Uso de capacitores de disco de alta tensión en duplicadores / cuadruplicadores de voltaje de media onda y sistemas de láser excimer
Los sistemas láser pueden imponer demandas extremas a sus componentes, especialmente en los circuitos de entrega de energía. Para los procesos de almacenamiento y descarga de energía, los capacitores de disco son una excelente opción debido a su alta capacitancia, bajo factor de disipación y más. En este artículo, obtenga una visión general de la última tecnología de capacitores de disco de Vishay, utilizada en aplicaciones de alto voltaje de hasta 50 kV.
Introducción
Los condensadores de disco de alta tensión se utilizan en una serie de aplicaciones que requieren capacidad de operación con voltajes de hasta 50 kV, capacitancia superior a 5000 pF, baja inductancia y un factor de disipación (DF) muy por debajo del 0,5 %. En este documento técnico, nos centraremos en su uso para almacenamiento y descarga de energía en aplicaciones de sistemas láser. Además, se considerarán los duplicadores de tensión de media onda, que son circuitos multiplicadores de tensión compuestos por dos diodos, dos condensadores y una fuente de tensión de entrada de CA. Estos circuitos, presentes en una variedad de aplicaciones que incluyen sistemas de rayos X, fuentes de alimentación de alta tensión, aceleradores de partículas y bombas de iones, generan una amplitud de tensión de salida que es el doble de la amplitud de tensión de entrada. Además, exploraremos su uso en cuadruplicadores de tensión, los cuales incluyen una etapa adicional de diodo-condensador.
Duplicador de Voltaje de Media Onda
El diagrama del circuito de un duplicador de voltaje de media onda se muestra en la figura siguiente. Durante el semiciclo positivo, el diodo D1 está polarizado en directa, por lo que la corriente fluye a través de él. Esta corriente fluirá hacia el condensador C1 y lo cargará al valor máximo del voltaje de entrada VM. Sin embargo, la corriente no fluye hacia el condensador C2 porque el diodo D2 está polarizado en inversa. Entonces, el diodo D2 bloquea la corriente que fluye hacia el condensador C2. Por lo tanto, durante el semiciclo positivo, el condensador C1 se carga, mientras que el condensador C2 permanece sin cargar.
Durante el semiciclo negativo, el diodo D1 está en polarización inversa. Por lo tanto, durante el semiciclo negativo, el condensador C1 no se cargará. Sin embargo, la carga (Qm) almacenada en el condensador C1 se descarga. D2 está en polarización directa durante el semiciclo negativo, por lo que el condensador C2 se carga a un valor de 2 VM porque el voltaje de entrada VM y el voltaje del condensador C1 VM se suman al condensador C2. Por lo tanto, durante el semiciclo negativo, el condensador C2 se carga tanto con el voltaje de suministro de entrada VM como con el voltaje en el condensador C1.
Por lo tanto, el condensador C2 se carga a 2 VM.
Si se conecta una carga al circuito en el lado de salida, la carga (2 VM) almacenada en el condensador C2 se descarga y fluye hacia la salida.
Durante el siguiente semiciclo positivo, el diodo D1 está en polarización directa y el diodo D2 está en polarización inversa. Así, el condensador C1 se carga a VM, mientras que el condensador C2 no se cargará. Sin embargo, la carga (2 VM) almacenada en el condensador C2 se descargará y fluirá hacia la carga de salida. Por lo tanto, el duplicador de voltaje de media onda suministra un voltaje de 2 VM a la carga de salida.
Ejemplo de diseño
Diodos: 2CL74
Condensadores: HVCC103Y6P202KEAX
Para VM = 1000 Vpeak de entrada tenemos: Vo = 2(1000 V) = 2 kV
Añadiendo Etapas Adicionales - Multiplicador de Voltaje por Cuatro
El multiplicador de voltaje por cuatro se puede obtener añadiendo una etapa más de diodo-condensador al circuito duplicador de voltaje. Así, con esta configuración, se pueden añadir N etapas para obtener un voltaje de salida de Vo = VMN, donde N es el número de etapas añadidas al duplicador de voltaje inicial. El funcionamiento del circuito es el siguiente. Durante el primer semicírculo positivo de la señal de entrada de CA, el diodo D1 está polarizado en directo, mientras que los diodos D2, D3 y D4 están polarizados en inverso. Por lo tanto, el diodo D1 permite el paso de la corriente a través de él. Esta corriente fluirá hacia el condensador C1 y lo cargará al valor pico del voltaje de entrada VM.
Durante el primer semiciclo negativo, el diodo D2 está polarizado directamente y los diodos D1, D3 y D4 están polarizados inversamente. Por lo tanto, el diodo D2 permite el paso de corriente a través de él. Esta corriente fluirá hacia el condensador C2 y lo cargará. El condensador C2 se carga al doble del voltaje pico de la señal de entrada (2 VM). Esto se debe a que la carga (VM) almacenada en el condensador C1 se descarga durante el semiciclo negativo. Por lo tanto, el voltaje del condensador C1 (VM) y el voltaje de entrada (VM) se suman en el condensador C2. Voltaje del condensador + voltaje de entrada = VM + VM = 2 VM. Como resultado, el condensador C2 se carga a 2 VM.
Durante el segundo semiciclo positivo, el diodo D3 está polarizado directamente y los diodos D1, D2 y D4 están polarizados inversamente. El diodo D1 está polarizado inversamente porque el voltaje en el nodo de C1 y D1 es negativo debido al voltaje VM a través de C1, y los diodos D2 y D4 están polarizados inversamente debido a su orientación. Como resultado, el voltaje (2 VM) a través del condensador C2 se descarga. Esta carga fluirá hacia el condensador C3 y lo cargará al mismo voltaje de 2 VM.
Durante el segundo semiciclo negativo, los diodos D2 y D4 están polarizados directamente, mientras que los diodos D1 y D3 están polarizados inversamente. Como resultado, la carga (2 VM) almacenada en el condensador C3 se descarga. Esta carga fluirá hacia el condensador C4 y lo cargará al mismo voltaje (2 VM).
Los condensadores C2 y C4 están en serie y el voltaje de salida se toma a través de los dos condensadores en serie conectados C2 y C4. El voltaje a través del condensador C2 es 2 VM y el del condensador C4 es 2 VM. Por lo tanto, el voltaje total de salida es igual a la suma del voltaje del condensador C2 y del condensador C4.
2 VM + 2 VM = 4 VM = VO
Ejemplo de diseño
Diodos: 2CL74
Condensadores: HVCC103Y6P202KEAX
Para VM = 1000 Vpico de entrada tenemos: VO = 2(1000 V) + 2(1000 V) = 4 kV
Láseres Excimer
La acción láser en una molécula de excímero ocurre porque tiene un estado excitado enlazado (asociativo), pero un estado fundamental repulsivo (disociativo). Los gases nobles como el xenón y el criptón son altamente inertes y usualmente no forman compuestos químicos. Sin embargo, cuando están en un estado excitado (inducido por descarga eléctrica o haces de electrones de alta energía), pueden formar moléculas temporalmente enlazadas consigo mismos (excímero) o con halógenos (exciplex) como el flúor y el cloro. El compuesto excitado puede liberar su exceso de energía mediante emisión espontánea o estimulada, lo que resulta en una molécula en estado fundamental fuertemente repulsivo que muy rápidamente (en el orden de un picosegundo) se disocia de nuevo en dos átomos no enlazados. Esto forma una inversión de población.
En el caso de iniciar el estado excitado con descarga eléctrica, la topología básica del circuito se muestra a continuación, donde el condensador de almacenamiento, típicamente un banco de almacenamiento, se utiliza en una lámpara de destello.
El banco de capacitores mencionado puede configurarse con los capacitores de disco cerámico de clase 2 de la serie 715C de Vishay, cuando se seleccionan con el valor de capacitancia adecuado, clasificación de voltaje y tipo de cerámica.
Los métodos más comúnmente usados para cargar capacitores en aplicaciones pulsadas son la descarga completa y la descarga parcial. La descarga completa, como su nombre lo indica, permite que el capacitor se descargue a cero en cada pulso. Luego, se habilita la fuente de alimentación, el capacitor se carga al voltaje establecido y se repite el ciclo de descarga. El interruptor de alto voltaje es usualmente un SCR o un Thyraton para aplicaciones de mayor voltaje.
El método de descarga parcial aprovecha los interruptores semiconductores para activar y desactivar la descarga del capacitor hacia la carga, permitiendo al diseñador variar el ancho del pulso junto con la energía entregada. El capacitor especificado suele ser lo suficientemente grande como para que solo un pequeño porcentaje de la energía sea extraído en cada pulso. De ahí el nombre "descarga parcial". En ambos casos, se pueden utilizar fórmulas estándar para determinar el tamaño de la fuente de alimentación y calcular el tiempo de carga. La forma más sencilla de estimar la cantidad de energía necesaria para una aplicación es usar estas fórmulas.
EJEMPLO DE DISEÑO: PULSO DE 2.5 kV
Fuente de alimentación: Lumina CCPF-1500-XX
Condensadores: Vishay 715C10KTD80
Para un sistema que utiliza un banco de 20 condensadores con 8000 pF por condensador, tenemos C = 0,16 μF. Y, al cargar este banco a 2,5 kV se obtiene la siguiente energía por pulso:
Energía/pulso = 1/2 CV2 = 0,5(1,6 x 10-5F)(2500 V)2 = 50 j
Los condensadores se cargarán y luego se descargarán en la lámpara de destello del sistema. La frecuencia de este proceso de carga / descarga es la tasa de repetición. Por lo tanto, la tasa de carga se calcula de la siguiente manera:
Tasa de carga = (energía/pulso)(tasa de repetición)
Cuando:
C es el condensador en faradios
V es el voltaje de carga requerido
Tasa de repetición en Hz Para un sistema de 20 Hz con la energía por pulso indicada anteriormente, tenemos:
Tasa de carga = (50 j)(20 Hz) = 1000 j/s
Esta fórmula no considera ningún tiempo muerto (tiempo de asentamiento), que generalmente se requiere en la mayoría de los sistemas. Por lo tanto, en la mayoría de las aplicaciones de baja tasa de repetición, seleccionar una fuente de alimentación ligeramente más grande es la mejor opción. En este caso, la fuente de alimentación de 1500 j/s sería un buen modelo a especificar.
En el caso de una aplicación de descarga parcial, el período de tiempo que se permite que el condensador se descargue determina la cantidad de energía necesaria para recargar el condensador al voltaje establecido. Los anchos de pulso pueden variar desde varios cientos de microsegundos hasta decenas de milisegundos, con una caída correspondiente en el voltaje. En general, el cálculo de la energía de recarga se puede hacer usando la fórmula:
ERecarga = 1/2CL (V2 máx. - V2 d)
Cuando:
Vmáx. es el voltaje máximo
Vd es el voltaje mínimo de caída
Ahora, para el sistema anterior, asumiendo una caída a 1 kV, tenemos:
ERecarga = 0,5(1,6 x 10-5F)(25002-10002)=42 j
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