Update: Plasma-Zündquelle für Mikroskop
Hier nun ein Update, wie es mit der Serienentwicklung der Plasma-Zündquelle aus dem letzten Beitrag weiterging. Falls du den letzten Beitrag noch nicht gelesen hast, findest du ihn hier.
Jetzt wird es ein wenig technisch… 😉
Es hat sich als goldrichtig erwiesen, dass wir in den Erprobungsträger eine Strommessung mit Stromanzeige eingebaut hatten. Somit konnten wir die Stromaufnahme bei erloschenem und gezündetem Plasma ermitteln. Wie sich herausstellte, flossen auch bei erloschenem Plasma bereits 12,5 mA RMS, wenn nur der Hochvolt-Stecker auf der Seite der Plasma-Einheit eingesteckt war. Dies erschien recht viel in Bezug auf die Stromaufnahme bei gezündetem Plasma, die im Bereich 25-30 mA RMS lag. Das Plasma zündet, wenn der Prozessdruck in der FIB-Säule ausreichend gering ist, – die Kammer wird vakuumiert – so dass die mittlere freie Weglänge des ionisierten Prozessgases groß genug wird. Wir haben zunächst kurz an unserem Verstand gezweifelt. Ein kleiner Test führte uns dann auf die richtige Spur:
Wenn wir das ca. 2,5 m lange Hochspannungs-Koaxialkabel in unsere Plasma-Zündquelle einsteckten, nicht aber den Stecker auf der Gegenseite, floss auch schon ein Strom von 0,5 mA RMS. Erst wenn gar kein Kabel eingesteckt wurde, floss auch kein Strom mehr.
Wir haben dies nachvollzogen und waren uns sicher, dass kein Anzeigefehler vorlag, sondern diese Ströme tatsächlich flossen.
Des Rätsels Lösung:
Bei nicht gezündetem Plasma handelte es sich um rein kapazitive Umladeströme, die bei den 50 Hz Wechselspannungsfrequenz eben schon auftraten. Die Höhe des Stromes ließ in Verbindung mit den verbauten Vorwiderständen auf eine verteilte Gesamtkapazität in der Größenordnung von 80 nF schließen, die sich bei anlagenseitig eingesteckter Hochvoltbuchse ergab. Selbst das nur einseitig eingesteckte Hochspannungs-Koaxialkabel führte mit seiner Kabelkapazität schon zu einem geringen Umladestrom. Aufgrund des parasitären kapazitiven Verbrauchers ergab sich eine entsprechende Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung, außerdem ein Tiefpass mit einer Grenzfrequenz von ca. 250 Hz. Mit der Folge, dass bei den 50 Hz noch kein spürbarer Einbruch im Effektivwert der Ausgangsspannung messbar war, obwohl an den Vorwiderständen effektiv mehr als 100V Spannung abfallen – Phasenverschiebung der Spannungen macht’s möglich 😉 Es passte also doch alles wunderbar zusammen.
Die Tests vor Ort beim Kunden mit dem Erprobungsträger waren für die Entwicklung der Status-LED Anzeige bei den Seriengeräten äußerst wichtig. Denn wir mussten eine Auswerteschaltung ersinnen, so dass die LED eben nicht schon bei den kapazitiven Umladeströmen leuchtete, sondern erst bei größeren Strömen, die man einem gezündeten Plasma in der Anlage zuordnen kann. So wollte es der Kunde gerne haben. Die Auswerteschaltung musste zudem potenzialmäßig auf der ausgangsseitigen Hochspannung aufsetzen, was nicht ganz trivial ist. Herausgekommen ist folgende Platine mit einer Lightpipe zur Anzeige des Plasma-Status auf der Gerätefront:
Schaltplan und Layout der Platine haben wir wie immer mit der OpenSource-„Waffe“ KiCad entworfen. Zur Versorgung der Operationsverstärker und Komparatoren haben wir uns der Einfachheit halber eine galvanisch getrennte Hilfsversorgung
generiert – durch eine 9V Hilfswicklung auf dem Transformator.
Die Seriengeräte der Plasma-Zündquelle haben wir in einem kompakten und robusten Tischgehäuse im Format 250 mm x 174 mm x 100 mm aufgebaut. Damit sind sie gut für den angedachten mobilen Einsatzzweck geeignet. Für den Hochspannungs-Ausgang haben wir auf Kundenwunsch einen speziellen High Voltage Koaxialstecker verbaut. Die passenden Anschlusskabel liefern wir dem Kunden gleich mit. Der Außenleiter des Steckers ist über einen Einsatz aus POM gegenüber dem metallischen Gehäuse elektrisch isoliert.
Zum Abschluss ein paar Fotos der Geräte, noch ohne Deckel und Endstücke an den Gehäuseecken:
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