مجموعات مقسمات شبكات المقاومات ذات الأغشية السميكة عالية الجهد

مجموعات مقسمات شبكات المقاومات ذات الأغشية السميكة عالية الجهد

الملخص

تتطلب مقسمات الجهد وشبكات التسريب ومصفوفات التدرج دقة عالية في دوائر قياس الجهد العالي ودوائر التحيز. تشرح هذه المقالة إمكانيات شبكات المقاومات ذات الأغشية السميكة ومجموعات مقسمات الجهد، والأسس الفيزيائية التي تمنح الغشاء المطبوع دقته واستقراره، والتحديات الرئيسية في تصميم مقسمات الجهد، وكيفية اختيار عائلة شبكات HVC HVR والتحقق من صحتها.

1. سياق التطبيق: الدقة عند الجهد العالي

في مجال الإلكترونيات عالية الجهد، يتزايد الطلب باستمرار على مكونات قادرة على العمل بكفاءة ودقة تحت ضغط كهربائي شديد. ويُعدّ تطوير هذه المكونات وتحسينها أمرًا بالغ الأهمية لتقدم العديد من الصناعات، بدءًا من أنظمة التصوير الطبي والأتمتة الصناعية وصولًا إلى البنية التحتية للاتصالات والأجهزة العلمية. ومن بين هذه المكونات الأساسية، تُشكّل شبكات المقاومات ذات الأغشية السميكة عالية الجهد، ومصفوفات المقاومات، ومجموعات مقسمات الجهد المتخصصة، ومكثفات السيراميك عالية الجهد، منظومةً أساسيةً، حيث يؤدي كلٌّ منها دورًا متميزًا ومتكاملًا في ضمان سلامة النظام ودقته وأمانه.

تمثل التقنية الكامنة وراء المقاومات ذات الأغشية السميكة نقلة نوعية في مجال تحقيق الاستقرار والأداء الأمثل في البيئات الكهربائية القاسية. على عكس نظيراتها ذات الأغشية الرقيقة، تُصنع المقاومات ذات الأغشية السميكة عن طريق طباعة معجون مقاوم متخصص، يتكون عادةً من مزيج من أكاسيد المعادن وفتات الزجاج، على ركيزة خزفية. توفر هذه الركيزة، المصنوعة غالبًا من الألومينا عالية النقاء، قوة ميكانيكية استثنائية وموصلية حرارية فائقة، ويمكن قص الغشاء المطبوع بالليزر بدقة متناهية وحمايته بطبقة زجاجية واقية.

2. المتطلبات الفنية

2.1 دقة النسبة من خلال الشبكات المتطابقة. لا تكون دقة مقسم الجهد إلا بقدر دقة النسبة بين نصفيه. تقوم الشبكة أو المجموعة بضبط كلا العنصرين على نفس الركيزة باستخدام نفس العملية، لذا فإن النسبة تكون أدق بكثير من مقاومة تم شراؤها بشكل منفصل.

2.2 تتبع معامل مقاومة درجة الحرارة عبر درجات الحرارة. حتى النسبة المثالية عند 25 درجة مئوية تتغير إذا كان للعنصرين معاملات حرارية مختلفة. الشبكات المتطابقة تتبع بعضها البعض، لذا تظل نسبة المقسم ثابتة ضمن نطاق التشغيل.

2.3 فرق الجهد لكل عنصر. يجب أن يتحمل كل عنصر في الشبكة حصته من الجهد المطبق دون حدوث وميض سطحي. يعمل التصميم المسطح على نشر الغشاء على مسار زحف طويل، بينما يلف التصميم الأنبوبي الغشاء حول جسم أسطواني لتوفير مسافة أمان أكبر.

2.4 القوة والاستقرار. تعمل طبقة الألومينا على توصيل الحرارة بعيدًا عن الغشاء، مما يسمح للشبكة بتبديد الطاقة الفعلية بينما يحمي الطلاء الزجاجي الغشاء من الرطوبة والتلوث. والنتيجة هي مكون يحافظ على قيمته لسنوات من الخدمة المتواصلة.

الشكل 1 - شبكة فاصلة ذات طبقة سميكة وبنية الطبقات لعنصر HVR.

3. نقاط ضعف المهندسين (ملاحظات ميدانية)

4. مقارنة المكونات: خيارات شبكة التقسيم

5. الاختيار وحل HVC

6. دراسة حالة هندسية

قامت إحدى الشركات المصنعة لأجهزة اختبار الجهد العالي بتصميم مسبار جهد 50 كيلوفولت، يستخدم مقسم الجهد فيه سلسلة متصلة من عشرة مقاومات محورية منفصلة. وقد فشل المسبار في المعايرة مرتين سنوياً: حيث انحرفت النسبة مع تغير درجة الحرارة بسبب اختلاف معاملات المقاومات العشرة، كما حدث شرر كهربائي داخلي في واحد من كل خمسة مسابير عند نقاط اللحام بين العناصر، وهو ما لم يتمكن فريق الصيانة من اكتشافه إلا بفتح المسبار وفحص كل نقطة لحام على حدة.

أدى التصميم الجديد إلى استبدال الخيط بمجموعة فاصلة مسطحة واحدة من نوع HVC، تم قصها كزوج متطابق على ركيزة واحدة، وأعاد تأهيل المسبار على مدار عام كامل:

كان هناك نتيجتان مهمتان تتجاوزان مجرد الأرقام. أولاً، سمحت النسبة المتطابقة للمسبار بالحفاظ على معايرته طوال عام تشغيل كامل، مما أدى إلى توقف العملاء عن إرسال الوحدات لإعادة اعتمادها موسمياً، وأصبحت مواصفات دقة الجهاز المنشورة موثوقة في الميدان. ثانياً، أدى إلغاء السلك الداخلي إلى القضاء تماماً على عطل القوس الكهربائي؛ وانخفضت تكلفة ضمان المسبار بشكل حاد، وأثبت جسم الزحف الطويل ذو السلك الواحد مقاومةً أكبر بكثير للرطوبة مقارنةً بالسلسلة الملحومة القديمة. أصبحت مجموعة المقسم الآن هي المعيار لجميع أنواع المسابير.

7. اعتبارات التصميم

• نسبة التفاوت المسموح به: بالنسبة لدوائر القياس، حدد نسبة المقسم واستقرار درجة حرارته، وليس فقط قيم المقاومة الفردية.
• خطأ في التحميل: حافظ على المقاومة الكلية للمقسم عالية بما يكفي بحيث لا يؤدي المصدر وحمل العداد إلى تغيير النسبة؛ R1 + R2 هو قرار تصميمي، وليس افتراضيًا.
• الزحف والتطهير: تحقق من زحف الجسم عند الجهد المطبق وارتفاع التشغيل؛ يحتاج الجسم الطويل والنحيف إلى بيئة نظيفة وجافة.
• تخفيض القدرة الكهربائية: يجب أن تقوم الشبكة بتبديد تيار المقسم؛ وتخفيض الطاقة مع درجة الحرارة المحيطة وتوفير تدفق الهواء حيث ترتفع درجة حرارة المجموعة.
• حماية: يجب أن يقترن مقسم الجهد العالي بمسار تفريغ التسريب، وعند حدوث عابرات محتملة، يجب وضع فجوة شرارة أو MOV عبر المدخل.
• طريقة القياس: تحقق من النسبة عند جهد التشغيل الفعلي، لأن تسرب المجال والسطح يمكن أن يؤدي إلى تحيز مقسم المعاوقة العالية.

8. المراجع

• IEC 60115-1:2020، المقاومات الثابتة للاستخدام في المعدات الإلكترونية - الجزء 1: المواصفات العامة.
• IEC 60060-1:2010، تقنيات اختبار الجهد العالي - الجزء 1: التعريفات العامة ومتطلبات الاختبار.
• ب. هورويتز و و. هيل، فن الإلكترونيات، الطبعة الثالثة، مطبعة جامعة كامبريدج، 2015.
• 陈景亮等, 高电压试验技术, 中国电力出版社, 2005.
• ورقة بيانات المقاومات عالية الجهد HVC ذات الشكل المسطح، HVC مكثف، 2024.
• ورقة بيانات عن أنبوب مقاوم الجهد العالي HVC، مكثف HVC، 2024.

صفحات منتجات HVC ذات الصلة: مكثفات قرصية سيراميكية عالية الجهد.