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Bei im Dauer-Betrieb oder im Pulsbetrieb arbeitenden Gaslasern
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ist es bekannt, als Stromversorgungsteil eine steuerbare Gleichspannungsquelle
zu verwenden. Bekanntlich weist die Gasentladungsstrecke von Gaslasern eine negative
Impedanz auf, die kompensiert werden muß. Die bekannten Stromversorgungen von Gaslasern
besitzen hierzu in der Regel einen Ohmschen Serienwiderstand und/oder eine Regelröhre.
Ist der Serienwiderstand durch beispielsweise eine aktive, regelbare Hochspannungsröhre
gebildet, so läßt sich die Gasentladungsstrecke durch Variieren der Gitterspannung
der Röhre regeln. Alternativ kann die Spannung der Gleichspannungsquelle verändert
werden.
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Die bekannten Stromversorgungen ermöglichen zwar einen stabilen Betrieb
der Gasentladungsstrecke, jedoch entstehen in dem Ohmschen Widerstand bzw. in der
Regelröhre erhebliche Verlustleistungen, die den Wirkungsgrad des Gaslasers herabsetzen.
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Außer den oben angesprochenen Gleichspannungsquellen gibt es als Stromversorgungen
für Gas laser Kondensatoren und Gleichrichterdioden aufweisende Gleichrichter-Kaskadenschaltungen,
mit denen von einer Wechselspannungsquelle abgegebene Wechselspannungen gleichgerichtet
werden.
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Allerdings läßt sich mit einer solchen Schaltung die Leistung des
Gaslasers nicht in der gewünschten Weise regeln; denn die Kapazitäten in der Kaskadenschaltung
bedingen eine beträchtliche Totzeit der Regelung. Durch die Parallelschaltung mehrerer
Kondensatoren in der Kaskadenschaltung entsteht eine beträchtliche Gesamtkapazität,
die die Schwingneigung des Systems erhöht. Es entstehen nicht beherrschbare Kippschwingungen,
die insbesondere bei schnell strömenden Gasentladungsstrecken zu Stabilitätsproblemen
führen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Gleichstromentladungs-Gaslaser
mit Stromversorgungsteil anzugeben, der im Dauer-Betrieb und im Pulsbetrieb arbeiten,
und der sich im Vergleich zum Stand der Technik durch einen höheren Wirkungsgrad
und/oder durch bessere Regelbarkeit auszeichnet.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem Gas laser dadurch gelöst,
daß der Stromversorgungsteil eine regelbare Wechselspannungsquelle mit hoher Innenimpedanz,
einen der Wechselspannungsquelle nachgeschalteten Gleichrichter und einen Ladekondensator,
der an den Ausgang des Gleichrichters und parallel zur Gasentladungsstrecke des
Gaslasers geschaltet ist, aufweist.
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In der erfindungsgemäßen Stromversorgungsschaltung verhält sich die
Wechselspannungsquelle wie eine Gleichspannungsquelle mit hohem Innenwiderstand.
Die Frequenz der von der Wechselspannungsquelle abgegebenen Wechselspannung wird
so hoch gewählt, daß die Kapazität des zu der Gasentladungsstrecke parallel geschalteten
Ladekondensators sehr klein bemessen werden kann, wobei die Kapazität so gewählt
wird, daß die am Ausgang des Gleichrichters noch verbleibende Welligkeit der Spannung
beseitigt werden kann, gleichzeitig aber eine Schwingneigung des Systems wegen zu
hoher Kapazität des Kondensators vermieden wird. Da auf einen Ohmschen Widerstand
bzw. auf eine Regelröhre verzichtet werden kann, werden Verlustleistungen vermieden
und dementsprechend erhöht sich der Wirkungsgrad des Sytems.
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Während bei den oben erläuterten bekannten Lasern der Wirkungsgrad
nicht über etwa 70 bis 75 % ansteigt, lassen sich mit dem erfindungsgemäßen Gaslaser
Wirkungsgrade von 90 bis 95 % erzielen.
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Die Wechselspannungsquelle läßt sich in einfacher, an sich bekannter
Weise regeln. Insbesondere sieht die Erfindung vor, daß die Wechselspannungsquelle
einen selbstkommutierenden Zerhacker aufweist, der in seinem Ausgang ein Blindwiderstandsnetzwerk
mit TiefpaB-characterstik besitzt. Der selbstkommutierende Zerhacker bildet zusammen
mit dem Blindwiderstandsnetzwerk ein Stellglied für den der Gasentladungsstrecke
ein zu prägenden Strom. Dem Zerhacker werden beispielsweise Stellsignale in Form
von Impulsen zugeführt, und er bildet nach Maßgabe dieser Impulse aus einer positiven
und einer negativen Gleichspannung etwa sinusförmige Wechselspannungssignale, die
von den Gleichrichtern gleichgerichtet werden. Das Blindwiderstandsnetzwerk wird
vorzugsweise durch ein LC-Glied gebildet. Durch die Reihenschaltung der Induktivität
wird virtuell ein hoher Innenwiderstand der Spannungsquelle geschaffen, es entsteht
jedoch keine Verlustleistung. Wenn das Blindwiderstandsnetzwerk Tiefpaßcharakteristik
aufweist, läßt sich die Ausgangsleistung durch entsprechende Fehlanpassung über
die Frequenz der den Zerhacker steuernden Impulse variieren.
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Wenn zwischen der Wechselspannungsquelle und dem Ladekondensator
ein Transformator liegt, läßt sich auf einfache Weise eine Impedanzanpassung an
die jeweilige Gasentladung bewirken.
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In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung, die gleichzeitig
eine spezielle Anwendungsmöglichkeit des erfindungsgemäßen Stromversorgungsteils
darstellt, sind zwischen die Ausgangsanschlüsse der Wechselspannungsquelle die Primärwicklungen
von mehreren Transformatoren angeschlossen, wobei die Sekundärwicklung jedes Transformators
über einen Gleichrichter einen Gaslaser speist. Die gleichartigen Transformatoren
geben jeweils gleiche Leistung auf die nachgeschalteten Gasentladungsstrecken.
Da
in sämtlichen Primärwicklungen der Transformatoren der gleiche Strom fließt, ist
auch der sekundärseitige Strom eingeprägt. Bei gleichem Windungsverhältnis sind
mithin auch die Ströme der Gasentladungsstrecken gleich. Die Ströme der Gasentladung
lassen sich in an sich bekannter Weise durch Messen der Gasentladungs-Ströme und
entsprechendes Beeinflussen der die Wechselspannungsquelle steuernden Impulse regeln.
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Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der
Zeichnung näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Schaltungsskizze
eines Gleichstromentladungs-Gaslasers mit Stromversorgungsteil Fig. 2 eine Schaltungsskizze
der in Fig.1 mit 10 bezeichneten Wechselspannungsquelle, und Fig. 3 eine schematische
Skizze mehrerer, von einer Wechselspannungsquelle gespeister Gaslaser.
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In Fig. 1 besitzt eine hohe Innenimpedanz aufweisende Wechselspannungsquelle
10 einen weiter unten noch näher erläuterten, selbstkommutierenden Zerhacker 1 und
einen daran angeschlossen LC-Vierpol 2. An die Ausgänge des Vierpols ist über zwei
Anschlüsse 11 und 12 die Primärwicklung eines Transformators T1 angeschlossen.
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Die auf der Sekundärseite des Transformators T1 erzeugte Wechselspannung
wird von einem Gleichrichter GL1, der z. B. ein Vollweggleichrichter ist, gleichgerichtet
und
auf die Elektroden einer Gasentladungsstrecke eines Gaslasers
5 gegeben. Parallel zu der Gasentladungsstrecke des Lasers 5 ist an den Ausgang
des Gleichrichters GL1 ein Ladekondensator C1 geschaltet.
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Die von dem Transformator T1 hochtpansformierte, am Ausgang der Wechselspannungsquelle
10 gebildete Wechselspannung wird von dem Gleichrichter GL1 gleichrichtet und von
dem Kondensator Cl geglättet, so daß an die Elektroden des Gaslasers 5 eine geglättete
Gleichspannung geregelter Amplitude angelegt wird. Die Regelung erfolgt in an sich
bekannter Weise durch Zuführen von Regelimpulsen zu dem Zerhacker 1, wie weiter
unten noch näher erläutert wird.
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Die Frequenz der Wechselspannungsquelle 10 beträgt beispielsweise
35 kHz für maximale Leistung des Lasers 5, und 50 kHz für minimale Leistung des
Lasers. Dementsprechend kann der Ladekondensator C1 klein bemessen werden, im vorliegenden
Ausführungsbeispiel hat er z. B. eine Kapazität von etwa 100 pF.Mit einer solchen
Kapazität läßt die Welligkeit des am Ausgang des Gleichrichters GL1 erscheinenden
Signals im wesentlichen beseitigen.
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Andererseits ist die Kapazität des Kondensators C1 klein genug, um
mit Sicherheit ein Schwingen des Systems zu verhindern.
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Fig. 2 zeigt die Wechselspannungsquelle 10 im einzelnen.
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Eine positive Gleichspannungsquelle U+ und eine negative Gleichspannungsquelle
U- sind an zwei in Reihe geschaltete Schalttransistoren Tr1 und Tr2 angeschlossen,
wobei die Kollektor-Emitter-Strecke jedes Transistors mittels eines Kondensators
C3 bzw. C4 überbrückt ist.
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Die Basis jedes Transistors Tr1, Tr2, wird vom Ausgangssignal eines
Null-Spannungs-Detektors D1 bzw. D2 angesteuert. Die Detektoren empfangen an ihren
Steuereingängen gegenphasige Steuerimpulse, deren Frequenz die Leistung des Lasers
bestimmt.
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Die beiden Detektoren D1 und D2 haben die Aufgabe, die an sie gelegten
Steuerimpulse gegebenenfalls zu verzögern, und zwar solange, bis die Spannung zwischen
Kollektor und Emitter des angeschlossenen Transistors den Wert Null hat.
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An den Knoten zwischen dem Emitter des Transistors Tr1 und dem Kollektor
des Transistors Tr2 ist ein aus einer Serien-Induktivität L1 und einer Parallel-Kapazität
C2 bestehendes LC-Glied als Blindwiderstandsnetzwerk geschaltet. Im Betrieb stellt
die Serien-Induktivität L1 virtuell einen hohen Innenwiderstand der Wechselspannungsquelle
dar.
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Die Schaltung nach Fig. 2 arbeitet wie folgt: Wenn der Transistor
Tr1 öffnet, fließt ein Strom mit etwa sinusförmigem Verlauf in die Spule L1. Bevor
der Strom jedoch den Nulldurchgang erreicht, wird er durch Abschalten des Transistors
Tr1 unterbrochen. Durch Gegeninduktion fließt dann aus der Spule L1 ein entgegengesetzter
Strom. Dieser Strom lädt die beiden die Transistoren überbrückenden Kondensatoren
C3 bzw. C4 so um, daß die Spannung an dem Transistor Tr2 Null wird. Dieser Zustand
wird durch den Detektor D2 festgestellt, und der Steuerimpuls wird auf die Basis
des Transistors Tr2 durchgeschaltet, so daß dieser Transistor öffnet. Der oben beschriebene
Vorgang findet nunmehr in entsprechender Weise statt, wobei die
Stromrichtung
entgegengesetzt ist. Die am Ausgang des Vierpols L1, C2 entstehende Wechselspannung
wird über die Anschlüsse 11 und 12 auf den in Fig. 1 dargestellten Transformator
T1 gegeben.
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Die erfindungsgemäße Schaltung bietet die Möglichkeit, gleichzeitig
mehrere Gaslaser 13, 14, 15, 16 zu regeln.
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Hierzu sind zwischen die Anschlüsse 11' und 12' gemäß Fig.3 vier Primärspulen
von vier einzelnen Transformatoren geschaltet. Im Sekundärkreis der einzelnen Transformatoren
ist jeweils eine Gleichrichterschaltung vorgesehen (in Fig. 3 durch eine einzelne
Diode angedeutet). Parallel zu dem jeweiligen Gas laser ist ein Ladekondensator
an den Ausgang des Gleichrichters geschaltet. Durch sämtliche Primärwicklungen fließt
der gleiche Strom. Da sämtlichen Transformatoren gleichen Aufbau aufweisen, erfolgt
für sämtliche Laser 13-16 die gleiche Regelung.
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- L e e r s e i t e -