تصغير مضاعفات الجهد العالي لوحدات القطع بالليزر المحمولة

تصغير مضاعفات الجهد العالي لوحدات القطع بالليزر المحمولة

الملخص

يحتاج الليزر المحمول إلى نفس جهد الإثارة الذي يتراوح بين 3 و15 كيلوفولت الذي يحتاجه جهاز الليزر الثابت، وذلك من وحدة يمكن للفني حملها، ويحدد مُضاعِف الجهد العالي حجم هذه الوحدة. تتناول هذه المقالة حسابات المرحلة والانخفاض، والمفاضلة الحجمية بين مراحل الأغشية والسيراميك، والآثار الحرارية والميكانيكية للضغط، والتأهيل الذي يضمن موثوقية التشغيل الميداني.

1. مقدمة

انتقلت أنظمة الليزر المحمولة، التي تشمل مسدسات الوسم اليدوية، وأجهزة الليزر الليفي المحمولة على الظهر، ووحدات الإصلاح المتنقلة، من قاعات الآلات إلى مواقع الخدمة الميدانية، وأحواض بناء السفن، والتصنيع في الموقع. وهي توفر نفس جهد الإثارة الذي يتراوح بين 3 و15 كيلوفولت الذي توفره نظيراتها الصناعية، وذلك من خلال جهاز يحمله شخص واحد.

يقوم مضاعف الجهد العالي بتحويل خرج العاكس ذي الجهد المنخفض إلى تيار مستمر، ويتم تحديد مستوى هذا التيار بواسطة مكثفاته. وتُعد طوبولوجيا كوكروفت-والتون هي الأساس هنا: حيث تقوم N مرحلة من أزواج الثنائيات والمكثفات بمضاعفة دخل التيار المتردد إلى N ضعف قيمته القصوى.

للحصول على جهد 12 كيلوفولت من مصدر تيار متردد بجهد 2.4 كيلوفولت، يلزم خمس مراحل، ويجب أن يتحمل مكثف كل مرحلة ضعف جهد المرحلة. تخزن الأجزاء الفيلمية 0.1 جول/سم³، لذا تشغل مكثفات المراحل وحدها حجمًا يتراوح بين 400 و800 سم³ وتزن ما بين 1.5 و3 كجم، مما يستلزم وجود وحدة مضاعفة مستقلة.

إنّ التصغير هو ما يجعل هذه الفئة من المنتجات ممكنة. فكل سنتيمتر مكعب وكل غرام يُعاد إلى الحقيبة يُساهم في زيادة عمر البطارية، وتحسين راحة الحمل، وتصغير حجمها. لكنّ الضغط له عيوبه أيضاً، وهذه المقالة تُحدد هذه العيوب بالكمية إلى جانب التصميم الذي يتجنبها.

2. الآلية الأساسية

2.1 جهد الخرج تحت الحمل

تفقد سلسلة التيار المستمر الجهد أثناء توصيلها للتيار، ويزداد هذا الفقد بشكل حاد مع ازدياد عدد المراحل:

V_droop = (I_load / (6 × f × C_stage)) × (4N³ + 3N² − N)

حيث V_droop هو فقد التنظيم، وI_load هو تيار الحمل، وf هو تردد التشغيل، وC_stage هي سعة المرحلة، وN هو عدد المراحل. عند N = 5، وf = 100 كيلوهرتز، وC_stage = 4.7 نانوفاراد، فإن حملاً بقيمة 1 مللي أمبير يستهلك 202 فولت من خرج 12 كيلوفولت، والسبب هو الحد التكعيبي.

2.2 ضغط المرحلة من مدخل تيار متردد أعلى

يؤدي رفع ذروة التيار المتردد إلى تقليل عدد المراحل: عند V_peak = 3 كيلو فولت، توفر أربع مراحل 12 كيلو فولت، وبالتالي يخزن مكثف كل مرحلة 6 كيلو فولت بدلاً من 4.8 كيلو فولت. مع نفس قوة التشغيل ونفس سعة المكثف البالغة 4.7 نانو فاراد، نحصل على انخفاض جهد مقداره 106 فولت عند 1 مللي أمبير، لأن قيمة (4N³ + 3N² − N) تنخفض من 570 إلى 300. كما أن تقليل عدد المراحل يعني تقليل عدد الثنائيات والوصلات، وبالتالي تقليل طول الدائرة.

2.3 الطاقة المخزنة وتجارة الحجم

يخزن كل مكثف في المرحلة الطاقة التي يجب أن يستوعبها حجم العازل:

E_stage = ½ × C_stage × V_stage²

حيث تمثل E_stage الطاقة المخزنة في مرحلة واحدة، وC_stage سعتها، وV_stage فرق الجهد عبرها. تخزن مرحلة سعتها 4.7 نانوفاراد عند جهد 4.8 كيلوفولت طاقة مقدارها 54 ملي جول. يتناسب حجم العازل الذي يخزن طاقة معينة مع كثافة الطاقة للمادة.

V_bank ∝ 1 / E_v

حيث V_bank هو الحجم الذي تشغله العناصر السعوية، وE_v هي كثافة الطاقة الحجمية. يخزن العازل الفيلمي 0.1 جول/سم³، بينما يخزن السيراميك N4700 من 0.4 إلى 1.2 جول/سم³، لذا فإن نفس الطاقة المخزنة تتسع في عازل أقل بمقدار 3 إلى 8 مرات. هذا ما يُقلل حجم المجموعة المُجمّعة من 400 إلى 800 سم³ إلى حوالي 210 سم³ عند نفس تصنيف الجهد 12 كيلو فولت.

2.4 الرنين الذاتي في نطاق التبديل

تقوم محولات التيار المحمولة بالتبديل بين 50 كيلو هرتز و200 كيلو هرتز لتقليص حجم المحول، لذلك يجب أن تظل مكثفات المرحلة ذات سعة كهربائية عبر هذا النطاق:

f_self = 1 / (2π × √(L_ESL × C_stage))

حيث f_self هو تردد الرنين الذاتي، وL_ESL هو الحث التسلسلي المكافئ، وC_stage هي سعة المرحلة. تظل مرحلة سعتها 1 نانو فاراد وحثها 25 نانو هنري سعوية حتى تردد 31.8 ميجاهرتز، أي أكثر من 300 ضعف تردد التشغيل، وهو التردد الذي يصبح عنده الجزء ذو الغشاء الملفوف حثيًا بالفعل.

الشكل 1 - عند 100 كيلو هرتز و 4.7 نانو فاراد لكل مرحلة، خمس مراحل عند 2.4 كيلو فولت انخفاض 202 فولت عند 1 مللي أمبير، وأربع مراحل عند 3 كيلو فولت انخفاض 106 فولت.

3. نقاط الضعف الهندسية

المشكلة الأولى: حجم مكثف الفيلم يُفقد الجهاز قابليته للحمل.

يشغل مضاعف التيار المستمر ذو المكثف الفيلمي بجهد 12 كيلو فولت مساحة تتراوح بين 400 و800 سم مكعب، ويزن من 1.5 إلى 3 كيلوغرامات. وبتغليفه مع بطاريته، يتجاوز النظام حدود الأمتعة المحمولة، ويرهق المشغل في غضون ساعة، لذا يصبح حجم المضاعف هو الحد الأقصى لحجم المنتج.

النقطة الثانية المؤلمة: تقليص حجم العبوة يزيد من مساحة البقعة الساخنة

يؤدي ضغط المضاعف إلى حجم 210 سم³ إلى إزالة مساحة السطح التي تتسرب منها الحرارة. ثم تشترك مكثفات المرحلة، التي تبدد من 0.5 إلى 1 واط لكل منها عند تردد 100 كيلوهرتز، في تجويف واحد مع الثنائيات والمحول، وتبلغ درجة حرارة البقعة الساخنة 100 درجة مئوية في بيئة مجال حراري تبلغ درجة حرارتها 40 درجة مئوية.

نقطة الضعف الثالثة: اهتزاز المجال وإجهاد التعامل مع السيراميك الهش

تتعرض الوحدات المحمولة للسقوط، والحمل على مركبات تهتز، والوضع على أرض غير مستوية. يجب أن يتحمل الهيكل الخزفي بيئة ميكانيكية لا تتعرض لها آلات الخزائن، وإلا فإن التصغير يوفر المساحة ولكنه يعوض ذلك بأعطال ميدانية.

المشكلة الرابعة: انخفاض شحن البطارية يؤدي إلى عدم استقرار خرج الطاقة تحت الحمل

مع انخفاض شحن البطارية، ينخفض ​​خرج التيار المتردد من العاكس بنسبة تتراوح بين 10% و20%، ويضيف عامل تنظيم المضاعف انخفاضًا يتناسب مع تيار الحمل. ثم ينخفض ​​الخرج إلى ما دون عتبة التشغيل الموثوق للبلازما لحظة طلب المشغل للطاقة الكاملة.

4. خطوات التصميم

الاستراتيجية 1: بناء المراحل من السيراميك من الفئة الأولى N4700

تقوم مكثفات المرحلة الخزفية التي تحمل طاقة تتراوح من 0.4 إلى 1.2 جول/سم³ بضغط سلسلة من خمس مراحل بجهد 12 كيلو فولت إلى حوالي 210 سم³، أي بانخفاض يتراوح من 47% إلى 74% مقارنةً بمجموعة مكثفات فيلمية تتراوح من 400 إلى 800 سم³، وتحافظ على معامل ±30 جزءًا في المليون/درجة مئوية مع عامل تبديد عند أو أقل من 0.1%. قم ببناء المجموعة من N4700 أقراص مصممة لتحمل ضعف جهد المرحلة بالإضافة إلى هامش أمان.

الاستراتيجية الثانية: رفع مدخل التيار المتردد وتقليل عدد المراحل

عند رفع ذروة التيار المتردد من 2.4 كيلو فولت إلى 3 كيلو فولت، ينخفض ​​عدد المراحل من خمس إلى أربع. وينخفض ​​معها عدد المكونات، وينخفض ​​الانخفاض عند 1 مللي أمبير من 202 فولت إلى 106 فولت، وتتحمل كل مرحلة 6 كيلو فولت بدلاً من 4.8 كيلو فولت. وبالتالي، يصبح عدد المكونات أقل. ثنائي سريع الاستعادة تتميز هذه السلسلة ذات المراحل الأربع بسهولة تركيبها وقلة عدد الوصلات التي تحتاج إلى إحكام إغلاقها، مما يجعلها الترتيب الأمثل من حيث الحجم لإخراج محمول بجهد 12 كيلو فولت.

الاستراتيجية الثالثة: ربط المضاعف بالمشتت الحراري

قم بتركيب مكثفات المرحلة والثنائيات على لوحة حرارية مشتركة مزودة بوسادات توصيل سيليكونية، ثم اربط هذه اللوحة بالهيكل. تؤدي القياسات الميدانية لهذا الترتيب إلى خفض درجة حرارة البقعة الساخنة للمضاعف بمقدار 20 إلى 30 درجة مئوية، مما يعيد عمر المكثف الذي استهلكه الضغط. مقابض الابواب مكثف يتم تثبيت جسم طرف التوصيل اللولبي مباشرة على تلك اللوحة عند عقدة الإخراج.

الاستراتيجية الرابعة: التغليف للحماية من الاهتزازات باستخدام دعامة مرنة

يُغلّف المضاعف بمادة لينة موصلة حرارياً، مثل نظام السيليكون، الذي يمتص الصدمات الميكانيكية ويربط العناصر باللوحة في الوقت نفسه. يحوّل هذا التغليف المرن بيئة السقوط والاهتزاز إلى بيئة يتحمل فيها الجسم الخزفي الهشّ الصدمات.

الاستراتيجية الخامسة: أضف مرحلة تعزيز قبل المضاعف

قم بتركيب محول رفع جهد صغير بين البطارية والعاكس لضمان ثبات ذروة التيار المتردد عند 3 كيلو فولت خلال منحنى التفريغ. هذا يزيل انخفاض الجهد الناتج عن انخفاض الجهد، وتُعد نسبة 2% من الكفاءة التي تُفقد مقابل الحصول على طاقة إشعال مستقرة في الساعة الأخيرة من عمر البطارية.

الاستراتيجية السادسة: التأهل باستخدام الصدمات والتغيرات الحرارية

اختبر المضاعف المحمول بصدمة 30 غرام على ستة محاور، و500 ساعة من الحرارة الرطبة عند 85 درجة مئوية ورطوبة نسبية 85%، و5,000 دورة حرارية. الأجزاء التي تجتاز الاختبار بتفريغ جزئي أقل من 5 بيكو كولوم وسعة ضمن ±2% هي الأجزاء المناسبة للاستخدام الميداني. مكثف الفيلم لا يقوم البنك بتسوية نفس حدود الحجم والكتلة.

معلمة المكون	القيمة النموذجية	شرط الاختبار
الجهد المقنن (سلسلة HVCT8G)	10 كيلو فولت العاصمة	جهد عالي 1.5× لمدة 60 ثانية
مواسعة	4700 بيكوفاراد ±20% (472 ميجا)	1 ميجاهرتز، 1 فولت RMS
المقاومة المكافئة التسلسلية عند 1 ميجاهرتز	أقل من 50 ملي أوم	-
محاثة الحلقة (وتر E40)	أقل من 8 نانوهيدروجين	تباعد طرفي 40 مم
مقاومة العزل	أعلى من 10 جيجا أوم عند 500 فولت تيار مستمر	25 درجة مئوية، 60% رطوبة نسبية
نطاق درجة حرارة	40 درجة مئوية إلى +125 درجة مئوية	سلسلة IEC 60068-2
قدرة نبض dv/dt	أعلى من 50 كيلو فولت/ميكروثانية	عند الجهد المقدر

5. مكثفات HVC N4700 للمضاعفات المحمولة

ثلاثة متطلبات تحدد الاختيار عند هذه النقطة: الطاقة لكل سنتيمتر مكعب، ونطاق جهد يصل إلى مرحلة الإخراج، وسعة ثابتة عبر نطاق واسع من درجات حرارة المجال. تقوم شركة HVC بتصنيع مكونات N4700 (T3M) من الفئة الأولى على قاعدة SrTiO3 لهذه المجموعة، في مصنع مملوك لها في دونغقوان بمساحة 6,000 متر مربع، ضمن نطاق جهد يتراوح من 1 كيلوفولت إلى 100 كيلوفولت.

ستة معايير مهمة هنا

• كثافة طاقة تجعل الأجهزة المحمولة ممكنة. تخزن سيراميكات N4700 من 0.4 إلى 1.2 جول/سم³ عند جهد يتراوح من 6 إلى 10 كيلو فولت، وهو الفرق بين مضاعف طاقة يناسب علبة وآخر يحتاج إلى خزانة.
• تصنيفات جهد عالية مدمجة. من مكثفات المرحلة 6 كيلو فولت إلى عناصر الإخراج 40 كيلو فولت، تغطي HVC سلم المضاعف بالكامل في عبوات بحجم مناسب للتجميعات المحمولة باليد.
• سعة ثابتة عبر درجات حرارة الحقل. يحافظ معامل ±30 جزءًا في المليون/درجة مئوية على سعة المرحلة في حدود 0.5% من مواقع الشتاء التي تصل درجة حرارتها إلى -20 درجة مئوية إلى أسطح أحواض بناء السفن التي تصل درجة حرارتها إلى 50 درجة مئوية، لذلك لا يتغير منحنى التنظيم مع الطقس.
• تفريغ جزئي أقل من 5 بيكو كولوم عند الجهد المقنن. يمنع الفحص المصنعي السلسلة المضغوطة من ضغط هامش العزل معها.
• حزم ذات حث مكافئ منخفض. يحافظ الحث المكافئ الأقل من 30 نانو هنري على كفاءة السلسلة عند ترددات التبديل 100 كيلو هرتز وما فوق التي تستخدمها العواكس المحمولة لتقليص حجم محولاتها.
• تتميز هذه القطع بجودتها العالية وسهولة استخدامها في برامج الإصلاح الميداني. تتوفر مجموعات متطابقة وقيم مخصصة، وتتوافق قطع HVC مع المعايير الكهربائية وأبعاد العبوة. موراتا المكثفات اللولبية المستخدمة في إصلاح مصادر الضوء في الطباعة الحجرية.

التوصيل والدعم

تُشحن القيم القياسية خلال 4-8 أسابيع، بينما تُشحن تركيبات الجهد والسعة المخصصة خلال 6-10 أسابيع. يدعم قسم هندسة تطبيقات الجهد العالي اختيار مكثفات المراحل، وحساب كثافة الطاقة، والتركيب الحراري، وتخطيط تأهيل الاهتزازات.

أرسل جهد وتيار الخرج، وسعة وتردد محرك التيار المتردد، وعدد المراحل قيد الدراسة، ودرجة الحرارة المحيطة، وحجم الحاوية، والكمية. تُرسل HVC قائمة بمواد المراحل مع بيانات كثافة الطاقة، وتقارير PD، وعينات للتحقق من صحة النموذج الأولي في غضون خمسة أيام عمل.

6. أسئلة مكررة

س1: كم عدد مراحل CW التي يحتاجها خرج محمول بجهد 12 كيلو فولت؟

خمسة مكثفات عند ذروة تيار متردد 2.4 كيلو فولت، وأربعة مكثفات عند 3 كيلو فولت. كل مكثف مرحلة يحمل ضعف جهد المرحلة، لذا فإن محرك 2.4 كيلو فولت يحتاج إلى أجزاء 4.8 كيلو فولت بالإضافة إلى هامش أمان، ومحرك 3 كيلو فولت يحتاج إلى أجزاء 6 كيلو فولت.

س2: لماذا يعتبر عدد المراحل مهمًا جدًا للتنظيم؟

لأن مصطلح الانخفاض يحمل عاملًا تكعيبيًا. عند تردد 100 كيلوهرتز، وسعة مكثف 4.7 نانوفاراد لكل مرحلة، وحمل 1 مللي أمبير، ينخفض ​​جهد خمس مراحل بمقدار 202 فولت، وينخفض ​​جهد أربع مراحل بمقدار 106 فولت، حيث ينخفض ​​جهد (4N³ + 3N² − N) من 570 إلى 300.

س3: ما مقدار استبدال السيراميك للأغشية الرقيقة من حيث الحجم؟

يخزن السيراميك N4700 طاقة تتراوح بين 0.4 و1.2 جول/سم³ مقابل 0.1 جول/سم³ للأغشية الرقيقة، أي بزيادة تتراوح بين 3 و8 أضعاف في حجم العازل. وينخفض ​​حجم بنك الطاقة المجمع بجهد 12 كيلوفولت من 400 إلى 800 سم³ إلى حوالي 210 سم³، أي بنسبة تتراوح بين 47% و74%.

س4: ما هي النقطة الساخنة التي يصل إليها المضاعف المضغوط؟

تتجاوز درجة الحرارة 100 درجة مئوية في بيئة محيطة 40 درجة مئوية عندما تشترك المراحل والثنائيات والمحول في تجويف صغير واحد. ويؤدي تركيب المراحل على لوحة حرارية مشتركة متصلة بالهيكل إلى خفض درجة الحرارة بمقدار 20 إلى 30 درجة مئوية.

س5: كيف أحافظ على مستوى الإخراج مع استنزاف البطارية؟

حافظ على ثبات ذروة التيار المتردد باستخدام مرحلة رفع جهد صغيرة بين البطارية والعاكس. يمثل انخفاض جهد البطارية من 10% إلى 20% من سعة التيار المتردد، وتضيف مرحلة رفع الجهد تكلفة كفاءة بنسبة 2% للحصول على طاقة إشعال مستقرة في نهاية منحنى التفريغ.

س6: ما هي المؤهلات المناسبة لمضاعف محمول؟

إجهاد ميكانيكي ومناخي مُجتمع: صدمة بقوة 30 غرام على ستة محاور، 500 ساعة عند 85 درجة مئوية ورطوبة نسبية 85%، و5,000 دورة حرارية. يتطلب ذلك تفريغًا جزئيًا أقل من 5 بيكو كولوم وسعة ضمن نطاق ±2% بعد التسلسل.

7. المراجع

1. إي. كوفيل، دبليو إس زينجل، جيه. كوفيل، أساسيات هندسة الجهد العالي، الطبعة الثانية، نيونس، 2000.
2. ن. موهان، تي إم أونديلاند، دبليو بي روبنز، إلكترونيات الطاقة: المحولات والتطبيقات والتصميم، الطبعة الثالثة، وايلي، 3.
3. إشعار رقم 2 من MIL-HDBK-217F، التنبؤ بموثوقية المعدات الإلكترونية، 1995.
4. IEC 60384-1: 2021 ، المكثفات الثابتة للاستخدام في المعدات الإلكترونية - الجزء 1: المواصفات العامة، الطبعة الرابعة. جنيف: اللجنة الكهروتقنية الدولية، 2021.
5. IEC 61071:2017، مكثفات لإلكترونيات الطاقة، الطبعة 2.0. جنيف: اللجنة الكهروتقنية الدولية، 2017.
6. هـ. ليو وآخرون، تأثير المجال الكهرومغناطيسي على سلوك التفريغ الجزئي في مكثفات أغشية BOPP، مجلة IEEE للمعاملات في مجال العوازل الكهربائية، المجلد 30، العدد 6، الصفحات 2617-2624، 2023. https://doi.org/10.1109/tdei.2023.3304600
7. مكثفات غشائية من أنواع MFP للتطبيقات الصعبة، TDK Electronics (EPCOS)، https://www.tdk-electronics.tdk.com/download/1211170/0a03733d8613c569c5a68ff1318e7c46/pdf-en.pdf .
8. دليل مستخدم ليزر الألياف ذو الموجة المستمرة عالي الطاقة من سلسلة ABP (RFL-C3000XZ…RFL-C12000XZ)، رايكوس، http://en.raycuslaser.com/upload/20220303/1ft7e5hfqtll149o12.pdf.
9. ГОСТ IEC 61071-2014, المكثفات الإلكترونية السيلوفية (المكثفات لإلكترونيات الطاقة). موسكو: ستاندارتينفورم، 2014.
10. أندرياس كوشلر، هندسة الجهد العالي: الأساسيات - التكنولوجيا - التطبيقات. برلين: سبرينغر فيو إيغ، 2017.
11. فريق هندسة تطبيقات HVC، الجهد العالي السيراميك المكثفات الموارد الفنيةhttps://www.hv-caps.com