レーザー分配器および共有チェーン用高電圧厚膜抵抗器

レーザー分配器および共有チェーン用高電圧厚膜抵抗器

抽象

高電圧厚膜抵抗器は、CO2レーザー電源において3つの役割を果たします。制御ループ用にレール電圧を数ボルトまで分圧し、乗算器チェーン全体に逆電圧を分配し、電源オフ後に蓄積された電荷を放電します。これらの各役割によってドリフトの制限値が設定されます。本稿では、電圧係数と温度係数、湿度漏洩経路、ブリーダ回路の計算式、および耐用期間全体にわたって分圧比を0.5%以内に抑えるための選択手順について説明します。

はじめに

CO2レーザー電源は、厚膜抵抗器による分圧回路を通して自身の出力を測定します。この回路は10kVを数ボルトに降圧し、制御ループはその値を読み取ります。回路内のあらゆる誤差は、電源電圧の誤差となります。

同じ部品がさらに2箇所に登場します。共有抵抗は、乗算器チェーンの各段間で逆電圧を均一に保ちます。ブリーダ抵抗は、電源オフ後にフィルタコンデンサの電圧を安全な値まで放電するため、サービスエンジニアがフルレール電圧に遭遇するのを防ぎます。

選定は抵抗値と定格電力だけで終わることが多い。しかし、使用中に問題となるのは電圧係数と温度係数の2つのパラメータである。例えば、−100 ppm/Vの部品は10 kVで5%の損失を生じ、その結果、回路は5%高い電圧を補正することになる。

この記事では、精度を決定する3つのパラメータ、緩い制限値から生じる6つの不具合、および除算比率を維持するための選択とスクリーニングの手順について説明します。

2. コアメカニズム

2.1 抵抗の電圧係数

電圧係数は、印加電圧によって抵抗値がどれだけ変化するかを示す指標である。

VCR = (R_V − R_0) / (R_0 · V) · 10⁶

ここで、VCRはppm/V単位の電圧係数、R_Vは動作電圧における抵抗値（Ω）、R_0は1V未満の試験電圧における抵抗値（Ω）、Vは動作電圧（V）である。

標準的な厚膜部品は、−50～−200 ppm/Vの電圧変動幅を持ちます。10 kVでは、この変動幅は−5%～−20%に達します。高電圧用途向けに製造された部品は、−5～−20 ppm/Vの電圧変動幅を持ち、10 kVでの変動幅は0.2%未満に抑えられます。

分圧比は抵抗値に比例する。

K = R_low / (R_high + R_low)

ここで、Kは分圧比、R_highはハイサイドチェーンの全抵抗（Ω）、R_lowはローサイド抵抗（Ω）です。ハイサイド値が5%変化すると、フィードバック信号も5%変化し、ループはレールに5%の誤差で応答します。

2.2 抵抗の温度係数

温度係数は、周囲の熱によって抵抗値がどれだけ変化するかを示す指標です。

TCR = (R_T − R_25) / (R_25 · (T − 25)) · 10⁶

ここで、TCRは温度係数（ppm/°C）、R_Tは温度Tにおける抵抗値（Ω）、R_25は25°C基準における抵抗値（Ω）、Tは温度（°C）である。

標準部品の温度変化は±100～±300 ppm/℃です。工業用工場内のレーザー電源は、冬期には10℃、密閉されたキャビネット内では50℃まで変化し、その温度範囲は40℃にもなります。

ΔR/R = TCR · ΔT

ここで、ΔR/Rは相対変化率、TCRはppm/°C単位の係数、ΔTは°C単位の温度範囲です。200 ppm/°Cで40°Cの範囲では、値は0.8%変化します。±50 ppm/°Cの範囲では、同じ範囲で0.2%変化します。

1 GΩの分圧回路で0.8%のずれが生じると、比率が0.8%変化し、その結果、寒い朝にはループ回路がレールを目標値から0.8%離れた位置に保持する。

2.3 湿った空気中の表面漏れ

表面絶縁体は抵抗器本体と平行に配置されており、表面の湿気によって絶縁体の表面抵抗が低下する。

I_surface = V / R_surface

ここで、I_surfaceは表面漏洩電流（μA）、Vは印加電圧（V）、R_surfaceは表面絶縁抵抗（MΩ）である。

10 kVの電圧で100 MΩの分圧抵抗器を動作させた場合、抵抗器本体には100 µAの電流が流れます。湿った空気中で表面抵抗が1 GΩまで低下すると、表面抵抗に10 µAが加算され、実効値が10%変化します。エポキシ樹脂またはシリコーン樹脂でコーティングすると、85 °C、85% RHの環境下でも表面抵抗が10 GΩ以上に維持されるため、漏洩電流は本体電流の1%未満に抑えられます。

2.4 パルスストレスと長期ドリフト

このフィルムには、定常直流電圧に加えて、レールからのパルス成分が流れます。パルスによる繰り返しのストレスによって銀イオンがフィルム内を移動し、微細な亀裂が形成され、どちらも抵抗値を上昇させます。定格ドリフト率が1,000時間あたり0.1%の高電圧部品は、10年間にわたって分圧比を維持します。一方、1,000時間あたり1%の標準部品では、分圧比は維持されません。

図1 — 1つの厚膜部品は3つの役割を果たします。分圧器は比率を-20 ppm/Vに設定し、共有分岐には125 kΩ、ブリーダには77 Wで1.3 MΩが必要です。

3. エンジニアリング上の課題

問題点1：分割比がずれるとレールもそれに追従する

−100 ppm/V のハイサイドチェーンは、10 kV でその値の 10% を失います。フィードバック信号は低くなり、ループはデューティサイクルを上げ、レールは設定値を超えます。チューブを過負荷にする放電負荷の下では、切断品質が低下します。

問題点２：ある段に過剰な電圧がかかる

8段構成の回路では、抵抗値の高い共有抵抗器は流れる電流が少なくなるため、その段で遮断される電圧も少なくなり、その差は隣接する段に伝わります。高電圧側のダイオードが最初に破壊され、新品のユニットを工場で検査しても異常は検出されません。

問題点３：湿度によって比率が１０％変化する

抵抗器本体の湿潤表面膜は、10 kVの電圧印加時に10 µAの電流を流し、本体電流は100 µAである。そのため、測定値は天候によって変動し、固定補正では保持できない。ガードリングとコーティングされた本体は、この変動経路を排除する。

問題点4：出血量が多いほど、安全性とパワーのトレードオフが生じる

ブリーダーバルブが大きすぎると、電源を切った後も数分間レール電圧が60V以上になり、サービスエンジニアにとって感電の危険があります。一方、ブリーダーバルブが小さすぎると、通常動作時に数十ワットの電力を消費し、大きな本体とヒートシンクが必要になります。

問題点5：VCRはシリーズ全体で費用がかさむ

10kVの回路は、それぞれ500Vの抵抗器20個に電圧を分割します。各部品は同じ方向に変動するため、ドリフトは加算されます。部品1個あたり-5%の変動は回路全体で-5%の変動となり、分圧比もそれに合わせて変化します。

問題点6：フィルムが数ヶ月かけて劣化する

パルス応力と熱サイクルによってフィルムに微細な亀裂が生じる。抵抗値は徐々に上昇し、分圧比は校正点からずれていく。この故障は初期兆候がなく、6～12ヶ月の連続運転後に発生する。

4. 設計手順

戦略1：値の前にVCRとTCRの制限を設定する

仕様書に許容範囲を記載してください。VCRは-20 ppm/V以内、TCRは±100 ppm/℃以内とします。-100 ppm/Vの分圧抵抗器は10 kVで5%変動しますが、負荷変動に追従するため、いかなる校正手順でもこの変動を取り除くことはできません。

戦略2：リークスプレッドから共有抵抗のサイズを決定する

シェア電流は、ステージのリーク電流のスプレッドを10倍以上上回らなければならない。

R_balance = V_stage / (10 · I_leak_max)

ここで、R_balanceは共有抵抗（Ω）、V_stageは段ごとの電圧（V）、I_leak_maxは最高温度における最悪の場合のリーク電流（A）です。段ごとに1.25 kV、リーク電流が1 µAの場合、値は125 kΩになります。

その抵抗器の通常の消費電力を定格の50%以下に抑え、1つのチェーン内のすべての抵抗器を、ばらつきが±0.5%未満の単一の生産ロットから取り出すこと。

戦略3：安全時間とパワーに基づいてブリーダーのサイズを決定する

2つの制約によって値が決定されます。レールはサービスウィンドウ内の安全なレベルまで低下する必要があり、抵抗器は待機電力を流す必要があります。

R_bleed = t_max / (C_total · ln(V_rated / V_safe))

ここで、R_bleedはブリーダ抵抗（Ω）、t_maxは放電時間（秒）、C_totalはフィルタの総容量（F）、V_ratedはレール電圧（V）、V_safeは安全レベル（V）です。10 nF、10 kV、許容時間60秒、安全レベル60 Vの場合、値は約1.3 MΩになります。

P_bleed = V_rated² / R_bleed

ここで、P_bleedはW単位の定常損失です。1.3 MΩの両端に10 kVを印加すると、ブリーダは77 Wを消費するため、この部品には150 Wの定格または直並列バンクが必要です。

戦略4：ボディーコーティングとリングガード

湿度の高い場所では、コーティングまたはカプセル化された筐体を選択してください。基板上の高電圧抵抗器の周囲に接地されたガードリングを追加し、表面漏洩電流がサンプリングノードに到達する前に接地されるようにします。ガードリングは沿面距離経路の外側に配置する必要があります。そうしないと、ガードリングの目的が損なわれてしまいます。

戦略5：組み立て前にロットを熟成させる

定格電圧および定格温度で48時間から96時間のエージング試験を実施します。試験前後の抵抗値を測定し、±0.5%を超える変動が見られるユニットは不良品として除外します。この選別により、薄膜や基板との接合が弱いユニット、つまり使用中にドリフトが発生するユニットが除去されます。

戦略6：チェーンの周りのパーツを合わせる

N4700を使用する セラミックディスクコンデンサ フィルタ段では、パルスストレス下でも段電圧が値を保持し、分圧器には安定したレール電圧が供給されます。HVRGXPを使用してチェーン電流を検出します。 サンプリング抵抗器これにより、温度範囲全体にわたって測定値が±1%以内に収まります。

コンポーネントパラメータ	標準値	試験条件
定格出力（HVRシリーズ）	50 W @ 70 °C	アルミハウジング、フリーエア
抵抗値	10 kΩ ±5%	25℃基準
使用電圧	10 kV AC/DC	連続的な
パルス耐性	30 kV @ 10 µs	10パルス、IEC 60110クラス
温度係数（抵抗）	±50ppm /°C	−55℃～+155℃
絶縁抵抗	1000V DCで1GΩ以上	最小沿面距離 25 mm
サージ電流耐性	100 A @ 1 ms	非誘導巻線

5. 分圧回路および共有回路用HVC厚膜抵抗器

HVCは、分割サンプリング、チェーン共有、ブリーダー用途向けにHVRGFPおよびHVRGXPシリーズを製造しており、精度を左右する係数を保有しています。1kVから150kVまでの範囲で、東莞にある6,000m²の自社工場から産業用レーザーOEM向けに大量出荷を行っています。

ここで重要な6つのパラメータ

• VCRは-20 ppm/V以内です。動作電圧10 kVにおいて、単体ユニットの変動は0.2%未満、チェーン変動は0.5%未満に抑えられ、レールは設定値に維持されます。
• TCRは±100 ppm/℃以内、HVRGFPシリーズでは±50 ppm/℃です。-20℃から+70℃の範囲では±0.9%以内の変動にとどまるため、冬期および夏季の環境下でもレールは安定しています。
• 抵抗値範囲は100kΩ～10GΩ、単体電圧定格は10kV～40kVです。ユニットあたりの定格電圧範囲が広いため、直列接続部品の数を減らし、それに伴う電圧変動を低減できます。
• HVRGFPシリーズの定格出力は1Wから10W、HVRGXPシリーズは10Wから50Wです。77Wのブリーダー回路には3つの部品が必要となり、20個の小型ユニットをバンクさせるという選択肢はもはや唯一のものではありません。
• コーティングされた本体において、85℃、相対湿度85%の環境下で1,000時間経過後も、表面絶縁抵抗は10GΩ以上を維持します。湿潤な工業用工場内においても、漏洩電流は本体電流の1%未満に抑えられます。
• 協調した部品。 HVCT8G この部分は乗算ステージを担い、 整流ダイオード 回復時間を100ナノ秒未満に抑え、あるサプライヤーはスタックについて文書化している。

配送とサポート

標準部品は4〜8週間で出荷され、カスタム抵抗または電圧クラスは6〜10週間で出荷されます。注文には、ロットごとにVCRおよびTCRレポート、湿熱絶縁値、1,000時間のドリフト記録、および クロスリファレンス 主要ブランドの同等部品との比較表。

分圧比、レール電圧、チェーン段数、および周囲温度範囲を送信してください。HVCは、各項目のVCRおよびTCRデータ、ブリーダ演算、および分圧精度テスト用の2つのサンプルユニットを含む抵抗リストを返します。

6。 よくある質問

Q1：レールが上昇すると、なぜ分割比が変化するのですか？

電圧係数によるものです。−100 ppm/V の部品は 10 kV で値の 5% を失うため、フィードバック信号が低下し、ループがレールを持ち上げます。−20 ppm/V の部品は同じ電圧で 0.2% しか失わないため、分圧比は 0.5% 以内に収まります。

Q2：周囲温度が40℃変動すると、どれくらいのドリフトが発生しますか？

ΔR/R = TCR · ΔT。200 ppm/℃で40℃を超えると値は0.8%変化し、±50 ppm/℃では0.2%変化します。1 GΩのチェーンでは、最初の数値はレールの0.8%の誤差となり、10 kV出力では80 Vになります。

Q3：共有抵抗器のサイズはどのように決めればよいですか？

R_balance = V_stage / (10 · I_leak_max)。共有電流は漏洩スプレッドの10倍以上でなければならないため、1ステージあたり1.25 kV、漏洩電流1 µAの場合、値は125 kΩになります。定格の50%未満に保持し、チェーン全体を1つのロットから取り出します。

Q4：ブリーダ抵抗器のサイズはどのように決めればよいですか？

安全時間と定格電力から判断すると、10 nF、10 kV、60 秒、60 V の安全レベルでは抵抗は約 1.3 MΩ となり、この部分は通常動作時に 77 W を消費します。150 W の本体がそれを支えているか、または 3 つの小さな部品がそれを共有しています。

Q5：雨天時に測定値が変動するのはなぜですか？

表面漏洩電流は、本体と並列に発生します。10 kVの電圧では、表面抵抗が1 GΩの場合、本体電流100 µAに対して10 µAの電流が流れ、実効値が10%上昇します。本体にコーティングを施し、ガードリングを接地することで、この経路の電流を本体電流の1%未満に抑えることができます。

Q6：画面の劣化はどのような現象を引き起こしますか？

薄膜または膜と基板の接合が弱いユニットの場合、定格電圧および定格温度で48時間から96時間動作させ、動作前後の抵抗値を比較します。±0.5%を超える変動を示すユニットは、現場でドリフトが継続するため、工場でのスクリーニングで除去されます。

7。 リファレンス

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