ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СХЕМЫ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ ИМПУЛЬСНЫХ ЛАМП НАКАЧКИ ЛАЗЕРОВ.

 

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: изучение функциональных элементов электрических схем источников питания импульсных ламп накачки лазеров и проведение экспериментальных работ с блоками питания лазеров (БПЛ-75/33У, НАКАЧКА-3000).

 

ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ:твердотельный лазер, блоки питания (БПЛ-75/33У, НАКАЧКА-3000), измеритель энергии лазерного излучения ИКТ-1Н, фотодиод, осциллограф.

Теоретическое введение.

 

Проектирование малогабаритных систем накачки для получения устойчивой импульсной генерации индуциро­ванного излучения ОКГ является сложной задачей в связи с тем, что при достаточно малых габаритах и массах необ­ходимо разработать надежную конструкцию блока пита­ния, обеспечивающую высокие значения энергии накачки и частоты заряда накопителя

К основным функциональным элементам электрических схем источников питания импульсных ламп относятся: за­рядное устройство ЗУ, назначением которого является передача энергии от питающей сети в емкостный накопи­тель; разрядный контур РК., предназначенный для преоб­разования запасенной в накопителе электрической энер­гии в световую энергию импульсных ламп; блок поджига БП, необходимый для иници­ирования разряда в лампах, и, наконец, система управления СУ, координирующая работу всех входящих в источник пи­тания приборов (рис. 1). Дадим общую характеристику функцио­нальных элементов электрической схемы. Среди "зарядных ус­тройств емкостных накопителей наибольшее распространение по­лучили схемы, в которых токоограничивающие элементы устанавливаются на выходе выпрямителей.

 

Рис.1 Структурная схема системы управления источника питания импульсных ламп.

 

Это прежде всего схемы с активным или индуктивным сопротивлением, которые нашли широкое применение в импульсных модуля­торах СВЧ генераторов. Теория таких модуляторов доста­точно полно разработан, что и предопределило их широкое распространение в первых экспериментальных и опытных образцах источников питания твердотельных ОКГ.

Анализу и исследованию разрядного контура импульс­ной лампы уделяется большое внимание, прежде всего потому, что правильный выбор разрядного контура опре­деляет длительность излучения, эффективность и срок службы ОКГ.

В зависимости от режима работы ОКГ (сво­бодная генерация или генерация с модулированной доброт­ностью) применяются одноконтурные схемы и схемы с ис­кусственными длинными линиями. Форма импульса раз­рядного тока накопителя и, соответственно, форма импульса и длительность вспышки лампы в этих схемах зависят от соотношения волнового сопротивления разрядного кон­тура rр= Lр/Cр и сопротивления лампы Rл. Наиболее полное использование энергии, запасенной в разрядном контуре, наблюдается при выполнении условия rр= Rл.

Поджиг лампы осуществляется высоковольтным импуль­сом, вырабатываемым в генераторе импульсов поджига. При внешнем поджиге высоковольтный импульс подается на специальный электрод поджига (рис.2,а), которым обычно служит провод, подводимый к колбе лампы. Если по той или иной причине наличие на колбе лампы высоко­вольтного поджигающего провода является нежелательным, то применяется последовательный внутренний поджиг (рис.2,б), при котором вторичная обмотка трансформа­тора поджига ТрП включается в разрядный контур после­довательно с лампой накачки. И, наконец, применяется поджиг дежурной дугой (рис.2,в), осуществляемый под­держанием маломощного дугового разряда между электро­дами лампы. В этом случае лишь в момент включения ис­точника дежурной дуги подается кратковременный инициирующий импульс, который после зажигания дежурной дуги снимается с лампы.

 

 

 

Рис.2 Схемы включения блока поджига в разрядный контур импульсной лампы: а- внешний поджиг, б- последовательный поджиг, в- поджиг дежурной дугой.

 

При поджиге дежурной дугой обя­зательным является наличие контактора В в разрядном контуре лампы.

Амплитуда импульса поджига обычно со­ставляет десятки киловольт, а длительность — единицы микросекунд, что усложняет конструкцию и расчет им­пульсного трансформатора поджига. В схеме последова­тельного поджига трудности возникают из-за необходимо­сти выполнять вторичную обмотку проводом большого сече­ния, так как по ней протекает весь разрядный импульс тока. Несмотря на это, последовательный поджиг приме­няется значительно чаще, чем внешний. Большим недо­статком импульсного поджига, как внешнего, так и после­довательного, является то, что он служит источником мощ­ных электромагнитных помех в диапазоне частот от 50 Гц до 30 МГц не только для собственной системы управления, но и для окружающей ОКГ аппаратуры. В этом отношении поджиг дежурной дугой является более предпочтительным.

Качественные показатели схем питания, такие, как точность, быстродействие, устойчивость, повторяемость па­раметров, возможность задания автоматического режима, эффективность зарядных устройств и другие, определяются системами управления.

Они обеспечивают надежность функ­ционирования в условиях меняющихся внешних факторов, гарантируют заданную

 

стабильность выходных параметров модуляторов и устанавливают требуемый режим работы модулятора и ОКГ.

Принципы построения и структура систем управления в основном определяются выполняемыми функциями и типом зарядного устройства, в этой связи возможно множе­ство вариантов схемных решений СУ. Рассмотрим особен­ности построения систем управления в зависимости от спо­соба коммутации зарядного устройства, поскольку подача управляющего сигнала на зарядный коммутатор всегда предопределяет только разряд накопителя на импульсную лампу вне зависимости от типа зарядного устройства и ха­рактера работы системы управления.

Если коммутация зарядного устройства осуществляется по цепи переменного синусоидального тока, зарядный ком­мутатор выполняется в виде двух встречно-параллельно соединенных тиристоров, через которые попеременно в те­чение нескольких полупериодов протекают токи либо без принудительного изменения фазы переменного напряжения, либо с изменением фазы слева или справа от нулевой по определенному закону.

Второй тип зарядного коммутатора предусматривает включение коммутирующего элемента в цепь постоянного тока. Регулирование напряжения накопителя осуществля­ется при наличии полностью управляемого коммутатора, например, в схеме колебательного заряда емкостного нако­пителя со стабилизацией энергии зарядного контура и в схемах заряда накопителей от сети переменного напряжения с нулевой фазой. Включение и выключение зарядных ком­мутаторов второго типа производится подачей импульса достаточной мощности от реле управления. Этот импульс имеет задержку во времени, необходимую для достижения равенства амплитудного значения синусоидального напря­жения значению остаточного напряжения в емкостном накопителе после разряда его на импульсную лампу. Рассмотрим следующие возможные варианты электрических схем пита­ния импульсных твердотельных ОКГ:

 

 

 

трансформаторную, бестрансформаторную и преобразователь-

-ную.

 

 

Рис.3 Трансформаторная схема системы накачки

Трансформаторная схема (рис.3), включающая сило­вой трансформатор Тр1, выпрямитель Д2, блок конденса­торов Cl, C2

и импульсную лампу ИЛ, обеспечивает на­копление электрической энергии в конденсаторе примерно до 500 Дж за 1с. Важным элементом схемы питания явля­ется силовой трансформатор. Расчет трансформатора в схеме накопителя имеет некоторые особенности.

Обычные методы расчета в данном случае не дают желаемых результатов. Для получения оптимальных габаритов и массы трансфор­матора при максимальных выходных параметрах требуется расчетные данные дополнить эмпирическими поправками. Для расчета необходимы следующие исходные данные: конечное напряжение на накопителе после окончания за­ряда Uк, В; емкость накопителя С, Ф; длительность паузы между рабочими периодами t₀, с; напряжение сети U₀, В. Характеристики экспериментального блока питания, пока­занные на рис.4, позволяют установить связь между энергией, накопленной в конденсаторах, Е == CU²/2, час­тотой заряда f=1/t₀ и напряжением Uтр на первичной обмотке проектируемого трансформатора.

Эти данные дают возможность уточнить значение мощности трансформатора, которое по расчету получается немного завышенным.

Правильная оценка мощности позволяет определить необ­ходимые габариты и массу трансформатора.