контура с коммутирующим тиристором.

Эта схема формирует импульс тока накачки через лампу с заданной амплитудой и длительностью.

Рис.5

Схема включает регулируемый источник питания с напряжением ; накопительный конденсатор , заряжаемый в паузе между импульсами накачки до напряжения ; дроссель ; тиристор , выполняющий функцию электронного ключа; обратный диод и импульсную лампу . На схеме также показаны схемы поджига СП и схема дежурной дуги СДД.

В исходном состоянии схемы конденсатор заряжен до напряжения , тиристор выключен (его сопротивление можно считать бесконечным), поэтому все напряжение выделяется на нем. Если силовая схема дополнена схемой дежурной дуги, то через лампу замыкается небольшой ток дежурной дуги. Схема подготовлена к формированию импульсов тока накачки.

При включении со схемы управления СУ тиристора его сопротивление за 0,1 – 1 мкс уменьшается практически до нуля, а напряжение на тиристоре падает с до 1 – 2 В. Начинается резонансный разряд конденсатора по контуру , в результате чего через лампу проходит импульс тока накачки. Форма тока – затухающая синусоида (рис.6).

Рис.6

Амплитуда и длительность импульса определяются начальным напряжением на конденсаторе , значениями и , а также характеристическим импедансом лампы . Последний является параметром вольтамперной характеристики лампы . Значения параметров контура выбираются такими, чтобы почти вся запасенная в конденсаторе энергия рассеивалась в лампе на протяжении первой полуволны (до момента ). При этом напряжение обратной полярности, до которого перезарядится конденсатор, незначительно. Обратный ток через и при замыкается по контуру . За счет обратного напряжения на тиристоре в период прохождения обратного тока тиристор выключается и блокирует прохождение тока источника в низкоомный контур разряда в паузе между импульсами. При последующем включении тиристора процесс повторяется.

Найдем переходный ток накачки и определим параметры контура разряда, считая заданными следующие параметры: энергию, поступающую в лампу за время импульса, W; длительность импульса ; характеристический импеданс лампы .

Запишем уравнение по второму закону Кирхгофа для контура разряда после включения тиристора

.

В этом уравнении , , и - текущие значения напряжений на емкости, индуктивности, лампе и тиристоре. Так как напряжение на включенном тиристоре не превышает 2В, им можно пренебречь. Выразим остальные члены уравнения через ток в контуре (ток накачки)

, , .

Последнее из приведенных выражений представляет собой вольт-амперную характеристику лампы в режиме накачки. С учетом этих соотношений исходное уравнение принимает вид

.

Продифференцируем все члены этого уравнения по времени

. (1)

Сформулируем начальные условия задачи. По первому закону коммутации для цепи с индуктивностью имеем

. (2)

Для получения второго начального условия составим уравнение по 2‑му закону Кирхгофа для контура разряда в момент (сразу после включения тиристора)

.

В этом уравнении , , ,

где ‑ напряжение на лампе при прохождении тока дежурной дуги, . Последнее равенство записано на основании второго закона коммутации, а знак минус обусловлен тем, что принятое положительное направление напряжения на конденсаторе противоположно действительному в момент . Таким образом исходное уравнение приводится к виду

, где .

В реальных схемах всегда , поэтому величиной можно пренебречь. При этом второе начальное условие может быть представлено в виде

. (3)

Уравнение (1) нелинейно и не может быть проинтегрировано в квадратурах. Найдем приближенное решение, заменив нелинейное сопротивление лампы эквивалентным линейным с вольт-амперной характеристикой . При этом уравнение (1) преобразуется к виду

. (4)

Начальные условия не меняются. Величину определим из следующих соображений. Средняя за время импульса импульсная мощность в лампе равна

. (5)

С другой стороны, ее можно представить как произведение эффективных значений тока и напряжения на лампе, постоянных в пределах импульса

. (6)

Будем считать, что эффективные значения тока и напряжения связаны уравнением вольт-амперной характеристики лампы . Тогда мощность в (6) может быть выражена либо через ток , либо через напряжение

, .

Если приравнять каждое из этих выражений мощности к выражению (5), то можно найти эффективные значения тока и напряжения

, .

Величина определяется следующим образом

. (7)

Решение уравнения (4) с начальными условиями (2) и (3) дает следующее выражение переходного тока накачки

, (8)

где , .

Для нахождения значений емкости конденсатора С и индуктивности дросселя L определим длительность импульса тока накачки как интервал с начала формирования импульса до момента перехода тока через нуль (рис.6). Очевидно, что в момент аргумент синуса в выражении (8) равен

. (9)

Подставив в (9) значения и , после преобразований получим

.

Найдем корни этого уравнения

. (10)

Эта формула имеет физический смысл только при положительном подкоренном выражении. Следовательно, максимальное значение емкости ограничено величиной

. (11)

Примем . В этом случае начальное напряжение на емкости оказывается минимальным. Оно может быть рассчитано из условия равенства значений энергии, накопленной в конденсаторе и выделяющейся в лампе

.

С учетом выражения (11) получим

.

При подкоренное выражение в формуле (10) обращается в нуль. Следовательно

. (12)

Определим амплитуду импульса тока накачки. С этой целью исследуем функцию (8) на экстремум. Производная тока накачки равна

В точке экстремума . Приравняв в последнем выражении нулю сумму в квадратных скобках, получим

(13)

Преобразуем это выражение. Согласно формуле (9)

.

С учетом выражения (12)

.

Таким образом, аргумент функции

равен 1, а сама функция равна .

При этом выражение (13) принимает вид

Амплитуде импульса тока накачки соответствует . Тогда . Подставляя это выражение в формулу (8) и учитывая найденные выше соотношения для и , а также значение L в (12), получим

. (14)

Амплитуде импульса обратного тока, замыкающегося через диод D, соответствует , а, следовательно, и

. (15)

Из сравнения формул (14) и (15) следует, что амплитуда импульса обратного тока составляет менее 5% амплитуды импульса прямого тока.

По найденным значениям и может быть выбран коммутирующий тиристор. При выборе последнего необходимо учитывать, что его время выключения должно быть меньше полупериода затухающей синусоиды, то есть величины .

Из выражения (8) следует, что амплитуду импульса тока накачки, а следовательно, и энергию накачки можно регулировать во всем диапазоне от 0 до W за счет изменения , не изменяя значений L и C. Однако регулировка длительности импульса требует изменения, по крайней мере, одного из этих компонентов. При этом изменяется и амплитуда импульса, что нежелательно при отработке режима накачки.

Пример. Определить параметры контура накачки L, C, при следующих исходных данных: , , . Найти значение средней за период мощности, рассеиваемой в лампе при частоте 10 Гц. Построить график переходного тока накачки.

Эффективное значение тока через лампу

.

Эквивалентное значение напряжения на лампе

.

Эквивалентное линейное сопротивление лампы

.

Емкость накопительного конденсатора

.

Индуктивность контура

.

Начальное напряжение на конденсаторе

.

Амплитуда импульса прямого тока через лампу

.

Амплитуда импульса обратного тока через лампу

.

Средняя за период мощность, рассеиваемая в лампе

.

График переходного тока накачки

Достоинством рассмотренной схемы является то, что почти вся энергия, запасенная в накопительном конденсаторе, передается в лампу при формировании импульса накачки.

Вместе с тем, этой схеме присущ ряд недостатков:

ü значительная часть полусинусоидального импульса тока неэффективна для генерации, что приводит к снижению КПД лазера;

ü амплитуда и длительность импульса функционально связаны и не могут независимо регулироваться, что затрудняет оптимизацию режима накачки в лазерах с различными активными элементами;

ü величина напряжения источника питания в данной схеме как минимум вдвое превосходит напряжение на импульсной лампе, что приводит к увеличению габаритов узла накачки;

ü в схеме с - контуром практически невозможно формировать импульсы тока накачки длительностью в несколько миллисекунд, так как габариты узла накачки становятся неприемлемо большими.

Дата добавления: 2015-07-10