ES2292370A1 - Fuente de alimentacion de alta tension para magnetrones de corriente continua y su modo de funcionamiento. - Google Patents
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Abstract
Fuente de alimentación de alta tensión para magnetrones de corriente continua y su modo de funcionamiento. La invención propuesta es una fuente de alimentación para magnetrones de corriente continua, usados actualmente para fines de investigación. Se trata de una fuente de reducido tamaño barata y compacta. Resuelve el problema de que las fuentes actuales de alta tensión no son controlables ni compactas y su precio es elevado. La fuente de alimentación desarrollada consta de un sistema de control basado en microcontroladores PIC, una etapa de potencia para obtener las tensiones y corrientes necesarias y unos transformadores con núcleo de ferrita, para adaptar los niveles a la carga. El funcionamiento de la fuente es similar al de las fuentes conmutadas, con detalles diferenciadores que la hacen ser de bajo coste y de mejores prestaciones a las existentes actualmente en el mercado.
Description
Fuente de alimentación de alta tensión para
magnetrones de corriente continua y su modo de funcionamiento.
La invención se encuentra en el sector técnico
de fuentes de alimentación para magnetrones utilizados en sistemas
de pulverización catódica.
Actualmente, en muchos centros de investigación
se usan pequeños magnetrones para realizar crecimientos de
materiales, con diversas aplicaciones. Estos sistemas de
pulverización catódica precisan de una fuente de alta tensión.
(Típicamente de corriente continua, de 0 - 2000 V, con una
corriente máxima de 1 A y una potencia máxima de 1 Kw. Los márgenes
varían entre 0 - 1 A, 0 - 1 kW).
Estas fuentes deben inicialmente subir la
tensión linealmente con el tiempo hasta alcanzar la ignición del
magnetrón y después disminuir hasta alcanzar los parámetros de
trabajo previamente asignados.
En la literatura hay un gran numero de
referencias a fuentes para magnetrones generadores de micro ondas
[1-32] pero no se han encontrado referencias sobre
fuentes para magnetrones de crecimiento de materiales si bien
existen en el mercado varias fuentes adecuadas a esta aplicación
pero de elevado coste y de diseño antiguo, por ejemplo las de la
marca "Advanced Energy"
(http://www.advanced-energy.com).
En el campo de las fuentes de alta tensión
últimamente se utilizan fuentes conmutadas con las topologías
habituales en este tipo de dispositivos en donde los inductores con
núcleos magnéticos son minimizados de acuerdo con las tendencias de
hace unos 10 años.
La mayoría de patentes en este campo se han
realizado en Japón. En [1] se suprime la distorsión de la corriente
de entrada de forma independiente de la temperatura del magnetrón.
En [2-3] se emplean detectores de corriente y
tensión para mejorar el diseño de las fuentes De igual modo en [4]
se usa un detector de cruces por cero para prevenir sobretensiones
en la fuente del magnetrón, en [5] se usa un transformador
step-up y los circuitos de excitación necesarios,
en [6] se modifica una fuente comercial para reducir la generación
de armónicos de alta frecuencia en la corriente de salida, en [7] se
proponen configuraciones de semiconductores y transformadores para
realizar la fuente de alimentación del magnetrón (muy similar a la
expuesta en [4], en [8] se emplea un circuito resonante y un
modulador PWM, en [9] se implementa un encapsulan varios circuitos
en un módulo de resina, en [10] se monitoriza si el magnetrón está
en la condición de oscilación, con independencia de las variaciones
de una fuente de alimentación comercial, en [11] se usa una
realimentación de corriente, para contrarrestar la variación de la
fuente de alimentación del magnetrón, en [12] se realiza una fuente
económica, que elimina armónicos de alta frecuencia en la corriente,
en [13] se mejora la eficiencia de una fuente comercial con una
serie de semiconductores, en [14] se usa un circuito resonante,
para reducir la tensión de los semiconductores de la fuente, en
[15-32] se describen distintas formas de realización
de fuentes Para magnetrón.
En la actualidad los sistemas de crecimiento de
materiales han cambiado enormemente su topología y, con la
aparición de materiales avanzados multicapa, los sistemas han
pasado de tener de uno a tres magnetrones a tener hasta ocho. Todos
los magnetrones deben estar trabajando simultáneamente, lo que
implica la necesidad de un control de parámetros por ordenador.
Esto hace que las actuales fuentes sean excesivamente caras, de
gran tamaño, energéticamente poco eficientes y poco controlables por
su lenta capacidad de respuesta.
Para solucionar estos problemas se ha partido de
que, en la actualidad, con la utilización masiva de fuentes
conmutadas basadas en inductores, los dispositivos magnéticos han
reducido su coste y fuentes basadas en estos dispositivos son
realmente competitivas, si se utilizan sistemas como amplificadores
magnéticos, en conjunción con controladores que modulan la
distancia entre pulsos, basados en microcontroladores, que asumen
casi todos los procesos de control de los parámetros de
funcionamiento de la fuente. Se pretende, por tanto, cubrir las
necesidades de fuentes de tensión en el mercado de los centros de
investigación con una fuente barata, compacta y controlable.
La fuente de alimentación desarrollada consta de
un sistema de control basado en microcontroladores PIC, una etapa
de potencia para obtener las tensiones y corrientes necesarias y
unos transformadores con núcleo de ferrita, para adaptar los niveles
a la carga.
La invención consiste en una configuración o
topología de la fuente de alimentación basada en el disparo de los
cuatro dispositivos interruptores (1), (2), (3) y (4) realizados
con transistores MOSFET de potencia (concretamente del tipo IGBT)
del puente de conmutación mediante un trasformador de 4 devanados
(5) y un circuito elevador o "step-up" (6),
basado en diodo y condensador.
\newpage
El pulso de disparo en el primario es de tiempo
fijo y consta de un pulso positivo seguido de otro negativo
generado directamente por un microcontrolador u otro sistema
electrónico y los acondicionadores necesarios.
Con esta configuración se obtienen cuatro
señales de control, iguales dos a dos, para abrir y cerrar los
dispositivos, desfasadas 90º, para asegurar el buen funcionamiento
del sistema.
También se han desarrollado los elementos
necesarios para que la topología definida en los párrafos
anteriores funcione de forma óptima. Concretamente, estos elementos
son:
1.- un sistema de control de potencia mediante
pulsos bipolares espaciados adecuadamente, siguiendo la
aproximación clásica de los controladores por modulación de la
anchura de pulso (PWM);
2.- un sistema de control de potencia de la
tensión de alta frecuencia mediante amplificadores magnéticos,
siendo la potencia suministrada controlada por una fuente de
corriente que alimenta los primarios del sistema de amplificadores
magnéticos.
Un sistema de control de potencia de la tensión
de alta frecuencia mediante la conjunción de los dos sistemas de
control expuestos previamente, que se hacen operar de forma
simultánea, obtiene resultados mucho mejores que si operan de forma
separada.
Es decir, para el diseño de la fuente se parte
de la tensión de red (220 v) adecuadamente rectificada, con un
puente de diodos, y filtrada con un condensador electrolítico, para
reducir el rizado, que es conmutada a continuación, mediante un
puente de dispositivos de conmutación y que la multiplica por 3,5,
mediante la activación de los pulsos aplicados en las entradas A,
B, C y D.
Se genera así una tensión alterna que, de modo
convencional, alimenta un trasformador para generar la alta tensión
requerida.
Uno de los problemas de estas fuentes es la
generación de las tensiones de disparo de los dispositivos de
conmutación. En esta invención se resuelve mediante un trasformador
de cuatro devanados (5), que permite generar las cuatro excitaciones
desfasadas. Se generan pulsos positivos y negativos, de forma
consecutiva, a partir de una única señal de control procedente de
un microcontrolador.
Esta solución garantiza el perfecto
funcionamiento del sistema con pocos elementos.
Otro de los problemas es el control de la fuente
que se ha realizado por dos procedimientos alternativos, que pueden
trabajar en modo simultaneo: el primero es un controlador del ancho
de pulso (PWM), que varía el ciclo de trabajo de la señal
excitadora E, esto es, variando el tiempo en que la señal está a
nivel alto, t (Figura 4).
La otra posibilidad es mediante un amplificador
magnético (7), con los niveles saturados de este amplificador. En
este caso, se controla la tensión de salida mediante una corriente
continua aplicada a unos transformadores intermedios (8),
permitiendo que, en conjunción con el método anterior (PWM), se
logre una regulación muy buena de la tensión de salida de la
fuente.
En la Figura 6, se puede observar en detalle la
forma de realización. Se incluyen en este caso dos
microprocesadores (PIC) (9) y los transformadores y demás elementos
pasivos necesarios. A continuación se expone en detalle el
funcionamiento, con las referencias incluidas en la figura
citada.
La señal de excitación es generada por el
microcontrolador U2 y es amplificada mediante el buffer U1. Estos
pulsos actúan sobre el primario del transformador de cuatro
devanados TR2, que produce cuatro salidas que son acondicionadas con
diodos clamp. De este modo se generan las tensiones necesarias para
controlar los cuatro IGBT's (Q1 a Q4) que constituyen el puente de
conmutación, haciendo posible que la corriente pase por el primario
del transformador TR1 y que se genere la tensión de salida
necesaria.
Se realiza el control de la potencia de la misma
(tensión y corriente) mediante dos conversores analógico/digitales
incluidos en un segundo microcontrolador (U4). Son necesarios
además un circuito optoacoplador, para independizar los niveles de
alimentación de los sistemas (5 v frente a 1000 v) y el circuito U3,
que es un conversor digital/analógico, necesario para cerrar el
bucle de control de la corriente.
Por último, señalar que la señal del secundario
del transformador TR1 es rectificada en media onda con los diodos
shotcky D2 y D6 y los condensadores C5 y C9. Estos diodos tienen
además la ventaja de conseguir que, en caso de cortocircuito (arco)
en el magnetrón, la energía se autoextinga a través suya, y no se
dañen las etapas anteriores de la fuente de alimentación.
Figura 1. Representa un puente rectificador
monofásico de diodos para realizar la fase de rectificación y un
condensador electrolítico para realizar la fase de filtrado,
partiendo de una tensión de red.
Figura 2. Representa cuatro transistores de
potencia, que son los dispositivos interruptores (1) a (4), y un
transformador para convertir la corriente continua a alterna.
Figura 3. Representa el transformador de cuatro
devanados (5) y los circuitos elevadores o
"step-up" (6) que generan las tensiones de
disparo y los pulsos de disparo, respectivamente, a partir de la
señal excitadora E.
Figura 4. Representa el detalle de un ciclo de
trabajo de la señal excitadora. Variando la distancia "t"
entre los pulsos, se controla el funcionamiento de la salida de la
fuente (Pulse Distance Modulation).
Figura 5. Representa un amplificador magnético
(7) y unos transformadores intermedios (8), a los que se aplica una
corriente continua, para controlar la potencia de salida de la
fuente.
Figura 6. Representa la implementación circuital
completa del sistema.
Figura 7. Representa la disposición de todos los
elementos específicos de la fuente, a tamaño real, sobre una placa
de circuito impreso.
La fuente descrita alcanza una eficiencia del
95% y se ha realizado con tres placas de circuito impreso tamaño
Eurocard (10 x 16 cm). Dos están destinadas para contener a los
microcontroladores y otra (Figura 7) para los elementos específicos
de la fuente. Sobre estas placas se han soldado los componentes
comerciales descritos anteriormente, con sus dimensiones
correspondientes:
BR1: rectificador monofásico 15 A, con
encapsulado TO-47.
C1: condensador electrolítico implementado con
cuatro condensadores de 330 uF/400 v, con encapsulado radial de 30
x 40 mm.
C2-C14: condensadores de
poliéster, con una tensión máxima de 60 v y un encapsulado
C-05.
C5, C9: condensadores de poliéster, con una
tensión máxima de 60 v y un encapsulado C-05.
Todas las resistencias son de ¼ W, a excepción
de R8, que es de 5 W.
D1, D3, D4, D5: Diodos 1N4148, con encapsulado
DO-35.
D2, D6: Diodos schottky BYW29200, con
encapsulado TO-220.
Q1-Q4: IGBT's tipo IRFP 450, con
encapsulado T0-247.
Q5: Transistor bipolar de baja potencia, tipo
BC139, con encapsulado SOT-32.
Los circuitos integrados son del tipo Dual in
Line, con pines que atraviesan la placa y se sueldan de modo
convencional (DIP), concretamente U1 tiene un encapsulado 20DIP300,
U2 y U4 el 40DIP300, U3 y el optoacoplador tienen un encapsulado
16DIP300.
Además, se han incluido dos transformadores
necesarios, uno de potencia para obtener la alimentación del
magnetrón (TR1) y otro el de cuatro devanados (TR2) para
excitación, sobre núcleos magnéticos estándar de ferrita (forma E
(E6527) y RM-6,F9) de tamaños 65 x 25 mm y 12,5 x
17 mm respectivamente. El grosor de sus hilos de cobre es de 1 mm y
0.1 mm respectivamente.
También son necesarios dos choques (L1 y L4),
con núcleos E6527 e hilo de 1 mm.
El dispositivo es aplicable a un sistema de
evaporación por pulverización catódica utilizados en laboratorios
de investigación. Los magnetrones de 5 cm. de diámetro son capaces
de dar una potencia máxima de 100 w, con una tensión de 300 V y una
tensión inicial de arranque de 1500 V, si bien la fuente puede ser
utilizada en sistemas de mucha mayor potencia de uso
industrial.
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Claims (11)
1. Funcionamiento de una fuente de alimentación
de alta tensión para magnetrones de corriente continua con las
fases:
- -
- rectificación y filtrado de la tensión de red,
- -
- generación de una tensión alterna,
- -
- generación de las tensiones de disparo,
- -
- y generación de los pulsos de disparo,
caracterizado porque en la
fase de generación de las tensiones de disparo la tensión alterna
generada pasa a través de un transformador de cuatro devanados (5) y
se generan cuatro tensiones distintas de salida, y porque en la
fase de generación de los pulsos de disparo las cuatro tensiones
distintas generadas pasan por sendos circuitos elevadores o
"step-up" (6) generando pulsos desfasados de
forma
consecutiva.
2. Funcionamiento de una fuente de alimentación
de alta tensión para magnetrones de corriente continua según la
reivindicación 1 caracterizado porque en la fase de
rectificación y filtrado se parte de la tensión de red de 220 V y se
rectifica mediante un puente de diodos y se filtra mediante un
condensador electrolítico.
3. Funcionamiento de una fuente de alimentación
de alta tensión para magnetrones de corriente continua según la
reivindicación 1 caracterizado porque en la fase de
generación de la tensión alterna se toma la corriente ya rectificada
y filtrada; se conmuta a continuación mediante un puente de
conmutación y se multiplica por 3,5 y se activan los pulsos
aplicados a las entradas de los dispositivos interruptores (1) a
(4).
4. Funcionamiento de una fuente de alimentación
de alta tensión para magnetrones de corriente continua según la
reivindicación 1 caracterizado porque el pulso de disparo en
el primario es de tiempo fijo y consta de un pulso positivo seguido
de otro negativo.
5. Fuente de alimentación de alta tensión para
magnetrones de corriente continua para llevar a cabo el
procedimiento según reivindicaciones 1 a 4 que comprende: un
rectificador de la tensión de red, un conmutador de red, un
transformador (5), un circuito elevador o
"step-up" (6), un controlador de distancia de
pulso (PDM) y un amplificador magnético (7), interconectados entre
sí para que asegurar el funcionamiento de la fuente.
6. Fuente de alimentación de alta tensión para
magnetrones de corriente continua según las reivindicaciones 1 a 5
caracterizada porque el rectificador de red consiste en un
puente de diodos y un condensador electrolítico.
7. Fuente de alimentación de alta tensión para
magnetrones de corriente continua según las reivindicaciones 1 a 5
caracterizada porque el transformador (5) consta de cuatro
devanados, que permite generar cuatro excitaciones desfasadas,
generando pulsos positivos y negativos consecutivos a partir de la
señal de un microprocesador.
8. Fuente de alimentación de alta tensión para
magnetrones de corriente continua según las reivindicaciones 1 a 5
caracterizada porque el circuito elevador o
"step-up" (6) consta de un diodo y un
condensador.
9. Fuente de alimentación de alta tensión para
magnetrones de corriente continua según las reivindicaciones 1 a 5
caracterizada porque el controlador de anchura de pulso
(PWM) varía el ciclo de trabajo de la señal excitadora mediante
pulsos bipolares espaciados y que permite que una única excitación
genere los disparos.
10. Fuente de alimentación de alta tensión para
magnetrones de corriente continua según las reivindicaciones 1 a 5
caracterizada porque el amplificador magnético (7) mantiene
sus niveles saturados, siendo la potencia suministrada de salida
controlada por una fuente de corriente continua que alimenta los
transformadores intermedios (8).
11. Fuente de alimentación de alta tensión para
magnetrones de corriente continua según las reivindicaciones 1 a 5
caracterizada porque los dos controladores trabajan
conjuntamente y de manera simultánea.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ES200701979A ES2292370A1 (es) | 2007-07-13 | 2007-07-13 | Fuente de alimentacion de alta tension para magnetrones de corriente continua y su modo de funcionamiento. |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ES200701979A ES2292370A1 (es) | 2007-07-13 | 2007-07-13 | Fuente de alimentacion de alta tension para magnetrones de corriente continua y su modo de funcionamiento. |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| ES2292370A1 true ES2292370A1 (es) | 2008-03-01 |
Family
ID=39081660
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| ES200701979A Pending ES2292370A1 (es) | 2007-07-13 | 2007-07-13 | Fuente de alimentacion de alta tension para magnetrones de corriente continua y su modo de funcionamiento. |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| ES (1) | ES2292370A1 (es) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5233509A (en) * | 1992-04-03 | 1993-08-03 | International Business Machines Corporation | Switch-mode AC-to-DC converter |
| US5422546A (en) * | 1978-03-20 | 1995-06-06 | Nilssen; Ole K. | Dimmable parallel-resonant electric ballast |
| EP0658969A2 (en) * | 1993-12-17 | 1995-06-21 | Hitachi, Ltd. | Electric power conversion equipment |
| US5666035A (en) * | 1993-12-23 | 1997-09-09 | Commissariat A L'energie Atomique | Direct current actuator control system using pulse-width modulation in four bipolar transistors connected in H-manner |
-
2007
- 2007-07-13 ES ES200701979A patent/ES2292370A1/es active Pending
Patent Citations (4)
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