كبح ضوضاء البلازما في حلقات التغذية الراجعة عالية الجهد في لحام الليزر

كبح ضوضاء البلازما في حلقات التغذية الراجعة عالية الجهد في لحام الليزر

الملخص

يُدخل بلازما اللحام تشويشًا في الإشارات التي تنظم خرج الجهد العالي، وتستجيب الحلقة لهذا التشويش بتعديل خاص بها. توضح هذه المقالة مسارات الحقن الثلاثة، وتقدم حسابات المرشح والفاصل التي تفصل نطاق البلازما عن نطاق التحكم، وتحدد خطوات الاستشعار والترشيح والحماية التي تحافظ على استقرار الكبح مع تغير درجة الحرارة.

1. مقدمة

تُنظّم وحدات اللحام بالليزر ذات الجهد العالي خرجها من خلال حلقة تغذية راجعة تقوم بأخذ عينات من الجهد، ومقارنته بقيمة مرجعية، وضبط مرحلة التبديل. ويُستمد كسب الحلقة، وتردد التقاطع، وهامش الطور من نماذج مرحلة الطاقة والمرشح.

نادراً ما تتضمن هذه النماذج بلازما اللحام. تُعدّ البلازما حملاً غير خطي متغير مع الزمن، وتُدخل ضوضاءً في الإشارات التي تعتمد عليها الدائرة. يتراوح تردد وميضها بين 1 كيلوهرتز و100 كيلوهرتز مع نبضات تصل إلى نطاق الميغاهرتز، وتُعدّل ديناميكيات قوسها تيار الحمل، وتتصل مجالاتها بالموصلات غير المحمية.

تترتب على ذلك نتيجتان: أولاً، يظهر تموج ناتج عن البلازما في الجهد المأخوذ، ما يجعل الحلقة تقرأ ضوضاء الحمل كخطأ في الخرج وتصححها بناءً على تأثير وهمي، الأمر الذي يُضيف تذبذبًا إلى اضطراب اللحام. ثانيًا، يقترن المكون المُشع بعقدة الاستشعار ذات المعاوقة العالية، حيث تتجاوز بضعة ميلي فولتات عتبة الخطأ، ما يؤدي إلى تنظيم خاطئ.

تُظهر البيانات المقاسة من ماكينات اللحام العاملة مدى التفاوت. ففي وحدة بقدرة 10 كيلوواط، حملت عقدة التغذية الراجعة ضوضاء بلازما تتراوح بين 150 و250 ملي فولت على إشارة استشعار 1 فولت. ثم عدّل خرج الجهد العالي بنسبة ±5% من قدرة اللحام، وتفاوت عمق الاختراق بمقدار 0.2 مم، وهو ما يتجاوز حدود اللحام في صناعات الطيران والفضاء والسيارات.

2. الآلية الأساسية

2.1 مسارات الحقن في عقدة التغذية الراجعة

يقوم مسار الحمل بتعديل تيار الخرج، ويقوم المقسم بأخذ عينات من التموج الناتج عن ذلك على ناقل البيانات:

V_noise = ΔI_plasma × Z_bus(f)

حيث V_noise هو جهد الضوضاء عند عقدة الاستشعار، وΔI_plasma هو تأرجح تيار البلازما، وZ_bus(f) هي مقاومة ناقل البيانات عند ذلك التردد. عند 2 أمبير ومقاومة ناقل بيانات 0.1 أوم عند 5 كيلوهرتز، يكون V_noise مساويًا لـ 200 مللي فولت.

يربط المسار المشع مجال القوس الكهربائي بأسلاك الاستشعار:

V_pickup = h_eff × E_arc

حيث V_pickup هو الجهد المقترن، و h_eff هو الارتفاع الفعال لهوائي حلقة الاستشعار، و E_arc هو المجال الكهربائي الناتج عن القوس الكهربائي. عند 10 سم و 5 فولت/متر، تصل أسوأ حالة إلى 0.5 فولت. يُضيف مسار التأريض حدًا ثالثًا، لأن تيار اللحام يعود عبر الإطار ويعوّض تأريض الاستشعار.

2.2 بنية المرشح وتردد القطع

تقوم مرشحة تمرير منخفضة من الدرجة الثانية سلبية عند عقدة الاستشعار برفض نطاق البلازما مع تمرير نطاق التحكم:

f_c = 1 / (2π × √(R1 × C1 × R2 × C2))

حيث f_c هو تردد القطع، وR1 وR2 هما المقاومتان المتصلتان على التوالي، وC1 وC2 هما المكثفان المتصلان على التوازي. عند R = 100 كيلو أوم وC = 160 بيكو فاراد، يكون تردد القطع 9.9 كيلو هرتز، مما يُضعف نطاق البلازما عند 100 كيلو هرتز بمقدار 40 ديسيبل، ويترك نطاق التنظيم دون تغيير عند أقل من 1 كيلو هرتز.

عندما يتركز وميض البلازما عند تردد معروف، فإن شقًا مزدوجًا على شكل حرف T يضيف رفضًا دون تحميل نطاق التحكم:

f_notch = 1 / (2π × R × C)

حيث f_notch هو تردد مركز الشق. عند R = 100 كيلو أوم و C = 320 بيكوفاراد، يقع الشق عند 5 كيلو هرتز ويزيل 30 ديسيبل من خط البلازما السائد.

2.3 انحراف زاوية المرشح

تقع مكونات المرشح في مسار التغذية الراجعة، لذا فإن تفاوتها وانحرافها يدخلان الحلقة مباشرةً. تتحرك الزاوية بالجذر التربيعي لحاصل ضرب المكثفات.

f_c ∝ 1 / √(C1 × C2)

حيث f_c هو تردد القطع، وC1 وC2 هما مكثفات الترشيح. تفقد سيراميكات الفئة الثانية 20% من قيمتها مع ارتفاع درجة حرارة الجهاز، مما يرفع تردد القطع من 9.9 كيلوهرتز إلى 12.4 كيلوهرتز. يقع نطاق البلازما حينها ضمن نطاق التمرير في اللحظة التي يكون فيها اللحام في أقصى قوته.

يؤدي الانحراف نفسه إلى زيادة الطور عند نقطة التقاطع، لذا فإن استخدام مرشح مصنوع من مكونات من الفئة الثانية يُبطل الهامش المقاس. أما مكون من الفئة الأولى بمعامل ±30 جزءًا في المليون/درجة مئوية، فيُحدث انحرافًا بنسبة 0.3% على مدى 100 درجة مئوية، ويحافظ على الزاوية ضمن نطاق 0.5%.

2.4 رفض الوضع المشترك

يؤدي تيار اللحام العائد عبر الإطار إلى رفع جهد التأريض الخاص بالحساس بمقدار 5 إلى 8 فولت فوق جهد التأريض الخاص بالتحكم. تعمل وحدة التحكم الأمامية التفاضلية على تخفيف هذا الفرق بنسبة رفضها.

V_residual = V_cm / 10^(CMRR / 20)

حيث V_residual هو جهد الوضع المشترك الذي يبقى بعد المرحلة الأمامية، وV_cm هو فرق جهد الأرض، وCMRR هي نسبة الرفض بالديسيبل. عند إزاحة 8 فولت ورفض 90 ديسيبل، يصل 0.25 ملي فولت إلى المرشح، بانخفاض عن 8 فولت.

الشكل 1 - تموج ناقل البيانات والتقاط القوس يضعان 150 إلى 250 مللي فولت على خط استشعار 1 فولت؛ أخذ العينات التفاضلي، وشق 5 كيلو هرتز، ومرشحات الفئة الأولى تزيل التنظيم الوهمي الذي يلي ذلك.

3. نقاط الضعف الهندسية

نقطة الضعف الأولى: الحلقة تنظم ضد أخطاء البلازما الوهمية

مع وجود ضوضاء بلازما بقيمة 200 ملي فولت على إشارة استشعار بقيمة 1 فولت، يقوم المُكامل بتجميع الضوضاء، ويتغير خرج الإشارة بتردد وميض البلازما. والنتيجة المسموعة هي صوت يشبه صوت محرك قارب، أما النتيجة المطبوعة فهي تذبذب في طاقة اللحام بنسبة ±5% يُعزى إلى طريقة اللحام.

المشكلة الثانية: انحراف مكونات المرشح وإعادة فتح مسار الضوضاء

يفقد المرشح المصنوع من السيراميك من الفئة الثانية كفاءته مع ارتفاع درجة حرارة الجهاز. المرشح المضبوط على 9.9 كيلوهرتز عند بدء التشغيل البارد، يصبح عند 12.4 كيلوهرتز عند درجة حرارة التشغيل، ويعود نطاق البلازما إلى نطاق التمرير في اللحظة التي تصل فيها قوة اللحام إلى أقصى حد.

المشكلة الثالثة: الضوضاء الأرضية ذات النمط المشترك تعيق الاستشعار أحادي الطرف

عندما يشير خط الاستشعار إلى أرضي يحمل جهد عودة اللحام من 5 إلى 8 فولت، يقوم أخذ العينات أحادي الطرف بتقويم الإزاحة ودفع المُضخِّم إلى التشبع. عندئذٍ، تتناوب الآلة بين حالات الفصل الخاطئ وفترات النطاق الميت، ولا يمكن لخط لحام الإنتاج العمل بدون أي منهما.

المشكلة الرابعة: تصفية تعارضات عرض النطاق الترددي مع الاستجابة العابرة

يؤدي الترشيح الذي يُنقي بيانات التغذية الراجعة إلى إبطاء استجابة الحلقة لتغيرات الحمل الفعلية. وتستغرق التصاميم التي تستخدم ترشيحًا مفرطًا وقتًا أطول بمقدار الضعف عند بدء اللحام، مما يجعل أول 10 مم من كل وصلة ضعيفة وغير مطابقة للمواصفات.

4. خطوات التصميم

الاستراتيجية 1: أخذ عينات تفاضلية باستخدام واجهة أمامية ذات معدل رفض مشترك مرتفع

استخدم التغذية الراجعة عبر زوج تفاضلي مع رفض الوضع المشترك أعلى من 90 ديسيبل عند 10 كيلوهرتز. هذا يزيل مكون الأرض من 5 إلى 8 فولت قبل أن يراه المرشح، وتقلل قياسات التحديث من إجمالي ضوضاء التغذية الراجعة بنسبة 60%. استخدم مُطابقًا مقاوم ذو طبقة سميكة قم بتركيب زوج في المقسم بحيث تتناسب النسبة مع درجة الحرارة.

الاستراتيجية الثانية: ضبط نطاق التردد على تردد البلازما المقاس

قم بقياس طيف الوميض عند بدء التشغيل، والذي يُظهر عادةً خطًا رئيسيًا بين 2 كيلوهرتز و8 كيلوهرتز، ثم ضع مرشحًا مزدوجًا على شكل حرف T عند هذا النطاق. يعمل مرشح 30 ديسيبل على إزالة المكون الدوري الذي يُشغّل تنظيم الطاقة الوهمية، بينما تحافظ الحلقة على عرض نطاقها الترددي أقل من 1 كيلوهرتز.

الاستراتيجية الثالثة: استخدام مكثفات من الفئة الأولى عند كل عقدة مرشح

تحديد N4700 سيراميك من الفئة الأولى بمعامل تبديد لا يتجاوز 0.1% ومعامل ±30 جزءًا في المليون/درجة مئوية لموضعي المرشح والفصل. وبذلك، لا تتجاوز درجة حرارة الزاوية 0.5%، لذا فإن الكبح المقاس في المختبر هو نفسه الكبح المُطبق في موقع اللحام.

الاستراتيجية الرابعة: فصل عقدة الاستشعار محلياً

ضع مكثفًا سعته 1 نانو فاراد مباشرةً عبر عقدة الاستشعار إلى الأرض من خلال الجانب المنخفض للمقسم، مما يؤدي إلى تحويل إشارة البلازما عالية التردد قبل المضخم. يحافظ انخفاض الحث الكهروستاتيكي المكافئ (ESL) على فعالية التحويلة في نطاق الميغاهرتز، حيث تحدث انفجارات قوس البلازما. مكثف الفيلم في هذا الوضع، يصبح حثيًا ويتوقف عن التحويل فوق 1 ميجاهرتز.

الاستراتيجية الخامسة: تقسيم الحلقة لتلبية متطلبات الاستجابة العابرة والضوضاء

قم بتشغيل حلقة تيار داخلية سريعة للاستجابة العابرة وحلقة جهد خارجية بطيئة للتنظيم. ثم يتم وضع مرشح الضوضاء في الحلقة الخارجية، حيث لا يؤثر استهلاك عرض النطاق الترددي على إبطاء الاستجابة العابرة لبدء اللحام.

الاستراتيجية السادسة: حماية وتوجيه زوج الحواس

قم بتوصيل أسلاك الاستشعار كزوج ملتوي محمي ومؤرض من أحد طرفيه، واحرص على إبعادها عن أسلاك الجهد العالي وأسلاك طاقة اللحام. يؤدي هذا، بالإضافة إلى الاستشعار التفاضلي، إلى خفض الجهد المشع الملتقط من 0.5 فولت إلى أقل من 10 مللي فولت.

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 لحلقات التغذية الراجعة الخالية من الضوضاء

ثلاثة متطلبات تحدد الاختيار عند هذه العقدة: زاوية تبقى عند ترددها الأصلي، ومقاومة تحويل تعمل ضمن نطاق الميغاهرتز، ومقسم جهد يحمل كامل طاقة الخرج. تقوم شركة HVC بتصنيع مكونات N4700 (T3M) من الفئة الأولى على قاعدة SrTiO3 لهذا الجهاز، في مصنع مملوك لها بمساحة 6,000 متر مربع في دونغقوان، ضمن نطاق جهد يتراوح من 1 كيلوفولت إلى 100 كيلوفولت.

ستة معايير مهمة هنا

• استقرار المرشح. معامل ±30 جزء في المليون/درجة مئوية وعامل تبديد عند أو أقل من 0.1% يحافظ على الزاوية داخل 0.5% عبر نطاق العمل.
• فصل الإشارات في نطاق الميغاهرتز. تعمل العبوات ذات الحث الكهروستاتيكي المكافئ الأقل من 30 نانو هنري والسعة المستوية التردد على استنزاف البلازما قبل وصولها إلى المضخم.
• لا يصدر عنها أي ضوضاء تفريغ خاصة بها. يمنع فحص التفريغ الجزئي في المصنع، والذي يقل عن 5 بيكو كولوم عند الجهد المقنن، أجزاء الترشيح والفصل من إضافة دفعات إلى الإشارة التي تقوم بتنقيتها.
• قدرة الجهد في مسار مقسم الجهد. بالنسبة لمقسمات الجهد الحسية من 3 كيلو فولت إلى 20 كيلو فولت، طرف توصيل لولبي المكثفات مقابض الابواب وتحمل الأقراص ذات الرصاص الشعاعي كامل إمكانات الإخراج مع تسرب متوازي ضئيل، لذلك تبقى نسبة المقسم ثابتة.
• قيم مخصصة لضبط الحلقة بدقة. يقوم نظام HVC بإنشاء مجموعات مخصصة من السعة والجهد بحيث يمكن ضبط زاوية معينة على طيف البلازما المقاس لمنصة الآلة، ويتم اختيار المجموعات المتطابقة بدقة ±1%.
• خبرة واسعة في برامج الإصلاح الميداني. تتوافق قطع غيار HVC مع المعايير الكهربائية وأبعاد العبوة لـ موراتا المكثفات اللولبية المستخدمة في إصلاح مصادر الضوء في الطباعة الحجرية.

التوصيل والدعم

تُشحن القيم القياسية خلال 4-8 أسابيع، والقيم المخصصة خلال 6-10 أسابيع. يدعم قسم هندسة تطبيقات HVC اختيار المرشحات ومكثفات الحجب، وتصميم فصل الإشارات، وقياس المعاوقة عند تردد التقاطع.

أرسل مستوى الاستشعار، ونطاق وميض البلازما، وإزاحة التأريض، وتردد التقاطع، والكمية. تُرسل HVC أرقام القطع مع بيانات المعاوقة، وتقريرًا عن التفاوتات المحددة، وعينات للتحقق من صحة النموذج الأولي في غضون خمسة أيام عمل.

6. أسئلة مكررة

س1: ما مقدار التشويش الذي يسببه بلازما اللحام على إشارة التغذية الراجعة؟

في ماكينة لحام بقدرة 10 كيلوواط، يتراوح الجهد بين 150 و250 ملي فولت على خط استشعار بجهد 1 فولت. يحدد مسار الحمل هذا الرقم: تيار 2 أمبير من تموج البلازما على مقاومة ناقل تبلغ 0.1 أوم ينتج عنه 200 ملي فولت، ويضيف مجال القوس الكهربائي جهدًا يصل إلى 0.5 فولت على حلقة غير محمية بطول 10 سم.

س2: لماذا يتذبذب المقياس عندما تكون البلازما صاخبة؟

يقوم جهاز التكامل بتجميع التشويش كخطأ في الخرج، ثم يصححه باستخدام نموذج وهمي، بحيث يتغير الخرج بتردد وميض البلازما. والنتيجة المرئية هي ±5% من قدرة اللحام و0.2 مم من تباين الاختراق.

س3: أين يجب وضع مرشح الشق؟

عند تردد البلازما المقاس، والذي يتراوح عادةً بين 2 و8 كيلوهرتز، في حلقة الجهد الخارجية. تعمل فتحة مزدوجة على شكل حرف T على إزالة 30 ديسيبل من خط الوميض السائد مع الحفاظ على عرض نطاق الحلقة نفسه دون تغيير عند الترددات الأقل من 1 كيلوهرتز.

س4: لماذا لا يتم ترشيح إشارة التغذية الراجعة بشكل أكثر دقة؟

لأن الدائرة تستجيب حينها لتغيرات الحمل الحقيقية ببطء. تستقر مصادر التغذية ذات الترشيح الزائد ببطء مضاعف عند بدء اللحام، مما يجعل أول 10 مم من اللحام ضعيفة. بدلاً من ذلك، قسّم الدائرة: دائرة تيار داخلية سريعة، ودائرة جهد خارجية مُرشّحة.

س5: هل تُحرك السيراميك من الفئة الثانية الزاوية إلى هذا الحد فعلاً؟

نعم. يؤدي فقدان السعة بنسبة 20% إلى رفع تردد القطع لمرشح من الدرجة الثانية من 9.9 كيلوهرتز إلى 12.4 كيلوهرتز، لأن تردد القطع يتحرك مع الجذر التربيعي العكسي لحاصل ضرب السعة. وبالتالي، يقع نطاق البلازما داخل نطاق التمرير.

س6: ما الذي يزيل مكون الحلقة الأرضية؟

وحدة أمامية تفاضلية ذات رفض للنمط المشترك يزيد عن 90 ديسيبل عند 10 كيلوهرتز. تعمل على تخفيف إزاحة عودة اللحام البالغة 8 فولت إلى 0.25 مللي فولت، وتؤدي عمليات التحديث التي أضافت استشعارًا تفاضليًا إلى خفض إجمالي ضوضاء التغذية الراجعة بنسبة 60%.

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. ر. ساراثي و ج. كوبرونديفي، دراسة نشاط التفريغ الجزئي لجزيء موصل منفرد في زيت المحولات تحت تأثير جهد التيار المستمر باستخدام تقنية الترددات العالية جدًا، مجلة IET للعلوم والقياس والتكنولوجيا، المجلد 3، العدد 5، الصفحات 325-333، 2009. https://doi.org/10.1049/iet-smt.2008.0136.
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. AND9800/D — اختيار مكثف التخميد لتطبيقات محركات القيادة (جدول 15 بيانات الاختبار)، onsemi، AND9800-D، https://m.onsemi.jp/pub/Collateral/AND9800-D.PDF .
8. طلب توصية بشأن دائرة التخميد لحماية شريحة Infineon FF300R17KE4P، مجتمع مطوري Infineon، https://community.infineon.com/t5/IGBT/Request-for-Snubber-Circuit-Recommendation-for-Protecting-Infineon-FF300R17KE4P/td-p/1241451 .
9. غيغابايت / تي 7354-2018، أفضل الأسعار في العالم. المصدر: 中国标准出版社، 2018.
10. جي. دانتونا و إل. بيرفيتو، تحديد موقع التفريغ الجزئي في مفاتيح التبديل المعزولة باستخدام طريقة توسيع الدوال الذاتية، مجلة IEEE للمعاملات في مجال الأجهزة والقياس، المجلد 68، العدد 5، الصفحات 1294-1301، 2019. https://doi.org/10.1109/tim.2019.2904806.
11. فريق هندسة تطبيقات HVC، الجهد العالي السيراميك المكثفات الموارد الفنيةhttps://www.hv-caps.com