных испытаний — Измерения частичных разрядовЖенева: МЭК, 2015.
- Эриксон Р.В. и Максимович Д., Основы силовой электроники, 3-е изд. Чам: Спрингер, 2020.
- Мохан, Н., Унделанд, Т.М., и Роббинс, В.П. Силовая электроника: преобразователи, применение и дизайн, 3-е изд. Хобокен, Нью-Джерси: Wiley, 2003.
- К. Ориа, А. Ортис, Д. Ферреньо, И. Карраскаль и И. Фернандес, Современный обзор характеристик целлюлозных диэлектрических материалов в силовых трансформаторах: механический отклик и старение.IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, vol. 26, no. 3, pp. 939-954, 2019. https://doi.org/10.1109/tdei.2019.007896
- Как определить напряжение пробоя конденсатора?Форум All About Circuits, https://forum.allaboutcircuits.com/threads/how-do-i-determine-breakdown-voltage-of-a-capacitor.25915/ .
- ГБ/Т 17702-2021, 电力电子电容器 (Конденсаторы для силовой электроники). Пекин: 国家市场监督管理总局, 2021 г.
- МЭК 61071:2017, Конденсаторы для силовой электроники, Изд. 2.0. Женева: Международная электротехническая комиссия, 2017.
- Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com
Пришлите напряжение, емкость, частоту, монтажный чертеж и количество. Компания HVC в течение 48 часов порекомендует компонент класса N4700 с данными проверки на частичные дыры и отчетами о сроке службы до 1000 часов.
Отправить спецификацию материалов / Запросить техническое предложение →Сопутствующие товары HVC
ВЧ-преионизация для многолучевых волноводных CO2-лазеров.
Следующая →Герметичная конструкция с CO2-лазером, обеспечивающая длительный срок службы газа и пульсации в источнике питания.