Устройство для питания газоразрядной лампы

Полезная модель относится к электротехнике, в частности к технике формирования импульсов накачки для мощных лазерных систем.
Традиционной схемой питания ламп накачки является последовательный колебательный LC-контур, коммутируемый на газоразрядную лампу сильноточным высоковольтным коммутатором. Вся энергия, накопленная в конденсаторе, передается в нагрузку. Если выделенная в лампе энергия превысит некоторое критическое значение Еехр, определяемое по формуле [Koechner W. Solid state laser engineering - Berlin: Springer-Verlag, 1996 - 708 p.]:
p
1/2
где t=3(LC) - длительность токового импульса в режиме критического разряда,
l, d- длина и диаметр канала разряда, то происходит разрушение лампы вследствие воздействия ударной волны, возникающей при развитии разряда.
x
0
ехр
0
-8,5
Эмпирически установлена зависимость ресурса лампы, например, числа импульсов, выдерживаемых лампой-вспышкой без разрушения, от коэффициента нагрузки f=(Е/Е), где  - энергия, запасаемая в конденсаторе, заряженном до напряжения U.
С целью увеличения ресурса ламп применяется режим предионизации, когда перед формированием мощного импульса тока через лампы пропускается предварительный импульс с длительностью порядка 150…200 мкс и амплитудой до 10% от амплитуды основного импульса. Работа ламп в режиме с предионизацией позволяет значительно увеличить срок их службы или поднять максимально допустимые значения импульсного тока.
Для инициации разряда в газонаполненной лампе-вспышке необходимо формирование начального стримерного канала между электродами лампы путем создания достаточного для ионизации газа градиента напряжения. Это условие может обеспечиваться различными способами, в том числе подачей импульса поджига с амплитудой в несколько раз больше установившегося напряжения на сформировавшемся разряде.
Известен разрядный контур питания импульсной газонаполненной лампы, включающий последовательно соединенные кабелем накопительную емкость, игнитронный разрядник, формирующую индуктивность и импульсную газонаполненную лампу (патент РФ №2227381, МПК Н05В 41/30, опубл. 10.11.2003). Дополнительно в разрядный контур введена поджиговая емкость, которая подключена к части витков формирующей индуктивности и к экрану кабеля, образуя воздушный повышающий трансформатор. Техническим результатом изобретения является питание импульсной лампы напряжением ниже пробойного без применения дополнительных электронных блоков формирования и управления импульса поджига лампы.
Недостатком известного устройства является отсутствие фазы предионизации при формировании импульса тока, что вследствие быстрого расширения плазменного столба разряда на фронте импульса приводит к возникновению ударной волны, воздействующей на стеклянную колбу газонаполненной лампы вплоть до ее механического разрушения при работе на предельных токах. Это снижает срок службы и надежность всего устройства.
Наиболее близким к заявляемому устройству по технической сущности и достигаемому результату является разрядный контур емкостного накопителя энергии ЕНЭ-60 для питания восьми ламп накачки модернизированного зеркального осветителя унифицированной конструкции (Потемкин А.К., Журин К.А., Кирсанов А.В., Копелович Е.А., Кузнецов М.В., Кузьмин А.А., Флат Ф.А., Хазанов Е.А., Шайкин А.А. Эффективные широкоапертурные стержневые усилители на неодимовом стекле // Квантовая электроника - 2011 - 41 - №6 - С. 489, рис. 2). Разрядный контур содержит последовательно соединенные первый емкостной накопитель, первую формирующую индуктивность и первый ключ, подключенные к газоразрядной лампе кабельной линией, например коаксиальным кабелем, а также второй емкостной накопитель, вторую формирующую индуктивность и второй ключ, причем отрицательные полюса емкостных накопителей соединены между собой и по оплетке коаксиального кабеля с катодом газоразрядной лампы. В качестве ключа используется тиристорный коммутатор, выполненный на четырех последовательно включенных тиристорах. Для повышения срока службы ламп накачки их поджиг осуществляется с помощью дополнительного малоэнергетичного контура предионизации, подключенного к лампе и состоящего из второго накопительного конденсатора, второго тиристорного коммутатора, второй формирующей индуктивности и резистора.
Недостатком прототипа является необходимость поддержания для надежного поджига лампы повышенного напряжения на конденсаторе контура предионизации. Так, например, для лампы ИНП паспортное значение амплитуды импульса зажигания составляет 25 кВ, в то время как максимальное падение напряжения при токе 4 кА не превышает 1300…4500В. Как следствие, предъявляются повышенные требования к параметрам ключа контура предионизации, так как он должен быть рассчитан на работу при пропускании полного импульса тока контура и в запертом состоянии выдерживать напряжение, существенно превосходящее напряжение на лампе при горении разряда. Следствием этих недостатков является усложнение и удорожание конструкции, увеличение габаритов устройства.
Задачей заявляемой полезной модели является упрощение конструкции и уменьшение габаритов устройства.
Технический результат - снижение требований к ключу контура предионизации по предельно допустимым коммутируемому напряжению и току за счет разделения процессов поджига, предионизации и основного разряда газоразрядной лампы по разным цепям, снижение электрической нагрузки на конденсатор и ключ контура предионизации.
Технический результат достигается тем, что в устройство для питания газоразрядной лампы, содержащее последовательно соединенные первый емкостной накопитель, первый ключ и первую формирующую индуктивность, подключенные к газоразрядной лампе кабельной линией, например коаксиальным кабелем, а также второй емкостной накопитель, вторую формирующую индуктивность и второй ключ, причем отрицательные полюса емкостных накопителей соединены между собой и по оплетке коаксиального кабеля с катодом газоразрядной лампы, введены конденсатор поджига, шунтирующий его резистор и диод, вторая формирующая индуктивность выполнена с отводом, причем анод диода соединен с положительным полюсом второго емкостного накопителя, а катод диода соединен с отводом второй формирующей индуктивности, первый вывод которой соединен с первым выводом конденсатора поджига, второй вывод которого через второй ключ соединен с отрицательными полюсами первого и второго емкостного накопителя, а второй вывод второй формирующей индуктивности соединен по центральной жиле коаксиального кабеля с анодом лампы.
Введение конденсатора поджига, шунтирующего его резистора и диода позволяет снизить электрическую нагрузку на второй ключ, так как он обеспечивает лишь слаботочный поджиг лампы в течение нескольких микросекунд после срабатывания. Индуктивность с отводом представляет собой автотрансформатор, рассчитанный на работу только с током предионизации, что на порядок меньше номинального тока разряда. Разделение поджига и контура формирования тока предионизации позволяет установить напряжение на втором емкостном накопителе на уровне, соответствующем падению напряжения на лампе при протекании некоторого оптимального тока, обеспечивающего предварительный разогрев канала газового разряда. При задании тока предионизации, например, на уровне 10% от максимально допустимого тока лампы, напряжение зарядки конденсатора предионизации составит лишь 30% от падения напряжения на лампе при максимальном токе, что многократно ниже напряжения зажигания лампы.
Таким образом обеспечивается снижение электрической нагрузки на конденсатор и ключ контура предионизации и, соответственно, снижение требований к параметрам элементов схемы, что дает возможность применения элементной базы менее требовательной по предельно допустимым коммутируемому напряжению и току, в итоге это приводит к упрощению конструкции и уменьшению габаритов устройства.
На фиг. 1 представлена упрощенная электрическая схема устройства для питания газоразрядной лампы. На фиг. 2 приведены расчетные осциллограммы тока и напряжения в цепи из четырех последовательно соединенных ламп типа ИНП 16/250, а на фиг. 3 - экспериментальные результаты работы устройства для питания газоразрядных ламп.
Предлагаемое устройство может использоваться для питания одной газоразрядной лампы, а также для питания нескольких ламп, соединенных последовательно. В примере конкретного выполнения устройство используется для питания нескольких ламп.
Устройство содержит последовательно соединенные первый емкостный накопитель 1, первую формирующую индуктивность 2, первый ключ 3, подключенные к последовательно соединенным газоразрядным лампам 4.1…4.N с помощью коаксиального кабеля 5. Кроме того, устройство содержит вторую формирующую индуктивность 6, выполненную с отводом (части 6.1 и 6.2), второй емкостный накопитель 7, диод 8, конденсатор поджига 9 с шунтирующим его резистором 10 и второй ключ 11. Анод диода 8 соединен с положительным полюсом второго емкостного накопителя 7, а катод диода 8 соединен с отводом второй формирующей индуктивности 6, первый вывод которой соединен с первым выводом конденсатора поджига 9, второй вывод которого через ключ 11 соединен с отрицательными выводами первого и второго емкостных накопителей 1 и 7 и по оплетке коаксиального кабеля 5 с катодом лампы 4.N. Второй вывод второй формирующей индуктивности 6 соединен по центральной жиле коаксиального кабеля 5 с анодом лампы 4.1. В качестве ключей могут быть использованы любые полупроводниковые, электровакуумные или газоразрядные коммутирующие приборы, подходящие по параметрам коммутируемого тока и напряжения. В случае использования однооперационных приборов, например, тиристоров, тиратронов для запуска применяется короткий по длительности пусковой импульс. В случае использования полностью управляемых приборов, импульс запуска должен по длительности соответствовать расчетному времени проводимости ключа.
o
пи
з
пи
6.2
6.1
0,5
Устройство для питания газоразрядной лампы работает следующим образом. В исходном состоянии первый 3 и второй 11 ключи закрыты, первый емкостный накопитель 1 заряжен до напряжения E, соответствующего ожидаемому рабочему току в газоразрядных лампах 4.1…4.N, второй емкостный накопитель 7 заряжен до напряжения Е, обеспечивающего протекание через лампы 4.1…4.N тока предионизации. Конденсатор поджига 9 разряжен. При замыкании второго ключа 11 конденсатор 9 заряжается по цепи емкостный накопитель 7, диод 8 и часть 6.1 второй индуктивности 6. За счет автотрансформаторной связи обмоток на втором выводе индуктивности 6 формируется импульс напряжения с амплитудой U=E⋅(N+1), где N=(L/L) - коэффициент трансформации, величина которого задается таким образом, чтобы обеспечить поджиг ламп 4.1…4.N. Длительность импульса составляет несколько микросекунд, форма импульса колебательная. Зажиганию разряда дополнительно способствует близкое к удвоению увеличение амплитуды импульса на выходе кабельной линии 5, разомкнутой на конце до зажигания разряда в лампах 4.1…4.N. После зажигания разряда в контуре емкостный накопитель 7, диод 8, часть 6.2 индуктивности 6, лампы 4.1…4.N формируется импульс тока предионизации, параметры которого определяются соотношением волнового сопротивления контура и сопротивлением столба плазменного разряда в лампах 4.1…4.N. Оптимальная форма импульса соответствует переходу разряда емкости накопителя 7 из колебательного в апериодический режим. При этом вся энергия, накопленная в накопителе 7, передается в нагрузку.
о
пи
В течение времени пока сохраняется проводимость плазмы разряда в лампах 4.1…4.N, может быть включен ключ 3 и в контуре емкостный накопитель 1, ключ 3, индуктивность 2 и лампы 4.104.N будет сформирован импульс рабочего тока. За счет предварительного разогрева плазменного столба амплитуда импульса тока может быть максимально приближенной к предельно допустимым значениям без риска разрушения ламп 4.1…4.N. На фиг. 2 приведены расчетные осциллограммы напряжения (а) и тока (б) на 4-х ламповой нагрузке при напряжении на емкостном накопителе 1 Е=9кВ и напряжении на емкостном накопителе 7 Е=2,0; 4,0; 6,0кВ (кривые 1, 2, 3). На фиг. 3. приведены осциллограммы напряжения (луч 4) и тока (луч 1) на 4-х ламповой нагрузке, импульсы запуска ключа 11 контура предионизации (луч 2) и ключа 3 основного рабочего контура (луч 3).
Таким образом, предлагаемое устройство для питания газоразрядной лампы за счет разделения по разным цепям фаз поджига, предионизации и этапа формирования основного разряда обеспечивает возможность снижения электрической нагрузки на конденсатор и ключ контура предионизации, что делает возможным применение элементной базы менее требовательной по предельно допустимым коммутируемому напряжению и току