حلول الجهد العالي لأنظمة الليدار (السيارات، الطبوغرافية) تقنية مكثفات الجهد العالي

حلول الجهد العالي لأنظمة الليدار (السيارات، الطبوغرافية) تقنية مكثفات الجهد العالي

الملخص

تُطلق أنظمة الليدار المستخدمة في القيادة الذاتية ورسم الخرائط الطبوغرافية نبضات ليزرية في نطاق النانوثانية، ويُعدّ مكثف تخزين الطاقة في مُشغّل الليزر هو العنصر الذي يُحدد قوة النبضة وشكلها ودقة القياس. تُحدد هذه المقالة متطلبات الطاقة والتيار لمُشغّل الليزر، وتُقارن بين تقنيات المكثفات المُستخدمة في النبضات، وتُحدد اختيار المكثفات المناسبة لعائلتي مكثفات السيراميك والترددات الراديوية من HVC من خلال دراسة حالة في مجال السيارات.

1. سياق التطبيق: النبض هو القياس

يمثل تطور تقنية الكشف الضوئي وتحديد المدى أحد أهم التطورات في مجال الاستشعار والقياس الحديث. ويكمن جوهر هذه الأنظمة، التي تغطي تطبيقات بالغة الأهمية بدءًا من القيادة الذاتية وصولًا إلى رسم الخرائط عالية الدقة، في المكثف عالي الجهد. يعمل نظام الليدار عن طريق إرسال نبضات سريعة من ضوء الليزر وقياس الزمن الذي تستغرقه كل نبضة للانعكاس عن سطح ما والعودة؛ تُترجم بيانات زمن الرحلة هذه إلى قياسات دقيقة للمسافة، مما يُنشئ سحابة نقاط ثلاثية الأبعاد عالية الدقة للمنطقة الممسوحة ضوئيًا.

كل نبضة تحتاج إلى طاقة. يتم تشغيل صمام الليزر الثنائي أو ليزر الحالة الصلبة بواسطة دائرة تخزن الطاقة في مكثف وتفرغها في الليزر على شكل نبضة قصيرة وعالية التيار. يتم تحديد طاقة النبضة بواسطة المكثف.

بالنسبة لنبضة ليدار نموذجية تبلغ طاقتها بضعة ميكروجول عند عشرات الفولتات، تكون قيمة المكثف متواضعة؛ أما بالنسبة لليدار الطبوغرافي بعيد المدى ذي نبضات ذروة تبلغ كيلوواط عند مئات الفولتات، فيجب أن يخزن المكثف ملي جول ويطلقها في ميكروثانية. في كلتا الحالتين، يتم اختيار المكثف بناءً على النبضة، وليس على أساس الترشيح في الحالة المستقرة.

2. المتطلبات الفنية

2.1 تيار النبض و di/dt. يجب أن يرفع مشغل الليزر التيار إلى ذروته في غضون نانوثانية. تحدد كل من الحث الذاتي المكافئ للمكثف وحث الحلقة معدل تغير التيار (di/dt) الذي يمكن تحقيقه.

2.2 ذروة التيار ومقاومة السلسلة المكافئة (ESR). يُفرغ المكثف شحنته المخزنة خلال عرض النبضة. ويحافظ انخفاض المقاومة المكافئة التسلسلية (ESR) على الطاقة في الليزر بدلاً من المكثف.

2.3 عدد التسديدات طوال العمر. يُطلق نظام الليدار الخاص بالسيارات مليارات النبضات طوال عمر المركبة. كل دورة شحن وتفريغ تُجهد العازل الكهربائي؛ لذا يجب أن يكون الجزء مصممًا لتحمل عدد الدورات.

2.4 البيئة. يجب أن يتحمل نظام الليدار الخاص بالسيارات درجات حرارة تتراوح بين -40 درجة مئوية و+105 درجة مئوية، بالإضافة إلى الاهتزاز والرطوبة؛ بينما يضيف نظام الليدار الطبوغرافي قياس الارتفاع. يجب أن يتوافق نطاق درجة حرارة المكثف ومواصفاته الميكانيكية مع ما يلي:

الشكل 1 - سلسلة طاقة محرك ليزر الليدار: يقوم مكثف التخزين بتغذية المحرك السريع الذي يقوم بتشغيل صمام الليزر الثنائي.

3. نقاط ضعف المهندسين (ملاحظات ميدانية)

4. مقارنة المكثفات

كيفية استخدام هذه المقارنة. بالنسبة لأجهزة الليدار التي يجب أن تقيس بدقة طوال عمر المركبة، يُعدّ النوع الخزفي الخيار الأمثل: فهو مستقر وسريع ومصمم لعدد كبير من النبضات. أما النوع الإلكتروليتي فقد يجتاز الاختبارات المعملية ولكنه يفشل تمامًا عند دخول المركبة في اختبارات التحمل.

5. الاختيار وحل HVC

6. دراسة حالة هندسية (مرجع)

فقدت وحدة ليدار للسيارات 30% من قدرتها على تحديد المدى خلال اختبارات الطقس البارد. وكان السبب الرئيسي هو مكثف تخزين مشغل الليزر: مكثف إلكتروليتي ارتفعت مقاومته الداخلية المكافئة (ESR) بشكل حاد عند درجة حرارة أقل من الصفر المئوي، مما أدى إلى إبطاء حواف النبضة. وقد تم تركيب مكثف تخزين سيراميكي عالي الجهد ذي مقاومة داخلية مكافئة منخفضة ومرحلة نبضات عالية الجهد والتردد العالي (HVCHF) في عملية إعادة البناء.

اجتازت الوحدة الآن جميع متطلبات التأهيل الخاصة بالسيارات. في تقنية الليدار، يُعد مكثف التخزين هو المكون الذي يحول الجهد إلى مدى بصري - حافظ على سرعته واستقراره وقدرته على تحمل عدد اللقطات، وستبقى سحابة النقاط واضحة.

7. اعتبارات التصميم

• طاقة النبض أولاً: ابدأ من طاقة النبضة الضوئية المطلوبة واحسب E = ½CV² مقابل متطلبات تشغيل الصمام الثنائي الليزري.
• انخفاض المقاومة الداخلية المكافئة عند درجة حرارة التشغيل: تحقق من مقاومة المكافئ الكهروكيميائي (ESR) عند أبرد درجة حرارة محيطة متوقعة، وليس فقط عند 25 درجة مئوية.
• معامل حث منخفض للحلقة: حافظ على مكثف التخزين ومحرك الليزر قريبين من بعضهما البعض وعلى الحلقة قصيرة؛ di/dt = V/L_loop هو الحد الأقصى.
• تقييم عدد التسديدات: قم بتقييم الجزء بناءً على العدد الإجمالي للنبضات خلال عمر المنتج مع مراعاة هامش الأمان.
• المؤهلات في مجال السيارات: مطابقة مستوى تأهيل AEC-Q لبقية قائمة المواد.
• الإدارة الحرارية: ضع المحرك والمكثف على الجانب البارد من اللوحة؛ فالتسخين النبضي يتراكم عند معدلات التكرار العالية.

قائمة التحقق من الصحة.

1. قم بقياس طاقة النبضة ووقت الصعود عند درجات حرارة -40 و +25 و +105 درجة مئوية.
2. تحقق من قدرة التحمل لعدد الطلقات عند أعلى معدل تكرار.
3. تحقق من استقرار الطاقة من نبضة إلى أخرى خلال فترة نقع لمدة ساعة واحدة.
4. تأكد من مطابقة حث الحلقة لمتطلبات di/dt.
5. قم بإجراء اختبارات الاهتزاز والرطوبة وفقًا لمواصفات السيارات.

8. المراجع

1. بي إف ماكمانامون، دليل ميداني لتقنية الليدار. بيلينجهام، واشنطن: مطبعة SPIE، 2015.
2. أ. ويتكامب، محرر، تقنية الليدار: الاستشعار البصري عن بعد للغلاف الجوي بدقة عاليةنيويورك: سبرينغر، 2005.
3. إتش. بلوهم، أنظمة الطاقة النبضية: المبادئ والتطبيقاتبرلين، ألمانيا: سبرينغر، 2006.
4. إيك 60384-8، المكثفات الثابتة للاستخدام في المعدات الإلكترونية - الجزء 8: المكثفات الثابتة ذات العازل الخزفي، الفئة 1جنيف: اللجنة الكهروتقنية الدولية، 2011.
5. AEC-Q200، تأهيل اختبار الإجهاد للمكونات السلبيةديترويت، ميشيغان: مجلس إلكترونيات السيارات، 2010.
6. 刘锡三,《高功率脉冲技术》(تقنية النبض عالي الطاقة). 北京: 国防工业出版社، 2005. (بالصينية)

صفحات منتجات HVC ذات الصلة: مكثفات مقابض الأبواب عالية الجهد · مرجعية المكثف.