2.2.5 Электрические схемы высоковольтных источников питания Источники питания лазеров импульсного действия

В лазерах источник питания имеет специфическую нагрузку в виде газоразрядного промежутка импульсной лампы накачки и ГРК. Для импульсных лазеров применяют эл. схемы двух типов: с индуктивным или емкостным накопителем. Независимо от типа схемы в течении сравнительного большого промежутка времени запасают энергию от питающей сети. Затем в течении короткого промежутка времени отдает накопленную энергию в нагрузку. При этом формируется импульс напряжения, тока и мощности требуемой формы (рис. ). Из-за большого разнообразия типов и параметров импульсных лазерных излучателей, и особенностей промышленного применения лазеров для лазерных технологических установок требуются в/в источники питания, которые имеют широкий диапазон выходных электрических параметров: амплитуда импульсов тока и напряжения, длительности и частота повторения импульсов. Жестких требований к параметрам импульса разрядного тока (мощности) через не предъявляется

Рис.

Длительность импульса измеряется на уровне 50% амплитудного значения мощности. Для твердотельных лазеров длину фронта импульса тока стремятся сделать не менее t_ф ≥100мкс для того чтобы не вывести из строя лампу накачки.

T_и- колеблется от долей мкс до десятков мс.

Частота следования импульсов от 0.01-10³ Гц. Форма импульса тока (мощности) и его параметры зависят от вольт-амперной характеристики лампы накачки. Например для ксеноновой лампы Р≤8·10⁴Па при плотности тока j=10²-10⁴ А/см² и t_и=0.15-4 мкс , ВАХ (рис. ) имеет вид

Рис.

Где К₀=1.3l_л/d_л , l_л-длина, d_л = диаметр газоразрядного промежутка

Можно получить выражение для нелинейного сопротивления газоразрядного промежутка

Для приближенных расчетов сопротивление считают неизменным и равным

, где

Е-в[B/cm]- напряженность электрического поля в газоразрядном промежутке

Источник питания с индуктивным накопителем энергии

Работа этой схемы (рис. ) основана на накоплении энергии магнитного поля в индуктивности L_н дросселя ДР.

V₁- тиристор, при подаче управляющего напряжения U_y≥0 тиристор открывается и работает в режиме диода, в индуктивности L возникает постоянный ток, который постепенно возрастает. Это приводит к увеличению энергии магнитного поля. При достижении требуемой величины тока , подается напряжение U_y≤0 . Тиристор запирается, происходит пробой импульсной лампы ИЛ и ГРК. А энергия магнитного поля выделяется в ИЛ через трансформирующую обмотку

ИТ- импульсный трансформатор для зажигания лампы

Рис.

С₁- необходим для приложения всего подключенного импульсного напряжения к ИЛ.

R_p- для выделения энергии на случай если не произойдет пробой промежутка ИЛ

Преимущества:

1. малые габариты при большой длительности импульса.

2. долговечность и надежность накопителя энергии ДР

3. плавности регулирования длительности импульса

4. безопасность в эксплуатации ( нет остаточного заряда).

Недостатки:

1. трудности, связанные с коммутацией больших токов

2. малая частота следования импульсов (не более нескольких Гц)

Схемы с индуктивными накопителями применяются для получения импульсов излучения повышенной длительности сек. Такие схемы пока не нашли широкого применения.

Энергия запасаемая в магнитном поле индуктивного накопителя и передаваемая в излучатель может быть определена по известной формуле энергии, запасённой в индуктивности

. (2.32)

Длительность импульса может быть определена в результате решения переходного процесса в разрядной цепи индуктивного накопителя, для которой можно составить схему замещения:

L_p=L_нт=0

Рис.

L_p- индуктивность ИТ, т.к. L_p<<L_н принимается L_p=0

L_н- индуктивность накопителя

R_л- нелинейное активное сопротивление лампы

Переходный процесс описывается уравнением

В результате решения этого уравнения получено выражение для разрядного тока индуктивного накопителя в нормированном виде

, те ток с течением времени убывает

-ток в индуктивном накопителе в момент начала разряда

- постоянная времени

Разряд и ток в лампе существует при 0≤t≤2T_L I_L⁰=0

Мощность выделяемая в лампе

- абсолютное значение

- относительное значение

Длина импульса измеряется на уровне 50% амплитудного значения мощности

, откуда ,т.е.

Такому значению соответствует , тогда

Или , если , то

Таким образом увеличение приводит к увеличению

- не более нескольких ГЦ