Пятая часть мануала по лампам. На этот раз весьма объемная информация о блоках питания ламп накачки лазеров, способах поджига, управление мощностью и т.д. Рассматриваются способы включения импульсных ламп при различных условиях эксплуатации, а также дуговых ламп. Описываются принципы применения симмера, способы организации обратной связи, ШИМ-модуляции. Для понимания материала требуется умение читать принципиальные электротехнические и электронные схемы, а также понимание аналоговой электроники.
Типы поджига
Поджиг газоразрядной лампы может быть произведен 3 способами:
- Последовательный поджиг, когда высоковольтный импульс подается элементом электрической цепи подключенным последовательно импульсной или дуговой лампе. Наиболее распространен в промышленном применении твердотельных лазеров.
- Параллельный поджиг, когда высоковольтный импульс подается элементом электрической цепи подключенным параллельно импульсной или дуговой лампе. Практически не используется из-за дороговизны компонентов электрической схемы.
- Внешний поджиг, когда высоковольтный импульс подается элементом гальванически развязанным с цепью питания лампы.
Рис. 11. Схема последовательного поджига лампы.
Рис. 12. Схема параллельного поджига лампы
Рис. 13. Схема внешнего поджига лампы.
Для правильного поджига следует соблюдать полярности напряжения поджига и напряжения емкости:
Тип поджига | Общий электрод | Полярность источника питания | Полярность внешнего поджига | Полярность последовательного поджига |
1 | Катод | Полож. | Полож. | Отриц. |
2 | Катод | Полож. | Отриц. | Полож. |
3 | Анод | Отриц. | Полож. | Отриц. |
4 | Анод | Отриц. | Отриц. | Полож. |
Таблица 1. Соотношение полярности импульса поджига и напряжения разрядной емкости.
Внешний поджиг
Рис. 14. Тиристорная схема внешнего поджига.
Высоковольтный импульс с повышающего трансформатора подается на никелевый провод, обмотанный вокруг лампы. Данный вид поджига применим только для ламп с воздушным охлаждением. Это наиболее простой и дешевый способ поджига. Повышающий трансформатор имеет скромные габариты и вес. Применение трансформатора в выходной цепи избавляет от проблемы согласования импедансов схемы. Такой поджиг применяется в фототехнике, стробоскопах, лазерных дальномерах. Недостаток – высокое напряжение присутствует снаружи колбы лампы, что при использовании металлических отражателей не позволяет произвести удобную изоляцию для обеспечения безопасности пользователя.
Последовательный поджиг
Рис. 15. Тиристорная схема последовательного поджига.
Вывод вторичной обмотки последовательно подключенного к лампе высоковольтного трансформатора напрямую присоединяется к одному из электродов. После поджига ток дуги протекает через вторичную обмотку, которая выполняет роль дросселя, определяющего форму импульса разряда батареи конденсаторов питания. Следовательно, в данном случае трансформатор представляет собой крупногабаритный, тяжелый, дорогой компонент, следует правильно рассчитать трансформатор, чтобы индуктивность обмотки при больших токах не уходила в насыщение. Последовательный поджиг широко применяется в твердотельных лазерах средней мощности. Этот способ более стабилен по сравнению с внешним поджигом, нет высоких напряжений вне колбы лампы. Так как первичная обмотка трансформатора имеет малое количество витков, соответственно малое сопротивление, переключающий тиристор должен выдерживать большие пиковые токи (более 1500А). Эти токи возникают при разрядке батареи конденсаторов через вторичную обмотку, что приводит к возникновению ЭДС на первичной. Используют демпфирующую цепочку для защиты тиристора.
Шунтирующий диод
Рис. 16. Тиристорная схема внешнего поджига с шунтирующим диодом.
Желательно выбирать значения элементов цепочки (емкости и индуктивности), формирующей импульсы разрядки, и напряжение питания так, чтобы обеспечить заданную продолжительность импульса разряда и предотвратить затухающие осцилляции тока. Обычно при использовании высоко импедансных ламп, которые широко распространены для накачки гранатов, это не проблема. В случае, когда не удается избавиться от осцилляций тока, разрядную емкость шунтируют диодом. Тогда энергия, сохраненная в дросселе (вторичной обмотке трансформатора последовательно поджига), проходит через лампу, а не возвращается в емкость, в виде отрицательного напряжения. Диод должен выдерживать высокие пиковые нагрузки и среднеквадратичные значения тока. Он должен подключаться параллельно емкости. Также часто параллельно диоду подключается демпфирующий конденсатор 0.1мкФ, чтобы пропускать кратковременные пички напряжения. Обычно шунтирующий диод нужен в приложениях, где используются малогабаритные импульсные лампы.
Использование симмера
Рис. 17. Принципиальная схема питания лампы с последовательным тиристорным поджигом и симмером.
После поджига, к лампе подводится постоянное напряжение, обеспечивающие дугу малого тока (50-500мА) в плазме. Импульсы от источника питания (с высокими токами дуги) подаются через тиристор, который подключен в основную цепь разрядки. Поджиг может быть последовательным или внешним. Режим симмера значительно увеличивает срок службы лампы и наиболее распространен в промышленных твердотельных лазерах. Чтобы обеспечить надежное закрытие тиристора, отключая возможность прохождения импульсов тока от батареи конденсаторов через цепь разряда, необходимо блок питания зарядки конденсаторов снабдить схемой задержки. Для защиты тиристора добавляют демпфирующую цепочку. Тиристор должен выдерживать большие пиковые токи и большие значения средней мощности. Для стабильной работы ток и напряжение симмера должны находиться в пределах линейного режима ВАХ лампы. Использование симмера позволяет достичь на 20% более эффективную накачку при малых плотностях тока. Это преимущество нивелируется при высоких плотностях тока. Еще одно преимущество симмера – лучшая стабильность оптического излучения от импульса к импульсу.
Псевдосиммер
Рис. 18. Принципиальная схема псевдосиммера с внешним поджигом.
В портативной технике или в случае необходимости энергосбережения используется псевдосиммер. Лампа поджигается с внешним или последовательным поджигом. Ток порядка 50мА от батареи конденсаторов протекает через лампу и токоограничивающий резистор RS. После задержки порядка 100-200мс резистор шунтируется тиристором и происходит разрядный импульс. Псевдосиммер используется в лазерных дальномерах, позволяет избежать перегрева электродов малого размера в лампах с естественным воздушным охлаждением.
Режим быстро нарастающего переднего фронта
Рис. 19. Принципиальная схема поджига с быстро нарастающим передним фронтом.
При необходимости малой длительности импульса разраядки (меньше 10мкс) расчеты приводят к малым значением емкости. Следовательно напряжение на рязрядной емкости часто получается выше напряжения сампробоя лампы. Поэтому лампа должна быть отключена от схемы разряда до момента когда потребуется вспышка. Этого добиваются с помошью газового разрядника или водородного тиратрона. Тиристор не можетбыть использован из-за крайне высоких значений напряжения и тока. Для увеличения срока службы лампы в данной схемедолжны быть минимизированы все возможные индуктивности. Применение симистора в данной схеме также позволяет увеличить срок влужбы лампы
ШИМ управление
Рис. 20. Принципиальная схема питания импульсной лампы с ШИМ-управлением.
Широкого диапазона регулирования длительности импульса разрядки можно добиться использованием симмера и высокомощного высоковольтного NPN транзистора (в современной технике MOSFET и IGBT транзисторы). Управляя базой транзистора можно регулировать длительность импульса от 500мкс до 20мс. Лампа поджигается внешне или последовательно. Ток симмера обычно порядка 0.5-3А. Демпфирующие цепочки защищают транзистор и диод в разрядной цепи. Вторичная обмотка поджигающего трансформатора должна находиться в насыщении, чтобы ее индуктивность не влияла на работу цепи разряда. Так как транзистор управляет длительностью импульса, отпадает надобность в дросселе, формирующем форму разрядного импульса, может быть использован внешний поджиг, подачей высокого напряжения напрямую на отражатель лазера, который должен быть надежно изолирован от земли цепи разряда. Конденсаторы цепи разряда – электролитические. Один конденсатор порядка 300-600В. Данная схема питания лампы часто используется в лазерных системах средней мощности.
Схемы питания криптоновых дуговых ламп
Рис. 21. Принципиальная схема питания дуговой лампы.
При использовании криптоновых дуговых ламп должны применяются специальные схемы питания. Дуговая лампа проходит 3 ступени при старте: поджиг, усиление, регулировка тока. Сначала лампа поджигается последовательной схемой. После этого импеданс ламп все еще слишком велик, чтобы электрический ток смог потечь от источника постоянного тока с довольно небольшим напряжением холостого хода (около 200В). Фаза усиления – промежуточная между высокоимпедасным состоянием после поджига и низкоимпедансным рабочим состоянием. В этой фазе небольшая емкость (порядка 47-100 мФ, заряженная до 1000В) разряжается через лампу и токоограничительный резистор. Искра поджига начинает расти в диаметре, растет ток, напряжение на лампе падает до отметки, когда источник постоянного тока берет на себя управление током в лампе, схема выходит на рабочий режим.