Filtrado EMI divisor HVR para muestreo de kV de ignición de plasma

Filtrado EMI divisor HVR para muestreo de kV de ignición de plasma

Compendio

Un divisor resistivo pierde su relación mucho antes de que se dañen sus resistencias. En una cadena de ignición de plasma de 20 kV, la capacitancia del cuerpo de veinte elementos HVR deriva el lado de alta frecuencia por encima de 100 kHz e incrementa la tensión de derivación en dos órdenes de magnitud. Este artículo deduce el error de relación, la condición de adaptación y el término de desplazamiento de tierra, y luego expone cuatro puntos críticos, seis pasos de diseño y los parámetros del condensador que mantienen un nodo de muestreo de kV dentro del 1 %.

1. Introducción

Un cortador de plasma genera su arco mediante un encendedor que produce de 15 a 25 kV a una frecuencia de 20 a 200 kHz. El arco de corte conmuta entonces cientos de amperios con fluctuaciones de corriente superiores a 100 A/µs. Ambos eventos se producen a pocos centímetros del divisor que debe medir el estado de ignición.

El divisor le indica al controlador si se ha producido el arco, si la tensión ha disminuido y si debe reintentarlo. Cuando la interferencia altera esta lectura, el controlador interpreta un corte correcto como un fallo en el arco. Reintenta el proceso, desgasta la boquilla y también puede pasar por alto un circuito abierto real.

Tres mecanismos alteran la medición. La capacitancia del cuerpo y de la pista acoplan la corriente de desplazamiento directamente a la toma. El transformador de encendido y el cable de la linterna generan oscilaciones entre 1 y 5 MHz. Los retornos de tierra compartidos desplazan la referencia de la resistencia de lado bajo, lo que convierte una lectura diferencial en una de modo común.

Este artículo describe un circuito de 20 kV compuesto por 20 elementos HVR de 100 MΩ cada uno, una resistencia de lado bajo de 100 kΩ y un condensador de compensación de clase I de 1.0 nF. El objetivo es lograr un error de amplitud del 1 % y un rechazo de modo común de 60 dB a la frecuencia de ignición.

2. Mecanismo central

2.1 Relación de divisor y tensión de derivación

La división resistiva es la parte fácil. La relación se deduce únicamente de los valores de las dos resistencias.

k = R_LO / (N · R_HV + R_LO)

donde k = la relación de división, R_LO = la resistencia del lado bajo, R_HV = la resistencia de un elemento y N = el número de elementos en serie. Con N = 20 y R_HV = 100 MΩ, la cadena tiene una resistencia total de 2.0 GΩ. La relación es 5.0 × 10⁻⁵, por lo que una entrada de 20 kV proporciona 1.00 V en la toma. La cadena consume 10 µA y cada elemento disipa 10 mW.

2.2 La capacitancia parásita perjudica la relación por encima de 100 kHz.

Cada cuerpo HVR tiene una capacitancia en paralelo de aproximadamente 1 pF. Veinte de ellos en serie generan una capacitancia de tan solo 0.05 pF en toda la cadena. Este pequeño valor sigue siendo determinante a altas frecuencias debido a que la resistencia de la cadena es de 2.0 GΩ.

Z_HV(f) = R_HV,total / √(1 + (2πf · R_HV,total · C_p,total)²)

donde Z_HV = la impedancia del lado alto a la frecuencia f, R_HV,total = la resistencia total de la cadena y C_p,total = la capacitancia en serie de los cuerpos de los elementos. A 200 kHz, la impedancia de la cadena ha disminuido de 2.0 GΩ a 15.9 MΩ, mientras que el lado bajo todavía se lee cerca de 100 kΩ. La relación de división aumenta a 5.9 × 10⁻³ en lugar de 5.0 × 10⁻⁵, un error de 118 veces.

2.3 Igualación de las dos constantes de tiempo

El divisor se vuelve plano en frecuencia cuando los dos brazos comparten una constante de tiempo.

R_HV,total · C_p,total = R_LO · C_LO,total

donde R_LO = la resistencia del lado bajo y C_LO,total = la capacitancia total a través de ella. Ambos productos suman 100 µs. Con 100 kΩ en el lado bajo, la capacitancia de adaptación es de 1.0 nF. Un condensador de 22 pF deja una constante de tiempo de solo 2.2 µs y aún mantiene el error de relación en 42 veces, por lo que el valor de compensación debe calcularse, no estimarse. Una vez que los productos coinciden, la envolvente de 200 kHz pasa sin ninguna deriva de relación.

2.4 Esquinas del filtro y el término de desplazamiento del suelo

Dos etapas pasivas eliminan la banda de amortiguación sin alterar la envolvente de ignición.

f_c = 1 / (2π · R_f · C_f)

donde f_c = frecuencia de corte, R_f = resistencia en serie y C_f = capacitancia en paralelo. La primera etapa utiliza 106 Ω con 1.0 nF para una frecuencia de corte de 1.5 MHz, lo que supone una pérdida de amplitud del 0.22 % a 100 kHz. La segunda etapa utiliza 100 µH con 1.0 nF y una resistencia de amortiguación de 316 Ω para una frecuencia de corte de 503 kHz, lo que supone una pérdida adicional del 0.20 %. Las dos etapas proporcionan una atenuación de 50 dB a 5 MHz.

El desplazamiento de referencia es el segundo término de error, y proviene de la inductancia de retorno compartida.

V_shift = L_g · di/dt

donde V_shift = el desplazamiento de referencia en la toma, L_g = la inductancia compartida con el retorno del arco, y di/dt = la pendiente de la corriente del arco. A 100 A/µs a través de 60 nH, el desplazamiento alcanza los 6 V. El término de desequilibrio convierte entonces parte de este desplazamiento en una señal diferencial falsa.

V_err = V_cm · 2πf · ΔC · R_tap

donde V_err = la señal diferencial falsa, V_cm = la tensión de modo común en la toma, ΔC = la diferencia de capacitancia entre los dos cables de detección y R_tap = la impedancia de la fuente de la toma. Con un desequilibrio de 0.05 pF a través de 100 kΩ a 100 kHz, un desplazamiento de 6 V se convierte en 18.8 mV, o el 1.9 % de la señal de 1.00 V. Un retorno Kelvin dedicado reduce la inductancia compartida a 4 nH y el desplazamiento a 0.4 V, por lo que el mismo desequilibrio contribuye con 1.26 mV, o el 0.13 %.

Figura 1: Veinte elementos de 100 MΩ generan una corriente de 0.05 pF en toda la cadena; una adaptación de 1.0 nF nivela la relación y deja un error de muestreo total del 0.55 %.

3. Puntos débiles de la ingeniería

Problema 1: La proporción cambia con la frecuencia, no con el tiempo.

La capacitancia del cuerpo modifica la relación en más de dos órdenes de magnitud entre CC y 200 kHz. En consecuencia, el controlador no puede distinguir entre un circuito abierto real y una lectura errónea, y se inician las ráfagas de reintentos. Una comprobación de capacitancia en el banco de pruebas nunca revela este problema, ya que la falla depende de la frecuencia, no del valor de la capacitancia.

Problema 2: La ruta de retorno compartida establece el voltaje de modo común.

La corriente de ignición regresa a través del mismo cobre que la resistencia de muestreo de baja tensión. Un flanco de 100 A/µs a través de 60 nH de retorno compartido produce un desplazamiento de referencia de 6 V, que es 6 veces la señal de 1.00 V que el divisor intenta medir. Cualquier desequilibrio en el par de detección convierte una fracción de esos 6 V en una lectura errónea.

Problema 3: Un condensador de compensación de clase II se desajuste.

Un condensador X7R varía un 15 % con la temperatura y la polarización de CC. La coincidencia de la constante de tiempo se mantiene en el banco de pruebas, pero se rompe en cuestión de meses en un taller de mecanizado en caliente. El error de relación reaparece entonces sin que falle ningún componente, por lo que el equipo de mantenimiento no tiene que reemplazar nada.

Problema 4: Una descarga parcial del componente incorrecto reinyecta ruido.

Un condensador cuya descarga se produce por debajo de su tensión de funcionamiento emite ráfagas de carga en el nodo de medición. En un sistema frontal con una resolución de 5 pC, estas ráfagas se parecen exactamente a las señales de un arco eléctrico. El resultado son falsas alarmas y desconexiones innecesarias en una máquina que, en realidad, funciona correctamente.

4. Pasos del diseño

Estrategia 1: Compensar cada derivación con un condensador de clase I.

Haga coincidir la constante de tiempo de cada pulsación con una N4700 Condensador de clase I. Analice el divisor de frecuencias terminado desde 10 kHz hasta 10 MHz con un analizador de redes y mantenga la desviación de la relación por debajo del 1 % en toda la banda.

Estrategia 2: Utilizar un retorno Kelvin para el par de sentidos.

Dirija el cable de detección de baja tensión de vuelta a la referencia del convertidor como una pista independiente, separada del retorno de alimentación, y una ambas en un punto de conexión en estrella. Esto convierte un escalón de modo común de 6 V en uno de 0.4 V y transforma la amenaza restante en un pequeño error diferencial.

Estrategia 3: Realizar el filtrado en dos etapas

Coloque la etapa RC de primer orden en la toma con un condensador cerámico de kV, y luego una etapa de bobina diferencial y condensador en el búfer. Una sola etapa no puede transmitir 100 kHz y rechazar 5 MHz al mismo tiempo, por lo que dividir la tarea es la única forma de lograr ambos objetivos.

Estrategia 4: Espacio de amortiguación a menos de 10 mm del grifo.

Coloque el búfer del amplificador cerca del nodo de baja impedancia, rodee la pista de alta impedancia con una protección controlada y especifique un búfer diferencial con una relación de rechazo en modo común (CMRR) superior a 80 dB a 100 kHz. La protección devuelve la corriente de desplazamiento a su controlador en lugar de permitir que entre en la medición.

Estrategia 5: Caracterizar la red parasitaria una vez por diseño.

Mida la capacitancia del cuerpo y la inductancia de los cables del paquete HVR utilizado, registre ambos valores en la lista de materiales y derive los valores de compensación a partir de ellos. Mediante ensayo y error en el banco de pruebas, se obtiene un divisor que solo funciona en ese banco.

Estrategia 6: Verificar la integridad de la descarga a nivel de módulo.

Realice una prueba de descarga parcial a 1.2 veces la tensión nominal en el módulo de muestreo completo y exija que sea inferior a 5 pC. Repita el procedimiento después del ciclo térmico para detectar microvacíos introducidos durante el ensamblaje.

Parámetro del componente	Valor típico	Condición de prueba
Resistencia por elemento (serie HVR)	100 MΩ ±1%	Referencia de 25 °C
Potencia nominal (serie HVR)	50 W a 70 °C	Carcasa de aluminio, aire libre
Resistencia de la cadena	2.0 GΩ, 20 elementos	20 kV a través de la cadena
disipación de elementos	10 mW	20 kV continuo
Condensador de compensación	1.0 nF N4700 Clase I	a través del lado bajo de 100 kΩ
Relación divisoria	5.0 × 10⁻⁵	20 kV de entrada, 1.00 V de salida
Coeficiente de temperatura	±30 ppm/°C	−40 °C a +85 °C
Factor de disipación	debajo del 0.1%	1 MHz, 1 V rms
Descargo parcial	por debajo de 5 pC	a 1.2 × tensión nominal
resistencia de aislamiento	superior a 1 GΩ a 1000 V CC	Distancia de fuga mínima de 25 mm

5. Condensadores HVC para el nodo de muestreo

El condensador de compensación determina la precisión de toda la cadena, por lo que su valor debe permanecer constante. HVC fabrica condensadores cerámicos de Clase I para esta aplicación, con voltajes de 1 kV a 100 kV, en una fábrica propia en Dongguan.

Seis parámetros que importan aquí

• Valor de compensación estable. El dieléctrico N4700 mantiene un coeficiente de temperatura de ±30 ppm/°C, por lo que la adaptación de 1.0 nF no varía entre un arranque en frío y un módulo caliente.
• Bajas pérdidas a la frecuencia de muestreo. Un factor de disipación inferior al 0.1 % evita que la rama de compensación añada su propio desfase a la envolvente de ignición.
• Cobertura de voltaje para ambos extremos de la cadena. Las clasificaciones de 1 kV a 100 kV cubren los discos de compensación del lado de baja tensión y los nodos del lado de alta tensión de un encendedor de 25 kV de una lista calificada.
• Descarga parcial por debajo de 5 pC. Cada componente está protegido, por lo que la etapa frontal no inyecta ráfagas de carga que imiten fallas de arco.
• Datos de impedancia conocidos. HVC publica curvas de tolerancia de capacitancia e impedancia, lo que hace que la coincidencia de la constante de tiempo en el §2.3 sea un número calculado en lugar de un experimento de laboratorio.
• Historial de reemplazo comprobado. El 40 kV / 441 pF condensadores pomo de la puerta han sustituido piezas importadas de primera categoría en programas de servicio de campo donde la descarga inferior a 5 pC está estipulada en la especificación. Una publicación referencia cruzada La tabla relaciona los números de pieza comunes importados de tipo tornillo con sus equivalentes HVC.

Entrega y soporte

Las piezas estándar se envían en un plazo de 4 a 8 semanas, y los conjuntos de compensación emparejados en un plazo de 6 a 10 semanas. El departamento de ingeniería de aplicaciones ofrece asistencia para la igualación de la constante de tiempo, el dimensionamiento del filtro y la verificación de la descarga. Envíe la relación del divisor, el ancho de banda y el rango de temperatura ambiente. HVC le enviará una hoja de selección de componentes con los datos de capacitancia del cuerpo medidos en un plazo de cinco días hábiles.

6. Preguntas frecuentes

P1: ¿Por qué un divisor que funciona correctamente en CC falla a 200 kHz?

Cada cuerpo HVR transporta aproximadamente 1 pF, lo que genera una capacitancia de 0.05 pF en toda la cadena. A 200 kHz, esta capacitancia reduce la resistencia de 2.0 GΩ a 15.9 MΩ y aumenta la relación 118 veces. Una comprobación de corriente continua no permite detectar este efecto.

P2: ¿Cómo elijo el condensador de compensación?

Multiplica la resistencia total de la cadena por la capacitancia total de la cadena para obtener la constante de tiempo, en este caso 100 µs. Divide ese valor entre la resistencia del lado bajo. Con 100 kΩ, el resultado es 1.0 nF, no 22 pF.

P3: ¿Por qué merece la pena el rastreo adicional para el retorno Kelvin?

Reduce la inductancia compartida con el retorno del arco de 60 nH a 4 nH. El desplazamiento de referencia disminuye de 6 V a 0.4 V, y el error convertido por desequilibrio disminuye de 18.8 mV a 1.26 mV, que es la diferencia entre un error del 1.9 % y del 0.13 %.

P4: ¿Qué esquinas de filtro debo elegir?

Ajuste el primer circuito RC a 1.5 MHz con una resistencia de 106 Ω y un factor de 1.0 nF, y luego el circuito LC a 503 kHz con una resistencia de 100 µH, un factor de 1.0 nF y una resistencia de amortiguación de 316 Ω. Este par tiene un coste del 0.42 % a 100 kHz y proporciona una atenuación de 50 dB a 5 MHz.

P5: ¿El condensador de compensación tiene que ser de Clase I?

Sí. Un componente X7R se desvía un 15 % con la temperatura y la polarización de CC, lo que provoca una ruptura en la coincidencia de la constante de tiempo. La falla aparece meses después de la puesta en marcha y no deja ningún componente defectuoso que detectar.

P6: ¿Qué piezas corresponden a una única prueba de calificación?

El disco de compensación N4700 de 1.0 nF, la resistencia de amortiguación de 316 Ω, el condensador de película para la segunda etapa y la resistencias de clasificación Para la cadena, divida el mismo esfuerzo de prueba. Solicite el condensador de derivación a 1 kV con descarga protegida por debajo de 5 pC.

7. referencias

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