Научная статья на тему 'Широкополосный стабилизатор тока Ar+ лазера'

Широкополосный стабилизатор тока Ar+ лазера Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
98
15
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
СТАБИЛИЗАТОР ТОКА / AR+ЛАЗЕР / МОЩНОСТЬ / РАЗРЯД / НАПРЯЖЕНИЕ

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Сагитов А.С., Маркова С.Ю.

Статья содержит сведения, характеристики и особенности стабилизатора тока Ar+ лазера, который применяется для питания излучателей лазеров ЛГ-106М-1 и ЛГН-502.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

BROADBAND CURRENT REGULATOR OF AR + LASER

The paper shows the information, charcterstics and features of Ar+ laser current regulator, which is implemented in ЛГ-106М-1 and ЛГН-502 laser emitters power.

Текст научной работы на тему «Широкополосный стабилизатор тока Ar+ лазера»

М. А. Пономаренко, Х. З. Бейсенова

Жол тесемш кыздырудыц идеялары

С. ТораЙFыров атындаFы Павлодар мемлекеттiк университетi, Павлодар к.

Материал 15.12.14 ,баспаFа TYCTi.

M. A. Ponomarenko, Н. Z. Beisenova

The idea of the roadbed heating

S. Toraighyrov Pavlodar State University, Pavlodar.

Material received on 15.12.14.

Мацалада жолдъщ сапасын жацсарту эдктерте талдау орындалган жэне жол твсемдерт цъгздырудъщ салыстырмалы жэне тупнусцалы арзан эдiстерi усынъшган.

The article gives an analysis of the existing methods of improving the quality of roads and proposes an original and relativery inexpensive way of heating the roadway.

УДК 621.316.722.1

А. С. Сагитов, С. Ю. Маркова

Павлодарский государственный университет имени С. Торайгырова, г. Павлодар ШИРОКОПОЛОСНЫЙ СТАБИЛИЗАТОР ТОКА AR+ ЛАЗЕРА

Статья содержит сведения, характеристики и особенности стабилизатора тока Ar+ лазера, который применяется для питания излучателей лазеров ЛГ-106М-1 и ЛГН-502.

Ключевые слова: стабилизатор тока, AR+лазер, мощность, разряд, напряжение.

В последнее десятилетие в качестве инструмента исследований в различных областях науки и техники все более широко используются Ar+ лазеры. При решении вопроса о целесообразности использования этих лазеров метрологические показатели их излучения часто становятся определяющими. Так, при создании узкополосного перестраиваемого лазера на красителе требования стабильности мощности излучения Ar+ лазера накачки становятся очень жесткими, так как уровень флуктуаций частоты лазера на красителе однозначно и достаточно сильно зависит от уровня флуктуаций интенсивности накачки [1].

Наиболее важной причиной, определяющий уровень нестабильности мощности излучения для всех типов Ar+ лазеров, является уровень нестабильности тока источника электропитания. Исследования показали, что для устранения присутствующих в токе разряда гармоник промышленной частоты до уровня - необходим источник стабильности тока разряда, подавляющий возмущения до частот 100-300 кГц [2]. Такой широкополосный стабилизатор тока в настоящее время возможно создать только на мощных транзисторах, работающих в активном режиме. При создании стабилизаторов тока классическим способом

56

(неуправляемый выпрямитель, транзисторный регулятор) большой ток заряда и большой необходимый динамический диапазон напряжения «коллектор - эмиттер» (для Аг+ лазера ЛГН-502 -35 А, -30-50 В), а также высокое напряжение на лазерной трубке (до 300 В) диктуют необходимость использовать в транзисторном регуляторе около 100 транзисторов, что существенно снижает надежность всего стабилизатора тока.

В [3] показаны по сравнению с классическим способом стабилизации преимущества комбинированной системы стабилизации, состоящей из управляемого выпрямителя на тиристорах и транзисторного регулятора в котором управляемый выпрямитель работает таким образом, что напряжение транзисторного регулятора остается постоянным и равным 6 В при любых изменениях выходного напряжения, тока нагрузки и напряжения питания сети. Показано, что комбинированный способ стабилизации позволяет существенно повысить вероятность безотказной работы системы стабилизации.

Ниже рассмотрены результаты разработки данного способа при создании надежного и высококачественного стабилизатора тока серийных излучателей Аг+ лазеров.

Исследования показали, что вес возмущения, дестабилизирующие ток разряда Аг+ лазера, можно условно разбить по спектральным диапазонам, в которых они лежат, на низкочастотные (НЧ) и высокочастотные (ВЧ) возмущения. К первой группе принадлежат флуктуации переменного напряжения промышленной сети, изменение состава и давления аргона, изменения уровня магнитного поля, прикладываемого к разрядной трубке лазера. Ко второй группе относятся пульсации выпрямленного напряжения, переменное напряжение накала катода. Причем НЧ возмущения лежат в диапазоне от нуля до долей герц, но для их подавления необходим динамический диапазон до нескольких десятков вольт. Для накала катода подается напряжение 6,3 В (50 Гц), спектр пульсации выпрямленного напряжения дискретный, кратный 50 Гц. При относительном значении пульсации 1-2 % динамический диапазон необходимый для подавления ВЧ возмущений, не превышает 12 В, а среднее значение напряжения на транзисторном регуляторе, не превышает 8 В.

Особенностью описываемого стабилизатора тока Аг+ лазера является наличие двух колец подавления возмущений - низкочастотного (НЧК) и высокочастотного кольца (ВЧК). Для НЧК силовым регулятором является тиристорный преобразователь, для ВЧК - транзисторный регулятор. НЧК и ВЧК раздельно подавляют НЧ и ВЧ возмущения, что позволяет разгрузить транзисторный регулятор по мощности уменьшением на нем необходимого среднего напряжения. Это в свою очередь, дает возможность, как уменьшить число транзисторов транзисторного регулятора, так и уменьшить коэффициент нагрузки по мощности отдельного транзистора [3] и, следовательно, увеличить вероятность безотказной работы всего стабилизатора тока.

Функциональная схема стабилизатора тока. Где ТП- тиристорный преобразователь; ФНЧ - фильтр низких частот; КУ1 и КУ2 - корректирующие

усилители НКЧ и ВЧК соответственно; ДТ - датчик тока; - эталонные сигналы НЧК и ВЧК, определяющие напряжение на транзисторном регуляторе ТР и ток разряда лазера; - выпрямленное напряжение с выхода ФНЧ. Элементы ТР, ДТ, КУ2 образуют ВЧК и выключены по традиционной схеме активного стабилизатора тока с последовательным транзисторным регулятором. Элементы ТП, ФНЧ, ТР и КУ1 образуют НКЧ, быстродействие которого ограничивается выбором параметров КУ1. В переходных режимах работы НКЧ, когда превышает эталонное значение (что соответствует режимам включения лазера и уменьшения тока разряда при уменьшении эталонного сигнала ), рассеиваемая на ТР мощность также превышает свое значение в стационарном режиме. Для надежной работы стабилизатора желательно, чтобы в перегруженном состоянии ТР находился минимальное время, т.е. чтобы быстродействие НКЧ было максимальным.

Так как общая аналитическая оценка оптимальных параметров элементов НКЧ из условия максимального его быстродействия достаточно сложна, ниже рассматривается простая графоаналитическая методика выбора параметров КУ1 при заданной структуре ТП и ФНЧ.

Структурная схема, описывающая динамику НЧК. Сделано следующее допущение. Так как полоса частот ВЧК значительно превышает частотный диапазон НЧК, то для НЧК реакция ТР (изменение ) на какое-либо возмущение тока разряда практически мгновенна, следовательно, \]кэ (/со) ~ 1}„ (/со), где - комплексные напряжения на ТР и выходе ТП.

ТП описывается звеном постоянного запаздывания с комплексным коэффициентом усиления (ККУ1) [4]

ТЗДга ) = К3е~1

ФНЧ описывается колебательным звеном с ККУ2

- К2и + 2/й)|Г2]

КУ1 описывается инерционным звеном с ККУЗ

иадса) = К2/(1+/шГ3).

здесь К - статический коэффициент усиления; т. - время запаздывания звена постоянного запаздывания; Т - постоянная времени; ^ - коэффициент затухания колебательного звена;

Тиристорный преобразователь собран по схеме сетевого иссимметричного трехфазного управляемого выпрямителя, имеющего с блоком управления К= 100; время запаздывания т. связано с частотой преобразования тиристорного преобразователя^ обратной зависимостью тг = ; ^=6,7 ■+ 10_3;с (/п= н/с; п=Ъ - число фаз управления; /с=50 Гц - частота сети) Первая гармоника пульсаций выпрямленного напряжения на выходе тиристорного преобразователя совпадает с частотой;

Фильтр низких частот - однозвенный ЬС - фильтр, индуктивность Ь фильтра собрана на 6 дросселях типа Д52 (три параллельных звена по два последовательно соединенных дросселя, индуктивность каждого из которых 8,5 мГц, ток - 12 А,

активное сопротивление г=0,15 Ом); емкость С собрана из 20 конденсаторов типа К-50-3Ф-1000,0х300 В (два последовательно соединенных звена по 10 параллельно включенных конденсаторов); С=5000,0 мкФ; L=5,7 мГц. Конструкция фильтра низких частот определяется заданным коэффициентом подавления первой гармоники пульсаций

Статистический коэффициент усиления фильтра низких частот. Степень затухания фильтра низких частот определяется как

где R - активное сопротивление в цепи индуктивности L, равное, если учитывать только активное сопротивление дросселя Д52, 2г/3

корректирующий усилитель НЧК собран по схеме активного RC-фильтра низких частот на операционном усилителе К574Д1А.

Кривая 12 - суммарная логарифмическая амплитудно-частотная характеристика (ЛАЧХ) ТП и ФНЧ, а кривые 1 и 2 - их логарифмическое фазово-частотные характеристики (ЛФЧХ). Кривые соответствуют ККУ1 и ККУ2 для приведенных выше числовых параметров. Кривые 4 - желаемые ЛАЧХ и ЛФЧХ разомкнутого низкочастотного кольца, имеющего запас устойчивости по усилению ДК =12 дБ и по фазе Дф = 90°. Кривые 3 - ЛАХЧ и ЛФЧХ соответствующие ККУ3 с Т = 1,5* 10-3с, К2 =100; при сложении с кривыми 12, 1 и 2 дают желаемые кривые 4.

Частоты среза НЧК (частота, на которой усиление по кольцу равняется единице) / = 1 Гц - определяет время установления переходного процесса в

Увеличивая можно при заданной структуре тиристорного преобразователя и фильтра низких частот уменьшить ¿пер но при этом в пределах половины декады изменения частоты среза запас устойчивости ДК стремится к нулю, и хотя запас устойчивости ДК еще достаточно большой, устойчивость НЧК может при небольших изменениях реальных параметров схемы стабилизатора тока нарушиться. Уменьшения при сохранении запаса устойчивости НЧК можно достичь, если принять меры для увеличения степени затухания но это возможно только при внесении дополнительных активных потерь в фильтре низких частот, т. е. при уменьшении КПД стабилизатора тока.

Разработанный по описанию функциональной схеме стабилизатор тока применяется для питания излучателей лазеров ЛГ-106М-1 и ЛГН-502. Стабилизатор тока имеет следующие особенности: транзисторный регулятор тока собранна 15 транзисторах КТ809А; максимальная рассеиваемая на транзисторах

Ш/ы^Г^Т? - (2тс/)2ЬС~30 Отсюда Т2^/2Пк/п « 5,4 * 10"3

НЧК ^шр ~ 3/2я/ ~0,5 с

мощность - 300 Вт при токе разряда 30 А; время установления среднего значения U=10 В; tnep = 1-2 с; полоса частот ВЧК - 150 кГц; уровень нестабильности тока разряда стабилизатора тока - 0,05 %; КПД - 96 %.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1 Бестеров, И. М. и др.// Лазеры с перестраиваемой частотой./ Под ред. В. П. Чеботаева - Новосибирск, 1980.

2 Василенко, Л. С. и др.// Квантовая электроника. - 1983. - Т. 10. - №7. - С.1507.

3 Абоян, О. А. и др.// Радиотехника. - 1982. - №12. - С. 80.

4 Теория автоматического управления // Под ред. А. В. Нетушило - М. : Высшая школа, 1976.

Материал поступил в редакцию 15.12.14.

А. С. Сагитов, С. Ю. Маркова

Токтыц AR+ лазердщ жалпакжолакты турактандыргышы

С. ТораЙFыров атындаFы Павлодар мемлекетлк университет^ Павлодар к.

Материал 15.12.14 ,баспаFа тYстi.

A. S. Sagitov, S. Y. Markova

Broadband current regulator of AR + Laser

S. Toraighyrov Pavlodar State University, Pavlodar.

Material received on 15.12.14.

Макала ЛГ-106М-1 жэне ЛГН-502 жылулыц таратушы лазер квздерте крлданылатын токтыц турацтандыргышы Ar+ лазердщ сипаттамалары мен ерекшелжтертщ мэлiметтерmен турады.

The paper shows the information, charcterstics and features of Ar+ laser current regulator, which is implemented in ЛГ-106М-1 and ЛГН-502 laser emitters power.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.