Источник электропитания

На рис.3.8 представлена функциональная схема источника электропитания импульсных ламп оптической накачки. Импульсную лампу (ИЛ) можно рассматривать как ключ с односторонним управлением, включенным вместе с накопителем энергии (Н) в разрядный контур (К). Известны схемы питания, в которых накопитель энергии отсутствует, и электрический импульс формируется прямо от первичного источника питания (ИП) с помощью полупроводниковых элементов. Такие схемы используются в фотовспышках. В мощных лазерах обойтись без накопителя сложно и не всегда оправдано. В данной схеме доставка энергии от ИП к накопителю производится зарядным устройством (ЗУ). Перечисленные блоки дополняются генератором зажигания импульсов (ГИ) и блоком управления, синхронизации и защиты (УСЗ).

Накопители энергии. Задача накопителя энергии – обеспечить высокую импульсную мощность при сравнительно равномерной нагрузки сети электропитания. Накопитель характеризуется двумя функциональными параметрами: удельной запа­саемой энергией (Дж/см³) и максимальной импульсной мощностью, иначе говоря, способностью отдать запасен­ную энергию за короткий про­межуток времени. Сущест­вуют накопители трех разновидно­стей: емкостные, индуктивные и электромеханиче­ские. Элек­тромеханические накопители запасают энергию путем раз­гона массив­ного маховика до больших скоростей с помощью относительно маломощного элек­тродвигателя. Маховик выполняет функцию ротора в однофазном ударном генера­торе. В нужный момент генератор преобразует механическую энергию маховика в электрический импульс. В системах оптической накачки твердотельных лазеров такие накопители распространения не получили.

Индуктивные накопители запасают энергию в форме магнитного поля. Интенсивная разработка накопителей этого типа велась в середине 70-х, начале 80-х годов. Согласно оценкам, накопители этого типа эффективны при энергиях свыше 1 МДж. Но с ними возникают трудности как технического плана (например, желательность использования сверхпроводящих элементов), так и экономического плана, поскольку их стоимость высока. Широкого распространения в лазерной технике такие накопи­тели не получили.

Емкостные накопители широко применяются во всех известных системах оптической накачки твердотельных лазеров технологического на­значения. Их достоинство – высокая импульсная мощность, экономичность режима заряда, гибкость в обеспече­нии раз­личных режимов питания импульсных ламп.

Главный элемент емкост­ного накопителя – конденсатор или конденсаторная батарея. Конденсатор характеризуется следующими парамет­рами: емкостью С, макси­мальным напряжением заряда U_max, запасаемой энергией W, удельной запасаемой энергией W/V (V – объем зазоров между обкладками конден­сатора), весом на 1 Дж запасаемой энергии, максимальным разрядным током I, вре­менем разряда t_р и собст­венной индуктивностью L. Единица емкости конденсатора 1 фарада (Ф) – это емкость, для заряда которой до напряжения в 1В требуется заряд­ный ток 1А, протекающий в течении 1 с. При разряде емкость С = 1 [Ф] отдает заряд электричества, равный 1 ку­лону (Кл), то есть, равному 1 А×с. Отсюда следует, что С×U = I×t. Но фарада – это крупная единица емкости и обычно для питания импульсных ламп используются емкости порядка десятков – сотен мкФ. Существует также единица емкости сантиметр (см). Она соотносится с фарадой так: 1 пФ = 0,9 см, где 1 пикофарада равна 10 ^{– 12} Ф.

При заряде до напряжения U В конденсатор накапливает энергию, равную

Работа конденсатора в частотно-периодическом режиме сопровождается выделением в диэлектрике, разделяющем обкладки конденсатора, заметной тепловой энер­гии. Эти потери определяются величиной угла потерь d или тангенсом этого угла:

tg d = w R C

где R – активное внутреннее сопротивление конденсатора, w – собственная частота его контура. Далеко не всякий конденсатор может работать в частотно-импульсном режиме, обеспечивая не только необходимую быстроту заряда, но и стойкость к повышенному разогреву. Такие режимы обеспечиваются иными схемами питания, в частности, использующими модуляторные устройства.

Для питания импульсных ламп оптической накачки применяются бумажные или бумажно-пленочные конденсаторы с пропиткой касторовым маслом. Так, один из лучших импульсных конденсаторов для этой цели имеет емкость 170 мкФ, напряжение зарядки 10 кВ, он способен накапливать энергию 8500 Дж при удельном значении 0,213 Дж/см³. Его гарантийный ресурс составляет 250000 циклов разряда. В гигантской американской установке для проведения лазерного термоядерного синтеза «Шива» использованы батареи из конденсаторов емкостью 1,85 мкФ каждый, напряжением заряда 60 кВ при индуктивности 22 нГн. Запасаемая таким конденсатором энергия равна 3300 Дж при удельном значении 0,052 Дж/см³. Гарантируемый ресурс работы – 50000 циклов разряда. Вообще же бумажные высоковольтные конденса­торы в зависимости от типа и качества характеризуются плотностью накапливаемой энергии от 0,05 до 0,25 Дж/см³.

Зарядное устройство (ЗУ) обеспечивает передачу энергии от сети электропитания в емкостной накопитель и ограничивает зарядный ток для предотвращения перегрузки источника и защиты ламп от перехода в режим непрерывного горения. Состав ЗУ: выпрямитель, коммутатор зарядной цепи и ограничитель зарядного тока. В ЗУ также входят элементы регулирования режима зарядки. Известны три основные схемы ЗУ: 1)схема заряда через активное сопротивление; 2)схемы колебательного заряда или реактивное балластное сопротивление; 3)схемы с преобразователем источника напряжения в источник зарядного тока.

Заряд емкости через активное балластное сопротивление – это простейшая схема. Но у нее низкий к.п.д. заряда, не более 50%. Такие схемы обычно применяют в устройствах с потребляемой мощностью не более 500 Вт. Применение же индуктивного балластного сопротивления целесообразно в тех случаях, когда функцию индук­тивного ограничителя можно возложить на индуктивное сопротивление рассеяния обмотки повышающего трансформатора. Схемы ЗУ второго типа в мощных лазерных установках не применяют.

Схемы третьего вида содержат индуктивно-емкостные преобразователи источника напряжения в источник неизменного зарядного тока. Они просты, надежны и обеспечивают изменение зарядного тока и напряжения накопителя по оптимальному закону, при котором ток нагрузки не зависит от сопротивления нагрузки. Подробности приво­дятся в литературе о мощных импульсных источниках электропитания, а также в [14].

Разрядный контур в простейшем случае содержит три элемента: лампу, конденсатор (или батарею) и соединительные провода. Контур характеризуется: напряжением на конденсаторе перед вспышкой U_o; емкостью конденсатора С; индуктивностью контура L_k (это сумма индуктивностей конденсатора, соединительных проводов и лампы); активным сопротивлением контура R_k; активным сопротивлением лампы в момент вспышки R_л. Уравнение контура:

(3.11)

Электрическое сопротивление трубчатой импульсной лампы, у которой разряд заполняет все внутреннее сечение трубки, определяется приближенным соотношением:

(3.12)

где l, d – длина и диаметр рабочего объема лампы, s – удельная электропроводность, определяемая соотношением (3.4).

Ток через лампу i(t), выделяемая мощность P и энергия W находят с применением приближенных соотношений:

(3.13)

(3.14)

(3.15)

Из (3.14) определяется продолжительность импульса мощности на уровне 1/е:

(3.16)

При апериодическом разряде длительность импульса тока примерно равна полупериоду собственных колебаний контура, то есть Т_и» p (L_kC)^1/2, а усредненная за импульс мощность:

Применительно к мощным твердотельным лазерам схемы питания и, в частности, разрядный контур, усложняются. Это вызвано, во-первых, необходимостью согласовать напряжение на конденсаторах с напряжением на лампе (или на лампах); во-вто­рых, с необходимостью удлинить или укоротить электрический импульс; в-третьих, с использованием достаточно мощных батарей конденсаторов и включением в один контур нескольких ламп. Поэтому в схеме появляются дополнительные элементы и коммутирующие устройства. Подробное описание импульсных источников света со всеми элементами содержится, например, в [14].

Дата добавления: 2015-10-16