Высоковольтные системы

Категория:
Производство радиоаппаратуры


Высоковольтные системы

Если при работе электронного блока наблюдается образование дуги или искрение, то это часто связано с рядом неучтенных при проектировании факторов. Инженер, разрабатывающий макет схемы и способ ее герметизации, может существенно улучшить надежность аппаратуры, если он предугадает возможность возникновения искрения, дугового перекрытия или пробоя диэлектрика в высоковольтных блоках.

Искрением называется электрический пробой изолирующей среды (такой, как воздух или масло), окружающей компоненты, находящиеся при разных напряжениях. Этот электрический разряд может сопровождаться вспышкой и характерным звуком. Перекрытие дугой представляет собой электрический разряд по поверхности твердого диэлектрика. Обугливание изоляции при перекрытии дугой существенно ухудшает свойства диэлектрика. Диэлектрический пробой наблюдается, когда поданное напряжение превышает диэлектрическую прочность изолирующего материала. Если твердый диэлектрик имеет прокол, то изолирующая способность его уменьшается и продолжающаяся утечка (цепь постоянного короткого замыкания для дуги)приводит к полному пробою. Если компоненты должны противостоять перемежающимся перегрузкам, диэлектрики должны обладать способностью восстанавливать свои свойства.

Как разработчики, так и производственники ответственны за возникновение условий, при которых может наблюдаться возникновение дуги и пробой.

Служба контроля также несет определенную долю ответственности, поскольку именно ее сотрудники должны поставить в известность разработчиков и производственников о симптомах искрения и условиях, приводящих к нему при испытании аппаратуры.

Сборка высоковольтных плат и компонентов должна подчиняться следующим правилам:
— выбор видов монтажа, размеров, типов провода и требований к изоляции должен обеспечить соблюдение электрических требований к схеме;
— необходимо разделять импульсные и высоковольтные кабели друг от друга и от других монтажных проводов;
— для обеспечения условий экранирования и заземления стоек, шасси, кабелей и компонентов нужно использовать специальные принципы проектирования;
— необходимо предварительно планировать расположение компонентов, чтобы оставить место для размещения и подсоединения изготовленных заранее многожильных кабелей (или проводов при монтаже от точки к точке);
— точки с высоким импедансом необходимо изолировать, а все пути утечки свести к минимуму;
— важно выбрать соответствующий изолирующий материал, однако едва ли не более важно использовать правильный метод конструирования деталей из этого материала;
— необходимо учесть все окружающие условия, которые могут встретиться в течение срока службы оборудования. Повышение температуры, холод, коррозия. загрязнения и т. д. не должны приводить к отказам аппаратуры.

Неучитываемые факторы

Основные требования к конструированию высоковольтных схем хорошо известны, и рассматриваемые ниже факторы, на первый взгляд, кажутся незначительными. Однако они могут послужить основными причинами отказов высоковольтных блоков, если их не учесть при проектировании.

Перечислим их:
— использование выводов и штырьков с пазами уменьшает необходимость увеличения зазоров на монтаж;
— использование ребер, фланцев, рифления на внешних корпусах компонентов позволяет увеличить эффективное расстояние между точками с разным потенциалом и поможет подавить образование дуги и дуговых дорожек;
— острые углы у металлических деталей могут вызвать образование локализованной точки зажигания коронного разряда и дуги, поэтому их нужно избегать. Особенно это касается заостренных краев в оплетке коаксиальных кабелей;
— некоторые чернила, используемые при маркировке, являются проводящими и могут создать дорожку для утечки тока;
— во многих случаях образование дуги в аппаратуре, работающей в полевых условиях, предотвращается применением залитых разъемов;
— разлом выводов или компонентов также может вызвать образование дуги или искрение. Такие дефекты возникают из-за плохого механического крепления компонентов или их крепления без учета предполагаемых воздействий, вибраций и ударных нагрузок:
— источником ценообразования могут быть также термические напряжения, связанные с локальными горячими участками схемы. Это вызвано недостатками теплоотвода или другой схемы охлаждения, или тем, что компоненты с высоким рассеянием тепла и высоким тепловым излучением расположены близко друг к другу;
— к пробою ведут и разломы, и искажения формы компонентов, обусловленные механическими напряжениями, что может быть вызвано использованием в схеме конкретного герметика или напряжениями, возникшими при установке компонентов;
— причиной дугообразования или искрения могут быть газообразные или жидкие осадки внутри герметиков;
— снижение напряжения пробоя изоляции увеличивает вероятность пробоя; необходимо помнить, что напряжение пробоя не растет пропорционально толщине материала, а диэлектрическая прочность уменьшается с увеличением толщины;
— тенденция к искрению и пробою увеличивается с увеличением высоты и уменьшением плотности атмосферы;
— при плохой заливке блоков могут образоваться воздушные карманы. Такие блоки могут полностью нарушить работу всей аппаратуры;
— допустимые значения напряжений для диэлектриков должны устанавливаться по переменному току, чтобы учитывать диэлектрическую усталость;
— необходимо избегать зазоров или отверстий между герметиком и компонентом, поскольку давление газа в этих отверстиях изменяется при изменении окружающих условий, и при этом могут создаться условия, достаточные для возникновения высоковольтного разряда.

Чтобы уменьшить эффекты, связанные с повышением температуры из-за рассеяния мощности при высоких напряжениях, необходимо учитывать электропроводность и теплопроводность масел, герметиков и изоляции.

Пробой изоляции

Отказы на поверхности или в объеме изоляции могут возникнуть, если по некоторым причинам изоляция становится проводящей.

Ниже перечислены некоторые общие причины отказов изоляции:
— образование проводящих дорожек на поверхности изоляции под воздействием пыли или влаги;
— быстрое обугливание участков поверхности изоляции между искрящими выводами; при этом создается низкоимпедансная проводящая дорожка для постоянного дугового разряда;
— длительное пребывание в условиях высоких температур, приводящее к химическим изменениям изоляции, что в свою очередь вызовет ее хрупкость и растрескивание. Необходимо иметь в виду, что для безотказной работы оборудования следует учитывать условия полного его срока службы, включая перевозку, хранение и периоды работы;
— немедленный пробой при достаточно высоком напряжении из-за трещин в изоляции;
— попадание влаги внутрь трещин и распространение ее вдоль наполнителей волоконного типа; это может произойти и при низких уровнях механических напряжений.

Образование дуги и дугового «следа» на поверхности изолятора

Некоторые типы изоляции, например используемые в коммутаторах и прерывателях дугозащитных камер, регулярно испытывают воздействие дугового разряда. В других случаях платы переключателей и штырьки выводов, могут быть, например, подвержены действию дугового разряда, если при неправильной работе схемы возникнет слишком большое напряжение между соседними выводами. В этом случае наступает пробой воздуха между двумя проводниками, и в дуговом разряде потечет большой ток при интенсивном выделении тепла.

Отказ изоляции под действием дугового разряда происходит главным образом из-за ее разложения или расплавления. Он наступает, как правило, когда поверхность изоляции становится проводящей, и дуга падает на эту поверхность.

Проводящая дорожка, сопровождающая возникновение дуги, часто называется «следом». Некоторые материалы, например фенолы, легко образуют «след», поскольку на их основе быстро формируются резино-подобные осадки, которые могут проводить большие токи. Другие материалы разлагаются более полно (либо до газообразного состояния, либо до плохо связанного порошкообразного углерода). Осадки на таких материалах выгорают при прохождении тока. Эти материалы имеют большее дуговое сопротивление, так как продукты их разложения плохо проводят ток.

Методы упаковки

Трудности, возникающие у инженеров-производственников при упаковке высоковольтных блоков, можно уменьшить, если использовать один из следующих методов:

1. Залитые (импрегнированные) упаковки. Для их создания используют эпоксидные смолы, парафины или другие термореактивные пластмассы. Выбор самой смолы, отвердителей, наполнителей, катализаторов, расширителей делается на основе анализа методов изготовления, проектирования и рабочих характеристик блока.

2. Герметичные упаковки. Для создания высоконадежной аппаратуры необходимо использовать комплектующие изделия — транзисторы, интегральные схемы в металлических или керамических корпусах. Для аппаратуры бытового и промышленного назначения можно использовать компоненты в эпоксидной упаковке. Такие блоки высушивают для удаления растворителя, продувают сухим инертным газом, как правило азотом, и герметизируют частично в вакууме.

Ясно, что как только требования по напряжению к электронной аппаратуре становятся более высокими, более жесткими становятся и требования к механической упаковке высоковольтного блока. Это настоятельно требует более тесного контакта между инженером-разработчиком и инженером-производственником. Кроме того, необходимо, чтобы оба эти инженера постоянно расширяли свои знания для решения их общих проблем.


Читать далее:



Статьи по теме:


Реклама:




Главная → Справочник → Статьи → БлогФорум