CC BY
83
УДК 621.314.5
СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ ДЛЯ ПИТАНИЯ ЛАЗЕРОВ НА ПАРАХ МЕТАЛЛОВ
В.В. Татур
Институт мониторинга климатических и экологических систем СО РАН, г. Томск E-mail: tatur@imces.ru
Стабилизатор напряжения на накопительном конденсаторе предназначен для преобразования постоянного нестабилизирован-ного напряжения в импульсное, стабилизированное по амплитуде, в схемах электропитания лазеров. Принцип действия устройства основан на возможности предварительного заряда накопительного конденсатора до напряжения, позволяющего компенсировать переменную составляющую входного напряжения.
Ключевые слова:
Накопительный конденсатор, дифференциальное уравнение второго порядка, зарядный контур, цепь стабилизации, входное напряжение, выходное напряжение. Key words:
Storage capacitor, second-order differential equation, charging circuit, stabilization circuit, input voltage, output voltage.
Введение
В электронике и электротехнике широко используют импульсные методы электропитания. Принцип действия таких схем основан на разряде энергии, запасенной в накопительном конденсаторе, на нагрузку. Большинство источников электропитания лазеров на парах металлов построено по такой схеме [1-3]. Мощность, выделяемая на нагрузке, в частности, на газоразрядной трубке, рассчитывается по формуле
Р = Си 2//2, (1)
где С - емкость накопительного конденсатора; и -напряжение на конденсаторе; / - частота повторения импульсов.
Как видно из формулы, мощность, выделяемая на нагрузке, пропорциональна квадрату напряжения, до которого заряжен конденсатор. Согласно формуле (1) повышение этого напряжения на 10 % приводит к увеличению выходной мощности на нагрузке на 21 %, а уменьшение на 10 % приводит к уменьшению выходной мощности на нагрузке на 19 %. Такое изменение мощности на газоразрядной трубке лазеров на парах металлов заметно дестабилизирует выходную мощность лазерного излучения.
В предлагаемой работе приводится техническое решение, которое позволит решить проблему стабилизации напряжения на накопительном конденсаторе.
1. Обоснование технического решения
В силовой импульсной технике часто используется схема с колебательным режимом заряда накопительного конденсатора, рис. 1.
Процесс заряда накопительного конденсатора в такой схеме хорошо известен и описывается дифференциальным уравнением второго порядка. В результате решения этого уравнения можно получить зависимость изменения напряжения на накопительном конденсаторе ивых от времени / [4]:
U _ = U „ -
U„
4lc
e at sin(a>0í +
a
(2)
где ao =
1
R
2 = - угловая частота соб-
/ n
НС 4Ь~ /-о ственных колебаний зарядного контура; Т0 - пе риод собственных колебаний; а=Я/2Ь - коэффи циент затухания свободной составляющей; у -на чальная фаза; $1иу=ю0^Е/С.
Um Cb^YYYV
R VD
=н>1-
o-
Рис. 1.
-о UBl
О
Схема заряда накопительного конденсатора: С - накопительный конденсатор, I - зарядная индуктивность, Н - активное сопротивление цепи зарядного контура, Уй - диод
Колебательный режим заряда осуществляется при условии, что время заряда накопительного конденсатора через зарядную индуктивность значительно превышает время его разряда на нагрузку, а активное сопротивление много меньше критического сопротивления зарядной цепи Л<<Д,р=2л/Х/С. С учетом этих ограничений напряжение на накопительном конденсаторе в момент времени =Т0/2 можно вычислять по формуле
U = 2U .
(3)
В момент достижения на накопительном конденсаторе напряжения 2 ивх произойдет запирание диода, и это напряжение удерживается на накопительном конденсаторе до момента разряда запасенной энергии на нагрузку.
Такой режим заряда накопительного конденсатора является наиболее выгодным с точки зрения минимизации потерь мощности и позволяет зарядить конденсатор до удвоенного напряжения пита-
2
ния. Но относительная стабильность напряжения Ивых остается равной относительной стабильности напряжения Ивх.
Режим заряда накопительного конденсатора до удвоенного напряжения питания возможен при условии нулевых начальных условий, т. е. в начале очередного цикла заряда напряжение на конденсаторе равно нулю. Если на конденсаторе уже имеется какое-то напряжение А И, тогда процесс заряда накопительного конденсатора будет описываться формулой
и._ = ^ - Ч^Жв-" вт(од/+ ¥). (4)
од
4Ыс
ивых ивх
®01л/ ЫС
Представим входное напряжение Ивх в виде
и =и +Аи ,
вх ст вх'
где Ист - постоянная составляющая входного напряжения; АИвх - переменная составляющая входного напряжения.
Если предварительно зарядить накопительный конденсатор до напряжения АИ=АИвх, то после подстановки этих величин в формулу (4), при Л=0 и ¿=Г0/2, выходное напряжение будет равно
и = и +Аи + и +Аи - 2Аи = 2и . (5)
вых ст вх ст вх вх ст у '
Как видно из полученной формулы (5), Ивых на накопительном конденсаторе не зависит от напряжения АИвх, а определяется только постоянной составляющей входного напряжения Цсг.
2. Анализ эквивалентной схемы
На рис. 2 приведена эквивалентная схема, с помощью которой может быть реализован вышеописанный метод. Резисторы Л1 и Я2 в реальной схеме отсутствуют, фактически они представляют эквивалентное сопротивление каждой из зарядных цепей, состоящих из активного сопротивления зарядных индуктивностей и диодов.
При Ивх<Ист стабилитрон Бст закрыт, напряжение АИвх=0, цепь индуктивность Ь2 - диод УБ2 не будет оказывать влияния на работу схемы. Заряд накопительного конденсатора С будет осуществляться по цепи индуктивность Ь1 - диод УБ1. Согласно формуле (2) зависимость изменения напряжения на накопительном конденсаторе от времени будет описываться формулой
и- 81П(ОД01^ +Ы (6)
Рис. 2. Эквивалентная схема
При Ивх> Ист стабилитрон УБст начнет открываться, и на резисторе Лст появится напряжение, которое для предложенного схемного решения соответствует переменной составляющей входного напряжения АИвх. Это напряжение подается на дополнительную зарядную цепь: индуктивность Ь2 - диод УБ2. В таком режиме накопительный конденсатор С заряжается по двум параллельным зарядным цепям Ы-УБ1 и Ь2—УБ2 от напряжений Ивх и АИвх соответственно. Процесс заряда накопительного конденсатора в такой схеме описывается дифференциальным уравнением третьего порядка. Введем некоторые ограничения в решение данной задачи. Индуктивность Ь2 должна быть много меньше индуктивности Ы. При этом заряд накопительного конденсатора С по второй зарядной цепи индуктивность Ь2 - диод УБ2 от напряжения АИвх будет осуществляться значительно быстрее, чем по цепи индуктивность Ь1 - диод УБ1 от входного напряжения Ивх. До момента запирания диода УБ2 влиянием цепи заряда Х1-УБ1 можно пренебречь. При таких допущениях описание процесса заряда можно свести к дифференциальному уравнению второго порядка, а зависимость напряжения на накопительном конденсаторе при заряде от второй зарядной цепи И*вых будет описываться уравнением (7), аналогичным уравнению (6), при условии, что работает вторая зарядная цепь от входного напряжения ЛИ..
и* =Аивх --
Аи в
од
в " БтОД^ + ^2). (7)
Процесс заряда накопительного конденсатора показан на рис. 3, а, кривая 1. Диод УБ1 в момент времени 70/2 закроется, и напряжение на накопительном конденсаторе останется на максимальном уровне. При =70/2, Я=0 в формуле (6) Ивых=2Ивх, что соответствует вышеприведенной формуле (3). Стабилизация напряжения на накопительном конденсаторе в этом режиме отсутствует.
Процесс заряда накопительного конденсатора в этом режиме показан на рис. 3, а, кривая 2. Диод УБ2 в момент времени 70/2 закроется, и напряжение на накопительном конденсаторе останется на максимальном уровне для данного входного напряжения. При =Т02/2, Л=0 в формуле (7) И*вых=АИвх. После запирания диода УБ2 вторая зарядная цепь устраняется из процесса заряда, и дальнейший заряд накопительного конденсатора осуществляется по первой зарядной цепи Х1-УБ1. При этом имеющееся напряжение на накопительном конденсаторе 2АИвх является напряжением начальных условий для зарядного контура Ы—УБ1-С, т. е. И*=2АИ =АИ.
2 Д1/ю
>к 1
\
2 >
/у/
х
Рис. 3. Процесс заряда накопительного конденсатора:
а) кривая 1, 2 - от первой и второй зарядных цепей;
б) заряд от двух зарядных цепей
Процесс заряда накопительного конденсатора в такой схеме описывается дифференциальным уравнением второго порядка с не нулевыми начальными условиями. В результате решения этого уравнения можно получить зависимость изменения напряжения на накопительном конденсаторе ивых от времени:
и_ 2Аи_ 1
= и,
14!лс
-£ _
При =Т0/2, Я=0 получим ранее приведенную формулу (5), где ^=2^.
Таким образом, напряжение на накопительном конденсаторе ивых будет равно удвоенному напряжению на стабилитроне ист и не будет зависеть от переменной величины Ливх. На рис. 3, б, показана результирующая кривая процесса последовательного заряда накопительного конденсатора от двух зарядных цепей, которая получена сложением кривых, приведенных на рис. 3, а, и отражает качественный характер процессов, происходящих в схеме.
3. Экспериментальная часть
На рис. 4 приведена электрическая схема эксперимента, питание которой осуществляется от сети переменного напряжения 220+22 В. Регулируемый автотрансформатор Т] позволяет регулировать входное напряжение от 0 до 250 В. (Для обеспечения техники безопасности при снятии характеристик, на входе схемы дополнительно использовался гальванически развязывающий трансформатор). На диодах УБ1, УБ2 и конденсаторах С1, С2 выполнен выпрямитель с удвоением напряжения. На выходе выпрямителя в точке ивх получаем выпрямленное, не стабилизированное напряжение, регулируемое с помощью автотрансформатора в диапазоне от 0 до 700 В. Это напряжение напрямую подается на первую зарядную цепь Ь1-УБ4. Цепь выделения напряжений ист и Ливх выполнена на стабилитронах УОст1 и УДст2 (супрессорах) - 1,5КЕ250А и резисторе Я1 - СТ1-51 кОм. Такая цепочка позволяет разделить входное напряжение на ист=500 В и Ливх, регулируемое в диапазоне от 0 до 200 В.
Напряжение Ливх усиливается по току транзистором УТ1 - КТ898А и подается на вторую зарядную цепь Ь2-УБ5. Трансформатор Т2, диодный мост УБ3 и фильтрующий конденсатор С3 предназ-
11 VD4
Рис. 4. Электрическая схема
начены для получения напряжения Ц,, питающего транзистор УТ1. Это напряжение должно быть рассчитано таким образом, чтобы при максимальном входном напряжении сети ик было больше максимального Ливх на величину полностью открытого транзистора УТ1, то есть ик - 201 В. В качестве накопительного конденсатора С4 выбран конденсатор К78-2-1600В - 4700 пФ.
Примем время заряда накопительного конденсатора по первой зарядной цепи Т01/2=50 мкс. Индуктивность ¿1 может быть рассчитана по формуле
И = Щ*.
п С
После расчетов и округления выбираем индуктивность ¿1=50 мГн. Частота повторения импульсов в схеме должна быть не более 20 кГц для обеспечения полного заряда накопительного конденсатора и гарантированного запирания диода УБ4. Диоды в зарядных цепях УБ4 и УБ5 выбираем типа НЕЮ08. Транзистор УТ2 - ^4РШ0И, управляется от генератора М. Время открытого состояния этого транзистора, в течение которого происходит разряд накопительного конденсатора, составляет 0,5 мкс. Таким образом, выполняется условие, что время заряда накопительного конденсатора значительно больше времени его разряда. Резистор Я2 служит в качестве нагрузки, на которой выделяется энергия, запасенная в накопительном конденсато-
ре. Сопротивление резистора Я2=20 Ом. Такое сопротивление позволяет осуществить разряд накопительного конденсатора за время открытого состояния транзистора УТ2 до нуля.
На рис. 5 приведены эпюры напряжений на накопительном конденсаторе при изменении входного напряжения от 500 до 700 В. Индуктивность во втором зарядном контуре ¿2=1,7 мГн. При ист=500 В (стабилитроны УБСТ1 и УБст2 по 250 В) стабилизация начиналась при входном напряжении около 525 В. При изменении входного напряжения от 525 до 700 В (525+33,3 %) выходное напряжение менялось от 1033 до 1121 В (1033+8,5 %).
Стабилизация напряжения на накопительном конденсаторе наблюдается, но коэффициент стабилизации достаточно низкий (33,3 %/8,5 %=3,9).
На рис. 6 показаны аналогичные эпюры напряжений при ¿2=0,5 мГн. В этом случае выходное напряжение менялось от 1069 до 1075 В (1069+0,56 %), коэффициент стабилизации составил 59,5.
Дальнейшее уменьшение индуктивности ¿2 относительно ¿1 к увеличению коэффициента стабилизации не приводило. Таким образом, при выше приведенных параметрах схемы оптимальное значение ¿2 в 100 раз меньше, чем ¿1.
Амплитуда напряжения на накопительном конденсаторе в такой схеме может регулироваться дискретно, заменой стабилитронов УБст1 и УБст2.
Л:« Тор 1. ОЗЗкУ АЮ Тор 1.060кУ
ихх=525 В 0^=600 В
*:0 Тор 1.0в7кУ л:0 Тор 1.121к7
¡7^=650 В [/„=700 В
Рис. 5. Эпюры напряжений при L1=50 мГн, 12=1,7 мГн
Л:0 Toi» 1.063kV А:0 Тор I.OTIkV
[/«=525 В [/«=600 В
а:О Тор 1.0?3kV t O Toi> 1.0?bkV
С/Ж=б50 В C/„=700 В
Рис. 6. Эпюры напряжений при L1=50 мГн, L2=0,5 мГн
Заключение
Предлагаемый метод стабилизации напряжения на накопительном конденсаторе основан на возможности предварительного заряда этого конденсатора до напряжения, позволяющего компенсировать переменную составляющую входного напряжения. При этом на входе схемы заряда накопительного конденсатора используется постоянное нестабилизированное напряжение.
Стабилизатор напряжения на накопительном конденсаторе реализован в модификации лазера на парах бромида меди с транзисторным коммутатором. Это позволило значительно повысить стабильность лазерного излучения. Устройство надежно в эксплуатации, просто в настройке и может быть использовано при разработке импульсных источников питания различного назначения.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Батенин В.М., Бучанов В.В., Молодых Э.И. и др. Лазеры на самоограниченных переходах атомов металлов. - М.: РФФИ, 1998. - 544 с.
2. Волков И.В., Вакуленко В.М. Источники электропитания лазеров. - Киев: Техника, 1976. - 176 с.
3. Визирь В.А., Иванов С.В., Манылов В.И. и др. Генератор сильноточных импульсов для накачки газового разряда // Приборы и техника эксперимента. - 2007. - № 2. - С. 84-86.
4. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. - М.: Высшая школа, 1984. - 559 с.
5. Пат. 2371824 Российская Федерация. МКИ Н021 7/10. Устройство для стабилизации напряжения на накопительном конденсаторе / Татур В.В., заявитель и патентообладатель Институт мониторинга климатических и экологических систем. -№ 2008132223; заявл. 04.08.2008; опубл. 27.10.2009. Бюл. № 30.
6. Суханов В.Б., Татур В.В. Эксплуатационные характеристики СиВг-лазера с транзисторным коммутатором // Известия Томского политехнического университета. 2008. - Т. 312. - № 2. -С. 108-110.
Поступила 12.11.2009 г.
