Utilizzo di condensatori a disco ad alta tensione nei duplicatori/quadruplicatori di tensione a semionda e nei sistemi laser ad eccimeri

I sistemi laser possono imporre richieste estreme sui loro componenti, specialmente nei circuiti di trasmissione di potenza. Per i processi di accumulo e scarica di energia, i condensatori a disco sono un'ottima scelta grazie alla loro elevata capacità, al basso fattore di dissipazione e altro ancora. In questo articolo, scopri una panoramica sulla più recente tecnologia dei condensatori a disco di Vishay, utilizzata in applicazioni ad alta tensione fino a 50 kV.

Introduzione

I condensatori a disco ad alta tensione sono utilizzati in una serie di applicazioni che richiedono una capacità operativa fino a 50 kV, una capacità superiore a 5000 pF, una bassa induttanza e un fattore di dissipazione (DF) ben al di sotto dello 0,5 %. In questo white paper, ci concentreremo sul loro impiego per l'accumulo e la scarica di energia in applicazioni per sistemi laser. Inoltre, verranno considerati i moltiplicatori di tensione a mezza onda, che sono circuiti moltiplicatori di tensione costituiti da due diodi, due condensatori e una sorgente di tensione CA in ingresso. Utilizzati in una vasta gamma di applicazioni tra cui sistemi a raggi X, alimentatori ad alta tensione, acceleratori di particelle e pompe a ioni, l'ampiezza della tensione in uscita di questi circuiti è il doppio rispetto all'ampiezza della tensione in ingresso. Inoltre, esploreremo il loro utilizzo nei quadruplicatori di tensione che includono un ulteriore stadio diodo-condensatore.

Raddoppiatore di Tensione a Semionda

Il diagramma del circuito di un raddoppiatore di tensione a semionda è mostrato nella figura sottostante. Durante il semiperiodo positivo, il diodo D1 è polarizzato direttamente, quindi la corrente lo attraversa. Questa corrente fluirà verso il condensatore C1 e lo caricherà al valore di picco della tensione di ingresso VM. Tuttavia, la corrente non fluisce verso il condensatore C2 perché il diodo D2 è polarizzato inversamente. Pertanto, il diodo D2 blocca la corrente che potrebbe fluire verso il condensatore C2. Di conseguenza, durante il semiperiodo positivo, il condensatore C1 viene caricato, mentre il condensatore C2 resta scarico.

Durante la semionda negativa, il diodo D1 è polarizzato inversamente. Pertanto, durante la semionda negativa, il condensatore C1 non verrà caricato. Tuttavia, la carica (Qm) immagazzinata nel condensatore C1 viene scaricata. D2 è polarizzato direttamente durante la semionda negativa, quindi il condensatore C2 si carica fino a un valore di 2 VM poiché la tensione di ingresso VM e la tensione del condensatore C1 (VM) si sommano sul condensatore C2. Di conseguenza, durante la semionda negativa, il condensatore C2 viene caricato sia dalla tensione di alimentazione in ingresso VM sia dalla tensione sul condensatore C1.
Pertanto, il condensatore C2 si carica fino a 2 VM.
Se un carico è collegato al circuito dal lato uscita, la carica (2 VM) immagazzinata nel condensatore C2 viene scaricata e fluisce verso l'uscita.
Durante la successiva semionda positiva, il diodo D1 è polarizzato direttamente e il diodo D2 è polarizzato inversamente. Quindi, il condensatore C1 si carica fino a VM, mentre il condensatore C2 non verrà caricato. Tuttavia, la carica (2 VM) immagazzinata nel condensatore C2 verrà scaricata e fluirà verso il carico di uscita. Di conseguenza, il raddoppiatore di tensione a semionda fornisce una tensione di 2 VM al carico di uscita.
Esempio di progettazione
Diodi: 2CL74

Condensatori: HVCC103Y6P202KEAX

Per un ingresso VM = 1000 Vpicco abbiamo: Vo = 2(1000 V) = 2 kV

Aggiungere Fasi Aggiuntive - Moltiplicatore di Tensione Quadruplo

Il moltiplicatore di tensione può essere ottenuto aggiungendo un ulteriore stadio di diodi e condensatori al circuito duplicatore di tensione. Pertanto, con questa configurazione, è possibile aggiungere un numero N di stadi per ottenere una tensione di uscita Vo = VMN, dove N è il numero di stadi aggiunti al duplicatore di tensione iniziale. Il funzionamento del circuito è il seguente. Durante la prima semionda positiva del segnale AC di ingresso, il diodo D1 è polarizzato direttamente, mentre i diodi D2, D3 e D4 sono polarizzati inversamente. Di conseguenza, il diodo D1 consente il passaggio della corrente attraverso di sé. Questa corrente fluirà verso il condensatore C1, caricandolo fino al valore di picco della tensione di ingresso VM.

Durante la prima semionda negativa, il diodo D2 è polarizzato direttamente mentre i diodi D1, D3 e D4 sono polarizzati inversamente. Di conseguenza, il diodo D2 permette il passaggio della corrente. Questa corrente fluirà verso il condensatore C2 e lo caricherà. Il condensatore C2 si carica al doppio della tensione di picco del segnale di ingresso (2 VM). Questo perché la carica (VM) immagazzinata nel condensatore C1 viene scaricata durante la semionda negativa. Pertanto, la tensione del condensatore C1 (VM) e la tensione di ingresso (VM) si sommano nel condensatore C2. Tensione condensatore + tensione ingresso = VM + VM = 2 VM. Di conseguenza, il condensatore C2 si carica a 2 VM.
Durante la seconda semionda positiva, il diodo D3 è polarizzato direttamente mentre i diodi D1, D2 e D4 sono polarizzati inversamente. Il diodo D1 è polarizzato inversamente perché la tensione al nodo tra C1 e D1 è negativa a causa della tensione VM su C1, e i diodi D2 e D4 sono polarizzati inversamente a causa della loro orientazione. Di conseguenza, la tensione (2 VM) sul condensatore C2 viene scaricata. Questa carica fluirà verso il condensatore C3 e lo caricherà alla stessa tensione di 2 VM.
Durante la seconda semionda negativa, i diodi D2 e D4 sono polarizzati direttamente, mentre i diodi D1 e D3 sono polarizzati inversamente. Di conseguenza, la carica (2 VM) immagazzinata nel condensatore C3 viene scaricata. Questa carica fluirà verso il condensatore C4 e lo caricherà alla stessa tensione (2 VM).
I condensatori C2 e C4 sono in serie e la tensione di uscita viene prelevata attraverso i due condensatori in serie, C2 e C4. La tensione sul condensatore C2 è 2 VM e quella su C4 è 2 VM. Pertanto, la tensione di uscita totale è uguale alla somma delle tensioni dei condensatori C2 e C4.
2 VM + 2 VM = 4 VM = VO
Esempio di Progetto
Diodi: 2CL74

Condensatori: HVCC103Y6P202KEAX

Per VM = 1000 V picco in ingresso abbiamo: VO = 2(1000 V) + 2(1000 V) = 4 kV

Laser a eccimeri

L'azione laser in una molecola di eccimero si verifica perché possiede uno stato eccitato legato (associativo), ma uno stato fondamentale repulsivo (dissociativo). I gas nobili come lo xeno e il krypton sono altamente inerti e di norma non formano composti chimici. Tuttavia, quando si trovano in uno stato eccitato (indotto da scariche elettriche o da fasci di elettroni ad alta energia), possono formare molecole temporaneamente legate con loro stessi (eccimero) o con gli alogeni (ecciplessi) come fluoro e cloro. Il composto eccitato può rilasciare l'energia in eccesso subendo un'emissione spontanea o stimolata, risultando in una molecola in uno stato fondamentale fortemente repulsivo che molto rapidamente (nell'ordine del picosecondo) si dissocia nuovamente in due atomi non legati. Questo forma un'inversione di popolazione.

Nel caso di iniziazione dello stato eccitato tramite scarica elettrica, la configurazione di base del circuito è mostrata di seguito, dove il condensatore di accumulo, tipicamente un banco di accumulo, viene utilizzato in una lampada flash.

Il banco di condensatori menzionato può essere configurato con i condensatori ceramici a disco di classe 2 della serie 715C di Vishay, selezionati con il valore di capacità, la tensione nominale e il tipo di ceramica appropriati.
I metodi più comunemente utilizzati per caricare i condensatori nelle applicazioni a impulsi sono la scarica completa e la scarica parziale. La scarica completa, come suggerisce il nome, consente al condensatore di essere scaricato a zero per ogni ciclo. L'alimentatore viene quindi attivato, il condensatore viene caricato fino alla tensione impostata e il ciclo di scarica viene ripetuto. L'interruttore ad alta tensione è di solito un SCR, oppure un Thyratron per applicazioni a tensione più elevata.
Il metodo della scarica parziale sfrutta gli interruttori a semiconduttore per attivare e disattivare la scarica dal condensatore al carico, consentendo al progettista di variare la larghezza dell'impulso insieme all'energia erogata. Il condensatore specificato è solitamente abbastanza grande da prelevare solo una piccola percentuale dell'energia durante ogni ciclo. Da qui il nome “scarica parziale.” In entrambi i casi, si possono utilizzare formule standard per determinare la dimensione dell'alimentatore e calcolare il tempo di carica. Il modo più semplice per stimare la quantità di energia necessaria per un'applicazione è utilizzare queste formule.
ESEMPIO DI PROGETTAZIONE: IMPULSO DA 2,5 kV
Alimentatore: Lumina CCPF-1500-XX

Condensatori: Vishay 715C10KTD80

Per un sistema che utilizza un banco di 20 condensatori con 8000 pF per condensatore, abbiamo C = 0,16 μF. E, caricando questo banco a 2,5 kV, si ottiene la seguente energia per impulso:
Energia/impulso = 1/2 CV² = 0,5(1,6 x 10^-5F)(2500 V)² = 50 J
I condensatori verranno caricati e successivamente scaricati nella lampada flash del sistema. La frequenza di questo processo di carica/scarica è definita come frequenza di ripetizione (rep rate). Pertanto, il tasso di carica viene calcolato come segue:
Tasso di carica = (energia/impulso)(frequenza di ripetizione)
Quando:
C è la capacità del condensatore in farad
V è la tensione di carica richiesta
La frequenza di ripetizione è in Hz Per un sistema da 20 Hz con l'energia per impulso sopra indicata, abbiamo:
Tasso di carica = (50 J)(20 Hz) = 1000 J/s
Questa formula non tiene conto di alcun tempo morto (tempo di assestamento), che è generalmente richiesto nella maggior parte dei sistemi. Pertanto, in molte applicazioni a bassa frequenza di ripetizione, scegliere un alimentatore leggermente più grande è la scelta migliore. In questo caso, un alimentatore da 1500 J/s sarebbe un buon modello da specificare.
Nel caso di un'applicazione a scarica parziale, la durata del tempo in cui il condensatore è consentito scaricarsi determina la quantità di energia necessaria per ricaricare il condensatore alla tensione impostata. La durata degli impulsi può variare da diverse centinaia di microsecondi a decine di millisecondi, con un corrispondente calo (droop) di tensione. In generale, il calcolo dell'energia di ricarica può essere eseguito utilizzando la formula:
E_Ricarica = 1/2CL (V²_max. - V²_d)
Quando:
V_max. è la tensione massima
V_d è la tensione minima dopo il calo
Ora, per il sistema sopra, assumendo un calo fino a 1 kV, abbiamo:
E_Ricarica = 0,5(1,6 x 10^-5F)(2500²-1000²)=42 J

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