DE3446145A1 - DC-discharge gas laser - Google Patents
DC-discharge gas laserInfo
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Abstract
Description
Bei im Dauer-Betrieb oder im Pulsbetrieb arbeitenden GaslasernWith gas lasers working in continuous or pulsed operation
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.it is known that a controllable DC voltage source is used as the power supply part to use. It is known that the gas discharge path of gas lasers has a negative one Impedance that has to be compensated. The well-known power supplies for gas lasers usually have an ohmic series resistance and / or a regulating tube for this purpose. Is the series resistance through, for example, an active, controllable high-voltage tube formed, the gas discharge path can be varied by varying the grid voltage regulate the tube. Alternatively, the voltage of the DC voltage source can be changed will.
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.The known power supplies allow stable operation the gas discharge path, but arise in the ohmic resistance or in the Control tube considerable power losses, which reduce the efficiency of the gas laser.
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.In addition to the DC voltage sources mentioned above, there are also power supplies for gas laser capacitors and rectifier diodes having rectifier cascade circuits, rectified with the alternating voltages emitted by an alternating voltage source will.
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.However, with such a circuit, the performance of the Do not regulate the gas laser in the desired manner; because the capacities in the cascade connection require a considerable dead time for the regulation. By connecting several in parallel Capacitors in the cascade connection creates a considerable total capacitance, which increases the tendency of the system to oscillate. There arise uncontrollable tilting vibrations, which lead to stability problems, especially in the case of fast-flowing gas discharge paths to lead.
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.The invention is based on the object of a direct current discharge gas laser specify the power supply unit that works in continuous and pulsed mode, and which is more efficient than the state of the art and / or characterized by better controllability.
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.According to the invention, this object is achieved in a gas laser by that the power supply part is a controllable AC voltage source with high internal impedance, a rectifier and a charging capacitor connected downstream of the AC voltage source, to the output of the rectifier and parallel to the gas discharge path of the Gas laser is switched, has.
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.In the power supply circuit according to the invention, the behaves AC voltage source such as a DC voltage source with a high internal resistance. The frequency of the alternating voltage output by the alternating voltage source becomes chosen so high that the capacity of the connected in parallel to the gas discharge path Charging capacitor can be made very small, with the capacitance chosen that the voltage ripple remaining at the output of the rectifier can be eliminated, but at the same time a tendency of the system to oscillate due to high capacitance of the capacitor is avoided. Because of an ohmic resistance or can be dispensed with a control tube, power losses are avoided and accordingly the efficiency of the system increases.
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.In the case of the known lasers explained above, the efficiency does not rise above about 70 to 75%, can be achieved with the gas laser according to the invention Achieve efficiency levels of 90 to 95%.
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. The AC voltage source can be in a simple, known per se Regulate way. In particular, the invention provides that the AC voltage source has a self-commutating chopper with a reactance network in its output with TiefpaB character. The self-commutating chopper forms together with the reactance network an actuator for the gas discharge path a stream to be shaped. For example, control signals are sent to the chopper in the form of supplied by impulses, and he forms according to these impulses from a positive one and a negative DC voltage, approximately sinusoidal AC voltage signals, the rectified by the rectifiers. The reactance network will preferably formed by an LC element. By connecting the inductance in series a high internal resistance of the voltage source is created virtually, it arises but no power loss. When the reactance network low-pass characteristic has, the output power can be overridden by a corresponding mismatch vary the frequency of the pulses controlling the chopper.
Wenn zwischen der Wechselspannungsquelle und dem Ladekondensator ein Transformator liegt, läßt sich auf einfache Weise eine Impedanzanpassung an die jeweilige Gasentladung bewirken. When between the AC voltage source and the charging capacitor a transformer is located, an impedance matching can be done in a simple manner cause the respective gas discharge.
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. In a particular embodiment of the invention, the same time a special application of the power supply part according to the invention represents, the primary windings are between the output terminals of the AC voltage source connected by multiple transformers, with the secondary winding of each transformer feeds a gas laser via a rectifier. The transformers of the same type give the same power to the downstream gas discharge paths. There the same current flows in all primary windings of the transformers also impressed the secondary-side current. With the same turns ratio are consequently the currents of the gas discharge paths are also the same. The currents of gas discharge can be in a manner known per se by measuring the gas discharge currents and regulate corresponding influencing of the impulses controlling the AC voltage source.
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.In the following, embodiments of the invention are based on the Drawing explained in more detail. 1 shows a schematic circuit diagram of a direct current discharge gas laser with a power supply part. FIG. 2 is a circuit diagram the alternating voltage source denoted by 10 in FIG. 1, and FIG. 3 shows a schematic Sketch of several gas lasers fed by an alternating voltage source.
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.In Fig. 1 has a high internal impedance AC voltage source 10 a self-commutating chopper 1 and, which will be explained in more detail below one connected to it LC four-pole 2. There are two to the outputs of the four-pole Terminals 11 and 12 connected to the primary winding of a transformer T1.
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.The alternating voltage generated on the secondary side of the transformer T1 is of a rectifier GL1, the z. B. is a full wave rectifier, rectified and onto the electrodes of a gas discharge path of a gas laser 5 given. The output is parallel to the gas discharge path of the laser 5 of the rectifier GL1, a charging capacitor C1 is connected.
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.The high-voltage transformer transformed by the transformer T1 at the output of the AC voltage source 10 formed alternating voltage is rectified by the rectifier GL1 and by the capacitor Cl smoothed, so that a smoothed on the electrodes of the gas laser 5 DC voltage of regulated amplitude is applied. The regulation takes place in itself known manner by supplying control pulses to the chopper 1, as further is explained in more detail below.
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.The frequency of the AC voltage source 10 is for example 35 kHz for maximum laser power 5, and 50 kHz for minimum laser power Lasers. Accordingly, the charging capacitor C1 can be made small in size, in the present case Embodiment he has z. B. a capacity of about 100 pF. With such a Capacitance lets the ripple appear at the output of the rectifier GL1 Essentially eliminate the signal.
Andererseits ist die Kapazität des Kondensators C1 klein genug, um mit Sicherheit ein Schwingen des Systems zu verhindern.On the other hand, the capacitance of the capacitor C1 is small enough to to prevent the system from oscillating with certainty.
Fig. 2 zeigt die Wechselspannungsquelle 10 im einzelnen.Fig. 2 shows the AC voltage source 10 in detail.
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.A positive DC voltage source U + and a negative DC voltage source U- are connected to two series-connected switching transistors Tr1 and Tr2, the collector-emitter path of each transistor by means of a capacitor C3 or C4 is bridged.
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.The base of each transistor Tr1, Tr2, is from the output signal one Triggered zero voltage detector D1 or D2. The detectors receive on theirs Control inputs in antiphase control pulses, the frequency of which determines the power of the laser certainly.
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.The two detectors D1 and D2 have the task that was assigned to them Delay control pulses, if necessary, until the voltage between The collector and emitter of the connected transistor have the value zero.
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.At the node between the emitter of the transistor Tr1 and the collector of the transistor Tr2 is one of a series inductance L1 and a parallel capacitance C2 existing LC element connected as a reactance network. In operation the series inductance L1 virtually has a high internal resistance of the AC voltage source represent.
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.The circuit of Fig. 2 operates as follows: When the transistor Tr1 opens, a current with an approximately sinusoidal profile flows into coil L1. Before however, the current reaches the zero crossing, it is turned off by turning off the transistor Tr1 interrupted. Mutual induction then flows from the coil L1 in the opposite direction Current. This current charges the two capacitors bridging the transistors C3 or C4 so that the voltage across the transistor Tr2 is zero. This condition is detected by the detector D2, and the control pulse is based on of the transistor Tr2 turned on, so that this transistor opens. The one described above Process now takes place in a corresponding manner, with the Current direction is opposite. The alternating voltage generated at the output of the quadrupole L1, C2 is connected to the transformer shown in FIG. 1 via connections 11 and 12 T1 given.
Die erfindungsgemäße Schaltung bietet die Möglichkeit, gleichzeitig mehrere Gaslaser 13, 14, 15, 16 zu regeln.The circuit according to the invention offers the possibility of simultaneously to regulate several gas lasers 13, 14, 15, 16.
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.For this purpose, there are four primary coils between the connections 11 'and 12' according to FIG switched by four individual transformers. In the secondary circuit of the individual transformers a rectifier circuit is provided in each case (in Fig. 3 by a single Diode indicated). There is a charging capacitor in parallel with the respective gas laser connected to the output of the rectifier. Flows through all primary windings the same stream. Since all transformers have the same structure, takes place the same regulation for all lasers 13-16.
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|---|---|---|---|
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| DE3446145A1 true DE3446145A1 (en) | 1986-06-19 |
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| Country | Link |
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| DE (1) | DE3446145A1 (en) |
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- 1984-12-18 DE DE19843446145 patent/DE3446145A1/en not_active Withdrawn
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