Моделируемые ультразвуковые преобразователи: конденсаторы управления класса I.

Моделируемые ультразвуковые преобразователи: конденсаторы управления класса I.

Резюме

Пьезоэлектрический преобразователь вблизи резонанса представляет собой зажатую емкость, соединенную параллельно с подвижной ветвью, и модель привода должна воспроизводить оба параметра. Когда модель использует емкость, указанную в техническом описании, значение настроечного индуктора оказывается неверным на 5–10%, а передаваемое эхо падает на 2–4 дБ. В этой статье приводятся уравнения Баттерворта–Ван Дайка, соотношения настройки и полосы пропускания, пять типов несоответствий и этапы измерения, позволяющие добиться соответствия модели аппаратному обеспечению с точностью до 1 дБ.

1. Введение

Ультразвуковой преобразователь выглядит как конденсатор с механическим резонансом. В электрическом плане он представляет собой емкость, ограниченную несколькими сотнями пикофарад или несколькими нанофарадами.

Вблизи точки механического резонанса параллельно с этой ёмкостью появляется подвижная ветвь. Эта ветвь переносит энергию, которая преобразуется в звук, и снова исчезает на расстоянии 10% от точки резонанса.

Таким образом, генератор импульсов и настроечная цепь подключаются к нагрузке, характеристики которой меняются в зависимости от частоты. Модель, построенная на неправильной частоте, предсказывает неверную амплитуду, неверное затухание колебаний и неверную мертвую зону.

В этой статье представлена ​​эквивалентная схема, уравнения настройки и полосы пропускания, пять типов несоответствий, наблюдаемых в производстве, а также этапы тестирования, позволяющие удерживать модель в пределах 1 дБ от аппаратного обеспечения.

2. Основной механизм

2.1 Эквивалентная схема Баттерворта–Ван Дайка

Стандартная модель вблизи резонанса — это сеть Баттерворта-Ван Дайка. Зажатая емкость C0 подключена параллельно с подвижной ветвью R1, L1 и C1.

Z(f) = (1 / (j · ω · C0)) ∥ (R1 + j · ω · L1 + 1 / (j · ω · C1))

где Z(f) — импеданс преобразователя в Ом, ω — угловая частота в рад/с, C0 — емкость в нФ, R1 — сопротивление колебаний в Ом, L1 — индуктивность колебаний в мкГн, и C1 — емкость колебаний в пФ.

При последовательном резонансе подвижная ветвь схлопывается до R1, и преобразователь становится низкоомной нагрузкой.

f_s = 1 / (2 · π · √(L1 · C1))

где f_s — последовательный резонанс в МГц, L1 — индуктивность колебаний в мкГн, а C1 — емкость колебаний в пФ. Ниже и выше f_s преобладает емкость, зафиксированная в цепи, и преобразователь ведет себя как чистый конденсатор, поэтому все расчеты возбуждения должны выполняться на интересующей частоте.

2.2 Электрическая настройка с помощью согласующего индуктора

Шунтирующий или последовательный индуктор вызывает резонанс ограниченного объема емкости на рабочей частоте.

L_tune = 1 / (ω0² · C0)

где L_tune — индуктивность настройки в нГн, ω0 — рабочая угловая частота в рад/с, а C0 — емкость в нФ. Для преобразователя емкостью 1.5 нФ на частоте 5 МГц используется индуктор с индуктивностью 675 нГн.

При наличии этого индуктора управляющая цепь создает высокое сопротивление для генератора импульсов на частоте 5 МГц, поэтому напряжение возбуждения появляется на подвижной ветви. Ошибка в 10% в C0 сдвигает настройку на 5% от f0 и снижает КПД управления на 2–3 дБ.

2.3 Передача энергии привода и её передача

Напряжение, поступающее на преобразователь, возникает в результате деления импеданса источника на импеданс преобразователя.

V_t = V_pulse · Z_t / (Z_s + Z_t)

где V_t — напряжение преобразователя в В, V_pulse — выходное напряжение импульсного генератора в В, Z_t — импеданс преобразователя в Ом, а Z_s — импеданс источника импульсного генератора в Ом. Запасаемая энергия, содержащаяся в этом напряжении, составляет:

E = ½ · C_s · V²

где E — запасённая энергия в мкДж, C_s — ёмкость накопителя в нФ, а V — напряжение заряда в В. Конденсатор ёмкостью 1 нФ при напряжении 300 В удерживает 45 мкДж. Если только 60% возбуждения достигает ветви движения, передаваемая энергия падает до 16 мкДж, что составляет потерю 4.5 дБ, которую не компенсирует усиление приёмника.

2.4 Пропускная способность сети и форма импульса

Нагруженный коэффициент качества настроенной сети определяет как полосу пропускания, так и затухание сигнала.

Q = ω0 · L_t / R_total

где Q — коэффициент качества сети, ω0 — рабочая угловая частота в рад/с, L_t — индуктивность настройки в нГн, а R_total — общее последовательное сопротивление в Ом. Индуктор с индуктивностью 675 нГн и последовательным сопротивлением 2 Ом на частоте 5 МГц обеспечивает Q = 10.6 и полосу пропускания 470 кГц.

Сеть с высоким значением добротности (Q) генерирует длинный узкополосный импульс, а сеть с низким значением добротности (Q) — более короткий широкополосный импульс с меньшим затуханием колебаний. Целевое значение Q находится в диапазоне от Q = 3 до Q = 8, что позволяет сохранить от 70% до 85% амплитуды эхо-сигнала и удержать затухание колебаний в пределах приповерхностного окна.

Рис. 1 — Для согласования с лабораторным стендом модели необходимы измеренная емкость C0 1.5 нФ, настроечный индуктор 675 нГн и емкость кабеля от 100 до 200 пФ.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Соответствующий параметр C0 из технической документации, который изменяет настройку.

В технических характеристиках преобразователей указывается значение C0 в пределах ±10–20%, при этом реальное значение также изменяется в зависимости от кабеля, разъема и температуры. Схема, настроенная по значению из технической документации, может отклоняться от истинного резонанса на 5–10%, что приводит к снижению мощности на 2–4 дБ и появлению видимых резонансных колебаний.

Проблемный момент 2: Емкость кабеля, соединяющего C0.

Коаксиальный кабель длиной 2 м добавляет шунтирующую емкость в 100–200 пФ, что составляет от 10% до 20% от типичной емкости C0. Если исключить кабель из модели, то настроечный индуктор будет работать неправильно, резонансная частота будет смещаться, а форма импульса будет меняться при каждом изменении длины кабеля.

Проблемный момент 3: Задержка сигнала, вызванная немоделируемой сетью Q.

Сопротивление подвижности R1 и последовательное сопротивление индуктора вместе образуют Q. Модель, игнорирующая эквивалентное последовательное сопротивление конденсатора, предсказывает затухание колебаний в 2-3 раза короче, чем это происходит на практике, поэтому реальная мертвая зона распространяется в область, прилегающую к поверхности, для проведения осмотра.

Болевой пункт 4: Емкость, изменяющаяся в зависимости от смещения и температуры.

Развязывающий конденсатор класса II может терять от 20% до 30% своей емкости при напряжении питания и дополнительно изменяться с повышением температуры. В результате точка настройки смещается во время цикла прогрева, поэтому цепь, настроенная на стенде, будет расстроена в приборе.

Проблема № 5: Потери в настроечном индукторе, поглощающие энергию импульса.

Недорогой индуктор с добротностью от 30 до 50 преобразует от 3% до 8% передаваемой энергии в тепло обмоток. Потери остаются незаметными, пока индуктор моделируется как идеальный, и приводят к увеличению амплитуды эхо-сигнала в собранном устройстве.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Измерить параметры эквивалентной схемы на стенде.

Измерьте значения C0, R1, L1 и C1 с помощью анализатора импеданса в рабочем диапазоне и внесите измеренные значения в модель. Повторите измерение после любой замены щупа, кабеля или разъема. резистор выборки HVRGHP В цепи обратного импульса формируется форма тока, подтверждающая данные импеданса.

Стратегия 2: Настройка с помощью индукторов с низкими потерями и конденсаторов класса I.

Используйте индукторы с добротностью Q ≥ 100 и настроечный конденсатор с эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR) менее 10 мОм. Диэлектрик класса I N4700 Обеспечивает линейность ±30 ppm/°C и 99% C(V), поэтому точка настройки не смещается в зависимости от смещения или температуры. Рассчитайте L_tune на основе измеренного C0 и задокументируйте значение в файле проекта.

Стратегия 3: Внесите кабель и схему расположения в модель.

Добавьте емкость шунта кабеля и индуктивность петли в качестве явных элементов в эквивалентную схему. Компенсируйте емкость кабеля в 100–200 пФ при расчете настройки или используйте кабель максимально короткой длины, насколько позволяет сканер. Модель, отслеживающая оборудование на стенде, также отслеживает его после замены кабеля.

Стратегия 4: Проектирование с учетом допустимого диапазона отклонений, а не номинального значения.

Проведите сканирование C0 в пределах полосы ±15% в модели и убедитесь, что затухание колебаний и ширина полосы пропускания остаются в пределах допустимых значений на обоих концах. Выберите настроечные конденсаторы с допуском ±2%, по запросу – с допуском ±1%, и добавьте подстроечный конденсатор, чтобы каждый блок достиг измеренного значения C0 при окончательном тестировании. Запишите значение подстроечного конденсатора для каждого блока.

Стратегия 5: Проверить прогнозы на прототипе

Перед началом сборки спрогнозируйте амплитуду импульса, затухание колебаний и мертвую зону, а затем подтвердите каждый показатель на прототипе. HVR-BSP толстопленочный резистор В делителе напряжения управления регистрируется амплитуда возбуждения без добавления индуктивности контура. Любое расхождение свыше 1 дБ или 20 нс следует рассматривать как ошибку модели и исправить модель перед выпуском.

Стратегия 6: Смоделировать как зарядное устройство, так и сеть привода.

Выпрямитель заряда несет восстановительный заряд, который проявляется в виде тока после фронта в контуре, поэтому его емкость перехода должна быть включена в модель. Подберите быстровосстанавливающийся диод с временем восстановления менее 100 нс и измерением остаточного тока на стенде. Измерение занимает десять минут и исключает одну неизвестную величину из следующего цикла проектирования.

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 настроенных приводных цепей

Модель привода прогнозирует работу оборудования только тогда, когда значения конденсаторов в ней соответствуют действительности. Компания HVC производит керамические конденсаторы класса I N4700 от 1 кВ до 150 кВ на заводе площадью 6,000 м² в Дунгуане. Перекрестная ссылка по отношению к номерам деталей Vishay, Murata и TDK.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• ESR менее 10 мОм на частоте 100 кГц с tanδ ≤ 0.1%, поэтому потери на конденсаторе не влияют на добротность цепи, а смоделированное затухание соответствует результатам лабораторных испытаний.
• Показатель TCC составляет ±30 ppm/°C, а линейность C(V) — более 99%, поэтому точка настройки сохраняется как при холодном запуске, так и при нагреве прибора.
• Допуск по емкости составляет ±2%, по запросу — ±1%, что позволяет удерживать диапазон производственных параметров сети в пределах проектного окна.
• ESL ниже 20 нГн при собственном резонансе выше 100 МГц, поэтому настроечный конденсатор остается емкостным на рабочей частоте.
• Плотность энергии составляет 0.45 Дж/см³, а длительность импульса превышает 10⁶ импульсов при частичном разряде ≤ 5 пКл, поэтому сеть находится внутри корпуса зонда на протяжении всего срока службы прибора.
• Диапазон напряжений от 1 кВ до 150 кВ в радиально-проводящих, дисковых и Дверная ручка HVCT8G корпуса с эпоксидной инкапсуляцией, выдерживающей 96-часовое воздействие солевого тумана.

Доставка и поддержка

Стандартные детали отгружаются в течение 4–8 недель, а комплекты с парными допусками — в течение 6–10 недель. Каждая партия сопровождается данными о емкости и потерях на рабочей частоте, а также отчетом о частичном разряде при напряжении, в 1.5 раза превышающем номинальное.

Отправьте измеренные значения C0, рабочую частоту, емкость кабеля, добротность цепи и монтажную схему. HVC вернет план настройки с параметрами L_tune, затухания колебаний и полосы пропускания. пленочный конденсатор сравнение при том же значении Q и комплект для оценки двух образцов в течение пяти рабочих дней.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Почему модель не соответствует форме сигнала на стенде?

Обычно это происходит потому, что модель содержит значение C0, указанное в технической документации, а не измеренное. Ошибка в ±20% в значении C0 сдвигает точку настройки на 5–10% от f0 и приводит к потере 2–4 дБ входного сигнала. Измерьте значения C0, R1, L1 и C1 по всему диапазону и перестройте модель на основе этих значений.

В2: Как рассчитать настроечный индуктор?

Используйте L_tune = 1 / (ω0² · C0) с измеренным значением C0. Для преобразователя 1.5 нФ на частоте 5 МГц требуется 675 нГн. Пересчитывайте значение при каждом изменении зонда, кабеля или разъема, поскольку каждое из них изменяет эффективное значение C0.

Q3: Какой сетевой параметр Q должен использовать привод для неразрушающего контроля?

Значение AQ от 3 до 8. Значение AQ 10.6 сохраняет от 70% до 85% амплитуды эхо-сигнала, но затухает достаточно долго, чтобы замаскировать дефекты вблизи поверхности. Значение AQ 2 расширяет полосу пропускания и уменьшает амплитуду. Перед тем как корректировать значение, проверьте затухание сигнала на отправляемом вами зонде.

Вопрос 4: Можно ли использовать конденсатор класса II для настройки?

Нет. Компонент класса II может терять от 20% до 30% своей емкости при напряжении питания и дополнительно изменяться с повышением температуры, что смещает точку настройки во время прогрева. Используйте компонент класса I с допуском ±2% и линейной характеристикой C(V).

В5: Насколько сильно моя модель теряет часть своего сигнала при затухании колебаний?

Игнорирование эквивалентного последовательного сопротивления конденсатора и последовательного сопротивления индуктора приводит к тому, что предсказанное значение в 2-3 раза короче, чем полученное с помощью аппаратного обеспечения. Добавьте эквивалентное последовательное сопротивление и сопротивление обмотки к R_total, затем сравните смоделированный результат с измеренным результатом на эталонном блоке.

В6: Какой допуск необходим для настройки сети в производственной среде?

±2% для конденсатора и ±1% для парного комплекта. Проведите измерение C0 в пределах его ±15% диапазона в модели и убедитесь, что затухание колебаний и ширина полосы пропускания остаются в пределах допустимых значений на обоих концах. Добавьте подстроечный конденсатор и запишите его значение, чтобы следующая партия унаследовала измеренный разброс.

7. Рекомендации

1. IEC 61010-1:2010+AMD1:2016, Требования безопасности к электрооборудованию для измерений, управления и лабораторных работ — Часть 1: Общие требованияЖенева: МЭК, 2016.
2. МЭК 61071:2017, Конденсаторы для силовой электроникиЖенева: МЭК, 2017.
3. МЭК 60384-8:2015, Неподвижные конденсаторы для использования в электронном оборудовании — Часть 8: Неподвижные конденсаторы с керамическим диэлектриком, класс 1Женева: МЭК, 2015.
4. МЭК 60270:2015, 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. Цян-Тао Лай, Цзюнь-Фа Мао и Му-Шуй Чжан, Компенсационная схема многослойного керамического конденсатора с блокировкой постоянного тока для высокоскоростных приложений.IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology, vol. 1, no. 5, pp. 742-751, 2011. https://doi.org/10.1109/tcpmt.2011.2116016
8. Разработка высокоемкостных и высоковольтных многослойных керамических конденсаторов BME X7R.KEMET Electronics (Материалы конференции CARTS USA 2011), https://www.mouser.jp/pdfdocs/2011-03CARTS-DevelopmentofHighCapacitance-HighVoltageBMEX7RMLCCapacitors.pdf .
9. Технические заметки по проектированию и надежности конденсаторов (указатель, включая информацию о периоде возникновения дуги, коронном разряде и влиянии компоновки печатной платы на отказы при высоком напряжении), Johanson Dielectrics, Inc., https://www.johansondielectrics.com/tech-notes/capacitors-all/ .
10. ГБ/Т 6346.1-2024, 电子设备用固定电容器 第1部分:总规范 (Постоянные конденсаторы для использования в электронном оборудовании – Часть 1: Общая спецификация). Пекин: 国家市场监督管理总局, 2024 г.
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com