Filtragem EMI do divisor HVR para amostragem de kV de ignição por plasma

Filtragem EMI do divisor HVR para amostragem de kV de ignição por plasma

Sumário

Um divisor resistivo perde sua relação de transformação muito antes de perder seus resistores. Em uma cadeia de ignição de plasma de 20 kV, a capacitância do corpo de vinte elementos HVR causa um desvio no lado de alta tensão acima de 100 kHz e aumenta a tensão de derivação em duas ordens de magnitude. Este artigo deriva o erro de relação de transformação, a condição de casamento de impedância e o termo de deslocamento de terra, e então apresenta quatro pontos críticos, seis etapas de projeto e os parâmetros do capacitor que mantêm um nó de amostragem de kV dentro de 1%.

1. Introdução

Um cortador de plasma inicia seu arco com um ignitor que produz de 15 a 25 kV a uma frequência de 20 a 200 kHz. O arco de corte então comuta centenas de amperes com picos de corrente acima de 100 A/µs. Ambos os eventos ocorrem a poucos centímetros do divisor que deve medir o estado de ignição.

O divisor informa ao controlador se o arco foi estabelecido, se a tensão caiu e se deve tentar novamente. Quando a interferência corrompe essa leitura, o controlador interpreta um corte bem-sucedido como uma falha de ignição. Ele tenta novamente, desgasta o bocal e pode até mesmo não detectar um circuito aberto real.

Três mecanismos comprometem a medição. A capacitância do corpo e da trilha acopla a corrente de deslocamento diretamente na derivação. O transformador de ignição e o cabo da tocha oscilam entre 1 e 5 MHz. Retornos de terra compartilhados deslocam a referência do resistor de baixa impedância, o que transforma uma leitura diferencial em uma leitura de modo comum.

Este artigo descreve uma cadeia de 20 kV construída com 20 elementos HVR de 100 MΩ cada, um resistor de baixa impedância de 100 kΩ e um capacitor de compensação Classe I de 1.0 nF. O objetivo é um erro de amplitude de 1% e uma rejeição de modo comum de 60 dB na frequência de ignição.

2. Mecanismo Central

2.1 Relação de divisão e tensão de derivação

A divisão resistiva é a parte fácil. A proporção decorre apenas dos valores dos dois resistores.

k = R_LO / (N · R_HV + R_LO)

onde k = a razão de divisão, R_LO = a resistência do lado de baixa tensão, R_HV = a resistência de um elemento e N = o número de elementos em série. Com N = 20 e R_HV = 100 MΩ, a cadeia totaliza 2.0 GΩ. A razão é 5.0 × 10⁻⁵, portanto, uma entrada de 20 kV fornece 1.00 V no ponto de derivação. A cadeia consome 10 µA e cada elemento dissipa 10 mW.

2.2 A capacitância parasita prejudica a relação acima de 100 kHz.

Cada corpo HVR possui uma capacitância paralela de cerca de 1 pF. Vinte deles em série resultam em uma capacitância de apenas 0.05 pF na cadeia. Esse pequeno valor ainda predomina em altas frequências, pois a resistência da cadeia é de 2.0 GΩ.

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

onde Z_HV = a impedância do lado de alta impedância na frequência f, R_HV,total = a resistência total da cadeia e C_p,total = a capacitância em série dos corpos dos elementos. A 200 kHz, a impedância da cadeia caiu de 2.0 GΩ para 15.9 MΩ, enquanto a do lado de baixa impedância ainda se mantém próxima de 100 kΩ. A relação de divisão sobe para 5.9 × 10⁻³ em vez de 5.0 × 10⁻⁵, um erro de 118 vezes.

2.3 Comparação das duas constantes de tempo

O divisor torna-se plano em frequência quando os dois braços compartilham uma única constante de tempo.

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

onde R_LO = a resistência do lado de baixa impedância e C_LO,total = a capacitância total através dela. Ambos os produtos resultam em 100 µs. Com 100 kΩ no lado de baixa impedância, a capacitância de adaptação é de 1.0 nF. Um capacitor de 22 pF resulta em uma constante de tempo de apenas 2.2 µs e ainda mantém o erro de relação em 42 vezes, portanto, o valor de compensação deve ser calculado, e não estimado. Uma vez que os produtos se igualam, o envelope de 200 kHz passa sem qualquer deriva de relação.

2.4 Cantos do filtro e o termo de deslocamento do solo

Dois estágios passivos eliminam a banda de ressonância, mantendo intacta a faixa de ignição.

f_c = 1 / (2π · R_f · C_f)

onde f_c = a frequência de corte, R_f = a resistência em série e C_f = a capacitância em paralelo. O primeiro estágio utiliza um resistor de 106 Ω com um capacitor de 1.0 nF para uma frequência de corte de 1.5 MHz, o que representa uma perda de amplitude de 0.22% a 100 kHz. O segundo estágio utiliza um resistor de 100 µH com um capacitor de 1.0 nF e um resistor de amortecimento de 316 Ω para uma frequência de corte de 503 kHz, o que representa uma perda adicional de 0.20%. Os dois estágios proporcionam uma rejeição de 50 dB a 5 MHz.

O deslocamento de referência é o segundo termo de erro e provém da indutância de retorno compartilhada.

V_shift = L_g · di/dt

onde V_shift = o deslocamento de referência no ponto de derivação, L_g = a indutância compartilhada com o retorno do arco e di/dt = a inclinação da corrente do arco. A 100 A/µs através de 60 nH, o deslocamento atinge 6 V. O termo de desequilíbrio então converte parte dele em um sinal diferencial falso.

V_err = V_cm · 2πf · ΔC · R_tap

onde V_err = o sinal diferencial falso, V_cm = a tensão de modo comum na derivação, ΔC = a diferença de capacitância entre os dois condutores de detecção e R_tap = a impedância da fonte na derivação. Com um desequilíbrio de 0.05 pF em 100 kΩ a 100 kHz, um deslocamento de 6 V torna-se 18.8 mV, ou 1.9% do sinal de 1.00 V. Um retorno Kelvin dedicado reduz a indutância compartilhada para 4 nH e o deslocamento para 0.4 V, de modo que o mesmo desequilíbrio contribui com 1.26 mV, ou 0.13%.

Figura 1 — Vinte elementos de 100 MΩ fornecem 0.05 pF ao longo da cadeia; uma adaptação de 1.0 nF equaliza a relação e resulta em um erro de amostragem total de 0.55%.

3. Pontos problemáticos de engenharia

Problema 1: A proporção varia com a frequência, não com o tempo.

A capacitância do corpo altera a relação em mais de duas ordens de magnitude entre CC e 200 kHz. O controlador, então, não consegue distinguir um circuito aberto genuíno de uma leitura corrompida, e as tentativas de reprogramação começam. Uma verificação de capacitores em bancada nunca revela isso porque a falha é uma função da frequência, não do valor da capacitância.

Problema 2: O caminho de retorno compartilhado define a tensão de modo comum.

A corrente de ignição retorna pelo mesmo fio de cobre que o resistor de amostragem do lado negativo. Uma transição de 100 A/µs através de 60 nH de retorno compartilhado produz um deslocamento de referência de 6 V, que é 6 vezes o sinal de 1.00 V que o divisor está tentando medir. Qualquer desequilíbrio no par de detecção converte uma fração desses 6 V em uma leitura falsa.

Problema 3: Um capacitor de compensação Classe II apresenta desvio de casamento.

Um capacitor X7R apresenta uma variação de 15% com a temperatura e a polarização CC. A correspondência da constante de tempo se mantém em bancada, mas se rompe em poucos meses em uma oficina de corte a quente. O erro de relação retorna então sem que nenhum componente falhe, de modo que a equipe de manutenção não tem nada para substituir.

Problema 4: Descarga parcial do componente errado reinjeta ruído.

Um capacitor cuja descarga se inicia abaixo de sua tensão de trabalho emite picos de carga no nó de medição. Em um circuito de detecção com resolução de 5 pC, esses picos se assemelham exatamente a sinais de arco voltaico. O resultado são alarmes falsos e desligamentos indevidos em uma máquina que está eletricamente em boas condições.

4. Etapas de projeto

Estratégia 1: Compensar cada derivação com um capacitor de Classe I

Combine a constante de tempo de cada toque com um N4700 Capacitor de classe I. Varra o divisor de tensão finalizado de 10 kHz a 10 MHz com um analisador de redes e mantenha o desvio da relação abaixo de 1% em toda a faixa de frequência.

Estratégia 2: Use um retorno de Kelvin para o par sensorial.

Direcione o fio de detecção do lado negativo de volta para a referência do conversor como uma trilha separada, distinta do retorno de energia, e una os dois em um ponto estrela. Isso transforma um degrau de modo comum de 6 V em um de 0.4 V e converte a ameaça restante em um pequeno erro diferencial.

Estratégia 3: Divida a filtragem em duas etapas

Coloque o estágio RC de primeira ordem na saída com um capacitor cerâmico com classificação em kV e, em seguida, um indutor diferencial e um estágio com capacitor no buffer. Um único estágio não consegue transmitir 100 kHz e rejeitar 5 MHz simultaneamente, portanto, dividir a tarefa é a única maneira de atingir ambos os objetivos.

Estratégia 4: Posicione um buffer a 10 mm da torneira.

Posicione o buffer do amplificador próximo ao nó de baixa impedância, envolva o traço de alta impedância com um circuito de guarda excitado e especifique um buffer diferencial com CMRR acima de 80 dB a 100 kHz. O circuito de guarda retorna a corrente de deslocamento ao seu driver em vez de permitir que ela entre na medição.

Estratégia 5: Caracterizar a rede parasitária uma vez por projeto

Meça a capacitância do corpo e a indutância dos terminais do encapsulamento HVR efetivamente utilizado, registre ambos na lista de materiais e derive os valores de compensação a partir deles. A experimentação em bancada resulta em um divisor que funciona apenas naquela bancada específica.

Estratégia 6: Verificar a integridade da descarga ao nível do módulo.

Realize um teste de descarga parcial com 1.2 vezes a tensão nominal no módulo de amostragem completo e obtenha um valor inferior a 5 pC. Repita o teste após o ciclo térmico para detectar microvazios introduzidos durante a montagem.

Parâmetro do componente	Valor típico	Condição de teste
Resistência por elemento (série HVR)	100 MΩ ±1%	25 °C de referência
Potência nominal (série HVR)	50 W a 70 °C	Caixa de alumínio, ar livre
Resistência da cadeia	2.0 GΩ, 20 elementos	20 kV através da corda
Dissipação de elementos	10 mW	20 kV contínuos
Capacitor de compensação	1.0 nF N4700 Classe I	através do lado de baixa impedância de 100 kΩ
Proporção do divisor	5.0 × 10⁻⁵	Entrada de 20 kV, saída de 1.00 V.
Coeficiente de temperatura	±30 ppm/°C	-40°C a +85°C
Fator de dissipação	abaixo de 0.1%	1 MHz, 1 V rms
Descarga parcial	abaixo de 5 pC	a 1.2 × a tensão nominal
resistência de isolamento	acima de 1 GΩ a 1000 V CC	Distância mínima de fuga de 25 mm

5. Capacitores HVC para o nó de amostragem

O capacitor de compensação define a precisão de toda a cadeia, portanto seu valor precisa permanecer constante. A HVC fabrica capacitores cerâmicos de Classe I para essa aplicação, de 1 kV a 100 kV, em uma fábrica própria em Dongguan.

Seis parâmetros que importam aqui.

• Valor de compensação estável. O dielétrico N4700 possui um coeficiente de temperatura de ±30 ppm/°C, portanto, a capacitância de 1.0 nF não se altera entre a partida a frio e o módulo em funcionamento.
• Baixa perda na frequência de amostragem. Um fator de dissipação inferior a 0.1% impede que o ramo de compensação adicione seu próprio deslocamento de fase ao envelope de ignição.
• Cobertura de tensão para ambas as extremidades da cadeia. As classificações de 1 kV a 100 kV abrangem os discos de compensação do lado de baixa tensão e os nós do lado de alta tensão de um ignitor de 25 kV de uma lista qualificada.
• Descarga parcial abaixo de 5 pC. Cada componente é blindado, de modo que a extremidade frontal não injete pulsos de carga que simulem falhas de arco.
• Dados de impedância conhecidos. A HVC publica a tolerância de capacitância e as curvas de impedância, o que faz com que a correspondência da constante de tempo na Seção 2.3 seja um valor calculado em vez de um experimento de bancada.
• Histórico comprovado de substituição. 40 kV / 441 pF capacitores maçaneta Substituíram componentes importados de primeira linha em programas de assistência técnica em campo onde a descarga abaixo de 5 pC está especificada. Um estudo publicado referência cruzada A tabela mapeia os números de peça comuns importados do tipo parafuso para seus equivalentes HVC.

Entrega e suporte

As peças padrão são enviadas em 4 a 8 semanas, e os conjuntos de compensação correspondentes em 6 a 10 semanas. A engenharia de aplicações oferece suporte para correspondência de constante de tempo, dimensionamento de filtros e verificação de descarga. Envie a relação do divisor, a largura de banda e a faixa de temperatura ambiente. A HVC retorna uma lista de seleção de componentes com os dados de capacitância do corpo medidos em até cinco dias úteis.

6. Perguntas frequentes

P1: Por que um divisor que funciona corretamente em CC falha em 200 kHz?

Os componentes HVR possuem cerca de 1 pF cada, o que resulta em 0.05 pF em toda a cadeia. A 200 kHz, essa capacitância reduz a resistência de 2.0 GΩ para 15.9 MΩ e aumenta a relação em 118 vezes. Uma verificação em corrente contínua não consegue detectar esse efeito.

Q2: Como escolho o capacitor de compensação?

Multiplique a resistência total da cadeia pela capacitância total da string para obter a constante de tempo, neste caso 100 µs. Divida esse valor pela resistência do lado de baixa impedância. Com 100 kΩ, a resposta é 1.0 nF, e não 22 pF.

P3: Por que o retorno Kelvin compensa o rastreamento extra?

Isso reduz a indutância compartilhada com o retorno do arco de 60 nH para 4 nH. O deslocamento de referência cai de 6 V para 0.4 V, e o erro convertido pelo desequilíbrio cai de 18.8 mV para 1.26 mV, o que representa uma diferença entre um erro de 1.9% e 0.13%.

Q4: Quais cantos de filtro devo escolher?

Ajuste o primeiro campo de corte RC em 1.5 MHz com 106 Ω e 1.0 nF, e o campo de corte LC em 503 kHz com 100 µH, 1.0 nF e um resistor de amortecimento de 316 Ω. O par consome 0.42% da impedância a 100 kHz e oferece 50 dB a 5 MHz.

Q5: O capacitor de compensação precisa ser de Classe I?

Sim. Um componente X7R apresenta uma variação de 15% com a temperatura e a polarização CC, o que compromete a correspondência da constante de tempo. A falha ocorre meses após o comissionamento e não deixa nenhum componente defeituoso para ser identificado.

Q6: Quais peças devem ser incluídas em uma única rodada de qualificação?

O disco de compensação N4700 de 1.0 nF, o resistor de amortecimento de 316 Ω, o capacitor de filme para a segunda etapa e a resistores de classificação Para a divisão em cadeia, repita o mesmo teste. Solicite um capacitor de derivação a 1 kV com descarga blindada abaixo de 5 pC.

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