Condensateurs de compensation du diviseur haute tension pour l'échantillonnage de l'allumage plasma

Condensateurs de compensation du diviseur haute tension pour l'échantillonnage de l'allumage plasma

Abstract

Un diviseur résistif qui mesure l'enveloppe d'amorçage doit également mesurer la tension d'arc de coupe, et ces deux fonctions s'exercent en sens inverse. Cet article présente la condition de compensation pour un diviseur d'amorçage 100 MΩ / 100 kΩ, les pénalités de phase et de décharges partielles dues à un diélectrique dissipatif, ainsi que les tests de balayage qui prouvent la stabilité du signal pendant toute la durée de vie de la machine.

1. Introduction

Le canal d'échantillonnage haute tension est la seule source d'information du système de contrôle sur les processus d'amorçage et d'arc. Il transmet l'enveloppe d'amorçage de 20 à 200 kHz, qui contient les informations relatives à l'amorçage, ainsi que la tension d'arc continue au contrôleur de processus.

Dans la topologie la plus simple, le diviseur résistif, la bande passante et la précision en courant continu sont antagonistes. Chaque résistance présente une capacité parasite, et chaque nœud du circuit imprimé présente une capacité parasite par rapport à la masse.

Le rapport exact en courant continu diffère à 100 kHz, avec un écart typique de 5 à 30 %. Le signal de sortie est alors déformé, retardé et mal calibré.

La solution est bien connue pour les sondes d'oscilloscope : ajouter un condensateur en parallèle avec la résistance côté bas afin que le rapport capacitif corresponde au rapport résistif. Dans le domaine de l'échantillonnage industriel kV, cette solution échoue pour une raison : le condensateur de compensation lui-même.

2. Mécanisme de base

2.1 La fonction de transfert du diviseur

Le bras haut est constitué de R_H en parallèle avec sa capacité parasite C_H. Le bras bas est constitué de R_L en parallèle avec C_L, qui inclut la capacité parasite et toute capacité ajoutée intentionnellement. La fonction de transfert est :

H(s) = Z_L(s) / (Z_H(s) + Z_L(s))

où Z_H est l'impédance du bras haut à la fréquence s, Z_L l'impédance du bras bas et H la fraction de la tension du nœud qui atteint la prise.

En courant continu, le rapport est R_L / (R_H + R_L), soit k. À haute fréquence, les condensateurs prennent le relais et le rapport devient C_H / (C_H + C_L).

2.2 La condition d'indemnisation

Le diviseur est plat à chaque fréquence lorsque les deux rapports sont égaux :

R_L / (R_H + R_L) = C_H / (C_H + C_L)  ⇔  R_H × C_H = R_L × C_L

où R_H et R_L sont les deux résistances des bras, C_H la capacité parasite du bras haut et C_L la capacité totale du bras bas.

Prenez un bras de 100 MΩ construit à partir de 20 résistances de 5 MΩ en série. résistance à couche épaisse Éléments avec une capacité parasite de 8 pF. La constante de temps du bras est de 0.8 ms.

Un bras de 100 kΩ nécessite alors 8 nF. Cette valeur doit être maintenue, car la réponse plate n'existe que tant que le produit R_L × C_L reste à 0.8 ms.

2.3 Le coin de la bande passante résiduelle

Le coin propre du séparateur est déterminé par l'impédance de prise et la capacité de charge du tampon qui suit :

f_3dB ≈ 1 / (2π × R_L × C_load)

où f_3dB est la fréquence de coupure, R_L la résistance du bras inférieur et C_load la capacité d'entrée du tampon plus le câblage.

Avec R_L = 100 kΩ et C_load = 5 pF, la fréquence de coupure est de 318 kHz. Cela couvre la plage d'allumage, à condition que le tampon se stabilise suffisamment vite.

Une variation de 5 V devant se stabiliser à 0.1 % en 1 µs nécessite une vitesse de balayage supérieure à 5 V/µs. Un tampon lent filtre passe-bas l'enveloppe et retarde la détection d'un signal d'une valeur fixe qui varie avec la température.

2.4 La stabilité diélectrique détermine l'erreur de phase

Un diélectrique présentant des pertes ajoute une résistance au condensateur de compensation. Ces pertes se traduisent par une erreur de phase, laquelle est déterminée par le facteur de dissipation.

φ ≈ arctan(tanδ)  ,  ΔC / C = TC × ΔT

où φ est l'erreur de phase ajoutée par le condensateur, tanδ le facteur de dissipation, ΔC / C la variation de capacité fractionnelle, TC le coefficient de température et ΔT l'excursion de température.

Pour tanδ = 0.1 %, l'erreur de phase est de 0.06°. Pour tanδ = 3 %, elle est de 1.72°, et un décalage de cette ampleur décale le temps d'impact détecté de plusieurs dizaines de microsecondes.

La capacité est déterminée par les mêmes calculs. Un composant N4700, dont le coefficient de dilatation est de ±30 ppm/°C, varie de 0.3 % sur une plage de 100 °C. Un composant X7R varie de 15 %, et le coin du diviseur se déplace en conséquence.

Les décharges partielles ajoutent le dernier terme. Le condensateur de compensation au niveau de la prise peut être soumis à une tension de kilovolts, et un corps présentant un seuil de décharge partielle inférieur à la tension de la prise émet des surtensions que le DSP interprète comme une instabilité d'arc erronée.

Fig. 1 — La capacité parasite de 8 pF d'un bras de 100 MΩ fait que le rapport non compensé est décalé de 25 % à 100 kHz ; 8 nF de N4700 le maintiennent près de 0.4 %.

3. Points faibles en matière d'ingénierie

Point faible n° 1 : Des parasites non appariés déforment l’enveloppe

Lorsque C_H et C_L ne sont pas appariés, le rapport de division à 100 kHz s'écarte de 5 à 30 % de sa valeur continue. L'enveloppe d'allumage atteint le DSP atténuée et déphasée.

Le seuil d'amorçage de l'arc était réglé en courant continu. Face à l'enveloppe déformée, il se déclenche tardivement, voire pas du tout.

Deuxième point faible : la compensation de classe II se dérègle.

Un condensateur de compensation X7R perd 15 % de sa valeur sous polarisation continue et en fonction de la température. La réponse linéaire se dégrade quelques mois après la mise en service.

Rien ne laisse paraître la panne. La capacité reste dans sa plage de tolérance sur un multimètre de laboratoire, et la détection des chocs se dégrade progressivement.

Point faible n° 3 : Les diélectriques à pertes génèrent de la chaleur et un déphasage.

Une pièce à tanδ élevé s'échauffe aux fréquences d'inflammation. Sa valeur propre varie alors en fonction de son élévation de température.

Le chauffage introduit également une erreur de phase, ce qui décale le moment détecté de l'effondrement de l'arc. L'erreur de synchronisation dépend de la température et ne peut donc pas être corrigée par étalonnage.

Point sensible n° 4 : Les décharges de DP contaminent le canal

Si le seuil de décharge partielle du condensateur de compensation est inférieur à la tension du nœud, il émet des impulsions de charge de l'ordre de la microseconde. Ces impulsions apparaissent dans le signal échantillonné comme des événements fantômes.

Le contrôleur ordonne alors une nouvelle tentative pour un arc électrique qui ne s'est jamais éteint. Les tentatives répétées usent le transformateur d'allumage et perturbent le journal des défauts.

4. Étapes de conception

Stratégie 1 : Caractériser le bras haut avant de choisir C_L

Mesurez la capacité parasite du bras haut à l'aide d'un pont à 1 kHz et à 100 kHz, et intégrez les effets parasites du circuit imprimé dans le modèle. Calculez ensuite la valeur du bras bas à partir de l'adaptation de la constante de temps.

Pour un bras de 100 MΩ, la résolution de mesure est importante : une erreur de 1 pF déplace la valeur requise de C_L de 1 nF, soit 12 % de la valeur de 8 nF.

Stratégie 2 : Utiliser des pièces de classe I dans chaque position de rémunération

Sélectionner N4700 Condensateurs avec un coefficient de ±30 ppm/°C et une tolérance serrée. L'appariement reste alors inférieur à 0.5 % sur toute la plage industrielle et la plage de polarisation CC.

Utilisez le même diélectrique pour le condensateur de prise et pour l'entrée du tampon. Une paire mixte réintroduit la dérive que la compensation visait à éliminer.

Stratégie 3 : Étendre la bande passante avec un bras tampon compensé

Là où la fréquence de coupure doit dépasser 1 MHz, ajoutez un second bras plus rapide. Un condensateur N4700 de 10 à 100 pF, connecté à la prise de tension et à un tampon large bande de 10 pF de capacité d'entrée, forme un amplificateur de sonde compensé.

Vérifiez la planéité de ce bras en effectuant un balayage jusqu'à 5 MHz. Au-delà de 1 MHz, l'inductance du circuit imprimé devient prépondérante ; veillez donc à ce que la boucle de prise reste inférieure à 20 nH.

Stratégie 4 : Vérifier avec une sinusoïde balayée et un échelon.

Balayez la bande passante de 10 kHz à 5 MHz et enregistrez l'écart d'amplitude. La limite d'acceptation est de ±0.5 dB entre le courant continu et la bande passante cible, avec un temps de propagation de groupe monotone.

Faites suivre le balayage par une incrémentation rapide de kV. Un diviseur compensé réagit par une seule exponentielle. Un diviseur non compensé présente une pré-excitation rapide et une décroissance lente, que le DSP interprète comme deux événements distincts.

Stratégie 5 : Examiner le module d’échantillonnage pour détecter la maladie de Parkinson

Effectuez le test de décharge partielle à 1.2 fois la tension de prise et exigez une valeur inférieure à 5 pC. Répétez le test après les cycles thermiques afin de garantir la propreté à vie et pas seulement lors du premier assemblage.

Fit un diode à récupération rapide Fixez un dispositif de blocage à l'entrée du tampon pour protéger l'étage d'entrée lors d'une frappe et vérifiez que la capacité propre du dispositif de blocage ne charge pas la prise.

Stratégie 6 : Surveiller la réponse sur le terrain

Ajoutez un autotest du micrologiciel qui injecte un stimulus à large bande connu dans le diviseur pendant les périodes d'inactivité. Comparez la réponse échantillonnée avec la valeur de référence enregistrée.

Une alarme se déclenche en cas d'écart supérieur à ±5 %. Le remplacement d'un condensateur de compensation défectueux nécessite alors une intervention planifiée. L'autre possibilité est une panne d'allumage non consignée.

Paramètre de composant	Valeur typique	Condition de test
Tension nominale (série HVCT8G)	10 kV DC	haute tension 1.5× pendant 60 s
Capacitance	4700 pF ±20% (472M)	1 MHz, 1 V efficace
ESR à 1 MHz	inférieur à 50 mΩ	-
Inductance de boucle (accord E40)	en dessous de 8 nH	Espacement des bornes de 40 mm
La resistance d'isolement	supérieure à 10 GΩ à 500 V CC	25 °C, 60 % HR
Plage de température	−40 °C à +125 °C	Série IEC 60068-2
Capacité dv/dt d'impulsion	au-dessus de 50 kV/µs	à la tension nominale

5. Condensateurs HVC pour le canal d'échantillonnage

Trois exigences déterminent le choix de ce nœud : une capacité stable sous polarisation, des pertes suffisamment faibles pour limiter l’erreur de phase et un boîtier silencieux à des tensions de l’ordre du kilovolt. HVC fabrique des composants N4700 pour cette gamme.

Six paramètres importants à ce nœud

• Le diélectrique N4700 (T3M) de classe I présente un coefficient de ±30 ppm/°C. La concordance de temps est maintenue à 0.5 % près de −25 °C à +85 °C, garantissant ainsi que la réponse plate mesurée en laboratoire correspond à la réponse réelle.
• tanδ inférieur à 0.1 %. L'erreur de phase ajoutée par le condensateur de compensation est de 0.06°, et le composant ne s'auto-échauffe pas aux fréquences d'allumage.
• Plage de tension de 1 kV à 100 kV. Une seule famille de composants qualifiés couvre les condensateurs de prise de tension nominale en kV et les composants basse tension à l'entrée du tampon.
• PD inférieure à 5 pC sur chaque zone analysée. Le réseau de compensation n'injecte pas de pics de charge dans le signal échantillonné, ce qui élimine les événements fantômes et les tentatives de reconnexion intempestives.
• Tolérances serrées et courbes d'impédance publiées. Les valeurs à ±5 % et les données mesurées permettent à l'ingénieur de finaliser la compensation par calcul.
• Éprouvés sur le terrain dans les travaux de mesure de précision. Les composants à bornes à vis HVC 40 kV / 441 pF ont remplacé les condensateurs de marques de premier plan dans les programmes de service sur site haute tension exigeants et sont adoptés par un nombre croissant d'OEM nationaux.

Livraison et support

Les valeurs standard sont expédiées sous 4 à 8 semaines et les paires appariées sous 6 à 10 semaines. La même gamme comprend les disques à plomb radial et condensateurs poignée de porte pour la position du robinet.

Les composants HVC correspondent aux paramètres électriques et aux dimensions d'emballage de Murata, les pièces TDK et KEMET, donc une vérification croisée ne nécessite qu'un seul échange de données.

Pour le bras haut, le résistance d'échantillonnage La gamme couvre les éléments de 5 MΩ et les chaînes de 100 MΩ qui s'associent à ces condensateurs.

Envoyez les valeurs des bras du diviseur, la capacité parasite mesurée et la bande passante cible. HVC renvoie les valeurs de compensation, les courbes d'amplitude et de phase attendues, ainsi que la procédure de vérification.

6. Questions fréquentes

Q1 : Pourquoi une capacité parasite de 8 pF est-elle si importante ?

Car cela détermine la capacité requise du bras bas. R_H × C_H vaut 100 MΩ × 8 pF, soit 0.8 ms, et R_L × C_L doit être égal à cette valeur. Pour R_L = 100 kΩ, cela correspond à 8 nF ; par conséquent, chaque picofarad d'erreur sur le bras haut modifie la capacité requise de C_L de 1 nF.

Q2 : Que se passe-t-il si le condensateur de compensation est une pièce X7R ?

L'allumeur se rompt avec le temps et la chaleur. La capacité du X7R diminue d'environ 15 % sous l'effet de la polarisation CC et de la température, contre 0.3 % pour le N4700 sur une température de 100 °C. Le rapport du diviseur dérive alors vers sa valeur initiale, et la détection d'amorçage se dégrade sans qu'aucun code d'erreur ne soit généré.

Q3 : D’où vient la fréquence de coupure à 318 kHz ?

À partir du bras inférieur et du tampon, f_3dB ≈ 1 / (2π × R_L × C_load), et avec 100 kΩ et 5 pF, la fréquence de coupure se situe à 318 kHz. L'enveloppe d'allumage se trouve en dessous, de sorte que le canal la transmet avec une faible atténuation.

Q4 : Quelle est l'erreur de phase ajoutée par un diélectrique à pertes ?

φ ≈ arctan(tanδ). Pour tanδ = 0.1 %, l'erreur est de 0.06° ; pour 3 %, elle est de 1.72°. L'amplitude de cette erreur est importante car le traitement numérique du signal (DSP) synchronise l'effondrement de l'arc à partir de la forme de l'enveloppe, et des erreurs de l'ordre de la dizaine de microsecondes altèrent cette synchronisation.

Q5 : Pourquoi tester le module d'échantillonnage pour les décharges partielles ?

Le condensateur de prise peut être saturé à plusieurs kilovolts. Un composant présentant un début de décharge partielle inférieur à la tension du nœud émet des impulsions de l'ordre de la microseconde qui se manifestent par des amorçages fantômes. Le contrôleur tente alors de rétablir un arc électrique qui n'avait jamais présenté de défaillance. Le point de test est fixé à 1.2 fois la tension de prise, avec une limite de 5 pC, et le test est répété après chaque cycle thermique.

Q6 : Comment la réponse plate est-elle prouvée ?

Deux mesures ont été effectuées. Un signal sinusoïdal balayé de 10 kHz à 5 MHz doit rester à ±0.5 dB près avec un temps de propagation de groupe monotone, et une variation rapide de la tension (kV) doit produire une réponse exponentielle simple. Un pré-déclenchement suivi d'une lente décroissance indique un problème d'adaptation d'impédance, indépendamment des mesures effectuées avec un capacimètre de laboratoire.

7. Références

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