紫外灯电流分流电阻的热误差校正

紫外灯电流分流电阻的热误差校正

抽象

所有紫外光源都依赖于恒流回路，该回路会根据分流器的读数进行调节。分流器置于温暖的机柜中，承载数十安培的电流并自身发热，因此其电阻会随环境温度和负载变化而漂移。本文将介绍电阻、自发热、误差及校正方法、四种现场故障模式、精度可达0.003%的NTC补偿方法，以及不会引入自身误差的检测滤波器。

1. 引言

所有紫外光源，无论是LED阵列还是汞弧灯，都依赖于恒流回路来维持其光输出。该回路的性能并不优于其电流传感器，而这个主要的电流传感器实际上是一个承载全部负载电流的低阻值并联电阻。

在固化生产线中，分流器位于一个温暖的柜子内，承载着数十安培的电流，并在自身内部耗散瓦特的功率。其电阻会同时受到两个因素的影响：柜子的环境温度以及其顶部的自发热。

温度系数为 50 ppm/°C 的分流器，在高于校准温度 34 K 的温度下运行，其报告电流与校准值相差 0.17%。该误差会直接影响紫外线照射剂量。

本文给出了错误链、四种现场故障模式、硬件和固件校正，以及在温度范围内保持固定拐角频率的传感路径滤波器。

2. 核心机制

2.1 耐温性

分流器通过一个随自身温度变化的电阻将电流转换为电压。

R(T) = R_0 · (1 + α · ΔT)

其中，R(T) 为工作温度下的电阻，R_0 为 25 °C 时的校准值，α 为电阻温度系数，ΔT 为高于校准温度的温升。在 50 ppm/°C 的条件下，34 K 的温升会使检测值增加 1700 ppm，即 0.17%。

2.2 满负荷自加热

分流器自身发热量与负载电流的平方成正比，也与其安装的热阻成正比。

ΔT_self = I² · R_0 · R_th

其中，ΔT_self 为自热温升，I 为负载电流，R_0 为并联电阻，R_th 为元件到环境的热阻。一个 0.25 mΩ 的并联电阻在 40 A 电流下会消耗 0.4 W 的功率；热阻为 10 K/W 时，温升为 4 K；热阻为 20 K/W 时，温升翻倍至 8 K。

2.3 总误差及其修正

这两个温度项相加，并且都对相同的电阻进行缩放。

δI / I = α · (ΔT_amb + ΔT_self)

其中，δI/I 为相对电流误差，α 为温度系数，ΔT_amb 为分流器位置的环境温升，ΔT_self 为第 2.2 节所述的自加热温升。在环境温升 30 K、自加热 4 K 和 50 ppm/°C 的条件下，读数偏高 0.17%。一旦知道分流器的温度，即可在固件中校正该误差项。

I_true = I_reported / (1 + α · (T_meas − T_cal))

其中 I_true 为校正电流，I_reported 为原始读数，T_meas 为测量的分流器温度，T_cal 为校准温度。残余误差等于 NTC 精度乘以 α：在 ±0.5 °C 和 50 ppm/°C 时，为 0.003%。

2.4 感知滤波器角

在满电流下，分流电压仅为 50–100 mV，因此需要在放大器前的端子处加装一个低通滤波器。

f_c = 1 / (2 π · R_f · C_f)

其中 f_c 为滤波器截止频率，R_f 为串联滤波器电阻，C_f 为滤波器电容。1 kΩ 电阻和 100 nF 电容使截止频率为 1.6 kHz，从而抑制开关纹波。II 类电容会随偏置电压和温度变化而改变截止频率；I 类电容则保持截止频率不变，因此滤波器本身不会引入误差项。

图 1 — 分流误差与温度升高呈线性关系，因此总温度升高 34 K 在 50 ppm/°C 时会造成 0.17% 的误​​差，在锰酸钾中会造成 0.05% 的误差。

3. 工程痛点

痛点1：高电流下出现自热错误

购买分流器是为了降低损耗，在满功率紫外照射下，自热项 I² · R₀ · R₀ 占主导地位。一个 40 A、0.5 mΩ 的分流器，损耗为 20 K/W，功耗为 0.8 W，运行温度为 16 K；在 50 ppm/°C 的条件下，误差为 0.08%，并且随着负载电流的平方而增大。

痛点二：轮班期间环境漂移

从冷启动到稳定运行，柜体温度会升高 10–25 °C。未补偿的分流器在 50 ppm/°C 的温度下，电流漂移为 0.05–0.125%，这足以使紫外线剂量超出敏感涂料的工艺窗口，并在长时间运行中产生光泽带。

痛点3：感知路径噪声干扰

50–100 mV 的检测信号会受到开关噪声和地弹的影响。如果没有在分流器上安装滤波电容，放大器会检测到 10 mV 的纹波，造成 10–20% 的表观误差，并且环路会以开关频率调制灯电流。最终导致固化基板上出现可见的条纹。

痛点4：衰老和耐受性扩散

分流器在持续通电下会老化，使用寿命期间会产生0.1%至0.5%的电流漂移，因此，机器全新时校准的回路在运行10,000小时后，其电流不再处于校准值。不同批次的替换部件具有不同的温度系数（TCR），旧的校准数据不再适用。

4. 设计步骤

策略一：首先确定热环境特征

在冷启动时测量分流器温度，然后在生产车间内满功率运行两小时后再次测量。两次测量结果的差值即为补偿范围，并以此判断是否需要补偿。此测试适用于所有…… 采样电阻 供应品中，包括分隔链。

策略二：选择低TCR材料和低R_th几何形状

选用锰铜钠合金或同等合金，其导热系数应达到 15 ppm/°C 或更低，热阻应低于 10 K/W。选择合适的材料是解决问题的关键，因为它能同时降低环境热效应和自发热效应。

策略 3：固件补偿

在分流器 5 mm 范围内安装 NTC 热敏电阻，在生产测试中对每个单元进行 α 和 T_cal 校准，并在控制器中应用校正。残余误差降至 NTC 热敏电阻的精度，在 ±0.5 °C 时约为 0.003%。如果还需要电气隔离，则在传感路径中用罗氏线圈代替分流器。

策略四：使用I类电容器对检测路径进行滤波

将低通滤波器放置在 N4700 （T3M）I类电容器直接连接在分流端子上，tanδ 小于等于0.1%，温度变化为±30 ppm/°C。这样，在整个机柜温度范围内，截止频率保持在1.6 kHz，并且滤波器不会产生与温度相关的误差。

策略五：增加定期自动校准

在灯管关闭期间，用场效应晶体管 (FET) 短路分流器并测量残余偏移，然后注入已知参考电流并测量增益。将这两个校正值存储在非易失性存储器中，并在每个工作班次重新验证该环路。

策略 6：验证循环内的整个链条

闭合回路，测量从 -10 °C 到 +70 °C 的温度范围内的电流纹波和剂量。仅当电流在整个温度范围内保持在目标值的 ±0.5% 以内时，才接受该设计。同一电源中的分压器和泄放器位置使用 厚膜电阻 具有其自身的热规格。

组件参数	典型值	测试条件
额定功率（HVR系列）	50 °C 时为 70 瓦	铝制外壳，自由空气
电阻值	10 kΩ ±5%	25 °C 参考温度
工作电压	10 kV 交流/直流	连续
脉冲耐受	30 kV，10 µs	10 个脉冲
电阻温度系数	±50 ppm/°C	−55 °C 至 +155 °C
绝缘电阻	1000V直流电压下电阻大于1GΩ	最小爬电距离 25 毫米
浪涌电流能力	100 毫秒时 1 安	非感应式绕线

5. 传感路径的高压电容器

传感路径需要一个拐角位置固定的滤波器，而同一电路板上的高压区域需要一个不易腐蚀的电容器。HVC 为这两种应用都生产 N4700 系列器件。

这里需要考虑的六个参数

• N4700 (T3M) 钛酸锶，±30 ppm/°C，在整个机柜温度范围内将灵敏度滤波器拐点保持在 1.6 kHz，因此该滤波器不会给测量带来误差。
• 在 1 kHz 时，tanδ 低于或等于 0.1% 不会给毫伏级检测电路增加可测量的损耗或发热。
• 额定电压范围从 1 kV 到 100 kV，涵盖来自同一合格系列的低压感应滤波器和灯镇流器，包括 HVCT8G 以及 441 型车身。
• 在额定电压的 1.2 倍下，PD 低于 5 pC 可防止高压滤波器和耦合点侵蚀和破坏共享电路板的参考电压。
• 一级生产规范将电容控制在严格的公差范围内，因此滤波器拐角在电路板之间重复出现，无需逐个调整。
• 现场验证：在高压现场服务项目中，HVC 40 kV / 441 螺钉式电容器替代了原有的一线品牌部件，并且其结构与原部件的电气参数相匹配。 日前，Vishay HVCC 和 KEMET 径向引线范围。

交付和支持

标准件发货周期为 4-8 周，配套组件发货周期为 6-10 周。HVC 应用工程师将审核传感路径、分流额定值以及机柜的热环境。

请提供分流器规格、负载电流、机柜热特性曲线和剂量容差。HVC 将在两周内提供一份包含 I 类滤波器值、NTC 贴片指南和实测滤波器稳定性数据的检测路径评估报告，以及样品。

6. 常见问题

Q1：实际机柜中的分流误差有多大？

对于 40 A 电流、0.25 mΩ 分流器、温度系数 (TCR) 为 50 ppm/°C、环境温升为 30 K、自热为 4 K 的电路，其损耗约为 0.17%。自热项在 10 K/W 时为 4 K，如果安装热阻加倍，则自热项也加倍。

Q2：锰离子补偿和固件补偿哪个更好？

两者兼备。锰酸钾浓度为 15 ppm/°C 时，可缩小所有误差项，而固件补偿则可消除剩余误差，并校正校准之间的老化效应。该材料设定了基准值，而固件则确保误差始终控制在该基准值范围内。

Q3：固件补偿的精度如何？

与NTC和存储系数一样精确。在±0.5 °C和50 ppm/°C的条件下，残余误差约为0.003%，与它消除的0.17%相比非常小。在生产测试中校准每个单元的α值比传感器等级更重要。

Q4：为什么检测滤波器需要 I 类电容器？

因为截止频率取决于电容。II类器件的截止频率会随偏置电压和温度变化而变化，因此截止频率也会移动，开关纹波会传递到放大器。I类器件在±30 ppm/°C的条件下，截止频率保持在1.6 kHz。

Q5：传感路径可以容忍多大的波动？

检测电平为 50–100 mV，因此 10 mV 的未滤波纹波会导致 10–20% 的表观误差。在分流端进行滤波，并确保滤波电阻和电容回路与放大器接在同一地参考上。

Q6：如何验证修正后的回路？

闭合回路，记录从 -10 °C 到 +70 °C 的温度范围内输送的电流，并同时测量剂量。仅当电流在整个温度范围内保持在目标值的 ±0.5% 以内时，才接受该设计。

7。 参考

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10. HVC应用工程团队 高压陶瓷电容器 技术资源https://www.hv-caps.com