Réseaux HVR multi-prises pour la surveillance de l'allumage du plasma à cinq canaux

Réseaux HVR multi-prises pour la surveillance de l'allumage du plasma à cinq canaux

Abstract

Un dispositif de surveillance de l'allumage plasma doit répondre à cinq questions avec des bandes passantes et des objectifs de précision différents. Cinq diviseurs distincts multiplient la capacité d'entrée, la dissipation et le nombre d'antennes sur le nœud kilovolt. Cet article étudie une chaîne unique de 20 kV à cinq prises et un banc de filtres associé, détermine la tolérance de rapport et le bruit thermique de chaque canal, puis identifie quatre points critiques, six étapes de conception et les paramètres des condensateurs assurant l'alignement des canaux.

1. Introduction

Un dispositif de surveillance de l'amorçage plasma doit répondre simultanément à plusieurs questions. La tension d'amorçage est-elle présente durant la phase de pré-amorçage ? L'arc s'est-il amorcé et la tension est-elle retombée dans le régime de faible chute de tension ? L'arc pilote est-il stable ou présente-t-il des oscillations à une fréquence qui prédit un défaut de réamorçage ?

Chaque question requiert une bande passante, une précision et une tolérance au bruit différentes. La bande passante nécessaire à la surveillance de l'enveloppe d'amorçage est incompatible avec le niveau de bruit requis pour évaluer la stabilité de l'arc, et la vitesse de balayage nécessaire à la détection d'un réamorçage est incompatible avec le temps de moyennage requis pour estimer le courant en régime permanent.

La solution classique consiste à utiliser un diviseur par fonction. Cela multiplie le coût, la capacité d'entrée, la dissipation thermique et la charge parasite sur le nœud kilovolt, et chaque diviseur supplémentaire ajoute une antenne supplémentaire qui couple le bruit d'allumage à la mesure.

Cet article décrit une chaîne unique de 20 éléments HVR de 100 MΩ chacun, alimentée par un nœud de 20 kV, avec cinq prises et un banc de filtres associé. Les prises sont situées à 1, 4, 8, 12 et 16 kV.

2. Mécanisme de base

2.1 Tension de prise et dissipation de l'élément

Une chaîne d'éléments égaux divise la tension d'entrée proportionnellement au nombre d'éléments situés sous la prise.

V_k = V_in · k / n

où V_k représente la tension de la prise, V_in la tension d'entrée, k le nombre d'éléments situés en aval de la prise et n le nombre total d'éléments. Avec n = 20 et V_in = 20 kV, les cinq prises correspondent à 1, 4, 8, 12 et 16 kV. Chaque élément dissipe la même puissance, valeur qui découle de la résistance de la chaîne.

P_each = V_in² / (n² · R_each)

où P_each représente la dissipation dans un élément et R_each la résistance de cet élément. Avec 20 kV, 20 éléments et une résistance de 100 MΩ chacun, la dissipation est de 10 mW par élément et de 0.2 W pour la chaîne entière. La chaîne consomme 10 µA, que la source de tension doit fournir.

2.2 Impédance de la source de prise

L'impédance de prise est la combinaison parallèle des moitiés supérieure et inférieure de la chaîne, et elle atteint son maximum au milieu.

R_t,k = R_each · k (n − k) / n

où R_t,k représente l'impédance de la source présentée par la prise k. La prise 1 kV présente 95 MΩ, les prises 4 kV et 16 kV présentent 320 MΩ, et les prises 8 kV et 12 kV présentent 480 MΩ. Cette impédance doit être adaptée par le condensateur de compensation à chaque prise, sinon le rapport augmente avec la fréquence, comme pour un diviseur de tension à une seule sortie.

C_k = C_body / k

où C_k représente la capacité de compensation à la prise k et C_body la capacité intrinsèque d'un élément, ici d'environ 1 pF. Les valeurs requises varient de 1.0 pF à la prise 1 kV à 0.063 pF à la prise 16 kV. Les valeurs inférieures à 0.25 pF doivent être obtenues par assemblage en série de petits disques et ajustées lors des tests, ce qui limite considérablement la plage de tension d'entrée de la prise.

2.3 Le bruit de fond provient de la bande passante

Le diviseur ne détermine pas la résolution d'un canal. C'est le bruit thermique de l'impédance de la prise sur toute la bande passante du canal qui le fait.

v_n = √(4 k_B T · R_t,k · B_k)

où v_n représente la tension de bruit quadratique moyenne, k_B la constante de Boltzmann, T la température absolue et B_k la bande passante du bruit du canal. À 298 K, la prise de 1 kV avec une bande passante de 100 kHz porte 395 µV, la prise de 4 kV avec 10 kHz porte 230 µV, la prise de 8 kV avec 1 kHz porte 89 µV, la prise de 12 kV avec 100 Hz porte 28 µV et la prise de 16 kV avec 10 Hz porte 7.3 µV.

C’est pourquoi les cinq fonctions peuvent partager un seul diviseur. Le canal d’enveloppe à large bande accepte 395 µV car il n’a qu’à détecter la présence et l’effondrement du signal. Le canal de stabilité à bande étroite atteint 7.3 µV car il n’a qu’à résoudre un scintillement lent. Attribuer à chaque canal la même bande passante de 100 kHz rendrait les prises hautes fréquences les plus bruyantes au lieu d’être les plus silencieuses.

2.4 Tolérance de rapport et diaphonie

Les éléments déterminent le ratio, et des tolérances indépendantes s'accumulent tout au long de la chaîne.

δ_R ≤ ε / √n

où δ_R représente la tolérance relative par élément, ε l'erreur de rapport admissible et n le nombre d'éléments. Un objectif de rapport de 0.5 % sur 20 éléments requiert 0.11 % par élément. C'est pourquoi le réseau utilise des éléments appariés et mesurés individuellement, plutôt que des composants aux tolérances standard. Cette même exigence s'applique aux condensateurs de compensation, dont la tolérance propre influe sur le rapport via l'appariement de la constante de temps.

Les cinq canaux partagent un seul nœud ; la diaphonie entre eux est donc intentionnelle et non accidentelle. Le couplage via la chaîne de diviseurs est légitime et prévisible ; celui via l’implantation ne l’est pas et doit être mesuré machine en fonctionnement, en le maintenant en dessous de −60 dB à la fréquence de fonctionnement la plus élevée.

Fig. 1 — Les prises à large bande transportent plus de bruit thermique : le canal 1 kV affiche 395 µV à 100 kHz, tandis que le canal 16 kV atteint 7.3 µV une fois que sa bande passante se réduit à 10 Hz.

3. Points faibles en matière d'ingénierie

Point faible n° 1 : Cinq séparateurs multiplient les antennes

Cinq diviseurs distincts ajoutent cinq fois la capacité d'entrée et cinq fois les chemins de couplage parasites au nœud kilovolt, chacun constituant une nouvelle antenne qui réinjecte le bruit d'allumage dans la mesure. L'isolation du nœud devient également plus complexe, car cinq chaînes nécessitent une surface de fuite cinq fois supérieure.

Point faible n° 2 : Conflits d’attribution des taps entre les canaux

Le canal nécessitant une bande passante maximale requiert un condensateur de filtrage de faible capacité et une impédance de source élevée. Le canal nécessitant un bruit minimal requiert l'inverse. Sans une répartition écrite attribuant à chaque fonction une prise et une bande passante, chaque canal représente un compromis entre toutes ces exigences.

Point faible n° 3 : Les valeurs de tonalité non compensées sont beaucoup trop élevées aux fréquences d’allumage.

La capacité intrinsèque des éléments conducteurs court-circuite la chaîne supérieure au-delà de 100 kHz. Une prise non compensée indique alors un rapport de division déterminé par la capacité au lieu de la résistance, ce qui, sur une chaîne de 20 kV, est deux ordres de grandeur différent de la valeur résistive. Le défaut se manifeste par une lecture de tension impossible à l'allumage et une lecture correcte en courant continu.

Point sensible n° 4 : Le déséquilibre thermique modifie le ratio

Les éléments dissipent la même puissance uniquement si leur résistance est uniforme. Un gradient de disposition crée une pente de température, et le rapport de division dérive alors davantage que prévu par le calcul de tolérance. La dérive est faible pour chaque élément et s'accumule sur une vingtaine d'entre eux.

4. Étapes de conception

Stratégie 1 : Concevoir le réseau pour assurer une contrainte égale et un équilibre thermique

Utilisez 20 éléments de résistance identique, montés selon une configuration thermiquement symétrique, et ajoutez une piste de garde autour de la chaîne pour égaliser le couplage parasite. Vérifiez le rapport à l'aide d'un multimètre de précision à 25 °C et à 70 °C.

Stratégie 2 : Répartir les prises par fonction

Attribuez la prise la plus basse au canal d'enveloppe d'allumage (qui nécessite une large bande passante), les prises intermédiaires à l'effondrement de l'arc et à la stabilité du pilote (qui nécessitent un faible bruit), et les prises les plus hautes à la moyenne lente (qui nécessite le filtre le plus large). Documentez cette affectation dans le cahier des charges.

Stratégie 3 : Relier le banc de filtres par une seule famille de condensateurs

Choisissez chaque condensateur à prise parmi les N4700 Ainsi, tous les canaux présentent le même comportement thermique. La relation entre les canaux reste alors stable et le contrôleur peut comparer les canaux sans recalibrage saisonnier.

Stratégie 4 : Tamponnez chaque prise avec un amplificateur à faible capacité

Maintenez la capacité d'entrée du tampon en dessous de 5 pF afin de ne pas perturber l'impédance de la prise. Placez le tampon à moins de 10 mm de la prise et pilotez l'étage de filtrage à partir de la sortie du tampon. Une entrée de 5 pF avec un filtre de 1 nF induit une erreur de charge de 0.5 %, soit 100 fois l'erreur due à un filtre de 100 nF.

Stratégie 5 : Calibrer chaque canal par logiciel

Lors de la mise en service, appliquez une tension de référence connue (en kilovolts) et enregistrez le gain et le décalage de chaque canal. Stockez les coefficients dans le contrôleur afin de soustraire les tolérances des composants à la précision fournie.

Stratégie 6 : Vérifier la décharge et la diaphonie au niveau du module

Effectuez un test de décharge à 1.2 fois la tension nominale et exigez une valeur inférieure à 5 pC. Mesurez ensuite la diaphonie en excitant un canal et en observant les autres, machine en fonctionnement. Répétez l'opération aux températures extrêmes, car le couplage capacitif entre les canaux varie avec la température.

Paramètre de composant	Valeur typique	Condition de test
Éléments par chaîne	20 sur 100 MΩ ±1%	2.0 GΩ au total, 20 kV
Dissipation élémentaire	10 mW	20 kV en continu
tensions de prise	1, 4, 8, 12 et 16 kV	k = 1, 4, 8, 12, 16
Impédance de la source de prise	95 à 480 MΩ	R_chaque · k(n−k)/n
capacité de compensation	1.0 pF à 0.063 pF	Corps C / k
Bande passante des canaux	100 kHz à 10 Hz	une par fonction de surveillance
Plancher de bruit	395 µV à 7.3 µV rms	298 Ko, bande passante allouée
Tolérance des éléments	0.11% ou mieux	ratio de 0.5 % sur 20 éléments
Coéfficent de température	±30 ppm/°C	−40 °C à +85 °C
Décharge partielle	en dessous de 5 pC	à 1.2 × la tension nominale

5. Condensateurs HVC pour le réseau à prises multiples

Les condensateurs de prise déterminent si les cinq canaux restent alignés. HVC fabrique des condensateurs céramiques de classe I pour cette application, de 1 kV à 100 kV, dans son usine de Dongguan.

Six paramètres importants ici

• Un coefficient de température par canal. Une valeur de ±30 ppm/°C, commune à toutes les prises, maintient la bande passante relative des cinq canaux constante, du démarrage à froid jusqu'au module chaud.
• Faibles pertes dans le banc de filtres. Un facteur de dissipation inférieur à 0.1 % signifie que le banc n'ajoute aucun gradient thermique au réseau de diviseurs, et ne déforme donc pas le rapport qu'il mesure.
• Une seule famille de condensateurs pour prises hautes et basses tensions. Les valeurs nominales de 1 kV à 100 kV couvrent les condensateurs de filtrage kilovolt aux prises hautes et les composants basse tension aux prises basses, à partir d'un seul fichier de qualification.
• Décharge partielle inférieure à 5 pC. Les prises supérieures sont à kilovolts, de sorte qu'une pièce blindée n'émettra pas de surtensions qui apparaissent dans les canaux à faible bruit sous forme d'instabilité d'arc fantôme.
• Tolérance stricte pour les matrices appariées. HVC fournit des composants N4700 avec des tolérances jusqu'à ±5 % et un comportement thermique documenté, ce qui est indispensable pour un banc de filtres interconnectés.
• Solution de remplacement éprouvée sur le terrain. Le modèle 40 kV / 441 pF condensateurs poignée de porte ont remplacé les pièces importées de premier rang dans les programmes de service sur le terrain où la surveillance multicanal en kilovolts est une pratique courante. Une publication références croisées Ce tableau établit la correspondance entre les références des pièces importées courantes et leurs équivalents HVC.

Livraison et support

Les composants standard sont expédiés sous 4 à 8 semaines, et les kits de réseaux appariés sous 6 à 10 semaines. Le service d'ingénierie d'application prend en charge l'allocation des prises, l'ajustement de la compensation et la mesure de la diaphonie. Veuillez indiquer le nombre de prises, les bandes passantes des canaux et les objectifs de précision. HVC vous fournira les positions des prises, les valeurs des filtres et les calculs de diaphonie sous cinq jours ouvrés.

6. Questions fréquentes

Q1 : Pourquoi ne pas utiliser un séparateur par fonction de surveillance ?

Cinq diviseurs ajoutent cinq fois la capacité d'entrée, cinq fois la dissipation et cinq antennes au nœud kilovolt. Une chaîne à cinq prises simplifie le nœud et fait des relations entre les canaux une propriété d'une seule famille de composants.

Q2 : Quel degré de précision les éléments doivent-ils avoir ?

Un taux de 0.5 % sur 20 éléments nécessite 0.11 % par élément, car les tolérances indépendantes s'accumulent avec la racine carrée du nombre d'éléments. C'est pourquoi le réseau utilise des éléments mesurés et appariés, et non des pièces aux tolérances standard.

Q3 : Comment choisir la bande passante de chaque canal ?

De par sa fonction, le canal d'enveloppe nécessite 100 kHz et tolère un bruit de 395 µV ; le canal de stabilité nécessite 1 kHz et atteint 89 µV ; le canal de moyenne lente nécessite 10 Hz et atteint 7.3 µV. Appliquer 100 kHz à chaque canal rendrait les prises supérieures les plus bruyantes.

Q4 : Quelle est la valeur de l'impédance de la source de prise ?

Elle suit R_each × k(n − k)/n. Sur une chaîne de 20 éléments de 100 MΩ, la prise 1 kV présente 95 MΩ et les prises intermédiaires présentent 480 MΩ, ce qui explique pourquoi le condensateur de compensation tombe à 0.063 pF à la prise supérieure.

Q5 : Pourquoi la valeur affichée par un robinet non compensé est-elle si élevée ?

Au-delà de 100 kHz, la capacité intrinsèque des éléments court-circuite la chaîne supérieure, ce qui rend le rapport de division capacitif et l'écarte de deux ordres de grandeur par rapport à sa valeur résistive. La mesure semble correcte en courant continu, mais impossible lors de l'allumage.

Q6 : Quelles pièces doivent être incluses dans une même configuration de matrice ?

Les condensateurs à prises, les résistances de gradation dans la chaîne et le condensateur à film Dans l'étage tampon, tous les éléments se trouvent sur le même module, de sorte qu'un cycle thermique, un écran de décharge et un balayage de diaphonie couvrent l'ensemble du réseau.

7. Références

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