Resistor de filtro coordenado e proteção de grampo para ignitores

Resistor de filtro coordenado e proteção de grampo para ignitores

Sumário

Um circuito de ignição de plasma possui três proteções: um capacitor que filtra, um resistor que limita e um diodo que fixa. Instalados em sequência, eles entram em conflito, pois cada um altera a impedância contra a qual os outros atuam. Este artigo apresenta a ordem temporal que faz com que o trio coopere, a divisão de energia entre o diodo de fixação e o filtro, e o teste com três cenários que comprova essa cooperação.

1. Introdução

A parte frontal de um sistema de ignição de plasma fica entre o estágio de potência alimentado pela rede elétrica e o transformador de ignição. Três mecanismos clássicos o mantêm em funcionamento.

Um capacitor em paralelo com o barramento absorve energia de alta frequência. Um resistor em série limita a corrente de pico e a corrente de falta. Um diodo de proteção mantém a tensão do nó dentro de uma faixa específica.

Cada mecanismo é bem compreendido individualmente. Montados em sequência, eles alteram as condições de funcionamento uns dos outros. O filtro proporciona ao grampo um caminho de baixa impedância e interfere em seu funcionamento.

A parte frontal da ignição é o pior local para essa interação. Durante o período que antecede a descarga, o nó apresenta uma oscilação de 20 a 25 kV e, no momento da descarga, a tensão cai para a queda de tensão do arco em microssegundos.

2. Mecanismo Central

2.1 Três mecanismos, três escalas de tempo

A rede é uma estrutura de três elementos em torno do nó: o capacitor de filtro C_f para o terra, o resistor limitador em série R_lim em direção à carga sensível e o diodo de fixação com seu capacitor C_c mantendo o nó dentro de uma janela.

Cada mecanismo funciona em sua própria escala de tempo. O canto do filtro é:

f_filter = 1 / (2π × R_src × C_f)

onde f_filter é a frequência de corte do filtro, R_src a impedância da fonte que alimenta o nó e C_f a capacitância do filtro. Seu período, 2π × R_src × C_f, é o tempo de resposta do filtro.

Com uma impedância de fonte de 50 Ω e um capacitor de 100 nF, a frequência de corte é de 31.8 kHz e o tempo de resposta é de 31.4 µs.

2.2 O limitador e a braçadeira

A escala de tempo do limitador é seu próprio RC com a carga que ele alimenta:

τ_lim = R_lim × C_load

onde τ_lim é a constante de tempo do limitador, R_lim a resistência em série e C_load a capacitância no lado da carga. Com 10 Ω e 47 nF, isso corresponde a 470 ns.

A resposta do circuito de fixação é o tempo de trânsito do diodo mais a constante LC do seu próprio circuito:

τ_clamp = √(L_loop × C_c)

onde τ_clamp é o tempo de resposta do circuito de fixação, L_loop a indutância do circuito de fixação e C_c a capacitância do circuito de fixação. Um circuito de 20 nH com 150 nF resulta em 55 ns.

A regra de co-design é uma ordenação rigorosa:

τ_clamp ≪ τ_lim ≪ 2π × R_src × C_f

onde os três termos são a resposta do clamp em 55 ns, a constante de tempo do limitador em 470 ns e o tempo de reação do filtro em 31.4 µs. Cada mecanismo atua, então, dentro de uma janela que os outros não ocupam.

2.3 A interação entre filtro e grampo

O capacitor de filtro fornece um caminho de descarga para a carga de recuperação do grampo, e esse caminho oscila:

f_ring = 1 / (2π × √(L_loop × C_f))

onde f_ring é a frequência de anel do circuito de filtro, L_loop a indutância do circuito e C_f a capacitância do filtro. Com 20 nH e 100 nF, o valor é 3.56 MHz.

Isso precisa ficar longe da frequência de corte do filtro de 31.8 kHz, e consegue isso por um fator de 112. Um fator abaixo de dez cria uma ressonância de banda média entre os dois mecanismos, e o sinal em anel é então reinjetado como uma rajada de banda larga.

2.4 Dividindo a energia do golpe

Quando uma descarga atmosférica causa o colapso da tensão no nó, a energia de fuga do transformador precisa ser dissipada em algum lugar:

E_trans = 0.5 × L_leak × I_strike²  ,  E_absorb = 0.5 × C × ΔV²

onde E_trans é a energia de fuga armazenada, L_leak a indutância de fuga do transformador, I_strike a corrente de impacto, E_absorb a energia absorvida por um ramo, C sua capacitância e ΔV a elevação de tensão através dele.

Com uma fuga de corrente de 2 mH e uma corrente de impacto de 8 A, a energia armazenada é de 64 mJ. A divisão é definida propositalmente: 60% para a pinça amperimétrica e 40% para o filtro.

Com uma elevação de 720 V, esses capacitores precisam de 150 nF no terminal de proteção e 100 nF no filtro. A divisão, portanto, é uma decisão de projeto, e os dois capacitores são dimensionados para a energia que devem suportar, e não apenas para a tensão.

O dielétrico determina se a separação persiste após uma mudança. Um componente de Classe II que perde 15% do seu valor com a temperatura e a polarização altera sua participação na energia, e a ordenação que era válida a 25 °C se inverte a 70 °C.

Figura 1 — O circuito de fixação responde em 55 ns, o limitador molda o pico em 470 ns e o filtro de corte está em 31.4 µs, portanto, cada mecanismo possui sua própria janela de tempo.

3. Pontos problemáticos de engenharia

Problema 1: A braçadeira fica frouxa e a ponta escapa.

Com um circuito de fixação de grande porte e um diodo lento, a resposta do circuito de fixação não ocorre na escala de tempo mais curta. O pico atinge a carga antes que o diodo conduza.

A proteção existe, portanto, apenas no esquema elétrico. A carga percebe o pico de tensão e a falha se manifesta na carga.

Problema 2: Os anéis do filtro com a recuperação da braçadeira

A carga de recuperação do diodo de proteção descarrega através do capacitor de filtro e da indutância do circuito. Ele oscila na frequência própria do circuito de filtro.

O sinal surge exatamente quando o nó deveria estar silencioso e aparece como uma explosão de banda larga no gráfico de emissão. Um pequeno resistor em série no circuito o atenua antes que se torne um problema.

Problema 3: O limitador entra em conflito com o filtro

Um resistor em série entre o filtro e a carga altera a impedância de saída do filtro e desloca sua frequência de corte. Um filtro sintonizado sem o limitador fica desafinado assim que o limitador é instalado.

O conteúdo residual de alta frequência chega então à carga, e a rejeição do filtro no arquivo de lançamento deixa de descrever a máquina.

Problema 4: A deriva térmica reordena as escalas de tempo.

Com capacitores de Classe II, tanto C_f quanto C_c diminuem em 15% com a temperatura e a polarização. A ordenação que se mantinha a 25 °C pode se inverter a 70 °C.

A resistência do limitador diminui, e a rede deixa de proteger qualquer componente. Nenhum componente apresentou falha, e nenhum teste à temperatura ambiente detectou a alteração.

4. Etapas de projeto

Estratégia 1: Impor a ordenação temporal por meio do projeto.

Insira os três valores nos requisitos: clamp 55 ns, limitador 470 ns, filtro 31.4 µs. Meça cada um após a montagem e considere qualquer inversão como um defeito.

A ordenação não é um botão de ajuste. Uma rede que precisa ser sintonizada para entrar em ordem sairá dessa ordem já no primeiro ciclo de temperatura.

Estratégia 2: Projetar em conjunto o filtro e o circuito de fixação.

Posicione C_f e o diodo de fixação de forma que o caminho da corrente de recuperação seja curto e mantenha a indutância do circuito abaixo de 20 nH. Esse valor é o que torna possível a resposta de 55 ns.

Separe o anel de 3.56 MHz do canto de 31.8 kHz por pelo menos uma década e instale um pequeno resistor em série para amortecer o anel. Amortecer um anel é mais fácil do que movê-lo.

Estratégia 3: Dimensionar o limitador com base na corrente de falta.

Escolha R_lim com base na corrente de falta no pior caso, não na corrente de trabalho. A 600 V, um limitador de 10 Ω limita a falta a 60 A e precisa absorver 360 J durante um período de 10 ms.

Use um dispositivo com classificação de surto. resistor de filme espesso para essa função, e verifique seu efeito no canto do filtro posteriormente. O limitador e o filtro devem ser dimensionados em conjunto.

Estratégia 4: Utilize cerâmica de Classe I para ambos os capacitores.

Com um dielétrico de Classe I a ±30 ppm/°C e um tanδ abaixo de 0.1%, a ordenação é invariante em relação à temperatura e à polarização CC. A rede projetada a 25 °C é a mesma rede a 70 °C.

Selecionar N4700 Verifique as peças para a posição de fixação, onde o dv/dt é mais alto, e certifique-se de que o nível de PD esteja abaixo de 5 pC na tensão do nó para que a proteção não emita o ruído que deveria suprimir.

Estratégia 5: Verificar o trio com três cenários

Execute simulações de ignição normal, transientes de descarga e surtos de falha com sondas tanto no nó quanto na carga. Confirme a janela de fixação na carga, o limite de corrente da carga e a rejeição do filtro em cada cenário.

Repita os cenários nos extremos de temperatura. Onde o cenário de falha exigir uma sobretensão real, um diodo retificador Uma linha de transmissão com limitação de corrente reproduz a forma de onda sem danificar o dispositivo.

Estratégia 6: Documentar o orçamento de proteção

Registre a contribuição de cada mecanismo: a rejeição do filtro em dB, a capacidade de corrente do limitador e a janela de tensão de fixação. Coloque os números ao lado do diagrama de escala de tempo no arquivo de lançamento.

Uma rede coordenada sobrevive a mudanças de pessoal somente se sua intenção de projeto for documentada. O próximo engenheiro precisa dos três números, não apenas do esquema.

Parâmetro do componente	Valor típico	Condição de teste
Potência nominal (série HVR)	50 W a 70 °C	Carcaça de alumínio, ar livre
Valor de resistência	10 kΩ ±5%	25 °C de referência
Tensão de trabalho	10 kV CA/CC	contínuo
resistência ao pulso	30 kV em 10 µs	10 pulsos, classe IEC 60110
Coeficiente de temperatura (resistivo)	±50 ppm/°C	-55°C a +155°C
resistência de isolamento	acima de 1 GΩ a 1000 V CC	distância mínima de rastejamento 25 mm
Capacidade de corrente de surto	100 A a 1 ms	fio enrolado não indutivo

5. Capacitores HVC para o trio de proteção

Três requisitos norteiam essa escolha: uma capacitância que mantenha a ordem de transmissão em diferentes temperaturas, baixa perda nos nós de maior dv/dt e um nível de descarga parcial (PD) documentado. A HVC fabrica componentes N4700 para esse conjunto.

Seis parâmetros importantes neste nó

• N4700 (T3M) Dielétrico Classe I com coeficiente de ±30 ppm/°C. O canto do filtro e o armazenamento de energia de fixação são invariáveis, portanto a ordenação da escala de tempo é uma propriedade fixa da máquina.
• tanδ abaixo de 0.1%. Ambos os capacitores estão nos nós de dv/dt mais altos, e a baixa perda os mantém resfriados e não adiciona erro ESR ao nível de fixação.
• Faixa de tensão de 1 kV a 100 kV. Uma família abrange os componentes de filtro e proteção de entrada de 25 kV e os filtros de baixa tensão do lado da lógica.
• Descarga parcial (PD) inferior a 5 pC em todos os componentes blindados. A rede de proteção não emite o ruído que deveria suprimir.
• Tolerância rigorosa e impedância documentada. A verificação do pedido e a separação da frequência do anel tornam-se cálculos aritméticos em vez de trabalho em bancada.
• Comprovado em campo em sistemas de proteção com múltiplos mecanismos. Os componentes com terminais de parafuso HVC de 40 kV / 441 pF substituíram capacitores de marcas líderes em programas de serviço de campo de alta tensão e estão sendo adotados por um número crescente de fabricantes de equipamentos originais (OEMs) nacionais.

Entrega e suporte

Os valores padrão são enviados em 4 a 8 semanas e os conjuntos combinados em 6 a 10 semanas. A mesma família abrange discos com eletrodos radiais e capacitores maçaneta para as posições do filtro principal.

Os componentes HVC correspondem aos parâmetros elétricos e às dimensões da embalagem de Murata, peças TDK e KEMET, de modo que o trio pode ser reabastecido com uma única troca de dados.

Envie a tensão do nó, a corrente de falta e o perfil do pico. O HVC retorna os valores dos três elementos, o diagrama de escala de tempo esperado e o plano de teste com três cenários.

6. Perguntas frequentes

P1: Por que as três proteções não podem ser dimensionadas separadamente?

Porque cada um altera a impedância contra a qual os outros atuam. O filtro fornece ao circuito de proteção um caminho de baixa impedância, o limitador altera a impedância de saída do filtro e a recuperação do circuito de proteção oscila através do circuito do filtro. A ordem temporal é o que impede a sobreposição dos três.

Q2: Como é calculado o canto do filtro?

f_filter = 1 / (2π × R_src × C_f). Com uma impedância de fonte de 50 Ω e um capacitor de 100 nF, a frequência de corte é de 31.8 kHz, e seu período de 31.4 µs define a velocidade de resposta do filtro a uma perturbação.

Q3: De onde vem a resposta de fixação de 55 ns?

A partir do circuito de fixação. τ_clamp = √(L_loop × C_c), e com 20 nH e 150 nF, isso resulta em 55 ns. A indutância do circuito é o fator dominante, razão pela qual o layout determina o desempenho da fixação.

Q4: Como a energia de impacto deve ser dividida?

Por projeto. E_trans = 0.5 × L_leak × I_strike² é 64 mJ a 2 mH e 8 A. Enviar 60% para o grampo e 40% para o filtro requer 150 nF e 100 nF com uma elevação de 720 V, e a divisão é então uma decisão de projeto em vez de um acidente.

Q5: Qual o custo do limitador em termos de energia armazenada?

O componente precisa suportar a falha, não a corrente de operação. A 600 V, um limitador de 10 Ω limita a falha a 60 A e absorve 360 ​​J durante um período de 10 ms, o que o classifica na categoria de componentes com capacidade de suportar surtos. O sinal de operação que o atravessa é muito menor.

Q6: O que comprova que o trio é coordenado?

Três cenários foram medidos no nó e na carga: ignição normal, transiente de descarga e surto de falta. O pico deve permanecer dentro da janela de limitação na carga, a corrente na carga deve permanecer abaixo do limite máximo do limitador e o nó deve oscilar abaixo da rejeição do filtro em cada ponto de temperatura.

7. Referências

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10. Equipe de Engenharia de Aplicações HVC, Capacitor Cerâmico De Alta Tensão Recursos técnicos, https://www.hv-caps.com