|
лекц. Лекция 1 введение по поводу литературы по дисциплине источников электропитания лазеров можно заметить, что имеются лишь очень старые книги, в названиях которых присутствуют слова "источники питания лазеров.
Лекция 1 ВВЕДЕНИЕ По поводу литературы по дисциплине источников электропитания лазеров можно заметить, что имеются лишь очень старые книги, в названиях которых присутствуют слова "источники питания лазеров. Беды в этом большой нет, поскольку задачу электропитания лазеров достаточно перевести на грамотный электрический и/или электронный языки, а далее пользоваться литературой по тем или иным разделам электронной техники. Например, для накачки электроразрядного лазера необходим ИП, обеспечивающий напряжение 10 кВ и ток 12 мА, или для просветления электрооптического затвора на него требуется подать импульс напряжения амплитудой 100 В и длительностью переднего фронта 10 нс. Для ответа на первый вопрос вы знакомитесь с литературой по разделу "Источники электропитания, а для ответа на второй вопрос - по разделу "Генераторы импульсов. 10 кВ должно вам сузить задачу до "Высоковольтных источников питания, потребляемая мощность 10 кВ мА = 120 Вт позволит остановиться на ИП средней мощности. Знание физики газового разряда должно подсказать вам, что, скорее всего, потребуется не стабилизатор напряжения, а стабилизатор тока. В случае с электрооптическим затвором из собственно лазерных дисциплин вам потребуются лишь знания о том, что электрооптический затвор представляет собой диэлектрический кристалл, помещенный между проводящими металлическими обкладками, те. электрический конденсатор. Поэтому среди схем генераторов, следует отбирать такие, которые обеспечили бы заданные амплитуду и фронты импульсов на емкостной по характеру нагрузке. Таким образом, если построена теоретически или с привлечением экспериментальных данных электрическая модель излучателя, то далее можно попросту игнорировать ее лазерное происхождение. При переходе от схемных решений к конструкционным, когда выбираются типы транзисторов, диодов, резисторов и т.п., то также используются справочники по радиокомпонентами материалам, в которых явно лазерная специфика не присутствует. Но здесь вступают в силу другие ограничения по надежности, условиям эксплуатации и т.п. Например, некоторые типы микросхем очень чувствительны к факторам ядерного взрыва и поэтому не рекомендованы к применению в аппаратуре военного назначения. 1. Преобразование электрической энергии в энергию когерентного излучения в полупроводниковых, электроразрядных и электроионизационных газовых лазерах, лазерах на свободных электронах и накачкой электронным пучком, лазерах с оптической накачкой. Лазер является техническим устройством, преобразующим различные формы энергии в энергию когерентного излучения. Учитывая низкий КПД преобразования энергии в лазере (за исключением, может быть полупроводниковых, СО, СО и Nd лазеров, его как техническое устройство имеет смысл использовать лишь, когда требуется именно когерентность. Это интерференционные и дифракционные измерения, фотохимия и разделение изотопов, где важен узкий спектральный диапазон излучения передача информации и энергетических потоков, где необходима направленность. Сверхкороткие импульсы. Если отбросить пока еще экзотические газодинамические лазеры, лазеры с солнечной накачкой, химические лазеры, тов подавляющем большинстве случаев лазером в энергию когерентного излучения преобразуется электрическая энергия, которая в свою очередь черпается из стационарных электросетей, либо из бортовых электросетей мобильных устройств. Для технических и технологических применений сужение номенклатуры расходуемых ресурсов часто имеет решающее значение. Потому в технологиях, где к качеству пучка не предъявляется высоких требований и сопоставимой стоимости самих лазерных установок при мощностях до нескольких киловатт
твердотельные Nd лазеры оказываются предпочтительней СО, т.к. для работы лазера достаточно подвести электроэнергию и воду, а в мощных СО - лазерах постоянно расходуются газы СО, N 2 и самый дорогой Не. Начинают применяться в технологии и полупроводниковые лазеры. 100 Вт для полупроводниковых лазеров линеек уже превзойденный уровень и их применение в технологии лимитируется лишь ценой, которая имеет стойкую тенденцию к снижению. Активная среда накачивается непосредственно электрическим током в полупроводниковых, электроионизационных и электроразрядных лазерах. В лазерах на свободных электронах электронный пучок генерируется и формируется также в основном лишь за счет затрат электроэнергии. Более того, электронный пучок также находит применение для возбуждения активной среды в полупроводниковых и газовых лазерах. Несколько удлиняется путь преобразования электроэнергии в лазерах твердотельных, на красителях и, реже, газовых) с оптической накачкой, но ив их лампах или светодиодах накачки основным расходуемым ресурсом является электроэнергия. 2. Определение источника электропитания. Под источником электропитания лазера будем понимать техническое устройство, обеспечивающее излучатель всеми необходимыми токами и напряжениями и черпающее электроэнергию из электросети. Совместно с излучателем он составляют лазер. Место источника питания можно сравнить с бесперебойно функционирующим насосом, обеспечивающим излучатель необходимым количеством энергии заданного качества.
Рис. 1. К определению источника электропитания лазера Е
э
- энергия, потребляемая от сети Е
вых.ип
-энергия, потребляемая излучателем Е
и
- энергия излучения стрелки указывают направление движения энергии Рассматриваемые нами источники электропитания называют еще источниками вторичного электропитания, т.к. вопросы производства электроэнергии не затрагиваются. Сам термин "источник вторичного электропитания" или "источник электропитания" мы будем понимать несколько шире, нежели этот термин трактуется в электронной технике.
Специалист-электронщик под ИП подразумевает устройство, стоящее между электросетью и электронной схемой (усилителем, генератором, ЭВМ и т.п.). Поэтому для электронщика в качестве выходных параметров ИП выступает набор постоянных напряжений и токов, обеспечивающий функционирование электронной схемы, хотя входные параметры, естественно одинаковы, т.к. это параметры электросети. Поскольку рубрикация литературы по электронной технике рассчитана, прежде всего, на электронщиков, тов ней разделы, посвященные ИП, будут содержать описания устройств, выдающих на выходе набор постоянных напряжений и/или токов. Электросеть Источник электропитания Излучатель Лазер
Е
и
Е
вых.ип
Е
э
Рис. 2. Функции ИП в узком смысле слова. Специалист-лазерщик под источником питания понимает совокупность выходных токов и напряжений, которая обеспечит функционирование излучателя в заданном режиме. Излучатель, таким образом, определяет выходные характеристики ИП. Основные режимы работы лазера непрерывный, импульсный и импульс- но-периодический. Причем лишь в случае непрерывного режима термин источник электропитания будет нести одинаковую смысловую нагрузку и для электронщика и для лазерщика, да и то, например, ИП для непрерывного гелий- неонового лазера должен содержать импульсный блок зажигания разряда. В случае же импульсного или импульсно-периодического режимов именно ИП должен выдавать соответствующие импульсные напряжения и токи. Те. в лазерной технике ИП - это устройство, которое должно обеспечивать излучатель всеми необходимыми токами и напряжениями. Он может включать в себя наряду с источниками постоянного напряжения, модуляторы, генераторы высоких и сверхвысоких частот и импульсов и т.п. Следовательно, при проектировании лазера необходимо грамотно сформулировать всю гамму требований к источнику электропитания, владеть понятиями, относящимися не только к цепям постоянного тока, но и импульсной терминологией. А при эксплуатации ЭЛЕКТРОСЕТЬ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ ЭЛЕКТРОННАЯ СХЕМА лазерной техники нужно иметь ввиду, что начинка лазерного источника питания может состоять не только из трансформаторов, выпрямителей, фильтров, стабилизаторов токов и напряжений. Рис. 3. Структура источника электропитания лазера. 3. Источники электроэнергии. Если выходные характеристики ИП лазеров могут быть самыми разнообразными, то типовым источником электроэнергии выступает электросеть. Наиболее распространенными параметрами электросетей в Европе приняты напряжение 220 либо 380 В 50 Гц, в США 110 В, 60 Гц с долговременной нестабильностью по напряжению и частоте 10%. Таким образом, для ИП стационарных лазеров следует предпочесть именно эти параметры электросети. Для ИП бортовых лазеров и лазерных систем нужно ориентироваться на постоянные напряжения из ряда 6, 12, 24 В, либо сети 400 Гц и напряжением ЭЛЕКТРОСЕТЬ Источник постоянных токов и напряжений Генератор Модулятор Источник электропитания лазера Излучатель
U
c
, I
c
, f c
110 В. Причем 6, 12, 24 В - это чисто условные понятия. Так для бортовых автомобильных сетей характерны следующие уровни напряжений При отключенном двигателе 12 В, Припуске двигателя 10 В, При работающем двигателе 13,2...15,5 В. Бортовой прибор для космических аппаратов должен быть рассчитан на входное напряжение 23...32 В. Вовремя работы аппаратуры возможны просад- ки напряжения до 22 В. Бортовая сеть является источником помех, наиболее характерные виды которых следующие а) одиночные импульсные просадки (броски) напряжения питания прямоугольной формы в пределах допуска напряжения питания 23-32 В с крутизной фронта (фазане менее 1 мкс не чаще х раз за 30 мин б) периодические импульсные просадки (броски) напряжения прямоугольной формы в диапазоне частот от 1 Гц до 150 кГц со скважностью не менее х, амплитудой до 20 В, длительностью пачки колебаний до 5 мс, периодом следования пачек колебания не менее 1 мс в пределах допуска напряжения питания в) коммутационные помехи амплитудой до 20 В, длительностью пачки колебаний до 5 мкс, периодом следования пачек колебаний не менее 0,1 с с частотой заполнения пачек 0,15-50 МГц г) одиночные импульсы напряжения положительной и отрицательной полярности между шинами питания относительно корпуса амплитудой 150 В длительностью до 3 мкс на уровне 0,5 при внутреннем сопротивлении источника помех 0,5 Ом. Допускается при работе аппаратуры образование помех по шинам питания на входе не более 0,3 В любого вида при установившемся значении потребляемого тока. При проектировании ИП следует учитывать возможные перебои в подаче электроэнергии. Пагубность перебоев хорошо известна для вычислительной техники, чем и обусловлены многочисленные разработки и коммерческие предложения бесперебойных ИП. Однако здесь следует принимать во внимание назначение компьютера. Если компьютер используется для игр, то перебои,
скорее всего, испортят Вам очередную игру и вряд ли огорчения, вызванные этим фактом, вынудят Вас выложить энную сумму за бесперебойный ИП. Другое дело - поддержание непрерывной работоспособности компьютерной сети солидного банка. Примерно такая же ситуация ив лазерной технике. Скорее всего, ИП лазерной терапевтической установки вряд ли целесообразно выполнять бесперебойным, когда кратковременные перебои грозят лишь некоторым продлением или переносом терапевтической процедуры, в то время как лазерная хирургическая установка должна быть нечувствительной к подобным перебоям, хотя практически хирурги просто готовят параллельно набор традиционных хирургических инструментов. 4. Основные и вспомогательные источники электропитания. Простейшие источники электропитания лазеров, рассчитанные на одно постоянное выходное напряжение, являются скорее исключением, чем правилом и практически встречаются лишь в лазерных указках с полупроводниковым излучателем. Так непрерывные газовые излучатели наряду с источником электропитания горящего разряда постоянного тока должны иметь импульсные блоки поджига разряда или предионизации. ИП импульсных твердотельных лазеров включают в себя импульсный ИП, обеспечивающий вспышку лампы накачки, а также блок поджига ламп и источник дежурной дуги в этих лампах. В мощных газоразрядных лазерах для электропитания высокооборотного электродвигателя компрессора, который прогоняет газ через газоразрядную камеру, может потребоваться преобразователь 50 Гц переменного напряжения в переменное же напряжение частотой 200 Гц и более. Тем не менее, часто удается выделить источник питания, обеспечивающий основной энерговклад в активную среду излучателя. Его и естественно назвать основным. Это может быть источник постоянного тока газового, полупроводникового, непрерывного твердотельного лазера, источник электрических импульсов импульсных лазеров, либо источник высокочастотных или сверхвысокочастотных токов. Причем малые шумы, простота модуляции, отсутствие высоких напряжений приводит к тому, что сейчас можно встретить и киловатные СО -лазеры с ВЧ накачкой. Характеристики основного источника питания определяют параметры электронной части лазерного устройства в целом. И именно по характеристикам основного источника питания определяют источник питания в целом мощный непрерывный, маломощный импульсный, источник ВЧ накачки и т.п.)
5. Силовая и информационная часть источника питания. В источниках электропитания лазеров можно выделить силовую и информационную части. Если силовая часть осуществляет накачку активной среды лазера, тов задачу информационной части входит обеспечение оператора либо непосредственно, либо с помощью информационно-измерительных систем потоком сообщений о состоянии и значениях параметров ИП, а часто и самого излучателя. К информационной части ИП относятся всевозможные надписи и мнемонические схемы, которые наносят на наружные и внутренние поверхности корпусов ИП, стрелочные приборы и цифровые индикаторы. Здесь следует учитывать современные тенденции замены надписей пиктограммами. Ценность пиктограмм состоит в том, что их язык понятен всем. Еще одно замечание относится к объему и содержанию информационной части. Требования к силовой части исходят от излучателя лазера и формулируются однозначно. Если излучатель гелий-неонового лазера потребляет 15 мА при 10 кВ, то силовая часть эти напряжения и токи должна выдавать, будь она построена по трансформаторной или бестрансформаторной схемам с высокочастотными или пьезотранзисторными преобразователями иначе лазер окажется неработоспособным. В тоже время информационная часть его ИП может вообще отсутствовать и о факте включения ИП можно судить лишь по наличию излучения. Хотя такой вариант и плох, но иногда встречается. Он становится особенно опасен, когда излучатель рассчитан на работу в невидимых (ИК или УФ) диапазонах.
6. Классификация источников питания по режиму работы, напряжению и мощности. Классификация проводится по основному ИП, по его силовой части. Классификация ИП по режиму работы должна соответствовать режиму работы излучателя. Для излучателей выделяют три основных режима работы непрерывный, импульсный и импульсно-периодический. В соответствии с этими источники питания разделяются на источники с постоянным выходным напряжением или током с импульсным выходным напряжением или током и импульсно- периодическим выходным напряжением или током. Хотя деление на импульсный и импульсно-периодический режим для лазерного ИП весьма условен. Это просто означает недоработку ИП, те. в нем отсутствует либо кнопка ручного управления или внешнего запуска либо генератор, который задает частоту следования импульсов. Жесткое деление источников электропитания по выходному напряжению возможно лишь сточки зрения ПТЭ и ПТБ - это низковольтные источники, с выходным напряжением ниже 1000 В, и высоковольтные источники, с выходным напряжением равными выше 1000 В. К ним на уровне законодательных актов предъявляются различные требования как по конструктивным решениям, таки по обслуживанию и ремонту. К самостоятельной работе на установках до 1000 В допускаются, работники, имеющие ю группу по технике электробезопасности, а свыше 1000 В ю группу и выше. Градации по схемотехническим решениям весьма подвижны. Когда не существовало мощных транзисторов, на напряжения 500...1000 В, то низковольтная схемотехника не могла быть применена в разработках ИП на более высокие напряжения. По выходной электрической мощности, в очередной раз, напоминая об условностях, принимают следующее деление
1. Микромощные до 5 Вт,
2. Маломощные 5 < Р 50 Вт,
3. Средней мощности 50 < Р 500 Вт,
4. Большой мощности 500 Вт < Р. 7. Полный КПД преобразования электрической энергии в энергию лазерного излучения. Удельные характеристики источников питания. Полный КПД преобразования электрической энергии в энергию лазерного излучения определяется тривиально, как отношение энергии излучения Е
и к электрической энергии Еэ потребляемой лазером от источника электроэнергии п = Е
и
/ Е
э
(1) Как уже отмечалось, прежде чем превратиться в энергию когерентного излучения электрическая энергия источника претерпевает целый ряд преобразований (см. рис. 1). Поэтому полный КПД преобразования электрической энергии в энергию когерентного излучения будет зависеть от КПД источника электропитания п = (Е
и
/ Е
вых.ип
)(Е
вых.ип
/ Е
э
) = и ×
ип
, (2) где Е
вых.ип
- энергия на выходе ИП; и - КПД излучателя
ип
- КПД ИП. Если и определяется активной средой, конструкцией и режимом работы излучателя, то
ип зависит, в основном, от современной базы электронной техники и грамотного согласования выходных параметров источника электропитания с вольт-амперными характеристиками активной среды, лампы накачки либо иного промежуточного агента (электронного пучка, разрядов различных видов и т.п.). В настоящее время КПД источников электропитания постоянного тока составляет, причем 0,95 практически соответствует физическому пределу современной электронной базы. Для высоковольтных источников этот показатель несколько ниже 0,55...0,7. Для генераторов ВЧ накачки волноводных газоразрядных лазеров, на частотный диапазон 80...120 МГц в качестве ориентира может служить и 0,4 [31] Основными удельными характеристиками ИП являются отношения его выходной мощности к объему
v отношение выходной мощности к массе
m
:
v = Pвых / v; m = Pвых / m. (3) Позитивной тенденцией считается рост v и m . Рост объемной мощности соответствует снижению габаритов ИП, а рост массовой мощности соответствует уменьшению массы ИП. Для высоковольтных источников хорошими признаны следующие значения удельных характеристик v =100 Вт/дм 3 и m =100 Вт/кг, хотя низковольтные имеют лучшие показатели. В высоковольтных источниках питания трудно достижимы предельные характеристики низковольтных, т.к. из-за возможных пробоев электронные компоненты высоковольтных ИП располагаются на больших расстояниях друг от друга ив качестве изолирующих материалов в них часто используется не воздуха твердые или жидкие диэлектрики, у которых напряженность электрического поля пробоя на один-два порядка выше, чему воздуха. Удельные характеристики довольно просто рассчитываются исходя из их определений. Например, пусть перед Вами статья из журнала "Приборы и техника эксперимента "Высоковольтный источник постоянного напряжения 100 кВ мощностью 2 кВт. Выходная мощность ИП уже известна из названия Р вых = 2000 Вт. В конце статьи читаем "Источник выполнен в виде двух блоков низковольтного- размерами 480 × 480 × 200 мм и высоковольтного, представляющего собой бак размерами 449 × 400 360 мм, заполненный трансформаторным маслом. Следовательно, объем его V = 4,8 4,8 2 + 4,5 4 3,6 = 111 дм, а объемная мощность v = 2000 / 111 20 (Вт/дм 3 ). Полученное значение, даже не вникая в схемотехнику ИП, позволит сравнить достигнутые авторами статьи показатели с показателями, например, вашей разработки. Повышению удельных характеристик мог бы способствовать переход от воздушного к жидкостному охлаждению силовых элементов ИП, если водяное охлаждение уже используется в самом лазерном излучателе, тес точки зрения повышения удельных характеристик желательно проектирование лазера в целом. Такие конструктивные решения имеют место, например, в технологических лазерах швейцарской фирмы "Бистроник". Рост объемной мощности ИП твердотельных лазеров с оптической накачкой прогнозируется при использовании вместо ламп накачки лазерных диодов, т.к. для их возбуждения не требуется высоких напряжений и отпадают, таким образом, проблемы электрической прочности изоляции, которая в данном случае должна уже рассчитываться не на сотни и тысячи вольта на единицы или десятки вольт. |
|
|
Скачать 354.9 Kb.