DE4131949C2 - Schalteinrichtungen für ein entladungserregtes Impulslasergerät - Google Patents
Schalteinrichtungen für ein entladungserregtes ImpulslasergerätInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf
Schalteinrichtungen für ein entladungserregtes Impulslasergerät
gemäß den Ansprüchen 1, 7, 8 und 9.
Eine Schalteinrichtung gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 1, 7, 8 und 9 ist bekannt aus JP-2-44790 (A)
und ebenfalls aus Rickwood, K.R., Serafetinides, A.A.:
"Semiconductor preionized nitrogen laser" in: US Journal Rev.
Sci. Instrum., vol. 57, Nr. 7, Juli 1986, Seiten 1299-1302.
Fig. 1 stellt das Schaltungsdiagramm einer
Entladungsschaltung dar, die in einem Excimer (angeregtes
Dimer)-Lasergerät als herkömmliches entladungserregtes
Lasergerät verwendet wird. In Fig. 1 bezeichnen die
Bezugszeichen: 10 - eine Hochspannungsleistungsquelle; 11 -
eine Ladedrossel, die an ein Ende der
Hochspannungsleistungsquelle 10 angeschlossen ist; 2 -
einen Ladekondensator, der in Reihe mit der Drossel 11
geschaltet ist; 9 - ein Paar Entladungselektroden, die
zwischen den Ladekondensator 2 und das andere Ende der
Hochspannungsleistungsquelle 10 geschaltet sind; 13 - einen
Laserstrahl, der aus der Entladung zwischen den beiden
Elektroden 9 hervorgeht; 12 - eine Ladedrossel, die
parallel zu den beiden Elektroden 9 geschaltet ist; 8 -
einen Kondensator, der parallel zu den beiden Elektroden 9
geschaltet ist und vom Kondensator 2 elektrische Ladungen
aufnimmt; und 1 - ein Thyratron, das als
Hochspannungsschalter dient und zwischen das andere Ende
der Hochspannungsversorgungsquelle 10 und einem Knoten
zwischen der Drossel 11 und dem Kondensator 2 angeschlossen
ist. Die Elektroden 9 sind in einem Entladungsgas wie etwa
einem Edelgas und Halogengas angeordnet.
Fig. 2 stellt eine perspektivische Ansicht eines
Excimer-Lasergerätes dar, das die in Fig. 1 dargestellte
Entladungseinrichtung verwendet. In Fig. 2 sind die
gleichen Bezugssymbole zur Bezeichnung gleicher oder
äquivalenter Teile der Fig. 1 verwendet. Dabei wurden die
Hochspannungsleistungsquelle 10 und die Drosseln 11 und 12
der Fig. 1 der Einfachheit halber fortgelassen.
In Fig. 2 ist das Thyratron 1 als Hochspannungsschalter in
einem rohrförmigen Behälter 6 aus leitendem Material
untergebracht. Ein Ende des Behälters 6 ist durch einen
Deckel 7 aus Isoliermaterial verschlossen.
Eine Vielzahl von Ladekondensatoren 2 sind zeilenförmig
gruppiert. Ein Ende der Leitung der Kondensatoren 2 ist mit
Hilfe einer L-förmigen leitenden Platte 4 an ein Ende des
Thyratrons 1 angeschlossen. Das andere Ende der Leitung der
Kondensatoren 2 ist an eine langgestreckte leitende Platte
3 angeschlossen. Weiter ist ein parallelepipedisches
Gehäuse 5 aus leitendem Material vorgesehen. Das Gehäuse 5
ist mit einem Entladungsgas gefüllt. Im Gehäuse 5 sind
ferner zwei Elektroden 9 angeordnet. Eine der Elektroden 9
ist auf der leitenden Platte 3 montiert, während die andere
auf dem Boden des Gehäuses 5 montiert ist. Ein Ende des
Gehäuses 5 ist durch den Behälter 6 mit dem anderen Ende
des Thyratrons 1 verbunden. Die Vielzahl der Kondensatoren
8 ist zwischen einer der inneren Seitenwände des Gehäuses 5
und der Seitenwand der leitenden Platte 3 angeordnet, wobei
sich beide Seitenwände einander gegenüberstehen. In
gleicher Weise ist die Vielzahl der Kondensatoren 8
zwischen der anderen der inneren Seitenwände des Gehäuses 5
und der Seitenwand der leitenden Platte 3 angeordnet, wobei
sich beide Seitenwände einander gegenüberstehen.
Die so aufgebaute Anordnung kann elektrisch durch eine
äquivalente Schaltung ausgedrückt werden, die im
wesentlichen derjenigen der Fig. 1 entspricht.
Nunmehr wird die Betriebsweise der wie erwähnt aufgebauten
Entladungsschaltung beschrieben.
Wenn gemäß Fig. 1 die Hochspannungsleistungsquelle 10 bei
abgeschaltetem Thyratron 1 eingeschaltet wird, wird zum
Laden des Kondensators 2 folgende Ladeschleife gebildet:
Hochspannungsleistungsquelle 10 - Drossel 11 - Kondensator
2 - Drossel 12 - Hochspannungsleistungsquelle 10. Wenn das
Thyratron 1 gezündet wird, wird folgende
Ladetransferschleife gebildet: Kondensator 2 - Thyratron 1
- Kondensator 8. Der Kondensator 2 wird über die
Ladetransferschleife entladen, und die entnommene Ladung
wird in den Kondensator 8 geliefert. Entsprechend steigt
die Spannung am Kondensator 8 an, also die Spannung
zwischen den beiden Elektroden 9. Wenn sie die
Entladespannung erreicht, erfolgt zwischen den beiden
Elektroden 9 die Entladung. Die Entladung regt das im
Gehäuse 5 befindliche Gas zur Aussendung eines pulsierenden
Laserstrahls 13 an.
Die herkömmliche Entladungsschaltung benutzt das Thyratron
1 als Hochspannungsschalter. Das Thyratron 1 besitzt jedoch
eine große Induktivität, so daß die Spannung zwischen den
Elektroden 9 nur langsam ansteigt. Als Folge ergibt sich
eine instabile Entladung. Da das Thyratron weiter eine
Vorheizzeit benötigt und temperaturempfindlich ist, muß ein
Temperaturregler vorgesehen werden.
Um mit diesem Problem fertig zu werden, wurde von den
Anmeldern der vorliegenden Erfindung ein Schalter
vorgeschlagen, der aus einer Anzahl von
Hochgeschwindigkeitsschaltelementen wie beispielsweise
FETs, IGBTs oder Thyristoren anstelle des Thyratrons
besteht. Fig. 3 ist eine schematische Darstellung einer
Schalteinrichtung 15 für ein Lasergerät, bestehend aus
einer Anzahl von Hochgeschwindigkeitsschaltelementen 14,
bei denen in Reihe geschaltete Elemente weiter
parallelgeschaltet sind. Durch gleichzeitiges Einschalten
aller Hochgeschwindigkeitsschaltelemente 14, welche die das
Thyratron 1 der Fig. 1 ersetzende Schalteinrichtung 15
bilden, kann der Entladungsstrom vom Kondensator 2
abfließen.
Wenn die wie erläutert unter Verwendung der
Hochgeschwindigkeitsschaltelemente 14 aufgebaute
Schalteinrichtung 15 bei einem entladungserregten
Impulslasergerät wie etwa dem Excimer-Lasergerät, angewandt
wird, beeinflußt die Schaltgeschwindigkeit der
Entladungsschaltung die Erregungswirksamkeit des
Lasermediums. Um einen höheren Anregungswirkungsgrad zu
erzielen, muß für die Entladungsschaltung ein
Hochgeschwindigkeitsschalter verwendet werden. Im
allgemeinen weisen aber Hochgeschwindigkeitsschalter
niedrige Nennwerte für die Spannung und den Strom auf. Die
Schalter müssen also im Verwendungsfalle serien-parallel
geschaltet werden.
Falls bei einem Schalter, der aus serienparallel
geschalteten Hochgeschwindigkeitsschaltern besteht, die
Anzahl der serien-parallelgeschalteten Elemente größer
ist, treten folgende Probleme auf:
- a) Die mit dem Draht zusammenhängenden Induktivitätskomponenten nehmen zu.
- b) Die Zuverlässigkeit der Drähte nimmt ab.
- c) Verdrahtung und Wartung sind mit komplizierten Arbeiten verbunden.
Im Falle, daß für Hochgeschwindigkeitsbetrieb geeignete
MOSFETs (900 V und 15 A als Nennwerte) als Schaltelemente
14 in der Entladungsschaltung des Excimer-Lasergerätes
verwendet werden und der Schalter, bestehend aus den
MOSFETs, Beanspruchungen von 30 kV und 4000 A aushalten
muß, müssen die benötigten 9078 (34 × 267)
Festkörperschaltelemente 14 serien-parallelgeschaltet
werden. Daraus ergeben sich die oben angesprochenen
Probleme.
Wenn insbesondere die Induktivität der Schaltung zunimmt,
erniedrigt sich die Schaltgeschwindigkeit, so daß der
Wirkungsgrad der Ladungsübertragung vom Kondensator 2 zum
Kondensator 8 reduziert wird. Dies führt zu einer Abnahme
des Laserschwingungswirkungsgrades. Aus diesem Grunde muß
die Schaltungsinduktivität minimiert werden.
Falls weiter bei dem in Fig. 3 dargestellten
Laserschaltgerät einige der in Reihe, parallel oder
serien-parallelgeschalteten Hochgeschwindigkeitsschalter
durch Kurzschluß zusammenbrechen, nimmt die dann an den
normal arbeitenden Schaltern anliegende Spannung zu. Es
ergibt sich also das Problem, daß an den normal arbeitenden
Schaltern eine Spannung anliegt, die größer als die
Nennspannung ist, so daß eine steile Impulsspannung den
Hochspannungsschalter zerstört, falls das Lasergerät bei
nicht beseitigter Schalterstörung weiterläuft. Diese Lage
ergibt sich, wenn einige der Schalter durchschlagen, auch
dann, wenn die Anzahl der Serien- und/oder
Parallelanschlüsse so gewählt ist, daß jeder
Hochgeschwindigkeitsschalter eine Nennspannung besitzt, die
größer als die erforderliche Spannung ist. Selbst im Falle,
daß einige der in Reihe und/oder parallelgeschalteten
Hochspannungsschalter kurzschließen, aber die verbleibenden
Schalter normal funktionieren, kann es dem Bediener nicht
gelingen, den Schalterfehler zu finden. Dies führt zu einer
sehr gefährlichen Situation.
Um die Schalteinrichtung 15 aufzubauen, wird eine Vielzahl
von FETs 14 (in der nachfolgenden Beschreibung wird das
Hochgeschwindigkeitsschaltelement 14 als FET 14 bezeichnet)
in einem einzelnen Modul miteinander verbunden. Eine
Vielzahl solcher Module werden zu einer Schalteinrichtung
15 zusammengeschaltet.
Fig. 4 stellt eine perspektivische Ansicht eines
Excimer-Lasergerätes dar, das die aus den Modulen
bestehende Schalteinrichtung 15 verwendet, und zwar
anstelle des Thyratrons 1. In der Figur bezeichnen gleiche
Bezugszeichen gleiche oder äquivalente Teile der Fig. 2.
In Fig. 4 bezeichnet das Bezugszeichen 20 das genannte
Modul mit einer Anschlußplatte 20a. Ein Satz von Modulen 20
ist jeweils auf den leitenden Platten 617 montiert. Die
leitenden Platten 617 sind durch die Anschlußplatten 20a
der Module 20 miteinander verbunden. Die leitenden Platten
617 sind auf Isolierelementen 19 plaziert, die auf beiden
Seiten einer leitenden Platte 618 mit T-förmigem Dachteil
aufgelegt sind. Die Anschlußplatten 20a des Modulsatzes 20
an den obersten leitenden Platten 617 sind mit dem
T-förmigen Dachteil der leitenden Platte 618 verbunden.
Obwohl im vorliegenden Falle die untersten leitenden
Platten 617 mit einem Gehäuse 5 einstückig verbunden sind,
können die leitenden Platten 617 auch getrennt vom Gehäuse
5 ausgebildet werden. Das untere Ende der leitenden Platte
618 ist an das eine Ende einer Vielzahl von Kondensatoren 2
angeschlossen.
Nachfolgend wird die Betriebsweise des so aufgebauten
Lasergerätes beschrieben.
Zunächst wird von der Hochspannungsleistungsquelle 10
Spannung an das obere Ende der leitenden Platte 618
angelegt. Die Kondensatoren 2 werden über die leitende
Platte 618 geladen. Dann werden alle FETs 14 in allen
Modulen 20 zur Bildung der folgenden Ladetransferschleife
eingeschaltet: Kondensator 2 - Schalteinrichtung 15 -
Gehäuse 5 - Kondensator 8. Damit wird die Ladung von den
Kondensatoren 2 an die Kondensatoren 8 übertragen.
Infolgedessen steigt die zwischen den Elektroden 9
angelegte Spannung an und die Entladung selber beginnt.
Bei dem hier besprochenen Lasergerät werden alle FETs 14
mit hoher Geschwindigkeit eingeschaltet. Die Spannung
zwischen den Elektroden 9 steigt scharf an und liefert eine
stabile Entladung.
Bei dem Aufbau, den die aus FET-Modulen bestehende
Schalteinrichtung des Lasergerätes der Fig. 4 besitzt, kann
die im Betrieb in den FETs 14 innerhalb der Module erzeugte
Wärme die Module 14 schädigen.
Fig. 5 stellt eine Querschnittsansicht des Moduls 20 dar.
Der Modul 20 enthält eine Schaltung, in der eine Vielzahl
von FETs 14 gleichzeitig eingeschaltet werden. Eine allen
FETs 14 gemeinsame Drain-Elektrode 190 ist auf der oberen
Oberfläche des Moduls 20 angeordnet. Eine allen FETs
gemeinsame Source-Elektrode 200 sowie eine Gate-Elektrode
210 sind auf der unteren Oberfläche des Moduls 20
angebracht. Die Drain-Elektrode 190 besitzt die Form einer
dünnen Platte, während die Source-Elektrode 200 und die
Gate-Elektrode 210 als Leitungsstiftklemmen ausgebildet
sind und von der Seitenkante des Moduls 20 nach außen
abstehen.
Der die Schalteinrichtung 15 bildende Modul 20, der aus
einer Anzahl von Festkörperschaltelementen wie
beispielsweise FETs besteht, ist in der in Fig. 5
dargestellten Weise aufgebaut. Wie ersichtlich, stehen die
Source-Elektrode 200 und die Gate-Elektrode 210 von der
unteren Oberfläche des Moduls 20 ab. Eine der Möglichkeiten
zur Herstellung der Schalteinrichtung 15 unter Verwendung
einer Anzahl von Modulen 20 besteht darin, die Module 20
zweidimensional zu gruppieren, wie Fig. 4 zeigt. Eine
andere Möglichkeit besteht darin, die Module 20 in einem
Stapel anzuordnen. Insbesondere macht es bei der
Stapellösung der Modulen das Vorspringen der
stiftklemmenartigen Elektroden an der unteren Oberfläche
der Module 20 schwierig, die Module zu stapeln und Platz zu
sparen. Es ist daher schwierig, die Schalteinrichtung
kompakt und miniaturisiert auszubilden. Weiter ist die
Induktivität der Schaltung hoch.
Fig. 6 ist eine perspektivische Ansicht der Kombination des
Moduls 1116 mit einer Steuereinheit zur Steuerung des
Moduls. Der Modul 1116 enthält eine Vielzahl von FETs. Die
Steuereinheit 1117 zum Ansteuern und Regeln des Moduls ist
auf einer Substratplatte 1117a angebracht. Die
Steuereinheit 1117 legt über Zuleitungsdrähte 1118
Steuersignale an den Modul 1116 an.
Fig. 7 stellt eine perspektivische Ansicht eines
Excimer-Lasergerätes dar, das die Steuereinrichtung 15,
bestehend aus den Modulen 20 anstelle des Thyratrons 1,
verwendet. In der Figur werden gleiche Bezugszeichen zur
Bezeichnung gleicher oder äquivalenter Teile der Fig. 6
verwendet.
Gemäß Fig. 7 ist eine Anzahl von Modulen 1116 in
Modulgruppen unterteilt, von denen jede aus einer
vorbestimmten Anzahl von Modulen besteht. Jede Modulgruppe
ist auf einer leitenden Platte 1119 angebracht, die an
einer Seite einer leitenden Platte 1120 angeordnet ist. Das
untere Ende der leitenden Platten 1120 ist mit dem einen
Ende jeweils eines Kondensators 2 verbunden. Ein das
Gehäuse 5 und dergleichen aufnehmender Behälter 1121
besitzt ein Loch 1121a, durch das ein Laserstrahl 13 nach
außen tritt.
Die Betriebsweise des wie beschrieben aufgebauten
Lasergerätes ist die gleiche wie die des in Fig. 4
dargestellten Gerätes.
Bei der gemäß Fig. 6 aufgebauten Schalteinrichtung 15,
bestehend aus den Modulen mit einer Vielzahl von
Festkörperschaltelementen, sind die Steuereinheit 1117 und
das Modul 1116 mit Hilfe der Zuführungsdrähte 1118
angeschlossen. Bei einem solchen Anschluß hängt die
Steuereinheit 1117 über die Zuleitungsdrähte 1118 vom Modul
1116 herab, so daß eine Anzahl von Anschlußpunkten benötigt
wird. Daher treten häufig Versager auf. Falls weiter die
Längen der Zuleitungsdrähte 1118 ungleich sind, sind die
Ansteuerungszeiten ungleichmäßig, so daß das
Schaltleistungsvermögen verschlechtert wird. Falls die
Ungleichmäßigkeit der Ansteuerungszeiten groß ist, wird
Überspannung an eine geringere Anzahl von
Festkörperschaltelementen angelegt, was möglicherweise zur
Zerstörung der Elemente führt.
Fig. 8 stellt das Blockschaltbild einer herkömmlichen
Steuerschaltung 211 zur Steuerung der
Hochgeschwindigkeits-Festkörperschaltelemente 14 dar. Die
Steuereinheit 211 ist so aufgebaut, daß ein Triggerkreis
213 auf einem Substrat 212 angebracht ist und über die auf
dem Substrat 212 angebrachten Signalleitungen 214 bis 217
sowie über die Triggerklemmen 218 der Schaltelemente 14 ein
Triggersignal an die Schaltelemente 14 anlegt.
Die wie beschrieben aufgebaute Schalteinrichtung 15
bestehend aus der Vielzahl von Schaltelementen 14 weist die
nachfolgenden Probleme im Rahmen des Schaltbetriebes auf.
Diese Schaltprobleme sollen unter Heranziehung eines Falles
beschrieben werden, bei dem die Schalteinrichtung 15 in
Verbindung mit dem Excimer-Lasergerät verwendet wird. In
der nachfolgenden Beschreibung wird als "Schaltzeit"
diejenige Zeitdauer definiert, welche die am Kondensator 2
der Fig. 1 liegende Spannung benötigt, um von 90% auf 10%
eines vorbestimmten Spannungswertes zu fallen. Die
Anstiegszeit der an das Elektrodenpaar 9 der Fig. 1
angelegten Hochspannung liegt zwischen 100 und 300 ns. Die
Schaltzeit der Schalteinrichtung 15, die bei dieser
Anstiegszeit benötigt wird, muß bei 50 ns oder weniger
liegen. Falls die Schalteinrichtung 15 aus einer Anzahl von
Hochgeschwindigkeitsschaltelementen 14 besteht, treten
viele Probleme dann auf, wenn die Schaltelementen 14
asynchron geschaltet werden. Wenn beispielsweise die
Schaltzeit der gesamten Schalteinrichtung 15 verlängert
wird, fließt ein Überstrom in das früher als die anderen
Schaltelemente geschaltete Schaltelement 14, und es wird
eine Überspannung an das später als die anderen Elemente
geschaltete Schaltelement 14 angelegt. In den letzten
beiden Fällen werden die Schaltelemente beschädigt bzw. in
ihrer Lebensdauer reduziert. Es ist daher besser und
notwendig, die Schaltoperationen der Schaltelemente 14 zu
synchronisieren, so daß vor dem Abfallen der ein
Schaltelement betreffenden Spannung auf 20% nach dem
Einschalten der Schaltelemente 14 die übrigen
Schaltelemente 14 eingeschaltet sind. Das bedeutet, daß die
Synchronisation in einer Zeit von 10 ns oder weniger
erfolgt sein muß.
Die Steuerschaltung 211 der Fig. 8 ist so getroffen, daß
ein Triggerkreis 213 ein Triggersignal an die jeweiligen
Schaltelemente 14 anlegt. Daher besitzen die
Signalleitungen 214 bis 217 untereinander nicht die gleiche
Länge. Die Folge ist, daß die Schaltelemente 14 in
unterschiedlichen Zeitpunkten angesteuert werden. Die
Schaltoperationen dieser Elemente können also nicht
innerhalb einer vorbestimmten Zeitdauer synchronisiert
sein. Es tritt also eine Schwankung beim Abfall der
Spannung auf, wie Fig. 9 zeigt, wobei die Schaltzeit eine
vorbestimmte Schaltdauer (beispielsweise 50 ns)
überschreitet.
Bei der Serien-Parallelschaltung der Schalteinrichtung 15
gemäß Fig. 3 wird bei Fortfall der Koinzidenz der
Leitungszeiten der Parallelschaltungen Überspannung an die
etwas später leitend werdenden Parallelkreise angelegt, was
möglicherweise die Hochgeschwindigkeits-Festkörperelemente
14, wie etwa FETs, zerstört. Um dieses Problem zu
bewältigen, wurden von den Anmeldern dieser Erfindung die
in Fig. 10 und 11 dargestellten Schutzschaltungen 316
vorgeschlagen.
Die in Fig. 10 dargestellte Schutzschaltung 316 ist so
aufgebaut, daß eine Rückstromblockierdiode 317 und eine
Parallelschaltung bestehend aus einem Kondensator 318 und
einem Widerstand 319 in Reihe geschaltet sind. Die
Schutzschaltung 316 ist jedem Parallelkreis 320, bestehend
aus den Schaltelementen (FETs) 14, parallelgeschaltet.
Bei der so aufgebauten Schutzschaltung 316 wird beim
Anlegen einer Überspannung an die Parallelschaltung 320 und
beim Durchfluß des Stromes durch die Parallelschaltung der
Kondensator 318 allmählich durch die Diode 317 entsprechend
einer Zeitkonstanten aufgeladen, die durch den Kondensator
318 und den Widerstand 319 bestimmt wird. Daher wird die
Überspannung nicht sofort an die Schaltelemente 14
angelegt, wodurch diese geschützt sind.
Bei der in Fig. 11 dargestellten Schutzschaltung 316′ sind
eine Rückstromblockierdiode 321 und ein FET 322 in Reihe
geschaltet. Eine aus einer Zenerdiode 323, einer
Rückstromblockierdiode 324 und einem Widerstand 325
bestehende Serienschaltung ist von der Kathode der
Rückstromblockierdiode 321 abgezweigt. Ein Knoten zwischen
der Rückstromblockierdiode 324 und dem Widerstand 325 ist
mit der Gateklemme eines FET 322 verbunden.
Wenn bei der Schutzschaltung eine Überspannung an den
Parallelkreis 320′ angelegt wird, wird die Zenerdiode 323
über die Rückstromblockierdiode 321 leitend und es
erscheint eine Spannung am Widerstand 325. Diese Spannung
gelangt an die Gateklemme des FET 322, der seinerseits
leitend wird. Dadurch fließt ein durch die Überspannung
verursachter Strom durch die Diode 321 und den FET 322,
wodurch die Schaltelemente (FETs) 14 geschützt sind.
Wie aus der obigen Beschreibung hervorgeht, stellen die
Schutzschaltungen 317 der Fig. 10 und 11 Bypässe für den
durch die Überspannung erzeugten Strom dar.
Bei der Schalteinrichtung 15 mit den wie beschrieben
aufgebauten herkömmlichen Schutzschaltungen 316, 316′
treten im Falle, daß die Schalteinrichtung 15 gemäß Fig. 1
an die Entladungsschaltung angeschlossen wird, die
nachfolgenden Probleme auf.
Wenn bei jeder der in den Fig. 10 und 11 dargestellten
Parallelschaltung 320, 320′ eine Leistungsquelle (nicht
dargestellt) links in den Figuren angebracht ist, ist die
Induktivität L des Stromleiters, der für den Strom I an
einer, der Leistungsquelle nahegelegenen Stelle eine
Stromschleife bildet, kleiner als die an einer, von der
Stromquelle weiter abliegenden Stelle bestehende
Induktivität.
Fig. 12 stellt ein Diagramm zur Erläuterung der
diesbezüglichen Gründe dar. In der Figur ist eine Fläche
der Stromschleife des Stromes I mit A bezeichnet, während
ihre Tiefe mit "l" bezeichnet ist. In der tatsächlichen
Schaltung sind die Parallelkreise 320, 320′ parallel
zueinander gruppiert, wobei sie sich in der Richtung "l"
erstrecken. Dementsprechend bedeutet "l" die Länge der
Gruppierung und wird in der nachfolgenden Beschreibung als
eine fixe Länge betrachtet.
Gemäß Fig. 12 ist die Induktivität L des die Stromschleife
I bildenden Leiters durch folgende Formel gegeben:
L = µ₀ × (A/l) (1)
wobei µ₀ die Dielektrizitätskonstante ist.
Die Gleichung (1) gibt an, daß in Fig. 12 die Induktivität
L zur rechten Seite der Stromschleife I hin größer wird.
Die von der Stromschleife I umgrenzte Querschnittsfläche
wird als die "Innenseite der Stromschleife" bezeichnet. Die
Induktivität L einer Unterstromschleife innerhalb der
Hauptstromschleife ist kleiner als diejenige außerhalb der
Hauptstromschleife. Genauer gesagt ist bei jeder Schaltung
der Fig. 10 und 11, was die Schaltelemente (FETs) 14
anbetrifft welche die Parallelkreise 320, 321′ bilden, die
Induktivität L der Stromschleife für die Schaltelemente
(FET) 14 auf der linken Seite klein, während sie für die
Schaltelemente (FET) 14 auf der rechten Seite groß ist. Der
Strom I hängt in folgender Weise von der Induktivität L ab:
Darin bedeutet: Vo die Spannung; C die zusammengesetzte
Kapazität der Kondensatoren 2 und 8; und t die Zeit.
Fig. 13 stellt ein Diagramm zur Veranschaulichung der
Wellenformen des Stromes I bei zwei unterschiedlichen
Induktivitäten L und L′ (L′ < L) dar. Wie aus dem Diagramm
hervorgeht, wird im Falle der kleinen Induktivität L′ die
Stromwellenform in kurzer Zeit steil.
Wie aus der vorhergehenden Beschreibung hervorgeht, wird in
den Schaltungen der Fig. 10 und 11, selbst bei Verwendung
der Schutzschaltung 316, eine Überspannung schneller an die
Schaltelemente (FETs) 14 der linken Seite, das heißt in der
Innenseite der Stromschleife, angelegt, als an den
Schutzschaltungen 316, 316′. Infolgedessen werden die
Schaltelemente (FETs) zerstört.
Die Fig. 14(a) und 14(b) stellen Schaltungsdiagramme einer
herkömmlichen Pulserzeugungsschaltung für ein
entladungserregtes Impulslasergerät dar, das in der
japanischen Patentanmeldung Nr. Heisei 2-34251 (veröffentlicht am 23. 10. 1991) offenbart
ist. In den Figuren bezeichnen die Bezugszeichen: 42 - eine
Ladedrossel; 43 - eine Ladediode; 44 - einen
Hauptkondensator zum Laden und Entladen; 45 - einen
Ladewiderstand; 46 - einen spitzenimpulsliefernden
Kondensator; und 47 - eine Entladungsröhre (Laserrohr) zur
Erzeugung eines Laseroutputs durch Beheizen und Verdampfen
von darin enthaltenem Metall (beispielsweise Kupfer) durch
die Gasentladung. Ein Schalter 415 zur Impulserzeugung
besteht aus einer Anzahl von FETs als
Festkörperschaltelemente. Die FETs sind untereinander
parallelgeschaltet und die Parallelschaltungen sind in
Reihe geschaltet. Ein spezieller FET 49A (auch
Überspannungsschutz-FET genannt) der FETs 49 jeder
Parallelschaltung ist so angeschlossen, daß das Gate des
FETs 49A nicht mit den Gates der anderen FETs 49 verbunden
ist.
Eine Reihenschaltung bestehend aus einer Zenerdiode 411 und
einer Diode 412 ist zwischen das Gate und das Drain des
Überspannungsschutz FETs 49A geschaltet. Ein Widerstand 413
ist zwischen das Gate und die Source des FETs 49A
geschaltet. Die Zenerdiode 411, die Diode 412 und der
Widerstand 413 bilden eine dynamische Klemmschaltung. Eine
Diode 420, die an den Drain des FET 49A angeschlossen ist,
stellt eine Rückstromsperrdiode dar.
Wenn ein Gatesignal an die serien-parallelgeschalteten FETs
49 angelegt wird, werden dieselben eingeschaltet. Durch
diese FETs 49 wird eine am Hauptkondensator 44 liegende
große Ladespannung an die Entladungsröhre 47 angelegt, die
dieser den Entladestrom zuführt. Falls die Koinzidenz der
Schaltzeiten der FETs 49 einer FET-Reihenschaltung verloren
geht, also beispielsweise die Schaltzeit t₁ eines der
FETs 49 in der ersten Serienanschlußstufe S₁ der Stufen
S₁ bis Sn hinter der Schaltzeit t₀ der FETs 49 der
übrigen Serienanschlußstufen zurückbleibt (Fig. 15(a)),
gelangt eine große Spannung konzentriert an die
Source-Drain-Pfade der FETs der ersten Serienanschlußstufe
(Fig. 15(b)). Unter diesen Umständen werden die FETs 49 in
der ersten Serienanschlußstufe möglicherweise beschädigt.
Wenn die die Zenerspannung Vb der Fig. 16 überschreitende
Überspannung an die Zenerdiode 411 gelangt, die zwischen
den Drain und das Gate des FET 29A geschaltet ist, welcher
parallel zum FET 49 der ersten Serienanschlußstufe liegt,
fließt Strom durch die Diode 412 zum Widerstand 413, da die
Diode einer die Spannung Vb überschreitenden Spannung nicht
standhalten kann. Der in den Widerstand 413 fließende Strom
b verläuft in der in Fig. 15(d) dargestellten Form.
Dementsprechend steigt die Spannung am Widerstand 413 an,
und ebenso steigt die Gatespannung an (Fig. 15(c)). Wenn
die Gatespannung die Schwellenspannung überschreitet, wird
der Drain-Source-Pfad des FET 49A sofort leitend. Unter
diesen Umständen fließt der Strom konzentriert durch den
Drain-Source-Pfad des FET 49A, während er andernfalls im
Nebenschluß in die jeweiligen FETs der ersten
Reihenanschlußstufe gelangt. Dabei wirkt die
Streuinduktivität 421 störend auf die Source des FETs 49,
und eine Parallelstreuinduktivität 422 parallel auf die
Source des FETs 49A ein, wie aus Fig. 14(b) hervorgeht. In
der Schaltung der Fig. 14 ist die Anordnung der
Schaltungskomponenten gewöhnlich so getroffen, daß die
Streuinduktivität 422 einen kleinen Wert besitzt. Falls
dies nicht der Fall ist, steigt der durch den Widerstand
413 fließende Strom eb nur träge an, so daß der Anstieg
der Gate-Spannung des FETs 49 nur mäßig ausfällt. Der
Leitungszustand des FETs 49A verzögert sich, wodurch seine
Schutzfunktion unwirksam wird. Dies ist der Grund, warum
die Streuinduktivität 422 kleiner als die Streuinduktivität
421 gewählt wird. Dementsprechend fließt unmittelbar nach
dem Schalten des FET der Rückstrom aufgrund der in den
Streuinduktivitäten 421 und 422 gespeicherten elektrischen
Energie in den FET 49A mit der niedrigen Induktivität. Die
Rückstromsperrdiode 420 blockiert das stoßartige Einströmen
des Rückstromes in den FET 49A, wodurch dieser vor der
Zerstörung durch den Rückstrom geschützt wird.
Bei der wie beschrieben aufgebauten
Impulserzeugungsschaltung kann im Falle, daß die
Leitungszeiten der serien-parallelgeschalteten FETs
gestaffelt sind, derjenige FET in der Bank (zum Beispiel
der FET 49A), in welcher der Leitungszeitpunkt nachhinkt,
durch eine angelegte Überspannung zerstört werden. Um
dieses Problem zu beherrschen, ist eine dynamische
Klemmschaltung mit jedem FET in Reihe geschaltet, wodurch
das Anlegen der Überspannung an den FET verhindert wird. Da
aber die Zerstörung des FETs durch Überspannung auf der
momentanen Entladung der elektrischen Energie beruht, kann
selbst die Ansprechverzögerung der Zener-Diode nicht
vernachlässigt werden. Eine leichte Ansprechverzögerung
kann im Zusammenhang mit ungünstigen Umständen
möglicherweise zu einer Zerstörung durch Überspannung
führen.
Die Fig. 17 und 18 stellen jeweils eine Seitenansicht sowie
eine perspektivische Ansicht eines herkömmlichen
entladungserregten Lasergerätes dar, wie es in der
japanischen Patentanmeldung Nr. Heisei 2-163228 (veröffentlicht am 20. 2. 1992) offenbart
ist. In den Figuren bezeichnen die Bezugszeichen 1A und 1B
Festkörperschaltelemente mit einer Schaltzeit von 500 ns
oder weniger. Strahlungsplatten 2A und 2B sind zur Kühlung
der Festkörperschaltelemente 1A und 1B vorgesehen. Leitende
Platten 3A, 3B, 60, 7A und 7B erlauben den Durchtritt
starker Ströme. Weiter bezeichnen die Bezugszeichen:
2 - einen Ladekondensator; 5 - ein Gehäuse; 8 - einen
spitzenimpulsliefernden Kondensator; und 9 -
Entladungselektroden.
Fig. 19 zeigt die elektrische Schaltung des Entladungsteils
der Fig. 17 und 18. In den Figuren bezeichnet das
Bezugszeichen 10 eine Hochspannungsleistungsquelle, während
die Bezugszeichen 11 und 12 Ladedrosseln bezeichnen.
Die Betriebsweise der in Fig. 19 dargestellten
Entladungsschaltung ist die gleiche wie die der in Fig. 1
dargestellten Entladungsschaltung, bei der das Thyratron 1
anstelle der Festkörperschaltelemente 1A und 1B benutzt
wird. Bei der in Fig. 19 dargestellten Schaltung sind die
Festkörperschaltelemente 1A und 1B in einer Vielzahl von
Stufen gestapelt, um eine hohe Durchbruchspannung zu
erzielen. Eine Anzahl von Bänken von Schaltelementen sind
in der optischen Achse parallel angeordnet, um eine große
Stromkapazität zu erreichen. In der zur optischen Achse
orthogonalen Richtung sind die Schaltgruppen zu beiden
Seiten einer Phantomlinie angeordnet, die durch die beiden
Entladungselektroden läuft. Es sind zwei
Entladungsenergietransferschleifen gebildet. Die eine ist
eine im Gegenuhrzeigersinn verlaufende Schleife folgender
Zusammensetzung: Ladekondensator 2 - leitende Platte 60 -
leitende Platte 7A - Festkörperschaltelement 1A - leitende
Platte 3A - leitende Platte 60 - Ladekondensator 2. Die
andere Schleife ist eine im Uhrzeigersinn verlaufende
Schleife mit folgender Zusammensetzung: Ladekondensator 2 -
leitende Platte 60 - leitende Platte 7B -
Festkörperschaltelement 1B - leitende Platte 3b - leitende
Platte 60 - Ladekondensator 2. Die Stromflußrichtung der
einen Schleife ist derjenigen der anderen Schleife
entgegengesetzt, so daß sich die von den Strömen erzeugen
Induktionen auslöschen. Weiter sind die Schaltelemente 1A
und 1B in Richtung der optischen Achse getrennt voneinander
angeordnet. Eine solche Anordnung der Schaltelemente
vermeidet erfolgreich die Erscheinung der zeitweiligen
Stromkonzentration, die dann auftreten kann, wenn ein
Thyratron als Schaltelement benutzt wird. Als Ergebnis wird
eine beträchtliche Verringerung der Induktivität der
Ladungstransferschleife und der entsprechenden Zunahme von
dv/dt erreicht. Entsprechend wird eine gleichmäßige und
stabile Entladung erzielt. Wenn beispielsweise die
Schaltelemente 1A und 1B mit einer Schaltzeit von 40 ns
verwendet werden, wird eine Gesamtinduktivität von 100 nH
oder weniger erreicht.
Bei der wie beschrieben aufgebauten
Festkörperschalteinrichtung werden die Abschnitte der
Schalteinrichtung in der Nähe der Strahlungsplatten
ausreichend gekühlt, während der innere Abschnitt und
einige spezifische Abschnitte nur ungenügend gekühlt
werden. Die Folge ist, daß eine nicht gleichmäßige
Temperaturverteilung in jedem Festkörperschaltelement
auftritt, also in Schaltern wie etwa FETs, IGBTs und SITs
oder in anderen Schaltertypen mit Schaltzeiten, die mit
denen der vorherigen Schalter vergleichbar sind, wobei
diese unterschiedliche Temperaturverteilung auch in den die
Vielzahl der Schaltelemente enthaltenden Modulen auftritt.
Infolgedessen sind die Schaltkennlinien dieser Elemente
ebenfalls ungleichmäßig, so daß eine Überspannung an die
später eingeschalteten Schalter gelangt. Im äußersten Falle
werden die betreffenden Schalter zerstört.
Fig. 20 stellt das Schaltdiagramm eines herkömmlichen
entladungserregten Impulslasergerätes dar. Fig. 21 stellt
ein Diagramm zur Veranschaulichung von Wellenformen zwecks
Erläuterung der Betriebsweise des Impulslasergerätes dar.
In Fig. 20 bezeichnen die Bezugszeichen: 141 - einen
Kondensator zum Speichern der Energie für die
Hauptentladung; 142 - einen spitzenimpulsliefernden
Kondensator; 143 - eine Ladungsinduktivität; 144 - einen
Hochspannungsschalter wie etwa ein Thyratron zum Einleiten
der Entladung; 145 - eine erste Hauptelektrode, die
innerhalb eines Lasermediums 1410 angeordnet ist, wobei die
Längsrichtung derselben mit der Richtung der optischen
Laserachse übereinstimmt; 146 - eine zweite Hauptelektrode
mit einer Vielzahl von Löchern, die gegenüber und unter
Belassung eines vorbestimmten Zwischenabstandes der ersten
Hauptelektrode 145 angeordnet ist; 147 - ein dielektrisches
Material, das zwischen die zweite Hauptelektrode 146 und
eine Hilfselektrode 148 sandwichartig eingefügt ist; und
149 - einen Hochspannungsgenerator. Der Buchstabe A
bezeichnet eine ausschließlich für eine vorbereitende
Ionisation benutzte Schaltung. Die für die Abstimmung der
Schwingungsperiode vorgesehene Schaltung besteht aus den
Induktivitäten 1411A, 1411B sowie einem Kondensator 1412,
die direkt miteinander verbunden sind und zur Einstellung
der Zeitkonstanten dienen. Das Bezugszeichen 1413
kennzeichnet den Mittelpunkt zwischen dem Kondensator 1412
für die Einstellung der Zeitkonstanten und der
Hilfselektrode 148.
Nachfolgend wird die Betriebsweise des wie beschrieben
aufgebauten entladungserregten Impulslasergerätes
erläutert. Der Kondensator 141 wird durch die
Ladeinduktivität 143 mit Hilfe einer Hochspannung
aufgeladen, während der Kondensator 1412 mit einer
Hochspannung durch die Ladeinduktivitäten 1411A und 1411B
aufgeladen wird. Der Ladestrompfad für den Kondensator 141
ist mit 141X bezeichnet, während der betreffende Pfad für
den Kondensator 1412 mit 141Y bezeichnet ist. Sodann wird
der Hochspannungsschalter 144 eingeschaltet. Die am
spitzenimpulsliefernden Kondensator 142 liegende Spannung,
d. h. die Spannung zwischen der zweiten Hauptelektrode 146
und der Hilfselektrode 148, steigt entsprechend der
Spannung V in Fig. 21 an. Strom mit einer in Fig. 21 durch
IA gekennzeichneten Wellenform, der zum Laden des
spitzenimpulsliefernden Kondensators 142 sowie einer von
der zweiten Hauptelektrode 146 und der Hilfselektrode 148
gebildeten Kapazität dient, fließt durch den Kondensator
141. Die Durchflußrate des Stromes 142X wird bestimmt durch
die kombinierte Kapazität der Kondensatoren 141 und 142,
die Kapazität des durch die zweite Hauptelektrode 146 sowie
die Hilfselektrode 148 gebildeten Kondensators, und durch
eine Streuinduktivität in der Schaltung. Sie steigt
innerhalb von 50 bis 100 ns als Strom IB gemäß Fig. 21
an. Gleichzeitig enthält die Schaltung bzw. die für die
vorbereitende Ionisierung bestimmte Schaltung A, die aus
den Induktivitäten 1411A und 1411B, dem Kondensator 1412
besteht, welcher die Zeitkonstante einstellt, die
Hilfselektrode 148, das dielektrische Material 147, die
zweite Hauptelektrode 146 und der Hochspannungsschalter
144. Die Ladung, die im Kondensator 1412 zur Einstellung
der Zeitkonstanten und in dem aus der zweiten
Hauptelektrode 146, dem dielektrischen Material 147 und der
Hilfselektrode 148 aufgebauten Kondensator gespeichert
wurde, wird durch den Pfad 142Y entladen. Aufgrund der
Entladung tritt im Bereich der Vielzahl der Löcher der
zweiten Hauptelektrode 146 eine Kriechentladung und damit
eine vorbereitende Entladung auf.
Es sei angenommen, daß die Kapazität der der vorbereitenden
Ionisierung gewidmeten Schaltung A den Wert C besitzt und
die Summe der Induktivitäten der gleichen Schaltung den
Wert L aufweist. Dann beträgt die Schwingungsperiode
Im allgemeinen beträgt die für die vorbereitende Ionisation
benötigte Ladungsmenge ungefähr 1% der Ladungsmenge der
Hauptladung. Durch Einstellen eines kleinen Wertes von C
kann die Schwingungsperiode der Schaltung A für die
vorbereitende Ionisation auf 1/10 der Schwingungsperiode
der Hauptentladungsschaltung oder auf weniger bemessen
werden. Die Wellenformen der Operation sind in Fig. 21
dargestellt. Wie ersichtlich, schwingt bis zum Auftreten
der Hauptentladung der Strom IB für die vorbereitende
Ionisierung zwei- bis dreimal und verbessert dadurch die
Gleichmäßigkeit der vorbereitenden Ionisation. Dadurch wird
der Übergang der Hauptentladung in einen Lichtbogen
unterdrückt und somit ein gleichförmiger
Hauptentladungszustand herbeigeführt.
Bei dem wie beschrieben aufgebauten herkömmlichen
entladungserregten Impulslasergerät konzentriert sich im
Falle der Verwendung eines Thyratrons als
Hochspannungsschalter für den Entladungsbeginn der Strom
der Entladungsschaltung an den Elektroden und verursacht
eine große Induktivität. Diese macht es schwierig, mit
hoher Geschwindigkeit zu schalten. Um dieses Problem zu
meistern, ist eine Maßnahme getroffen worden, bei der der
Strom der Hauptentladungsschaltung zeitweilig,
beispielsweise durch eine sättigbare Drossel, begrenzt
wird, wobei die vorbereitende Entladung während der
Strombegrenzungsperiode durchgeführt wird. Diese Maßnahme
führt jedoch zu einer komplizierten Schaltungskonfiguration.
Fig. 22 stellt die Schaltung einer
Basisimpulserzeugungsschaltung zur Verwendung in einem
herkömmlichen Laseroszillator dar, der in der Publikation:
IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. QE-15, No. 5, Mai
1979, PP311-313, offenbart ist. Die
Impulserzeugungsschaltung weist einen als
LC-Inverterschaltung bezeichneten Impulskreis auf. In Fig.
22 bezeichnen die Bezugszeichen: 161 - ein Thyratron, das
als Hochspannungsschalter dient; 162 - einen ersten
Kondensator C₁; 163 - einen zweiten Kondensator C₂; 164
- eine Hochspannungsleistungsquelle; 165 - einen
Ladewiderstand; und 166 - einen Entladungsteil.
Im Betrieb speist die Hochspannungsleistungsquelle 164
Ladestrom in die folgenden beiden Ladeschleifen: eine erste
Ladeschleife mit einem induktiven Element L, einer Diode D,
dem zweiten Kondensator 163 und dem Ladewiderstand 165; und
eine zweite Schleife mit dem induktiven Element L, der
Diode D und dem ersten Kondensator 162. Infolge des
Stromflusses wird die Ladung in beiden Kondensatoren
gespeichert. Dabei weist die Spannung im Punkte A den Wert
Null auf. Dann wird das Thyratron 161 als
Hochspannungsschalter geschlossen und die Entladung durch
eine Schleife, bestehend aus dem ersten Kondensator 162 und
dem Thyratron 161 transferiert. Als Ergebnis steigt die
Spannung im Punkte A auf den doppelten Wert an. Mit
fortschreitender Entdeckung steigt die Spannung zwischen
den Hauptelektroden im Entladungsteil 161 rasch an, wobei
eventuell ein Entladungsraum durchbricht. Die im
Kondensator gespeicherte Energie wird in den Entladungsteil
166 gespeist. Das Gas im Entladungsraum wird zur Aussendung
eines Laserstrahls durch stimulierte Emission angeregt. In
der LC-Inverterschaltung kann die Ladespannung niedriger
als die für den Entladungsteil 166 benötigte Spannung sein.
Darum kann ein Schalter mit einer niedrigen Haltespannung
als Hochspannungsschalter verwendet werden. Zusätzlich kann
die Größe der Hochspannungsleistungsquelle 164, etc.,
reduziert werden.
Fig. 23 zeigt die Schaltung des Entladungsteils eines
herkömmlichen entladungserregten Lasergerätes. Die
Schaltung weist zusätzlich einen Schalter 167 mit
magnetischer Sättigung und einen spitzenimpulsliefernden
Kondensator 168 auf. Bei dieser Schaltung wird der in den
Entladungsteil 166 fließende Strom zeitweilig unter Nutzung
der Kennlinie des magnetischen Sättigungsschalters 167
abgeschaltet. Soweit das magnetische Glied des
Sättigungsschalters 167 nicht gesättigt wird, ist seine
Impedanz ωL extrem hoch. Wenn das magnetische Glied
gesättigt ist, nimmt die Impedanz abrupt ab. Wenn
beispielsweise das Thyratron 161 eingeschaltet ist, ist die
Impedanz ωL des magnetischen Sättigungsschalters 167
groß, so daß der Anstieg des Entladungsstromes verzögert
wird. Wenn der magnetische Sättigungsschalter 127 gesättigt
ist, wird Ladung in den spitzenimpulsliefernden Kondensator
168 übertragen, wobei sie eine Hochspannung an dem
Entladungsteil 166 anlegt, um die Entladung einzuleiten.
Das herkömmliche entladungserregte Impulslasergerät ist wie
beschrieben strukturiert. Entsprechend ist eine
Impulsschaltung, die das induktive Element enthält, in der
Ladungstransferschleife, die das Thyratron enthält,
angeordnet, so daß die Ansprechzeit der Schleife groß ist.
Demgemäß ist auch die Ladezeit für die Spannungsumkehr in
der Schleife mit dem ersten Kondensator 162 und dem
Thyratron 161 lang. Die Folge ist, daß die Entladung schon
beginnt, ehe die Spannung im Punkte A verdoppelt ist.
Dadurch reicht die in den Entladungsteil gelieferte
Ladungsmenge nicht aus, so daß der Wirkungsgrad der
resultierenden Schwingung des Lasergerätes unbefriedigend
ist.
Der magnetische Sättigungsschalter ist hier insoweit von
Vorteil, als die Spannung im Punkte A verdoppelt wird und
die Belastung für das Thyratron klein ist. Da aber der
magnetische Sättigungsschalter ein aktives Element ist,
verändert sich mit der Änderung der Ladespannung oder der
Umgebungstemperatur auch die Schaltzeit. In dieser Hinsicht
bestehen Schwierigkeiten bei der Verwendung dieses
Schaltertyps. Fig. 24 stellt das Schaltungsdiagramm einer
herkömmlichen Erregerschaltung für einen Excimer-Laser dar,
wie er in dem Dokument: "Electrical Society Technical
Report" (Teil II), No. 217 (Present State of Shortwave
Laser), Seite 5, Ausgabe April, 1986 (Showa 61) diskutiert
wird. In Fig. 24 bezeichnen die Bezugszeichen: 171 und 172
- Hauptentladungselektroden; 173 - einen
impulsspitzenliefernden Kondensator, der parallel zu den
Hauptentladungselektroden 171 und 172 geschaltet ist; und
174 - einen Impulserzeugungskondensator, der an ein Ende
der Hauptentladungselektrode 171 angeschlossen ist. Ein
Schalter 175, für den ein Thyratron benutzt wurde, ist
zwischen das andere Ende des Impulserzeugungskondensators
174 und die Hauptentladungselektrode 172 geschaltet. Das
Bezugszeichen 176 bezeichnet eine Ladedrossel, die parallel
zum impulsspitzenliefernden Kondensator 173 geschaltet ist,
während das Bezugszeichen 177 eine Ladeklemme bezeichnet.
Nachfolgend wird die in der oben beschriebenen Weise
aufgebaute Anregungsschaltung des Excimer-Lasers
beschrieben. Wenn eine hohe positive Spannung an die
Ladeklemme 177 angelegt wird, fließt ein Ladestrom i₁
durch die Ladedrossel 176, um den
Impulserzeugungskondensator 174 mit den dargestellten
Polaritäten zu laden. Unter diesen Umständen ändern sich im
Falle des Einschaltens des Schalters 175 im Zeitpunkt t₀
die am Pulserzeugungskondensator 174 und am
impulsspitzenliefernden Kondensator 173 liegenden
Spannungen gemäß den Fig. 25(a) und 25(b). Der an der
Ladespannung V₁ liegende Impulserzeugungskondensator 174
beginnt sich zu entladen, wobei ein Strom i₂ durch den
impulsspitzenliefernden Kondensator 173 fließt, um den
Ladungstransfer zu bewirken.
Während einer zwischen t₀ < t < t₁ gelegenen Periode
wird die im Impulserzeugungskondensator 174 gespeicherte
Ladung in den impulsspitzenliefernden Kondensator 173
überführt. Im Zeitpunkt t = t₁ beginnt die Entladung
zwischen den Hauptelektroden 171 und 172, so daß ein Strom
i₃ in Richtung des eingezeichneten Pfeiles fließt. Im
Excimer-Laser wird eine vorbereitende Ionisationsentladung
vor der Hauptentladung durchgeführt. Die Elektroden sowie
die Schaltung für die vorbereitende Ionisationsentladung
sind in Fig. 24 der Einfachheit halber fortgelassen.
Während einer zwischen t₁ < t < t₂ liegenden Periode
wird, wenn Energie vom impulsspitzenliefernden Kondensator
123 in den Entladungsteil injiziert wird, die
Hauptentladung zwischen den Hauptentladungselektroden 171
und 172 durchgeführt, um eine Laserschwingung auszulösen.
In einem Laser mit kleinem Entladungswiderstand
(beispielsweise 0.2 Ohm), wie etwa einem Excimer-Laser,
nimmt die am impulsspitzenliefernden Kondensator 173
liegende Spannung V₂ eine Schwingungsspannungswellenform
an, wie sie Fig. 25(b) zeigt, so daß eine Spannung mit
umgekehrter Polarität erzeugt wird (t = t₂ in Fig.
25(b)). In einem Zeitpunkt, in welchem die Schwingung
nahezu endet, erscheint eine Spannung mit einer Polarität,
die derjenigen der Spannung im Zeitpunkt des Ladens
umgekehrt ist, am Impulserzeugungskondensator 174 (Vr in
Fig. 25(a)). Die Spannung Vr ruft den Umkehrstrom i₄
hervor.
Fig. 26 stellt das Schaltungsdiagramm einer weiteren
herkömmlichen Erregerschaltung für einen Impulslaser dar.
Bei dieser Schaltung fließt die im
Impulserzeugungskondensator 174 befindliche Ladung in Form
eines Ladestromes i₂₀ durch eine sättigbare Drossel 178,
die wie ein Schalter arbeitet und den impulsliefernden
Kondensator 173 speist. Diese Schaltung, die allgemein als
MPC-Schaltung bezeichnet wird (magnetische
Impulskompression), weist zusätzlich einen weiteren
Impulserzeugungskondensator 129 und eine
Strombegrenzungsdrossel 1710 auf, um die Schaltverluste im
Schalter 175 zu reduzieren. Die Betriebswellenformen der
Signale in der MPC-Schaltung verlaufen so wie in den Fig.
11(a), 11(b) und 11(c) dargestellt ist. Wie bei der
herkömmlichen Schaltung der Fig. 24 beginnt im Zeitpunkt t
= t₁ die Entladung zwischen den Hauptelektroden 171 und
172. Anschließend schwingt der Umkehrstrom i₄.
Schließlich erscheint die Spannung Vr mit einer gegenüber
der Spannung in der Eingangsphase umgekehrten Polarität am
Impulserzeugungskondensator 174.
Bei dem wie beschrieben aufgebauten herkömmlichen
Impulslasergerät tritt die Umkehrspannung Vr mit der
umgekehrten Polarität am Impulserzeugungskondensator auf,
nachdem der Hauptentladungsstrom zu fließen begonnen hat.
Die Umkehrspannungsenergie (= 1/2 CVr²) wird in Form
eines Lichtbogens bzw. eines Plasmaschlauches zwischen den
Hauptelektroden nach einer relativ langen Zeitdauer
(beispielsweise annähernd 1 µs) seit dem Auftreten der
Hauptentladung aufgezehrt. Diese Erscheinung wird als
Nachstrom bezeichnet und trägt nicht zur Laserschwingung
bei, sondern schädigt die Hauptentladungselektroden und
verringert damit die Lebensdauer derselben. Weiter kann
beim Fließen des Nachstromes das Lasergerät nicht mit einer
hohen Wiederholungsfrequenz schwingen.
Fig. 28 stellt das Schaltungsdiagramm der elektrischen
Schaltung eines weiteren herkömmlichen entladungserregten
Impulslasers dar, wie er in dem Dokument "Electrical
Society Technical Report" (Teil II), No. 217 (Present State
of Short Wave Laser), P5, Ausgabe April 1986 (Showa 61),
offenbart ist. In Fig. 28 bezeichnen die Bezugszeichen: 181
und 182 - zwei Hauptentladungselektroden, die einander
gegenüberstehen; 183 - einen spitzenimpulsliefernden
Kondensator C₂, der aus SrTiO₃ besteht und parallel zu
den Hauptentladungselektroden 181 und 182 geschaltet ist;
und 184 - einen Impulserzeugungskondensator C₁, von dem
eine Klemme an die Hauptentladungselektrode 181
angeschlossen ist. Ein Schalter 185 eines Thyratrons ist
zwischen die andere Klemme des Kondensators 184 und die
Hauptentladungselektrode 182 geschaltet. Eine Ladedrossel
186 ist parallel zum impulsspitzenliefernden Kondensator
183 geschaltet. Das Bezugszeichen 187 bezeichnet eine
Hochspannungsleistungsquelle, während die Bezugszeichen 188
und 189 die in der Schaltung enthaltenen
Induktivitätskomponenten bezeichnen.
Im Betrieb fließt mit Anlegen einer positiven Hochspannung
seitens der Hochspannungsleistungsquelle 187 an den
Impulserzeugungskondensator 184 ein Ladestrom i₁ durch
die Ladedrossel 186, um den Kondensator 184 mit der
dargestellten Polarität zu laden. Wenn der Schalter 185
eingeschaltet wird, fließt die Ladung des Kondensators
(C₁) 184 in Form eines Impulsstromes i₂ in den
impulsspitzenliefernden Kondensator (C₂) 183. Auf diese
Weise wird der Ladungstransfer durchgeführt. Anschließend
entsteht zwischen den Hauptentladungselektroden 181 und 182
eine Entladung, wobei ein Entladestrom i₃ in Richtung des
eingezeichneten Pfeiles fließt. Beim Excimer-Lasergerät
erfolgt vor der Hauptentladung eine vorbereitende
Entladung. Die Elektroden sowie die elektrische Schaltung
für die vorbereitete Entladung sind hier nicht dargestellt.
Wenn vom impulsspitzenliefernden Kondensator (C₂) 183
Energie in den Entladungsteil injiziert wird, tritt
zwischen den beiden Entladungselektroden 181 und 182 die
Hauptentladung auf, die eine Laserschwingung auslöst. Im
Lasergerät mit einem niedrigen Entladungswiderstand
(beispielsweise 0.2 Ohm), wie etwa einem
Excimer-Lasergerät, verändert sich die am
impulsspitzenliefernden Kondensator (C₂) 183 liegende
Spannung in der durch die Schwingungsspannungswellenform
der Fig. 30(a) dargestellten Weise. Wie ersichtlich, tritt
die Spannungskomponente mit umgekehrter Polarität auf. Die
Spannungskomponente Vr umgekehrter Polarität ruft einen
invertierten Strom (Nachstrom) gemäß Fig. 30(b) hervor, der
seinerseits einen Lichtbogen zieht. Die Folge ist, daß die
Lebensdauer der Hauptentladungselektroden 181 und 182 sowie
die Qualität des Lasergases deutlich reduziert werden.
Fig. 29 stellt das Kurvendiagramm einer Kennlinie dar, das
eine Änderung der Kapazität des impulsspitzenliefernden
Kondensators (C₂) 183 relativ zur Gleichspannung
wiedergibt, wenn der Kondensator 183 aus SrTiO₃ besteht.
Das Diagramm zeigt, daß sich die Kapazität selbst dann nur
wenig ändert, wenn die Spannung bis auf einen Wert in der
Nähe der Nennspannung zunimmt. Daraus geht hervor, daß nach
dem Beginn der Entladung Energie im impulsspitzenliefernden
Kondensator (C₂) 183 zurückbleibt, so daß die Restenergie
die erwähnte Lichtbogenentladung durch den Rückstrom
auslöst.
Bei dem wie beschrieben aufgebauten herkömmlichen
entladungserregten Impulslasergerätes verändert sich im
Falle, daß der impulsspitzenliefernde Kondensator (C₂)
183 aus SrTiO₃ besteht, die Kapazität nur wenig, selbst
dann, wenn die Spannung bis auf annähernd Nennspannung
zunimmt. Infolgedessen verbleibt nach dem Beginn der
Entladung Energie im impulsspitzenliefernden Kondensator
(C₂) 183 zurück, so daß die Restenergie die erwähnte
Lichtbogenentladung durch den Rückstrom auslöst.
Beim Ladungstransferschaltungstyp kann bei einem auf einen
großen Wert eingestellten Verhältnis von C₁/C₂ die an
den Entladungsteil angelegte Spannung auf den doppelten
Wert der angelegten Spannung Vo erhöht werden, wenn eine
Spannung an den Entladungsteil angelegt wird, die größer
als die von der Hochspannungsleistungsquelle angelegte
Spannung Vo ist. Dennoch bleibt auch in diesem Falle nach
Beginn der Entladung die im impulsspitzenliefernden
Kondensator verbleibende Ladungsmenge groß, so daß das
Auftreten einer Lichtbogenentladung durch den Nachstrom zu
erwarten ist.
Aus DE 36 30 775 ist eine Schalteinrichtung bekannt, welche
aus einer Anzahl von in Serie geschalteten MOSFETs besteht.
Aus Watanabe, S et al: "High repetition long pulse XeCl laser
with a coaxial ceramic pulse forming line", in Review of
Scientific Instruments, Band 57, Nr. 12, Dezember 1986,
Seiten 2970-2973 ist eine Pumpschaltung für Gaslaser
bekannt, welche als Schaltvorrichtung ein Tyratron oder eine
Funkenstrecke verwendet. Eine Impulsformerleitung ist in
Serie mit der Hauptentladungsstrecke geschaltet, um mit Hilfe
einer solchen Schaltungsanordnung eine Vorionisation des
Lasermediums zu erreichen.
Aus JP 2-22876 (A) and US 4 975 921 sind Schalteinrichtungen
für ein entladungserregtes Impulslasergerät mit einer
Rückstromsperrschaltung bekannt.
Aus dem Journal of Applied Physics 53 (6), Juni 1982, Seite
4016-4019, Cridland et al. "The dependence of transversely
excited atmospheric CO₂ laser performance on circuit
configuration" ist eine Schalteinrichtung für ein
entladungserregtes Impulslasergerät mit einer
Parallelschaltung aus einem Kondensator und einer in
Sperrichtung gepolten Diode bekannt.
Aus DE 38 22 991 A1 ist ein Hochspannungsschalter bekannt,
der als Schaltverstärker zur Amplitudenmodulation von
Kurzwellensendern verwendet wird. Der aus dieser
Entgegenhaltung bekannte Hochspannungsschalter besteht aus
mehreren, in Reihe geschalteten und mit Steuerimpulsen einer
Steuerschaltung synchron angesteuerten Halbleiterschaltern.
Die Halbleiterschalter sind in Gruppen zusammengefaßt.
Die vorliegende Erfindung ist bei der Suche nach Lösung der
oben aufgeführten Probleme entstanden und hat die Schaffung
von Schalteinrichtungen für ein entladungserregtes Impulslasergerät
zum Ziel, welche minimale Schaltungsinduktivitäten und
Schalten mit hoher Geschwindigkeit ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale
der jeweiligen Ansprüche 1, 7, 8 bzw. 9.
Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den
Unteransprüchen.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht
die Schaffung einer Schalteinrichtung für ein Lasergerät, bei dem die Schaltoperationen der jeweiligen in der Schalteinrichtung enthaltenen Schaltelemente leicht synchronisiert werden kann;
die Schaffung einer Schalteinrichtung für ein Lasergerät, bei dem zur Verbesserung der Ansprechempfindlichkeit der Zenerdiode einer dynamischen Klemmschaltung ein Widerstand und ein Kondensator jeweils der Zenerdiode parallelgeschaltet sind, um die Lawinenentwicklung zu beschleunigen und dadurch die Zeitverzögerung zwischen den in der Schalteinrichtung enthaltenen Hochgeschwindigkeitsschaltelementen wie beispielsweise FETS zu verringern, so daß die Einrichtung gegen Beschädigung durch Überspannungen geschützt ist;
die Schaffung einer Schalteinrichtung für ein Lasergerät, wobei die Einrichtung ein Kurzschlußproblem und eine Kurzschlußstelle anzeigen kann, wenn einige der in Reihe und/oder parallelgeschalteten Hochgeschwindigkeitsschalter einen Kurzschluß aufweisen;
die Schaffung einer Schalteinrichtung für ein Lasergerät, wobei die Anzahl der Leitungsdrähte verringert werden kann;
die Schaffung einer Schalteinrichtung für ein Lasergerät, wobei die Wärme der Hochgeschwindigkeitsschaltelemente, wie beispielsweise der FETs, an ein Gehäuse abgestrahlt wird;
die Schaffung einer Schalteinrichtung für ein Lasergerät; wobei die Einrichtung äußerst zuverlässig arbeitet und gleichzeitig ein thermisches Ungleichgewicht zwischen den Hochgeschwindigkeitsfestkörperschaltelementen vermeidet, also die Wirksamkeit der Kühlung verbessert;
die Schaffung einer Schalteinrichtung für ein Lasergerät, wobei Module, die Hochgeschwindigkeitsschaltelemente enthalten, leicht gestapelt werden können;
die Schaffung einer Schalteinrichtung für ein Lasergerät, wobei eine elektrisch und mechanisch stabile und feste Verbindung einer Steuereinheit mit Festkörperschaltelementen oder mit Modulen erfolgt, die Festkörperschaltelemente enthalten;
die Schaffung eines entladungserregten Impulslasergerätes, in welchem eine Schalteinrichtung bestehend aus einem Serien-Parallelanschluß von Modulen mit Hochgeschwindigkeitsfestkörperschaltelementen, wie etwa FETs, für einen Hochspannungsschalter verwendet wird, wodurch die Induktivität verringert und eine Impulsformerleitung, die ein Impulssignal verzögern kann, für eine der vorbereitenden Ionisierung gewidmete Schaltung verwendet wird. Dadurch kann der Startzeitpunkt der vorbereitenden Ionisation an den Zeitpunkt der Hauptentladung angepaßt werden;
die Schaffung eines entladungserregten Impulslasergerätes, in welchem zwei getrennte Schalter vorgesehen sind, von denen der eine zum Auslösen der Hauptentladung, und der andere zum Auslösen der vorbereitenden Entladung dient, wobei beide durch einen Impulsgeber ein- und ausgeschaltet werden können;
die Schaffung eines entladungserregten Lasergerätes, bei dem der Schwingungsgesamtwirkungsgrad durch Verwendung einer Schalteinrichtung verbessert ist, die eine Vielzahl von Hochgeschwindigkeitsschaltelementen in Reihen-Parallelschaltung zur Verringerung der Induktivität verwendet, und wobei eine Erregerschaltung nur für eine solche Stromschleife gebildet wird, durch die kein Energietransport erfolgt;
die Schaffung eines entladungserregten Impulslasergerätes, das einen verbesserten Laserschwingungswirkungsgrad besitzt, keinen magnetischen Sättigungsschalter benötigt, im Aufbau einfach ist und äußerst zuverlässig arbeitet;
die Schaffung eines entladungserregten Impulslasergerätes, bei dem die Beschädigung der Hauptentladungselektroden verhindert und dadurch die Lebensdauer der Elektroden verlängert wird, und das mit einer hohen Wiederholungsfrequenz schwingen kann;
die Schaffung eines entladungserregten Impulslasergerätes, bei dem der Nachstrom verringert wird, und zwar auch dann, wenn das Verhältnis C₁/C₂ hoch eingestellt ist, und das einen hohen Schwingungswirkungsgrad erzielt, wobei die Schaltspannung niedriger als die Spannung im Entladungsteil ist.
die Schaffung einer Schalteinrichtung für ein Lasergerät, bei dem die Schaltoperationen der jeweiligen in der Schalteinrichtung enthaltenen Schaltelemente leicht synchronisiert werden kann;
die Schaffung einer Schalteinrichtung für ein Lasergerät, bei dem zur Verbesserung der Ansprechempfindlichkeit der Zenerdiode einer dynamischen Klemmschaltung ein Widerstand und ein Kondensator jeweils der Zenerdiode parallelgeschaltet sind, um die Lawinenentwicklung zu beschleunigen und dadurch die Zeitverzögerung zwischen den in der Schalteinrichtung enthaltenen Hochgeschwindigkeitsschaltelementen wie beispielsweise FETS zu verringern, so daß die Einrichtung gegen Beschädigung durch Überspannungen geschützt ist;
die Schaffung einer Schalteinrichtung für ein Lasergerät, wobei die Einrichtung ein Kurzschlußproblem und eine Kurzschlußstelle anzeigen kann, wenn einige der in Reihe und/oder parallelgeschalteten Hochgeschwindigkeitsschalter einen Kurzschluß aufweisen;
die Schaffung einer Schalteinrichtung für ein Lasergerät, wobei die Anzahl der Leitungsdrähte verringert werden kann;
die Schaffung einer Schalteinrichtung für ein Lasergerät, wobei die Wärme der Hochgeschwindigkeitsschaltelemente, wie beispielsweise der FETs, an ein Gehäuse abgestrahlt wird;
die Schaffung einer Schalteinrichtung für ein Lasergerät; wobei die Einrichtung äußerst zuverlässig arbeitet und gleichzeitig ein thermisches Ungleichgewicht zwischen den Hochgeschwindigkeitsfestkörperschaltelementen vermeidet, also die Wirksamkeit der Kühlung verbessert;
die Schaffung einer Schalteinrichtung für ein Lasergerät, wobei Module, die Hochgeschwindigkeitsschaltelemente enthalten, leicht gestapelt werden können;
die Schaffung einer Schalteinrichtung für ein Lasergerät, wobei eine elektrisch und mechanisch stabile und feste Verbindung einer Steuereinheit mit Festkörperschaltelementen oder mit Modulen erfolgt, die Festkörperschaltelemente enthalten;
die Schaffung eines entladungserregten Impulslasergerätes, in welchem eine Schalteinrichtung bestehend aus einem Serien-Parallelanschluß von Modulen mit Hochgeschwindigkeitsfestkörperschaltelementen, wie etwa FETs, für einen Hochspannungsschalter verwendet wird, wodurch die Induktivität verringert und eine Impulsformerleitung, die ein Impulssignal verzögern kann, für eine der vorbereitenden Ionisierung gewidmete Schaltung verwendet wird. Dadurch kann der Startzeitpunkt der vorbereitenden Ionisation an den Zeitpunkt der Hauptentladung angepaßt werden;
die Schaffung eines entladungserregten Impulslasergerätes, in welchem zwei getrennte Schalter vorgesehen sind, von denen der eine zum Auslösen der Hauptentladung, und der andere zum Auslösen der vorbereitenden Entladung dient, wobei beide durch einen Impulsgeber ein- und ausgeschaltet werden können;
die Schaffung eines entladungserregten Lasergerätes, bei dem der Schwingungsgesamtwirkungsgrad durch Verwendung einer Schalteinrichtung verbessert ist, die eine Vielzahl von Hochgeschwindigkeitsschaltelementen in Reihen-Parallelschaltung zur Verringerung der Induktivität verwendet, und wobei eine Erregerschaltung nur für eine solche Stromschleife gebildet wird, durch die kein Energietransport erfolgt;
die Schaffung eines entladungserregten Impulslasergerätes, das einen verbesserten Laserschwingungswirkungsgrad besitzt, keinen magnetischen Sättigungsschalter benötigt, im Aufbau einfach ist und äußerst zuverlässig arbeitet;
die Schaffung eines entladungserregten Impulslasergerätes, bei dem die Beschädigung der Hauptentladungselektroden verhindert und dadurch die Lebensdauer der Elektroden verlängert wird, und das mit einer hohen Wiederholungsfrequenz schwingen kann;
die Schaffung eines entladungserregten Impulslasergerätes, bei dem der Nachstrom verringert wird, und zwar auch dann, wenn das Verhältnis C₁/C₂ hoch eingestellt ist, und das einen hohen Schwingungswirkungsgrad erzielt, wobei die Schaltspannung niedriger als die Spannung im Entladungsteil ist.
Eine Schalteinrichtung zur Verwendung in einem Lasergerät
gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist so
aufgebaut, daß eine Vielzahl von
Hochgeschwindigkeitsschaltelementen in Modulform
hergestellt sind und die Module serien-parallelgeschaltet
sind.
Die Verwendung der Module verringert die Anzahl der
Leitungsdrähte sowie die Schaltungsinduktivität.
Eine Schalteinrichtung zur Verwendung in einem Lasergerät
gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist
so aufgebaut, daß eine Vielzahl von
Hochgeschwindigkeits-Festkörperschaltelementen sowie eine
Vielzahl von Triggerkreisen zum Anlegen von Triggersignalen
an die Vielzahl der Festkörperschaltelemente jeweils durch
Übertragungsleitungen gleicher Länge miteinander verbunden
sind.
Da die Schaltelemente jeweils mit den Triggerkreisen durch
Übertragungsleitungen gleicher Länge verbunden sind, können
die Schaltoperationen aller Schaltelemente synchronisiert
werden, wodurch die Beschädigung der Schaltelemente durch
eine nicht tolerierbare Asynchronität der Schaltoperationen
beseitigt wird.
Eine Schalteinrichtung für ein Lasergerät gemäß einem
dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung weist
Schutzschaltungen für Parallelschaltungen der
Hochgeschwindigkeits-Festkörperschaltelemente auf, die mehr
im Inneren einer Stromschleife als im Bereich der
Parallelschaltung angeordnet sind.
Bei der Schalteinrichtung wird die durch eine Überspannung
verursachte Induktivität der Stromschleife durch die
Schutzschaltung minimiert. Daher fließt Strom durch die
Schutzschaltung, ehe er in die Festkörperschaltelemente
fließt, so daß die Schaltelemente gegen Überspannung
geschützt sind.
Eine Schalteinrichtung für ein Lasergerät gemäß einem
vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung weist
serien/parallelgeschaltete Hochgeschwindigkeits-FETs als
Schaltelemente auf, wobei mindestens ein gegen Überspannung
schützender FET in einer Reihenschaltungsstufe des
Serien-Parallelanschlusses des FETs vorgesehen, das Gate
des Schutz-FETs von anderen FETs getrennt, eine Zenerdiode
und eine Diode zwischen den Drain und das Gate des gegen
Überspannung schützenden FETs geschaltet und ein Widerstand
zwischen das Gate und die Source desselben eingefügt ist,
und wobei weiter ein Widerstand und ein Kondensator,
jeweils parallel zwischen den Drain und das Gate des gegen
Überspannung schützenden FETs geschaltet, zur Steigerung
der Ansprechgeschwindigkeit der Zenerdiode vorgesehen sind.
In der Schalteinrichtung überlagern sich der Zenerstrom der
Zenerdiode und der Entladungsstrom des Kondensators, um den
Lawineneffekt der Zenerdiode zu fördern und damit die
Ansprechzeit der Zenerdiode zu erhöhen. Daher wird die an
den FET angelegte Überspannung, die sich aus der
Ansprechverzögerung des FETs ergibt, abgeschwächt und der
FET gegen Zerstörung geschützt.
Eine Schalteinrichtung für ein Lasergerät gemäß einem
fünften Aspekt der vorliegenden Erfindung weist eine
Vielzahl von Anzeigeelementen auf, die signalisieren, ob
der Serienanschluß, der Parallelanschluß oder der
Serien-Parallelanschluß der
Hochgeschwindigkeitsschaltelemente kurzgeschlossen ist oder
nicht.
Die Anzeiger weisen auf einen Kurzschluß hin, der in der
Reihen- und/oder Parallelschaltung einer Schaltgruppe von
Hochgeschwindigkeitsschaltelementen aufgetreten ist. Durch
die Anzeigeelemente wird der Bediener schnell über das
Kurzschlußproblem und den Kurzschlußort informiert.
Eine Schalteinrichtung für ein Lasergerät gemäß einem
sechsten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist so
aufgebaut, daß Module mit Anschlußklemmenplatten, wahlweise
und herausnehmbar, zwischen parallel angeordnete
Leiterplatten eingefügt sind.
Bei der Schalteinrichtung sind die Module selektiv und
herausnehmbar zwischen die parallel angeordneten leitenden
Platten eingefügt. Daher kann die Schalteinrichtung aus
einer gewünschten Anzahl von Modulen aufgebaut werden. Der
elektrische Anschluß kann durch Herbeiführen eines
Kontaktes zwischen den Anschlußklemmenplatten der Module
und den leitenden Platten erfolgen.
Eine Schalteinrichtung für ein Lasergerät gemäß einem
siebten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist so aufgebaut,
daß ein Ende jeder Drain-Elektrodenplatte jedes Moduls am
Modul vorspringt, und daß eine Vielzahl von Modulen
gestapelt sind, wobei sich jede Drain-Elektrodenplatte
zwischen benachbarten Modulen befindet und die
vorspringenden Abschnitte in die gleiche Richtung weisen.
Bei der Schalteinrichtung dienen die
Drain-Elektrodenplatten, die aus den Abschnitten zwischen
den gestapelten Modul vortreten, als Strahlungsrippen.
Eine Schalteinrichtung für ein Lasergerät gemäß einem
achten Aspekt der vorliegenden Erfindung weist folgende
Komponenten auf: eine Vielzahl von
serien-parallelgeschalteten
Hochgeschwindigkeits-Festkörperschaltelementen bzw. eine
Gruppe von serien-parallelgeschalteten Schaltmodulen, von
denen jede eine Vielzahl von Festkörperschaltelementen
aufweist; und Wärmeröhren, die so angeordnet sind, daß wenn
die Festkörperschaltelemente oder die Schaltmodule auf
Metallplatten gruppiert und in einer Vielzahl von Stufen in
Form einer Sandwichstruktur gestapelt sind, und die
Metallplatten als wärmeabsorbierende Mittel mit niedrigem
Wärmewiderstand dienen, der Endabschnitt jeder Wärmeröhre
mit einer Strahlungsplatte zur Kühlung versehen ist.
Bei der Schalteinrichtung gemäß der Erfindung ist das
Problem vermieden, daß einige der Schaltelemente wegen des
thermischen Ungleichgewichtes zwischen den Schaltelementen
später als die übrigen Schaltelemente eingeschaltet werden,
so daß Überspannung an die später eingeschalteten Schalter
angelegt wird und schließlich zur Zerstörung der Schalter
führt.
Eine Schalteinrichtung für ein Lasergerät gemäß einem
neunten Aspekt der vorliegenden Erfindung weist Modulen
auf, von denen jeder eine Vielzahl von
Festkörperschaltelementen aufweist, wobei eine allen
gemeinsame leitende Platte an die Vielzahl der
Festkörperschaltelemente mit gleichem Abstand zu jedem
Schaltelement angeschlossen ist.
Bei der Schalteinrichtung ist die leitende Platte im
gleichen Abstand zur Vielzahl der Festkörperschaltelemente
jedes Moduls angeordnet. Wenn daher ein elektrischer Strom
von der leitenden Platte geliefert wird, sind die
Induktivitäten der Stromschleifen zu den jeweiligen
Festkörperschaltelementen untereinander gleichgroß. Der
Strom konzentriert sich also nicht auf spezifische
Festkörperschaltelemente.
Eine Schalteinrichtung für ein Lasergerät gemäß einem
zehnten Aspekt gemäß der vorliegenden Erfindung ist so
aufgebaut, daß dünne, plattenförmige erste und zweite
Elektroden, die einer Vielzahl von
Festkörperschaltelementen gemeinsam sind, auf der oberen
und der unteren Oberfläche eines Moduls vorgesehen sind,
die eine Schaltung enthält, in der eine Vielzahl von
Festkörperschaltelementen so angeschlossen sind, daß sie
gleichzeitig eingeschaltet werden; und daß weiter eine
dritte Elektrode auf einer Oberfläche des Moduls vorgesehen
ist, die sich von den die erste und die zweite Elektrode
tragenden Oberflächen unterscheidet oder aber die gleiche
Oberfläche ist wie diejenige, die die zweiten Elektroden
trägt.
Bei der Schalteinrichtung sind die dünnen, plattenförmigen
ersten und zweiten Elektroden auf der oberen und der
unteren Oberfläche des Moduls angebracht. Diese Lösung
eignet sich für das Stapeln einer Vielzahl von Modulen und
erleichtert die Konstruktion einer kompakten
Schalteinrichtung.
Eine Schalteinrichtung für ein Lasergerät gemäß einem
elften Aspekt der vorliegenden Erfindung weist Module auf,
von denen jeder eine Vielzahl von Festkörperschaltelementen
enthält, und sie weist eine Steuereinheit auf. In einem
Gehäuse zur Aufnahme der jeweiligen Module ist eine Nut
eingebracht, und weiter sind Klemmenabschnitte in der
inneren Oberfläche der Nut angebracht. Ein Teil der
Steuereinheit ist so ausgebildet, daß er in die Nut
einsteckbar ist. Die Steuereinheit besitzt ebenfalls
Klemmenabschnitte. Wenn die Steuereinheit in die Nut des
Gehäuses eingesteckt wird, verbinden sich jeweils die
Klemmenabschnitte der Nut mit den Klemmenabschnitten der
Steuereinheit.
Bei der Schalteinrichtung wird ein Teil der Steuereinheit
in die Nut des Moduls eingesteckt, so daß die
Klemmenabschnitte der Steuereinheit elektrisch und
mechanisch sicher mit den Klemmenabschnitten der Nut
verbunden sind.
Eine Schalteinrichtung für ein Lasergerät gemäß einem
zwölften Aspekt der vorliegenden Erfindung weist einen
Schaltteil mit einer Vielzahl von Festkörperschaltelementen
und einer Steuereinheit auf, die in einem Gehäuse
untergebracht sind und somit eine einzelne Einheit bilden.
Bei der Schalteinrichtung sind der Schaltteil und die
Schaltelemente zu einer Einheit zusammengefaßt. Daher sind
der mechanische und der elektrische Anschluß des
Schaltteils und der Schaltelemente zuverlässig. Die
Ansteuerzeiten der Schaltelemente sind gleichmäßig und
sorgen somit für eine stabile Schaltoperation.
Eine Schalteinrichtung für ein Lasergerät gemäß einem
dreizehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung weist Module
mit Stiftklemmen sowie eine Steuereinheit auf. Die
Stiftklemmen jedes Moduls sind mechanisch und elektrisch
durch Kopplungsmittel an die Steuereinheit angeschlossen.
Vom mechanischen Standpunkt aus betrachtet sorgen die
Kopplungsmittel für eine feste und stabile Verbindung des
Moduls der Steuereinheit. Vom elektrischen Standpunkt aus
bieten die Anschlußmittel gleiche Längen für die
Signalpfade, so daß die Ungleichmäßigkeit der Schaltzeiten
reduziert und eine gute Schaltcharakteristik erzielt wird.
Ein entladungserregtes Impulslasergerät gemäß einem
vierzehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung weist
folgende Komponenten auf: Hauptentladungselektroden, die
innerhalb eines Lasermediums zur Durchführung einer
Hauptentladung zwecks Erzeugung eines Laserstrahls
angeordnet sind; eine Hochspannungsimpulsschaltung zur
Herbeiführung der Hauptentladung durch impulsförmiges
Entladen der in einem Kondensator gespeicherten Ladung;
eine Festkörperschalteinrichtung, bestehend aus
serien-parallelgeschalteten Festkörperschaltelementen zum
Einleiten der Entladung der im Kondensator gespeicherten
Ladung; und eine Impulsformerleitung, die eine Schaltung
zur ausschließlich vorbereitenden Ionisation von einer
Hochspannungsseite der Festkörperschalteinrichtung abzweigt
und die Schaltung an eine im Lasermedium befindliche
Hilfselektrode anschließt, zur Steuerung der Zeitgabe für
die Auslösung der vorbereitenden Ionisation vor Beginn der
Hauptentladung.
Bei dem entladungserregten Impulslasergerät wird eine
Hochgeschwindigkeitsschaltoperation des
Entladungsstartschalters verwirklicht und weiter kann der
Zeitpunkt der der Hauptentladung vorausgehenden
vorbereitenden Ionisation eingestellt werden.
Ein entladungserregtes Impulslasergerät gemäß einem
fünfzehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung weist
folgende Komponenten auf: Hauptentladungselektroden, die
innerhalb eines Lasermediums zur Durchführung einer
Hauptentladung zwecks Erzeugung eines Laserstrahls
angeordnet sind; eine Hochspannungsimpulsschaltung zur
Herbeiführung der Hauptentladung durch impulsförmiges
Entladen der in einem Kondensator gespeicherten Ladung;
eine erste Festkörperschalteinrichtung zum Einleiten der
Entladung der im Kondensator gespeicherten Ladung; eine
zweite Festkörperschalteinrichtung zum Einleiten einer
vorbereitenden Ionisation vor der Hauptentladung, und zwar
über eine ausschließlich für die vorbereitende Ionisation
benutzte Schaltung; und einen Impulsgeber zur Erzeugung von
Triggersignalen zur Einschaltung der ersten und zweiten
Festkörperschalteinrichtungen.
Bei dem entladungserregten Impulslasergerät sind zwei
Schalter unabhängig voneinander vorgesehen, wobei der erste
Festkörperschalter zum Einleiten der Hauptentladung, und
der zweite Festkörperschalter zum Einleiten der
vorbereitenden Ionisierung dient, wobei Triggersignale zum
Einschalten der beiden Schalter durch einen Impulsgeber
erzeugt werden. Daher kann ein Startzeitpunkt für die
vorbereitende Ionisation eingestellt werden, der für eine
wirksame Durchführung der Hauptentladung geeignet ist.
Ein entladungserregtes Excimer-Lasergerät gemäß einem
sechzehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung weist einen
Kondensator auf, der in Reihe an einen Entladungsteil des
Lasergerätes angeschlossen ist, wobei der Kondensator durch
eine Hochspannungsleistungsquelle aufgeladen wird; und er
weist eine Festkörperschalteinrichtung auf, die in Reihe
mit einer Schleife zur Impulsentladung der im Kondensator
geladenen Ladung in einem Entladungsteil angeschlossen ist,
wobei der Schalter eine Vielzahl von
Serien-parallelgeschalteten
Hochgeschwindigkeitsschaltelementen enthält.
Bei diesem Lasergerät ist die Induktivität klein, die
sofortige Entladung ist möglich, und ein steiler
Wellenformimpuls wird erzielt.
Ein entladungserregtes Impulslasergerät gemäß einem
siebzehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung weist einen
Kondensator, der eine LC-Inverterschaltung bildet, und eine
Schalteinrichtung zur Auslösung einer Impulsentladung in
einem Entladungsrohr durch Laden des Kondensators und einer
Hochspannung, die von einer Hochspannungsleistungsquelle
angelegt wird, auf; wobei die Schalteinrichtung aus einer
Gruppe von Festkörperschaltern besteht, von denen jeder
eine Vielzahl von gleichzeitig gesteuerten
serien-parallelgeschalteten Schaltelementen besteht, die
eine Umschaltfunktion besitzen.
Die Festkörperschaltelemente als Hochspannungsschalter für
die LC-Inverterschaltung sind beispielsweise
serien-parallelgeschaltete FET-Module. Die
Schaltinduktivität kann reduziert werden, wodurch eine hohe
Ansprechempfindlichkeit geschaffen wird. Damit kann die
Spannung ohne Anwendung eines magnetischen
Sättigungsschalters verdoppelt werden.
Ein entladungserregtes Impulslasergerät gemäß einem
achtzehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung weist folgende
Komponenten auf: einen impulserzeugenden Kondensator, der
mit einem Ende an eine der Hauptentladungselektroden zur
Erzeugung eines Laserstrahls durch die Hauptentladung, und
mit dem anderen Ende an eine Ladeklemme angeschlossen ist;
einen spitzenimpulsliefernden Kondensator, der parallel an
die Hauptentladungselektroden angeschlossen ist und zur
Auslösung einer Hauptentladung des Laseroutputs nach
Empfangen der Ladung des impulserzeugenden Kondensators
dient; eine Schalteinrichtung, die zwischen die Ladeklemme
und die andere Klemme der Hauptentladungselektroden
geschaltet ist; und eine Rückstromsperrschaltung zum
Sperren des Rückstromes, der durch eine nach der
Hauptentladung an die Hauptentladungselektroden angelegte
Rückwärtsspannung verursacht wird.
Bei diesem Lasergerät ist zum Sperren des Rückstromes, der
durch die nach der Hauptentladung an die
Hauptentladungselektroden angelegte Umkehrspannung
verursacht wird, die Rückstromsperrschaltung an einer
Schaltungsstelle angeschlossen, an der die Rückspannung
verringert werden kann. Das Anbringen der
Rückstromsperrschaltung begrenzt oder teilt den Rückstrom,
der durch die den Impulserzeugungskondensator enthaltende
Schaltung fließt, so daß das Auftreten der Umkehrspannung
zwischen den Hauptentladungselektroden unterdrückt wird.
Ein entladungserregtes Impulslasergerät gemäß einem
neunzehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung weist
folgende Komponenten auf: eine Schalteinrichtung;
einen spitzenimpulsliefernden Kondensator, in den die in
einem Impulserzeugungskondensator gespeicherte Leistung
durch die Schalteinrichtung übertragen wird; und
Hauptentladungselektroden zum Entladen der Energie, die in
den spitzenimpulsliefernden Kondensator übertragen und
darin gespeichert ist, um einen Laserstrahl zu emittieren,
wobei der spitzenimpulsliefernde Kondensator ein
spannungsabhängiger Kondensator ist, dessen Kapazität mit
dem Anwachsen der Ladespannung abnimmt.
Bei diesem Lasergerät arbeitet der aus BaTiO₃ bestehende
spitzenimpulsliefernde Kondensator, der als
spannungsabhängiger Kondensator dient, derart, daß solange,
bis die an den Kondensator angelegte Spannung auf die
Nennspannung angestiegen ist, seine Kapazität auf annähernd
die Hälfte derjenigen Kapazität reduziert bleibt, die bei
voller Aufladung besteht. Wegen dieser Eigenschaft des
Kondensators kann selbst dann, wenn das Verhältnis
C₁/C₂ auf einen hohen Wert eingestellt ist, der
Nachstrom nach Beginn der Entladung unterdrückt werden, so
daß keine Lichtbogenbildung auftritt und die Lebensdauer
der Hauptentladungselektroden verlängert wird. Weiter kann
die Spannung des Entladungsteils durch Anwendung der
niedrigeren Spannung des Schaltteils erreicht werden.
Dieses Merkmal reduziert die erforderliche Anzahl von
Serienanschlüssen der Festkörperschaltelemente.
Nachfolgend wird der wesentliche Gegenstand der beigefügten
Zeichnungen kurz beschrieben.
Fig. 1 stellt ein Schaltungsdiagramm zur
Veranschaulichung einer Entladungsschaltung dar,
die in einem herkömmlichen Lasergerät verwendet
wird;
Fig. 2 stelle eine perspektivische Ansicht eines
herkömmlichen Lasergerätes dar, das mit einem
Thyratron arbeitet;
Fig. 3 veranschaulicht schematisch eine herkömmliche
Schalteinrichtung zur Verwendung in einem
Lasergerät, welche aus einer Anzahl von
Feldeffekttransistoren besteht;
Fig. 4 stellt eine perspektivische Ansicht zur
Veranschaulichung eines Lasergerätes dar, das mit
einer herkömmlichen Schalteinrichtung arbeitet;
Fig. 5 stellt die Vorderansicht eines herkömmlichen
Moduls dar;
Fig. 6 stellt eine perspektivische Ansicht zur
Veranschaulichung der üblichen Kombination eines
Moduls und einer Steuereinheit zur Steuerung des
Moduls dar;
Fig. 7 stellt eine perspektivische Ansicht zur
Veranschaulichung eines Lasergerätes dar, das mit
einer üblichen Schalteinrichtung arbeitet;
Fig. 8 stellt ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung
einer herkömmlichen Schalteinrichtung dar;
Fig. 9 stellt ein Kurvendiagramm zur Veranschaulichung
der Schaltkennlinie der herkömmlichen
Schalteinrichtung der Fig. 8 dar;
Fig. 10 und 11 stellen Schaltungsdiagramme zur
Veranschaulichung der in einer herkömmlichen
Schalteinrichtung verwendeten Schutzschaltungen
dar;
Fig. 12 stellt ein Diagramm zur Erläuterung der
Betriebsweise der Schutzschaltung dar;
Fig. 13 stellt ein Kurvendiagramm zur Veranschaulichung
der Wellenformen des Stromes im Falle zweier
unterschiedlicher Induktivitäten dar;
Fig. 14(a) stellt das Schaltungsdiagramm einer
herkömmlichen entladungserregten
Impulserzeugungsschaltung dar;
Fig. 14(b) stellt das Schaltungsdiagramm
einer herkömmlichen Überspannungsschutzschaltung
dar, das in der herkömmlichen entladungserregten
Impulserzeugungsschaltung verwendet wird;
Fig. 15(a) bis 15(d)
zeigen Wellenformdiagramme der Hauptsignale in der
entladungserregten konventionellen
Impulserzeugungsschaltung;
Fig. 16 zeigt ein Diagramm zur Veranschaulichung der
Kennlinie einer Zenerdiode;
Fig. 17 und 18 stellen eine Seitenansicht sowie eine
perspektivische Ansicht einer herkömmlichen
Festkörperschalteinrichtung dar;
Fig. 19 stellt das Schaltungsdiagramm eines herkömmlichen
entladungserregten Lasergerätes dar;
Fig. 20 stellt ein Schaltbild eines herkömmlichen
entladungserregten Impulslasergerätes dar;
Fig. 21 stellt Wellenformen zur Veranschaulichung der
Betriebsweise des Lasergerätes gemäß Fig. 20 dar;
Fig. 22 und 23 stellen Schaltungen
der elektrischen Stromkreise von herkömmlichen
entladungserregten Impulslasergeräten dar;
Fig. 24 stellt die Schaltung eines herkömmlichen
entladungserregten Impulslasergerätes dar;
Fig. 25(a) und 25(b)
veranschaulicht Wellenformen zur Erläuterung der
Wirkungsweise des Lasergerätes der Fig. 24;
Fig. 26 stellt die Schaltung eines weiteren herkömmlichen
entladungserregten Impulslasergerätes dar;
Fig. 27(a) bis 27(c)
stellen Spannungswellenformen zur Erläuterung der
Betriebsweise des Lasergerätes der Fig. 26 dar;
Fig. 28 stellt ein Schaltungsdiagramm eines herkömmlichen
entladungserregten Impulslasergerätes dar;
Fig. 29 stellt ein Kurvendiagramm zur Veranschaulichung
der Kapazitäts/Spannungskennlinie eines
spitzenimpulsliefernden Kondensators aus SrDiO₃
dar;
Fig. 30(a) und 30(b)
stellen Diagramme zur Veranschaulichung von
Spannungs- und Stromwellenformen des
spitzenimpulsliefernden Kondensators aus SrDiO₃
dar;
Fig. 31 stellt das Schaltungsdiagramm einer
Entladungsschaltung dar, die eine
Schalteinrichtung für ein Lasergerät gemäß einer
ersten Ausführungsform der Erfindung enthält;
Fig. 32 stellt eine perspektivische Ansicht einer
Moduleinheit dar, aus der die Schalteinrichtung
der Fig. 31 besteht;
Fig. 33(a) und 33(b)
stellen Kurvendiagramme zur Veranschaulichung von
Schaltkennlinien dar;
Fig. 34(a) und 34 (b)
stellen Kurvendiagramme zur vergleichenden
Darstellung der Strom/Zeitkennlinie sowie der
Spannungs/Zeitkennlinie der Entladungsschaltung
gemäß der Erfindung und der herkömmlichen
Entladungsschaltung dar;
Fig. 35 stellt eine perspektivische Ansicht eines
Excimer-Lasergerätes mit einer Schalteinrichtung
gemäß der Erfindung dar;
Fig. 36 stellt das Schaltungsdiagramm einer zweiten
Ausführungsform einer Schalteinrichtung gemäß der
vorliegenden Erfindung dar;
Fig. 37 stellt ein Kurvendiagramm zur Veranschaulichung
der Schaltkennlinie der Schalteinrichtung der Fig.
36 dar;
Fig. 38 stellt das Blockschaltbild eines Lasergerätes dar,
in welches eine dritte Ausführungsform einer
Schalteinrichtung gemäß der Erfindung eingebaut
ist;
Fig. 39 stellt eine Schaltung zur Veranschaulichung einer
vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
dar;
Fig. 40 stellt das Diagramm einer Schaltung mit einem
Überspannungsschutz-Feldeffekttransistor dar,
welche in der Schaltung der Fig. 39 verwendet wird;
Fig. 41 und 42(a) bis 42(d)
stellen Diagramme zur Veranschaulichung eines
entladungserregten Impulslasergerätes dar, das
eine Schalteinrichtung für ein Lasergerät gemäß
einer fünften Ausführungsform der Erfindung
beinhaltet;
Fig. 44 stellt das Schaltungsdiagramm eines Erregerkreises
für ein entladungserregtes Impulslasergerät dar,
das eine Schalteinrichtung für ein Lasergerät
gemäß einer sechsten Ausführungsform der Erfindung
beinhaltet;
Fig. 45 stellt eine perspektivische Ansicht eines
entladungserregten Impulslasergerätes dar, das
eine Schalteinrichtung gemäß der Erfindung
verwendet;
Fig. 46 stellt das Schaltbild eines Anzeigerelementes und
seiner zugehörigen Schaltung dar, die in der
Schalteinrichtung gemäß der Erfindung verwendet
werden kann;
Fig. 47 stellt eine perspektivische Ansicht einer siebten
Ausführungsform der Schalteinrichtung gemäß der
vorliegenden Erfindung dar;
Fig. 48(a) stellt eine perspektivische Ansicht eines in
der Schalteinrichtung der Fig. 47 verwendeten
Kontaktelementes dar;
Fig. 48(b) stellt eine Draufsicht auf das Kontaktelement
dar;
Fig. 48(c) stellt einen Längsschnitt entlang der Linie B-B′
der Fig. 48(b) dar;
Fig. 48(d) stellt einen vergrößerten Querschnitt entlang der
Linie A-A′ der Fig. 48(b) dar;
Fig. 49 stellt eine Seitenansicht der Schalteinrichtung
der Fig. 47 dar;
Fig. 50 stellt eine perspektivische Ansicht eines
Lasergerätes dar, bei dem die Schalteinrichtung
der Fig. 47 angewandt wird;
Fig. 51 bis 53
stellen perspektivische Ansichten der
Schalteinrichtungen gemäß der achten bis zehnten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar;
Fig. 54 stellt eine perspektivische Ansicht eines
abgeänderten Moduls dar;
Fig. 55 stellt eine perspektivische Ansicht eines
Lasergerätes dar, das eine Schalteinrichtung gemäß
einer elften Ausführungsform der Erfindung enthält;
Fig. 56 stellt eine Seitenansicht einer
Festkörperschalteinrichtung gemäß einer zwölften
Ausführungsform der Erfindung dar;
Fig. 57(a) und 57(b)
stellen jeweils eine Draufsicht und eine
Seitenansicht eines Lasergerätes dar, das eine
Schalteinrichtung gemäß einer dreizehnten
Ausführungsform der Erfindung verwendet;
Fig. 58 stellt eine perspektivische Ansicht des
Lasergerätes der Fig. 57 dar;
Fig. 59(a) und 59(b)
stellen jeweils eine Draufsicht sowie eine
Seitenansicht eines Moduls dar, das in der
Schalteinrichtung der Fig. 57 verwendet wir 99999 00070 552 001000280000000200012000285919988800040 0002004131949 00004 99880d;
Fig. 60(a) und 60(b)
stellen jeweils eine Draufsicht sowie eine
Seitenansicht eines Lasergerätes dar, das eine
Schalteinrichtung gemäß einer vierzehnten
Ausführungsform der Erfindung verwendet;
Fig. 61 stellt eine Seitenansicht eines Lasergerätes dar,
das eine Schalteinrichtung gemäß einer fünfzehnten
Ausführungsform der Erfindung verwendet;
Fig. 62(a) bis 62(d)
stellen jeweils eine Vorderansicht, eine
Draufsicht, eine Seitenansicht und eine
Unteransicht einer sechzehnten Ausführungsform
eines Moduls zur Herstellung einer
Schalteinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
dar;
Fig. 63(a) bis 63(d)
stellen jeweils eine Vorderansicht, eine
Draufsicht, eine Seitenansicht und eine
Unteransicht einer siebzehnten Ausführungsform
eines Moduls zur Herstellung einer
Schalteinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
dar;
Fig. 64 veranschaulicht eine Vorderansicht einer
achtzehnten Ausführungsform eines Moduls zur
Erzeugung einer Schalteinrichtung gemäß der
Erfindung;
Fig. 65 stellt eine perspektivische Ansicht einer
Schalteinrichtung dar, die aus einer Anzahl von
Modulen besteht;
Fig. 66 und 67 stellen perspektivische Ansichten einer
neunzehnten und einer zwanzigsten Ausführungsform
einer Schalteinrichtung gemäß der Erfindung dar;
Fig. 68 stellt eine perspektivische Ansicht einer
einundzwanzigsten Ausführungsform der
Schalteinrichtung gemäß der Erfindung dar;
Fig. 69 stellt eine Schnittansicht entlang der Linie II-II
der Fig. 68 dar;
Fig. 70, 71 und 72
stellen perspektivische Ansichten einer
zweiundzwanzigsten, dreiundzwanzigsten und
vierundzwanzigsten Ausführungsform der
Schalteinrichtung gemäß der Erfindung dar;
Fig. 73 stellt das Schaltungsdiagramm einer
fünfundzwanzigsten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung dar;
Fig. 74 und 75 stellen Schaltbilder einer
sechsundzwanzigsten und einer siebenundzwanzigsten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar;
Fig. 76 stellt die Schaltung einer achtundzwanzigsten
Ausführungsform der Erfindung dar;
Fig. 77(a) und 77(b)
stellen jeweils eine Seitenansicht sowie eine
perspektivische Ansicht einer neunundzwanzigsten
Ausführungsform der Erfindung dar;
Fig. 78 stellt die Schaltung eines im Lasergerät
enthaltenen elektrischen Stromkreises dar;
Fig. 79 bis 81 stellen Schaltungen
weiterer elektrischer Stromkreise gemäß der
dreißigsten, einunddreißigsten und
zweiunddreißigsten Ausführungsform der Erfindung
dar;
Fig. 82 stellt die Schaltung einer dreiunddreißigsten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar;
Fig. 83(a) und 83(b)
zeigen Spannungswellenformen zur Erläuterung der
Betriebsweise des Lasergerätes der Fig. 82;
Fig. 84 bis 88 stellen Schaltungen zur Veranschaulichung
der vierunddreißigsten bis siebenunddreißigsten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar;
Fig. 89 stellt das Schaltungsdiagramm einer
achtunddreißigsten Ausführungsform der Erfindung
dar;
Fig. 90 stellt das Schaltungsdiagramm einer
neununddreißigsten Ausführungsform der Erfindung
dar;
Fig. 91 stellt ein Kurvendiagramm zur Veranschaulichung
der Kapazitäts-Spannungskannlinie eines
spitzenimpulsliefernden Kondensators dar, der aus
BaTiO₃ besteht;
Fig. 92(a) und 92(b)
stellen Diagramme zur Veranschaulichung von
Spannungs- und Stromwellenformen des
spitzenimpulsliefernden Kondensators gemäß der
Erfindung dar;
Fig. 93 stellt ein Kurvendiagramm zur Veranschaulichung
einer Schwingungswellenform der maximalen
Entladungsspannung dar; und
Fig. 94 stellt ein Kurvendiagramm zur Veranschaulichung
der Korrelation zwischen dem Verhältnis C₁/C₁
und dem Maximalwert der Kondensatorspannung dar.
Nachfolgend werden die bevorzugten Ausführungsbeispiele der
Erfindung im einzelnen beschrieben.
Zunächst wird eine Schalteinrichtung für ein Lasergerät
gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung unter
Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. In
Fig. 31 werden gleiche Bezugssymbole zur Bezeichnung
gleicher oder äquivalenter Teile der Fig. 1 und 3
verwendet. Bei der hier behandelten Ausführungsform werden
Feldeffekttransistoren (FETs) als
Hochgeschwindigkeitsschaltelemente 14 verwendet.
In Fig. 31 bezeichnet das Bezugszeichen 116 ein Modul, das
eine Vielzahl von FETs 14 enthält, die parallelgeschaltet
sind (es sind drei FETs dargestellt). Die Schalteinrichtung
115 für das Lasergerät der vorliegenden Ausführungsform
besteht aus einer Anzahl von Modulen 116, die
serien-parallelgeschaltet sind.
Fig. 32 stellt eine perspektivische Ansicht einer
Moduleinheit 116 dar, in der eine Vielzahl von Modulen 116
gruppiert sind.
Eine Drain-Elektrodenplatte 117 ist als eine erste
Elektrode auf einer Seitenwand der Moduleinheit 116
angebracht. Eine Source-Elektrode 118 steht als zweite
Elektrode in Form eines L im Abstand zur anderen
Seitenwand der Moduleinheit 116 . Geradlinige bzw.
stiftförmige Gate-Elektroden 119 als dritte Elektroden sind
auf einer weiteren Seitenwand der Moduleinheit angebracht.
Eine Parallelschaltung aus drei FETs 14 ist im Modul 116
enthalten. Die Drain-Elektroden dieser FETs 14 sind
zusammen an die Drain-Elektrodenplatte 117 angeschlossen.
Die Source-Elektroden der FETs sind zusammen an den
innenseitigen verlängerten Abschnitt der
Source-Elektrodenplatte 118 angeschlossen. Die
Gate-Elektroden der FETs sind zusammen an die
Gate-Elektrode 119 angeschlossen.
Nunmehr wird die Wirkungsweise der wie beschrieben
aufgebauten Schalteinrichtung beschrieben.
Eine (nicht dargestellte) Treiberschaltung legt ein
Triggersignal an die Gate-Elektrode 119 des Moduls 116 an.
Die im Modul 116 enthaltenen FETs 14 werden somit
eingeschaltet, so daß Strom von der Drain-Elektrode 117 zur
Source-Elektrode 118 fließt. Wenn demnach in der
Entladungsschaltung der Fig. 31 gleichzeitig ein
Triggersignal an die Gate-Elektrode 119 aller Module 116
angelegt wird, wird der Schalter 115 in seiner Gesamtheit
eingeschaltet, so daß die im Kondensator 2 gespeicherte
Ladung in den Kondensator 8 übertragen wird.
Wie oben beschrieben, wird die Anzahl der Leitungsdrähte
verkleinert, weil die Schalteinrichtung 115 aus einer
Anzahl von serien-parallelgeschalteten Modulen 116
aufgebaut ist. Da weiter die Drain-Elektrode 117 und die
Source-Elektrode 118 plattenförmig ausgebildet sind, kann
die Schaltungsinduktivität reduziert werden, wodurch die
Schaltcharakteristik verbessert wird.
Die Fig. 33(a) und 33(b) stellen Kurvendiagramme zur
Veranschaulichung der Schaltkennlinien der Spannung und des
Stromes in der Schaltung der Fig. 31 dar. Im Diagramm der
Fig. 33(a) zeigt Δt die Schaltzeit an, die erforderlich
ist, damit die Anfangsspannung von 90% auf 10% ihrer vollen
Amplitude abfällt. Bei dieser Ausführungsform werden Module
verwendet, die die Schaltzeit Δt in befriedigender Weise
herabsetzen können.
Die Fig. 34(a) und 34(b) stellen Kurvendiagramme zur
Veranschaulichung von Kennlinien dar, die zur Erläuterung
der Wirkungen des Erfindungsgegenstandes dienen. In den
genannten Kurven stellt die gestrichelt eingezeichnete
Kurve die Kennlinie einer Schalteinrichtung dar, die keine
Module verwendet. Die mit einer durchgezogenen Linie
ausgeführte Kurve zeigt demgegenüber die Kennlinie einer
Schalteinrichtung mit Modulen. Im Falle der mit Modulen
ausgestatteten Schalteinrichtung wird die Induktivität des
Schaltteils verringert. Die Folge ist, daß der Spitzenwert
V2M der Spannung am Kondensator 8 ansteigt und die
Erregungswirksamkeit des Lasermediums erhöht wird. Damit
kann der Laseroutput wirksam hervorgerufen werden.
Fig. 35 stellt eine perspektivische Ansicht eines
Excimer-Lasergerätes dar, welches die Schalteinrichtung 115
für ein Lasergerät gemäß der ersten Ausführungsform
enthält. In dieser Figur werden gleiche Bezugssymbole zur
Kennzeichnung gleicher oder äquivalenter Teile in Fig. 2
verwendet.
Gemäß Fig. 35 besteht die Schalteinrichtung 115 aus einem
Stapel von Modulen 116. Die Schalteinrichtung 115 wird von
zwei leitenden Platten 120 und 121 gehaltert. Die leitende
Platte 120 mit L-förmigem Querschnitt ist am vorderen Ende
mit dem obersten Modul 116 und am unteren Ende mit dem
Ladekondensator 2 verbunden. Die leitende Platte 121 mit
zickzackförmigem Querschnitt ist mit der stirnseitigen
Fläche an das unterste Modul 116, und am oberen Ende an den
Behälter 5 und den Kondensator 8 angeschlossen.
Bei dieser Anordnung steuert nach dem Aufladen des
Kondensators 2 eine Modultreibereinheit (nicht dargestellt)
alle Module 116 derart an, daß alle FETs 14 eingeschaltet
werden. Dadurch wird die im Kondensator 2 gespeicherte
Ladung durch die leitende Platte 120, die Schalteinrichtung
115 und die leitende Platte 121 in den Kondensator 8
übertragen.
Bei dieser Ausführungsform werden die FETs 14 als
Hochgeschwindigkeitsschaltelemente benutzt, können aber
durch andere Schaltelemente ersetzt werden, wie
beispielsweise IGBTs und Thyristoren.
Weiter sind die FETs 14 im Modul 116 parallelgeschaltet,
können aber auch in Reihe oder reihen-parallelgeschaltet
werden.
Wie aus der obigen Beschreibung hervorgeht, werden eine
Vielzahl von Hochgeschwindigkeitsschaltelementen zu einem
Modul verarbeitet. Die Module werden zu einer
Serien-Parallelschaltung verbunden. Daher ist die
Schaltungsinduktivität gering. Es wird eine
Hochgeschwindigkeits-Schaltcharakteristik erhalten. Weiter
ist die Verdrahtung und Wartung leicht durchführbar.
Nunmehr wird eine zweite Ausführungsform der Erfindung
unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben. In Fig. 36 werden gleiche Bezugssymbole zur
Kennzeichnung gleicher oder äquivalenter Teile der Fig. 8
verwendet.
Gemäß Fig. 36 ist eine jeweils für die Schaltelemente 14
vorgesehene Vielzahl von Triggerkreisen 213a auf einem
Substrat 212 angebracht. Signalleitungen 219 gleicher Länge
"b" erstrecken sich von den Triggerkreisen 213a zur
vorderen Kante 212a des Substrates 212. Triggerklemmen 218
der Schaltelemente 14 mit jeweils gleicher Länge (a) sind
jeweils mit den Signalleitungen 219 verbunden.
Eine Signalleitung 219 und eine Triggerklemme 218 bilden
eine Übertragungsleitung der Länge "a+b".
Nunmehr wird die Betriebsweise der wie beschrieben
aufgebauten Schalteinrichtung 215 beschrieben.
Bei der gemäß Fig. 36 aufgebauten Schalteinrichtung legen
die Triggerkreise 213a Triggersignale über die
Signalleitungen 219 gleicher Länge sowie über die
Triggerklemmen 218 mit ebenfalls gleicher Länge an die
Schaltelemente 14 an. Auf diese Weise können die
Schaltoperationen der Schaltelemente 14 innerhalb der
erforderlichen Schaltzeit (beispielsweise 50 ns)
synchronisiert werden. Daher sind die Schaltelemente 14
gegen Beschädigung geschützt. Weiter wird durch die
Verbindung der Schalteinrichtung mit einem Lasergerät eine
stabile Entladung sichergestellt.
Wie aus der Beschreibung hervorgeht, sind bei der
Schalteinrichtung der zweiten Ausführungsform die
Triggerkreise jeweils für die einzelnen Schaltelemente
vorgesehen und durch Übertragungsleitungen gleicher Länge
mit den Schaltelementen verbunden. Dementsprechend können
die Schaltoperationen aller Schaltelemente synchronisiert
werden. Das Problem der Beschädigung der Schaltelemente
wird also gelöst, so daß eine stabile Entladung des
Lasergerätes erzielt wird, wenn die Schalteinrichtung mit
einem solchen verbunden ist.
Nunmehr wird eine dritte Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben. Fig. 38 stellt das Blockdiagramm eines
Excimer-Lasergerätes dar, bei dem eine Schalteinrichtung
315 verwendet wird. In der Figur werden gleiche
Bezugssymbole zur Kennzeichnung gleicher oder äquivalenter
Teile in den Fig. 1, 2, 10 und 11 verwendet.
Gemäß Fig. 38 ist eine leitende Platte 326 mit L-förmigem
Querschnitt an das untere Ende des Kondensators 2
angeschlossen. Eine andere leitende Platte 327 ist an das
untere Ende des Kondensators 8 angeschlossen.
Die Schalteinrichtung 315 dieser Ausführungsform wird am
oberen und unteren Ende durch die beiden leitenden Platten
326 und 327 gehaltert. Die leitenden Platten 326 und 327
erstrecken sich in einer Richtung, die orthogonal zur
Zeichenoberfläche der Fig. 38 verläuft. Die
Parallelschaltungen 320 einer Anzahl von FETs 14 sind
zwischen den verlängerten Abschnitten der leitenden Platten
angeordnet. Die Hochspannungsleistungsquelle 10 ist
zwischen die leitende Platte 326 und das Gehäuse 5
eingefügt.
Bei dieser Ausführungsform sind die Schutzschaltungen 316
parallel an die Parallelschaltungen 320 am Ende derjenigen
Parallelschaltung angeschlossen, die dem Kondensator 2
näherliegt als die Leistungsquelle für die
Parallelschaltung. Die Schutzschaltungen 316 besitzen die
in den Fig. 10 oder 11 dargestellte Struktur.
Die Betriebsweise des wie beschrieben aufgebauten
Excimer-Lasers ist folgende.
Der Kondensator 2 wird über die leitende Platte 326 durch
die Hochspannungsleistungsquell 10 aufgeladen; und dann
wird die Schalteinrichtung 315 eingeschaltet. Die
Schalteinrichtung 315 wird durch einen Steuerkreis (nicht
dargestellt) gesteuert, derart, daß der Steuerkreis ein
Triggersignal an die den FETs 14 jedes Parallelkreises
gemeinsame Gate-Klemme anlegt, um alle FETs 14
einzuschalten. Wenn die Schalteinrichtung 315 eingeschaltet
ist, wird die im Kondensator 3 gespeicherte Ladung durch
die leitende Platte 326, die Schalteinrichtung 315 und die
leitende Platte 327 in den Kondensator 8 übertragen.
Dementsprechend erfolgt eine Entladung zwischen den beiden
Elektroden 9, um einen Laserstrahl auszusenden.
Es sei nun angenommen, daß wenn die Schalteinrichtung 315
leitend ist, die Leitungszeitgabe einer bestimmten
Parallelschaltung 320 hinter derjenigen der übrigen
Schaltungen verzögert ist. Die am Kondensator 2 liegende
Spannung wird also an die genannte Parallelschaltung 320
angelegt. Bis diese Parallelschaltung 320 leitend wird,
wächst die Spannung zur Überspannung an. Der durch die
Überspannung verursachte Strom fließt in die
Parallelschaltung. Es sei bemerkt, daß die Schutzschaltung
316 an einer Stelle angebracht ist, die dem Kondensator 2
als Leistungsquelle näherliegt als die FETs 14 der
Parallelschaltung 320. Daher ist die Induktivität der
Stromschleife des Stromes I für die Schutzschaltung 316
niedriger als die Induktivität für einen beliebigen FET 14.
Der Strom I fließt demgemäß in die Schutzschaltung 316,
wodurch die FETs 14 gegen Überspannung geschützt werden.
Natürlich können die FETs als Festkörperschaltelemente
durch irgendwelche anderen Schaltelemente, wie etwa IGBTs
und Thyristoren, ersetzt werden.
Wie beschrieben, bestehen bei dieser Ausbildungsform die
Schutzschaltungen für die Parallelkreise aus
Festkörperschaltelementen, von denen jedes in der Nähe der
Leistungsquelle der Parallelschaltung angeordnet ist. Wenn
daher eine der Parallelschaltungen später als die anderen
Schaltungen leitend wird, und eine Überspannung an die
Parallelschaltung gelangt, fließt der durch die
Überspannung erzeugte Strom notwendigerweise in die
Schutzschaltung. Daher können die Festkörperschaltelemente
sicher gegen Überspannung geschützt werden.
Nunmehr wird unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen eine vierte Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung beschrieben. In den Fig. 39 und 40, in denen
gleiche oder äquivalente Teile mit den gleichen
Bezugssymbolen der Fig. 14 gekennzeichnet sind, bezeichnet
das Bezugszeichen 430 eine dynamische
Hochspannungsklemmschaltung, während die Bezugszeichen 431
einen Widerstand und 432 einen Kondensator bezeichnen.
Die Betriebsweise der so aufgebauten
Impulserzeugungsschaltung wird nunmehr beschrieben. Der
Schaltungsbetrieb zur Erzeugung eines Laserstrahls ist der
gleiche wie derjenige der Schaltung nach Fig. 14(a), so daß
eine detaillierte Beschreibung derselben entfallen kann.
Bei der Schaltung der Fig. 39 wird normalerweise eine
Spannung v₀ gleichmäßig über die in Reihe geschalteten
Stufen S₁ bis Sn verteilt. Wenn der Schalter 415
eingeschaltet wird, fließt der Entladungsstrom i₃ vom
Kondensator 44 in den impulsspitzenliefernden Kondensator
46. Nach Ablauf einer voreingestellten Zeitdauer beginnt
die Entladungsröhre 47 mit der Entladung und sendet einen
pulsierenden Entladungsstrom i₀ aus. Wenn jedoch dabei
die momentanen Ansprechzeiten beginnen, in der
seriengeschalteten Stufe nicht mehr übereinzustimmen,
fließt der Strom in den Source-Drain-Pfad des FETs 49A und
verursacht dort eine Überspannung, während er normalerweise
in die FETs 49 der ersten Stufen abgeleitet wird. Eine
Maßnahme zur Lösung des Überspannungsproblems bestand
bisher darin, die FETs 49 durch Zerstören des FETs 49A
durch die Überspannung zu schützen, wenn eine solche
auftritt, das heißt, daß der FET 49A als Sicherung benutzt
wird. Es wurde auch eine andere Maßnahme getroffen, bei der
die Zerstörung des FETs 49A vermieden wird. Eine der
möglichen wirksamen Wege zur Verringerung der
Stromkonzentration durch Abschwächen der Oberspannung
besteht darin, die Ansprechzeit des FET 49A so kurz wie
möglich zu machen, um die zerstörerische elektrische
Momentanenergie zu verringern. Die Verzögerung der
Ansprechzeit des FETs 49A hängt weitgehend von der
Verzögerung der Ansprechzeit der Zenerdiode 411 ab. Unter
Berücksichtigung dieser Tatsache wurde bei der vorliegenden
Ausführungsform der Erfindung die dynamische
Hochgeschwindigkeitsklemmschaltung 430 vorgesehen, bei der,
wie Fig. 40 zeigt, der Widerstand 431 und der Kondensator
432 jeweils parallel zur Serienschaltung der Zenerdiode 411
und der Diode 412 geschaltet sind. Wie die Diagramme der
Fig. 42(a) bis 42(d) zeigen, reduziert die dynamische
Hochgeschwindigkeitsklemmschaltung 430 die Einschaltdauer
auch dann, wenn die in Reihe geschaltete Stufe S₁ des
FETs 49A mit einer leichten Verzögerung nach dem
Einschalten der in Reihe geschalteten Stufen S2 bis Sn der
FETs 49 eingeschaltet wird.
Wie Fig. 41 zeigt, wird der FET 49A mit einer Ladespannung
vc geladen. Die Ladespannung entspricht der Spannung der
in Reihe geschalteten Stufe S₁ im Zeitpunkt t₀. Falls
die in Reihe geschalteten Stufen S₂ bis Sn zum
Zeitpunkt t₀ leitend werden, steigt die Spannung vD der
in Reihe geschalteten Stufe S₁ abrupt an. Dabei fließt
mit dem Ansteigen der Spannung vD Strom in den
Kondensator 432. Der Strom durchfließt den Widerstand 413
und ruft die Spannung vG hervor. Wenn die Spannung vG
den Schwellenwert im Zeitpunkt tx erreicht, beginnt der
FET 49A leitend zu werden und blockiert die Zunahme der
Spannung vD. Das heißt, daß der Kondensator 432 wie eine
Zenerdiode arbeitet. Die Spannung vD, die sich während
der zwischen den Zeitpunkten t₀ und tx abgelaufenen
Zeit leicht erhöht hat, wird durch den Widerstand 431 bis
zum nächsten Wiederholungsschaltzeitpunkt entladen. Wenn
der Kondensator generell keine Ansprechverzögerung
aufweist, kann er die Zeitverzögerung der Zenerdiode
ausgleichen.
Wie oben beschrieben, sind bei dieser Ausführungsform eine
Zenerdiode und eine Diode in Reihenschaltung zwischen den
Drain und das Gate des gegen Überspannung schützenden FETs
eingefügt, wobei das Gate von den übrigen FETs getrennt
ist. Ein Widerstand und ein Kondensator sind jeweils
parallel an die Reihenschaltung der Dioden angeschlossen.
Ein Widerstand ist zwischen das Gate und die Source des
gegen Überspannung schützenden FETs geschaltet. Bei einer
solchen Ausführungsform überlagern sich der Zenerstrom und
der Entladungsstrom und begünstigen den Lawineneffekt.
Demgemäß spricht die Zenerdiode schneller an, wodurch die
Überspannung abgeschwächt wird, welche den FET zerstören
könnte, wenn sie langsam anspräche.
Nunmehr wird unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen eine Schalteinrichtung für ein Lasergerät gemäß
der fünften und sechsten Ausführungsform der Erfindung
beschrieben.
Fig. 43 stellt das Schaltungsdiagramm zur Veranschaulichung
eines Erregerkreises für ein entladungserregtes
Impulslasergerät dar, das eine Schalteinrichtung für ein
Lasergerät gemäß der fünften Ausführungsform der Erfindung
enthält. Fig. 44 stellt das Schaltungsdiagramm eines
Erregerkreises für ein entladungserregtes Impulslasergerät
dar, das eine Schalteinrichtung für ein Lasergerät
entsprechend der sechsten Ausführungsform der Erfindung
enthält. Fig. 45 ist eine perspektivische Ansicht eines
entladungserregten Impulslasergerätes mit einer
Schalteinrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform.
In den genannten Figuren werden gleiche Bezugssymbole zur
Bezeichnung gleicher oder äquivalenter Teile der Fig. 1 und
3 verwendet.
Wie dargestellt, liefert eine Hochspannungsleistungsquelle
10 die Entladungsenergie. Ein Ladekondensator 2 speichert
die von der Hochspannungsleistungsquelle 10 gelieferte
Ladung und entlädt sie an ein Paar von Entladungselektroden
9. Ein spitzenimpulsliefernder Kondensator 8 sorgt für die
Versteilerung der Wellenform der Entladungsenergie. Eine
Schalteinrichtung 515 steuert mit Unterbrechungen eine vom
Ladekondensator 2 über den spitzenimpulsliefernden
Kondensator 8 an das Elektrodenpaar 9 angelegte hohe
Spannung. Die Schalteinrichtung 515 ist aus
seriengeschalteten, parallelgeschalteten, oder
serien-parallelgeschalteten
Halbleiterhochgeschwindigkeitsschaltern, wie beispielsweise
FETs, IGBTs und SITs aufgebaut. Anzeigeelemente 57 in der
Form von lichtaussendenden Elementen, wie etwa Fotodioden
und Halbleiterlaser, sind zwischen die Reihen-, Parallel-
oder Serien-Parallelschaltungen der
Halbleiterschaltelemente eingefügt. Sie signalisieren, ob
ein Hochgeschwindigkeitsschaltelement kurzgeschaltet ist,
oder nicht. Es bezeichnen die Bezugszeichen: 3 - einen
Leiter; 5 - ein Lasergehäuse; und 510 und 511 -
Leiterplatten.
Nunmehr wird die Betriebsweise der wie beschrieben
aufgebauten Schalteinrichtung beschrieben.
Die Anzeigeelement 57 sind zwischen die Reihen-, Parallel-
oder Reihen-Parallelschaltung der Halbleiterschaltelemente
geschaltet, so daß sie die Störung eines beliebigen
Hochgeschwindigkeitsschalters sowie den Ort der Störung
anzeigen können.
Die Schalteinrichtung dieser Ausführungsform entspricht im
wesentlichen derjenigen der herkömmlichen Ausführungsform,
mit Ausnahme, daß Anzeigeelemente 57 vorgesehen sind. Durch
das Anbringen der Elemente kann die Störung und ihr Ort zur
Kenntnis gebracht werden, wenn einer der
Hochgeschwindigkeitsschalter gestört ist und kurzschließt.
Fig. 46 stellt den Schaltungsaufbau eines Anzeigeelementes
57 mit seiner zugehörigen Beschaltung dar. Gemäß Fig. 46
ist jeder Hochgeschwindigkeitsschalter der
Schalteinrichtung 515 ein FET, wobei eine Fotodiode als
Anzeigeelement 57 verwendet wird. In der Schaltung
bezeichnen die Bezugszeichen: 512A bis 512E - Widerstände;
513 - einen Vorspannkondensator; 514 - einen Transistor zur
Erfassung eines Kurzschlusses oder einer Abtrennung des
FETs zum Ein- und Ausschalten der Fotodiode; 515 - die
genannte Fotodiode; und 516 - einen FET. Falls im Betrieb
irgendeiner der FETs 516 kurzschließt, erfaßt der
Transistor 514 die Kurzschlußstörung über die Widerstände
512A und 512B und schaltet dann die Fotodiode 515 ab. In
diesem Moment leuchtet die Fotodiode 515 normalerweise auf.
Wie aus der obigen Beschreibung hervorgeht, sind bei den
vorliegenden Ausführungsformen eine Vielzahl von
Anzeigeelementen zwischen den Serien-, Parallel- oder
Serien-Parallelanschluß der Halbleiterschaltelemente
eingefügt. Wenn daher in den Verbindungen irgendeine
Störung an irgendeiner Stelle auftritt, wird die Störung
und ihr Ort erkannt. Die Erfindung verbessert also die
Zuverlässigkeit der Schalteinrichtung durch eine einfache
Schaltungsmaßnahme.
Nunmehr wird unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen eine siebte Ausführungsform der
Schalteinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
beschrieben.
In Fig. 47 bezeichnen die Bezugszeichen: 620 -
Anschlußklemmenplatten als erste Klemmenplatten, die von
der Seitenwand des Moduls 616 vorstehen; 621 - eine
Anschlußklemmenplatte als zweite Klemmenplatte, die auf der
oberen Oberfläche des Moduls 616 angeordnet ist; 622 - eine
Vielzahl von leitenden Platten, die parallel zueinander
angeordnet sind; 623 - Isolierelemente, die zwischen die
Enden der benachbarten leitenden Platten 622 eingefügt
sind; und 624 - feststehende Platten, die jeweils auf den
leitenden Platten 622 angebracht sind.
Ein leitendes Kontaktelement 625a ist in eine Nut
eingepaßt, die im Abschnitt in der Nähe des vorderen Endes
der leitenden Platte 622 angebracht ist. Ein leitendes
Kontaktelement 625b ist in einen langen Raum mit L-förmigem
Querschnitt eingefügt, der im vorderen Endabschnitt der
feststehenden Platte 624 angebracht ist. In den Fig. 48(a)
bis 48(d) werden die Kontaktelemente 625a und 625b
allgemein durch das Bezugszeichen 625 gekennzeichnet. Bei
der dargestellten Konfiguration gibt das Kontaktelement in
senkrechter Richtung nach, verglichen mit Fig. 47.
Fig. 49 stellt eine Seitenansicht der Schalteinrichtung 615
dar, bei der Module 616 jeweils in einen Raum eingefügt
sind, der von den benachbarten leitenden Platten 622
begrenzt wird. Die leitenden Platten 622 und das
Isolierglied 623 bilden zusammen einen Modulhalter.
Die Betriebsweise der wie beschrieben aufgebauten
Schalteinrichtung 615 sei nunmehr beschrieben.
Gemäß Fig. 47 werden die Module 616 in die durch die
leitenden Platten 622 definierten Räume in Pfeilrichtung
eingeschoben und bilden die in Fig. 49 dargestellte
Schalteinrichtung. Dabei berühren die
Klemmenanschlußplatten 621 der Module 616 das
Kontaktelement 625a elastisch, womit ein elektrischer
Kontakt hergestellt wird. Auch die Klemmenanschlußplatten
620 berühren das Kontaktelement 625b federnd, wodurch ein
elektrischer Kontakt hergestellt wird. Jedes Modul 616
stößt gegen die feststehende Platte 614 und ist damit
plaziert. Somit ist die Schalteinrichtung 615
zusammengebaut. Das Modul 616 kann leicht aus dem
Zwischenraum der benachbarten leitenden Platten 622
entfernt werden. Die Anzahl der Module 616 kann also nach
Wunsch gewählt werden.
Fig. 50 stellt eine perspektivische Ansicht eines
entladungserregten Lasergerätes dar, bei dem die
Schalteinrichtung 615 angewandt wird. Gleiche Bezugssymbole
dienen zur Kennzeichnung gleicher oder äquivalenter Teile
der Fig. 4.
Gemäß Fig. 50 wird die Schalteinrichtung 615 durch zwei
leitende Platten 626 und 627 gehaltert. Die leitende Platte
626 mit L-förmigem Querschnitt ist am stirnseitigen Ende
mit der obersten leitenden Platte 622 verbunden, während
sie mit der unteren Endfläche an den Ladekondensator 2
angeschlossen ist. Die leitende Platte 627 von gleichfalls
L-förmigem Querschnitt ist am oberen Stirnende mit der
untersten leitenden Platte 622 verbunden, während sie mit
der unteren Endfläche an das Gehäuse 5 des Kondensators 8
angeschlossen ist.
Bei dieser Schaltung werden also die Kondensatoren 2
geladen, während ein Modultreiber (nicht dargestellt) alle
Module 616 zum Einschalten aller FETs ansteuert.
Anschließend wird die Ladung von den Kondensatoren 2 durch
die leitende Platte 626, die Schalteinrichtung 615 und die
feststehenden Platten 624 in den Kondensator 8 geliefert.
Fig. 51 stellt eine perspektivische Ansicht einer achten
Ausführungsform der Schalteinrichtung gemäß der
vorliegenden Erfindung dar. Wie ersichtlich, wird ein
Modulentreiberblock 629, der eine Modultreiberschaltung
enthält, an der Rückseite der Module 616 befestigt. Durch
diesen Treiberblock kann die Anzahl der Module auf einfache
Weise geändert werden.
Fig. 52 stellt eine perspektivische Ansicht einer neunten
Ausführungsform der Schalteinrichtung gemäß der
vorliegenden Erfindung dar. Wie ersichtlich, sind kurze
leitende Platten 622 miteinander in verzahnter Weise
verbunden. Zu diesem Zweck stehen die Seitenwände der
leitenden Platte über und sind genutet, worauf das
Bezugszeichen 622a hinweist.
Fig. 53 stellt eine perspektivische Ansicht einer zehnten
Ausführungsform der Schalteinrichtung gemäß der
vorliegenden Erfindung dar. Wie ersichtlich, stehen die
Seitenwände der leitenden Platten 622 über und sind
genutet, worauf das Bezugszeichen 622a hinweist. Die
Seitenwände der Module 616 stehen ebenfalls über und sind
genutet, worauf das Bezugszeichen 616a hinweist. Die Module
616 sind miteinander verzahnt.
Fig. 54 stellte eine perspektivische Ansicht einer
Modifikation des Moduls 616 dar. Die Vorderkante der
Anschlußklemmenplatte 621 auf der oberen Oberfläche des
Moduls 616 ist unter Bildung einer geneigten Oberfläche
621a abgeschrägt. Die geneigte Oberfläche 621a gibt dem
Modul 616 Führung, wenn es in den Raum zwischen den
benachbarten leitenden Platten 622 eingeschoben wird. Falls
nötig, können die leitenden Platten 622 ähnlich schräge
Oberflächen wie die Führungsflächen aufweisen.
Während bei den oben erwähnten Ausführungsformen FETs als
Festkörperschaltelemente verwendet werden, können
statt dessen auch andere Elemente wie beispielsweise
Thyristoren und IGBTs verwendet werden.
Wie aus der obigen Beschreibung hervorgeht, sind die Module
616 mit den Klemmenanschlußplatten 621 entnehmbar in die
Aufnahmeräume zwischen den benachbarten leitenden Platten
622 eingefügt. Die Module 616 sind elektrisch durch den
stirnseitigen Kontakt angeschlossen, so daß nur eine
geringfügige Verdrahtungsarbeit anfällt. Damit wird die
Schaltungsinduktivität reduziert, die Wartungsarbeit
erleichtert. Die Anzahl der Module kann leicht geändert
werden und die Zuverlässigkeit der Schalteinrichtung wird
verbessert.
Nunmehr wird unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen eine elfte Ausführungsform der
Schalteinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
beschrieben. In Fig. 55 dienen gleiche Bezugssymbole zur
Bezeichnung gleicher oder äquivalenter Teile der Fig. 4.
In Fig. 55 bezeichnen die Bezugszeichen: 720 - eine flache
Drain-Elektrode, die auf dem Boden jedes Moduls 716
angebracht ist; und 720a - eine wärmeabstrahlende Rippe als
Verlängerung der Drain-Elektrodenplatte 720, die aus einer
Seitenkante des Moduls 716 vorspringt.
Die Schalteinrichtung 715 besteht aus einem Stapel von
Modulen 716, wobei einander benachbarte Module jeweils eine
Drain-Elektrodenplatte 720 umgeben. Die Rippen 720a der
Drain-Elektrodenplatte 720 stehen alle in gleicher Richtung
vor. Jeder Modul 716 enthält FETs, die so angeschlossen
sind, daß sie gleichzeitig ein- und ausgeschaltet werden
können. Die Drain-Elektrodenplatte 720 dient allen FETs
gemeinsam und ist so angeschlossen, daß diese gleichzeitig
ein- und ausgeschaltet werden können. Eine Source-Elektrode
(nicht dargestellt) sowie eine Gate-Elektrode (nicht
dargestellt), die den Modulen 716 gemeinsam sind, sind
ebenfalls vorgesehen. Weiter bezeichnen die Bezugszeichen:
721 - eine leitende Platte, welche die Source-Elektrode des
obersten Moduls 716 an ein Gehäuse anschließt; 722 - eine
leitende Platte zum Anschließen der Drain-Elektrodenplatte
720 des untersten Moduls 716 an den Kondensator 2; und 723
- einen Ventilator zum Kühlen der jeweiligen Module 716.
Der Abschnitt der gestapelten Module 716, welche die
Drain-Elektrodenplatte 720 umfassen, bilden einen
Schaltteil.
Nunmehr wird die Betriebsweise des wie beschrieben
aufgebauten Lasergerätes mit der darin eingebauten
Schalteinrichtung beschrieben.
Nachdem der Kondensator 2 geladen wurde, werden alle FETs
des Moduls 716 eingeschaltet. Dann wird die im Kondensator
2 gespeicherte Ladung durch die leitende Platte 722, die
Schalteinrichtung 715, die leitende Platte 721 und das
Gehäuse 5 in den Kondensator 8 übertragen. Nach diesem
Ladungstransfer erfolgt die Entladung zwischen den beiden
Elektroden 9 zum Aussendung eines Laserstrahls.
Die durch den Betrieb der FETs erzeugte Wärme wird durch
die Rippen 720a abgestrahlt und kann die FETs nicht mehr
schädigen. Falls nötig, kann die Schalteinrichtung 715
selber durch den Ventilator 723 gekühlt werden.
Während bei der oben beschriebenen Ausführungsform ein
einzelner Stapel von Modulen 716 verwendet wird, kann
gewünschtenfalls auch eine Vielzahl von Modulstapeln, die
in der Längsrichtung des Gehäuses 5 angeordnet sind,
verwendet werden.
Die bei der obigen Ausführungsform als Festkörperschalter
verwendeten FETs können auch durch andere Schaltelemente,
wie beispielsweise Thyristoren oder IGBTs ersetzt werden.
Bei der vorliegenden Ausführungsform stehen die
Drain-Elektrodenplatten der Module von den Modulen ab und
sind zwischen benachbarte Module eingefügt, wobei die
vorspringenden Abschnitte in die gleiche Richtung weisen
und übereinander gefügt als Strahlungsrippen dienen. Daher
kann die von der Anzahl der betriebenen FETs erzeugte Wärme
wirksam auf einen Wert reduziert werden, bei dem die FETs
nicht beschädigt werden.
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen eine zwölfte Ausführungsform der
Schalteinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
beschrieben. In Fig. 56 werden gleiche Bezugssymbole zur
Bezeichnung gleicher oder äquivalenter Teile in den Fig. 17
bis 19 verwendet. In Fig. 1 bezeichnet das Bezugszeichen
820 eine Wärmeröhre mit Metallplatten 820A und 820B. Eine
Vielzahl von Festkörperschaltelementen 814 ist systematisch
angeordnet und zwischen der Metallplatte 820A einer
Wärmeröhre und der Metallplatte 820B einer anderen
benachbarten Wärmeröhre eingefügt. Diese Sandwichstrukturen
sind zu einer Schalteinrichtung gestapelt, die eine
Vielzahl von Schaltelementstufen aufweist.
Strahlungsplatten 82 sind am Endabschnitt der Wärmeröhre
820 angebracht. Eine Vielzahl von Festkörperschaltelementen
81 bzw. von Schaltmodulen, von denen jeder eine Vielzahl
von Festkörperschaltelementen 81 enthält, bestehen
beispielsweise aus FETs. Das Bezugszeichen 821 bezeichnet
einen Drain, der mit der Metallplatte 820B mit niedrigem
Wärmewiderstand verbunden ist. Eine Source 820 wird mit der
Metallplatte 820A gleichzeitig mit dem Anschließen des
Drain verbunden. Drain und Source 821 und 822 bilden
zusammen eine Schaltmodulgruppe 830. Das Bezugszeichen 823
bezeichnet einen Ventilator, während das Bezugszeichen 824
einen in die Schaltmodulgruppe 830 fließenden Strom
bezeichnet.
Nachfolgend wird die Betriebsweise der Schalteinrichtung
beschrieben. Allgemein stellt die Verwendung der Wärmeröhre
ein vorteilhaftes Merkmal dar, indem ihre Struktur einfach
ist und keine mechanisch bewegten Teile aufweist. Sie ist
in der Lage, eine relativ große Menge latenter Wärme bei
kleiner Temperaturdifferenz abzustrahlen. Die Struktur und
die Funktionen der Wärmepumpe werden nachfolgend
beschrieben. Die innere Wand der Wärmeröhre 820 ist mit
porösem Material ausgekleidet (beispielsweise einem
Futter), der auch Docht genannt wird. Nach dem Evakuieren
der Wärmeröhre wird eine passende Fluidmenge (Arbeitsfluid
genannt) in der Wärmeröhre hermetisch eingeschlossen. Das
in der evakuierten Röhre befindliche Arbeitsfluid
verdampft, so daß die Röhre mit Dampf mit einem Druck
gefüllt ist, der dem gesättigten Dampfdruck bei der
betreffenden Temperatur entspricht. Wenn ein Ende der
Wärmeröhre durch die von den Festkörperschaltelementen 81
erzeugte Wärme beheizt wird, wird zwischen beiden Enden der
Röhre eine Temperaturdifferenz erzeugt, da das andere Ende
der Röhre durch den Ventilator 823 gekühlt wird. Im
Heizabschnitt der Röhre verdampft das in den Docht
eingedrungene Fluid, woraufhin der entstandene Dampf durch
eine geringe Druckdifferenz entlang eines Dampfpfades
strömt und den Kühlabschnitt einschl. der Kühlerplatte 82
erreicht. Dort kondensiert der Dampf und strahlt dabei eine
große Menge latenter Wärme ab.
Während des erläuterten Vorganges sind die
Festkörperschaltelemente thermisch ausgeglichen.
Infolgedessen sind in der Schaltmodulgruppe 830, bei der
die Einschaltzeiten in einem Bereich von +1 Sekunde
ablaufen müssen, die Einschaltzeiten der Schaltelemente
untereinander gleich, wodurch das Anlegen einer
Überspannung an spezifischen Schaltelementen vermieden wird.
Wie aus der obigen Beschreibung hervorgeht, sind bei der
Schalteinrichtung der vorliegenden Ausführungsform
Schaltmodulgruppen einer Vielzahl von serien-parallel
angeschlossenen Festkörperschaltelementen, oder
serien-parallel angeschlossenen Schaltmodulen mit einer
Vielzahl von Festkörperschaltelementen zu Mehrfachstufen
gestapelt, derart, daß jede Schaltmodulgruppe von den
benachbarten Metallplatten der Wärmeröhren umgeben ist. An
den Endabschnitten, an denen keine Sandwichstruktur
besteht, sind kühlende Strahlungsplatten vorgesehen.
Dementsprechend tritt bei der Schalteinrichtung nicht das
Problem auf, daß einige Schaltelemente wegen des
thermischen Ungleichgewichtes unter den Elementen später
als die übrigen Schaltelemente eingeschaltet werden und
somit Überspannung an die später eingeschalteten
Schaltelemente gelangt mit der Folge, daß die betreffenden
Schaltelemente schließlich zerstört werden. Weiter kann
eine Schalteinrichtung mit hoher Ansprechgeschwindigkeit
verwirklicht werden, weil sie in Form einer Packung höherer
Dichte hergestellt werden kann, wobei die
Schaltinduktivität niedrig ist.
Nunmehr wird unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen eine dreizehnte Ausführungsform der
Schalteinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
beschrieben.
Gemäß den Fig. 59(a) und 59(b), welche ein Detail eines
Moduls zeigen, der eine Vielzahl von FETs 914 enthält, sind
vier FETs 914 in einem Modul 916 enthalten. Drains D und
Sources S mit gleichen Längen gehen von den FETs 914 aus.
Die Fig. 57(a) und 57(b) stellen jeweils eine Draufsicht
und eine Seitenansicht eines Excimer-Lasergerätes mit einer
darin einbezogenen Schalteinrichtung 915 dar, die aus einer
Vielzahl von Modulen der oben beschriebenen Konfiguration
bestehen, wobei das Gerät die dreizehnte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung bildet. Fig. 58 ist eine
perspektivische Ansicht des Lasergerätes. In der Figur
werden gleiche Bezugssymbole zur Bezeichnung gleicher oder
äquivalenter Teile der Fig. 59 und 2 verwendet. In Fig.
58 sind die FETs 914 in Form von Schaltern dargestellt. In
Fig. 57 bezeichnet daß Bezugszeichen 917 eine leitende
Platte mit L-förmigem Querschnitt, deren unteres Ende an
den Kondensator 2 angeschlossen ist. Das Bezugszeichen 18
verweist auf eine leitende Platte, deren unteres Ende an
den Kondensator 8 angeschlossen ist.
Die Schalteinrichtung 915 dieser Ausführungsform wird
senkrecht durch zweit leitende Platten 917 und 918
gehaltert. Die Schalteinrichtung 915 besteht aus einer
Anzahl von Modulen, von denen jeder in der in Fig. 59
dargestellten Weise aufgebaut ist. Die Module sind in
Reihen- und Parallelrichtung gestapelt. Gemäß Fig. 57 sind
im Modul 916 drei FETs 914 enthalten. Die Drains der
obersten Module 916 sind mit dem waagerechten Teil der
leitenden Platte 917 verbunden. Der senkrechte Teil der
leitenden Platte 197 ist äquidistant zu allen Modulen 916
angeordnet. Der betreffende Abstand ist mit "a" bezeichnet.
Die Sources der untersten Module 916 sind mit der leitenden
Platte 918 verbunden.
Nachfolgend wird die Betriebsweise des wie beschrieben
aufgebauten Lasergerätes mit der Schalteinrichtung
beschrieben.
Nachdem der Kondensator 2 aufgeladen ist, wird die
Schalteinrichtung 915 eingeschaltet. Eine Steuerschaltung
(nicht dargestellt) liefert Triggersignale an die gemeinsame
Gateklemme (nicht dargestellt) der FETs 914 jedes Moduls
916, um alle FETs 914 einzuschalten. Nach dem Einschalten
der Schalteinrichtung 915 wird die im Kondensator 2
gespeicherte Ladung durch die leitende Platte 917, die
Schalteinrichtung 915 und die leitende Platte 918 in den
Kondensator 8 übertragen. Daraufhin tritt eine Entladung
zwischen den beiden Elektroden 9 auf, um einen Laserstrahl
auszusenden.
Wenn die Schalteinrichtung 915 leitend wird, sind die
Induktivitäten der Stromschleife des durch die leitende
Platte 917 und die Schalteinrichtung 915 fließenden Stromes
I für alle parallelgeschalteten FETs 914 gleich. Dies rührt
daher, daß die leitende Platte 917 zu allen
parallelgeschalteten FETs 914 aller Module 916 den gleichen
Abstand "a" einnimmt. Anders ausgedrückt sind die Bereiche
A in Fig. 12 für alle FETs 914 gleich groß. Die Größe "1"
in Fig. 12 entspricht der Länge der Module in den Fig. 57
oder 59, gesehen in der parallel dazu verlaufenden Richtung.
Das Problem, daß sich der Strom an spezifischen FETs 914
des Moduls 916 konzentriert und die FETs zerstört, wird
hier erfolgreich gelöst.
Die Fig. 60(a) und 60(b) stellen jeweils eine Draufsicht
und eine Seitenansicht einer vierzehnten Ausführungsform
der Schalteinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung dar.
Bei dieser Ausführungsform ist in der leitenden Platte 917
ein Ausschnitt 917a angebracht. Beim Einbau der
Schalteinrichtung 915 in ein Lasergerät erfordern Raum- und
Layoutbedingungen in Verbindung mit den benachbarten Teilen
und Komponenten manchmal eine gewisse Verformung der
leitenden Platte 917. Beispielsweise wird die Herstellung
des dargestellten Ausschnittes 917a notwendig. In diesem
Falle werden die Module 916 entsprechend der Konfiguration
des Ausschnittes 917a so versetzt plaziert, daß der gleiche
Abstand "a" gesichert bleibt und damit gleiche
Induktivitäten für die Stromschleifen aller FETs 914
geschaffen werden.
Fig. 61 zeigt eine Seitenansicht einer fünfzehnten
Ausführungsform der Schalteinrichtung gemäß der
vorliegenden Erfindung. Bei dieser Ausführungsform ist die
leitende Platte 917 so ausgebildet, daß sie eine geneigte
Oberfläche 917b besitzt, und zwar aus dem gleichen Grunde
wie oben beschrieben. Der Drain D und die Source S der FETs
914 in einem Modul 916a, der der geneigten Oberfläche 917b
gegenübersteht, sind so geformt, daß sie sich unter dem
gleichen Winkel abschrägen wie dem der genannten Oberfläche
917b, so daß die geneigte Oberfläche und die geneigte Ebene
mit dem Drain und der Source parallel zueinander verlaufen.
Auf diese Weise wird der gleiche Abstand "a" gewährleistet.
Bei den oben erwähnten Ausführungsformen werden die FETs
914 als Festkörperschaltelemente verwendet, können aber
durch jeden anderen Typ von Schaltelementen, wie etwa IGBTs
und Thyristoren ersetzt werden.
Wie aus der obigen Beschreibung hervorgeht, ist die
leitende Platte unter Einhaltung eines gleichmäßigen
Abstandes von den Festkörperschaltelementen des Moduls
getrennt. Dementsprechend sind die Induktivitäten der
Stromschleifen der entsprechenden Festkörperelemente im
Falle, daß von der leitenden Platte Strom eingespeist wird,
untereinander gleich. Darum wird der Strom gleichmäßig über
die FETs verteilt, wodurch eine Zerstörung der FETs
vermieden wird.
Nunmehr wird unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen die sechzehnte bis achtzehnte Ausführungsform der
Erfindung beschrieben. In den Fig. 62 bis 65 werden gleiche
Bezugssymbole zur Bezeichnung gleicher oder äquivalenter
Teile der Fig. 5 verwendet.
Bei der in den Fig. 62(a) bis 62(d) dargestellten
sechzehnten Ausführungsform ist eine dünne
Drain-Elektrodenplatte 1019 als erste Elektrode über der im
wesentlichen gesamten oberen Oberfläche des Moduls 1016
angebracht. Eine dünne Source-Elektrodenplatte 1020 ist als
zweite Elektrode über die im wesentlichen gesamte untere
Oberfläche des Moduls 1016 angebracht. Stiftklemmenähnliche
Gate-Elektroden 1021 sind als dritte Elektroden auf der
Oberfläche des Moduls 1016 angebracht, die sich von der
oberen und der unteren Oberfläche des Moduls unterscheidet.
Bei der in den Fig. 63(a) bis 63(d) dargestellten
siebzehnten Ausführungsform bedecken dünnen plattenförmige
Drain- und Source-Elektroden 1019 bzw. 1020 die Flächen der
oberen und der unteren Oberfläche des Moduls 1016, wobei
diese im wesentlichen jeweils die Hälfte der Oberflächen
besetzen und getrennt von den Gate-Elektroden 1021 plaziert
sind.
Bei der in Fig. 64 dargestellten achtzehnten Ausführungsform
bedeckt eine dünne plattenförmige Drain-Elektrode 1019 die
Fläche der oberen Oberfläche des Moduls 1016, die im
wesentlichen die Hälfte der oberen Oberfläche ausmacht.
Eine dünne plattenförmige Source-Elektrode 1020 und
stiftklemmenförmige Gate-Elektroden 1021 sind auf der
unteren Oberfläche des Moduls angebracht.
Fig. 65 stellt eine perspektivische Ansicht einer
Schalteinrichtung 1015 dar, die aus einer Anzahl von
Modulen entsprechend der achtzehnten Ausführungsform der
Erfindung besteht.
Gemäß Fig. 65 erstreckt sich eine Vielzahl von
Drain-Platten 1023, die auf einer Seite einer leitenden
Platte 1022 montiert sind, unter Bildung einer
regalförmigen Struktur nach außen. Eine Vielzahl von
Modulen 1016 sind jeweils auf den Drain-Platten plaziert.
Diese Module 1016 sind in einer Weise gestapelt, daß die
Drain-Elektrode 1019 auf der oberen Oberfläche eines Moduls
1016 mit der Drain-Platte 1023 über dem Modul in Berührung
tritt, während die Source-Elektrode 1020 auf der unteren
Oberfläche des Moduls mit der Drain-Platte 1023 unter dem
Modul in Berührung tritt. Die Gate-Elektroden 1021 sind
jeweils aus einem Spalt zwischen jeder Drain-Platte 1023
und dem Modul 1016 herausgeführt. Das untere Ende der
leitenden Platte 1022 ist mit dem in Fig. 4 dargestellten
Kondensator 2 verbunden.
Nunmehr wird die Betriebsweise des wie beschrieben
aufgebauten Lasergerätes mit der Schalteinrichtung
erläutert.
Nach dem Laden des Kondensators 8 werden alle FETs der
Schalteinrichtung 1015 gleichzeitig eingeschaltet. Die
Ladung des Kondensators 8 wird durch die Leiterplatte 1022,
die Schalteinrichtung 1015 und das in Fig. 4 dargestellte
Gehäuse 5 in die Kondensatoren 2 übertragen.
Die Drain-Elektrode 1019 und die Source-Elektrode 1020 des
Moduls 1016 besitzen die Form dünner Platten. Wenn daher
eine Anzahl von Modulen gestapelt wird, wie Fig. 65 zeigt,
oder wenn die Module in anderer Weise kombiniert werden,
können alle Module 1016 gestapelt oder kombiniert werden,
während sie miteinander in Kontakt stehen. Aufgrund dieses
Merkmals fällt die sich ergebende Schalteinrichtung in den
Abmessungen kompakt aus.
Natürlich kann die in Fig. 65 dargestellte Schalteirichtung
1015 auch mit Modulen 1016 der sechzehnten und siebzehnten
Ausführungsform der Erfindung aufgebaut werden.
Verschiedene Typen von Schalteinrichtungen können unter
Verwendung einer Vielzahl von Modulen 1016 gemäß der
sechzehnten bis achtzehnten Ausführungsform aufgebaut werden.
Die als Festkörperschaltelemente der obigen
Ausführungsformen verwendeten FETs können durch jedes
andere Schaltelement, wie etwa Thyristoren oder IGBTs
ersetzt werden.
Wie aus der obigen Beschreibung hervorgeht, sind dünne
plattenförmige Elektroden auf der oberen und der unteren
Oberfläche des Moduls vorgesehen. Demgemäß kann eine
Schalteinrichtung in einfacher Weise durch Kombinieren
einer Anzahl von Modulen aufgebaut werden. Dieses Merkmal
eignet sich besonders für den Fall des Stapelns von Modulen
zur Herstellung einer Schalteinrichtung. Weiter kann eine
Verringerung der Größe der Schalteinrichtung leicht
durchgeführt werden. Darüber hinaus kann die
Leitungsinduktivität reduziert werden.
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen eine neunzehnte Ausführungsform der
Schalteinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
beschrieben. In Fig. 66 werden gleiche Bezugssymbole zur
Bezeichnung gleicher oder äquivalenter Teile der Fig. 6
verwendet. In Fig. 66 bezeichnen die Bezugszeichen: 1116a -
ein Gehäuse des Moduls 1116; 1022 - eine Nut im Gehäuse
1116a; und 1123 - Anschlußklemmenabschnitte, die auf der
oberen und der unteren inneren Oberfläche der Nut 1122
gebildet sind und an die Gates der FETs im Modul 1116
angeschlossen sind. Im Gehäuse 1116a sind Montagelöcher
1124 angebracht, um die Nut 1122 zu erreichen.
In der Steuereinheit 1117 bezeichnen die Bezugszeichen:
1117b - einen Einsteckabschnitt, der den vorderen
Endabschnitt eines Substrates 1117a besetzt; 1125 -
Anschlußklemmenabschnitte an beiden Seiten des
Einsteckabschnittes 1117b; 1226 - Gewindelöcher; 1127 -
einen Triggersignaleingabeabschnitt, der in der
Substratplatte 1117a angebracht ist; 1128 - Regler, die
zwischen den Triggersignaleingangsabschnitt 1127 und die
Klemmenanschlußabschnitte 1125 auf dem Substrat 1117a
angeschlossen sind; und 1129 - Schrauben.
Im Betrieb wird die Steuereinheit 1117 der Fig. 66 in die
Richtung des Pfeiles "a" bewegt, um den Einsteckabschnitt
1117b in die Nut 1122 des Moduls 1116 einzupassen. Dadurch
werden die Klemmenanschlußabschnitte 1123 und 1125
miteinander verbunden, wobei die Montagelöcher 1124 jeweils
mit den Gewindelöchern 1126 ausgefluchtet werden. Dann
werden die Schrauben 1129 in Richtung des Pfeiles (b)
eingesetzt und in die Gewindelöcher 1196 fest
eingeschraubt. Der Modul 1116 und die Steuereinheit 1117
sind damit elektrisch und mechanisch miteinander verbunden,
und der Anschluß ist zuverlässig.
In diesem Zustand legt eine äußere Treibereinheit (nicht
dargestellt) ein Triggersignal an den Triggersignaleingang
1127. Dann werden die Regler 1128 angesteuert, um
Steuersignale zu liefern. Die Steuersignale werden an die
Gates der FETs im Modul 1116 durch die
Anschlußklemmenabschnitte 1123 und 1125 angelegt, um die
FETs einzuschalten. Es sei hier bemerkt, daß die
Signalpfade, welche die Steuersignale durchlaufen, im
wesentlichen untereinander gleich lang sind. Daher wird die
Ungleichmäßigkeit der Ansteuerzeiten der FETs vermindert,
was eine gute Schaltcharakteristik ergibt. Weiter tritt
keine Zerstörung der FETs auf, und gleichzeitig wird eine
Hochgeschwindigkeitsschaltoperation ermöglicht.
Fig. 67 stellt eine perspektivische Ansicht einer
zwanzigsten Ausführungsform der Schalteinrichtung gemäß der
vorliegenden Erfindung dar. In dieser Figur werden gleiche
Bezugssymbole zur Bezeichnung gleicher oder äquivalenter
Teile der Fig. 66 verwendet.
Gemäß Fig. 67 sind Anschlußklemmenabschnitte 1130 auf der
oberen und der unteren inneren Oberfläche der Nut 1122 des
Moduls 1116 angebracht. Die Klemmenanschlußabschnitte
bestehen aus Blattfedern mit im wesentlichen V-förmigem
Querschnitt. Bei einer solchen Konstruktion wird die
Steuereinheit 1117 in Richtung des Pfeiles "a" bewegt, um
den Einsteckabschnitt 1117b in die Nut 1122 einzupassen.
Wenn er eingepaßt ist, ist der Einsteckabschnitt 1117b
federnd und zugleich fest durch die Blattfedern der
Anschlußklemmenabschnitte 1130 befestigt, und die
Anschlußklemmenabschnitte 1030 und 1125 sind miteinander
verbunden.
Die bei den vorerwähnten Ausführungsformen als
Festkörperschaltelemente verwendeten FETs können durch
jedes andere Schaltelement, wie etwa Thyristoren und IGBTs
ersetzt werden.
Wie aus der obigen Beschreibung hervorgeht, sind die
Klemmenanschlußabschnitte in der Nut des Moduls
ausgebildet, und auch die Klemmenanschlußabschnitte sind im
Einsteckabschnitt der Steuereinheit angebracht. Durch
Einschieben des Einsteckabschnittes in die Nut werden der
Modul und die Steuereinheit elektrisch und mechanisch
miteinander verbunden. Vom mechanischen Standpunkt aus
stellen daher die Verbindungsmittel gemäß den obigen
Ausführungsformen eine feste und stabile Verbindung des
Moduls mit der Steuereinheit her. Vom elektrischen
Standpunkt aus reduzieren die gleichen Längen der
Signalpfade die Ungleichmäßigkeit der Schaltzeiten und
liefern damit eine gute Schaltcharakteristik.
Nunmehr wird unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen eine Einschalteinrichtung gemäß der
einundzwanzigsten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung beschrieben. In den Fig. 68 und 69 bezeichnet das
Bezugszeichen 1222 ein Gehäuse, während das Bezugszeichen
1223 einen im Gehäuse 1122 enthaltenen Schaltteil
bezeichnet. In der Schalteinrichtung sind eine Vielzahl von
FETs in Reihe oder parallelgeschaltet, so daß sie
gleichzeitig eingeschaltet werden können. Der Schaltteil
1223 entspricht dem Modul 1116 der Fig. 6 und 7. Eine
Steuereinheit 1224 zur Steuerung des Schaltteiles 1223
entspricht der Steuereinheit 1117 in Fig. 6 und ist
ebenfalls im Gehäuse 1222 enthalten. Die Steuereinheit 1224
ist mit einem Triggersignal-Zuleitungsabschnitt 1225
versehen.
Wie Fig. 69 zeigt, sind eine Vielzahl von Gehäusen 1222,
von denen jedes einen Schaltteil 1223 und eine
Steuereinheit 1224 enthält, in einer Weise gestapelt, daß
das Gehäuse 1222 zwischen die benachbarten leitenden
Platten 1219 gelangt. Die leitende Platte 1219 entspricht
der leitenden Platte 1119 in Fig. 7. Gemäß Fig. 69 legt
eine Gate-Elektrode 1226 als erste Elektrode ein
Gate-Signal an die FETs des Schaltteils 1223. Eine
Drain-Elektrode 1227 ist als zweite Elektrode, die allen
FETs gemeinsam ist, auf der Steuereinheit 1223 angeordnet
und mit der leitenden Platte 1219 auf dem Gehäuse 1222
verbunden. Eine Source-Elektrode 1228 ist als dritte
Elektrode an die leitende Platte 1219 unter dem Gehäuse
1222 angeschlossen.
Im Betrieb wird von einer Treibereinheit (nicht
dargestellt) ein Triggersignal an den
Triggersignal-Zuleitungsabschnitt 1225 des Gehäuses 1222
angelegt. Die Steuereinheit 1224 wird zum Anlegen eines
Steuersignals über die Gate-Elektrode 1226 an den
Schaltteil 1223 angesteuert. Sodann werden alle im
Schaltteil 1225 befindlichen FETs gleichzeitig
eingeschaltet. Strom fließt dann von der oberen leitenden
Platten 1219 zum Schaltteil 1223, zur Source-Elektrode 1228
und zur unteren leitenden Platte 1219.
Es sei bemerkt, daß der Schaltteil 1223 und die
Steuereinheit 1224 im gleichen Gehäuse 1222 untergebracht
sind, wobei sie durch die Gate-Elektrode 1226 miteinander
verbunden sind. Bei dieser Bauweise wird die
Ungleichmäßigkeit der Ansteuerzeitpunkte der FETs aufgrund
der unterschiedlichen Längen der Zuführungsdrähte 1118
erfolgreich beseitigt, also eine Ungleichmäßigkeit, die für
den in Fig. 6 dargestellten Stand der Technik typisch ist.
Es erfolgt also die gleichzeitige Einschaltung der FETs,
wodurch die Schaltcharakteristik verbessert wird.
Die bei der obigen Ausführungsform als
Festkörperschaltelemente benutzten FETs können durch jedes
andere Schaltelement, wie etwa Thyristoren und IGBTs
ersetzt werden.
Wie aus der vorstehenden Beschreibung hervorgeht, sind der
Schaltteil mit einer Vielzahl von Festkörperschaltelementen
und die Steuereinheit zur Steuerung des Schaltteils in
einem einzelnen Gehäuse untergebracht, wodurch eine einzige
Einheit entsteht. Daher sind der mechanische und der
elektrische Anschluß des Schaltteiles und der
Schaltelemente zuverlässiger. Die Ansteuerzeiten der
Schaltelemente sind einander gleich, was eine stabile
Schaltoperation erlaubt.
Nunmehr wird unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen die zweiundzwanzigste Ausführungsform der
Schalteinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
beschrieben. In Fig. 70 werden gleiche Bezugssymbole zur
Bezeichnung gleicher oder äquivalenter Teile der Fig. 6
verwendet.
In Fig. 70 bezeichnen die Bezugszeichen: 1322 - eine
Vielzahl von Stiftklemmen, die auf einer Seitenwand eines
Moduls 1161 befestigt sind und Steuersignale von einer
Steuereinheit 1117 empfangen; 1323 - eine Montageplatte,
die von einer Seitenwand des Moduls 1116 her vorsteht; und
1324 - eine Vielzahl von Montagelöchern der Montageplatte
1323.
Weiter bezeichnen die Bezugszeichen: 1325 - eine Vielzahl
von Buchsen, die zeilenförmig auf einem Substrat 1117a der
Steuereinheit 1117 zur Aufnahme der Stiftklemmen 1322
zwecks Herstellung des mechanischen und elektrischen
Anschlusses angeordnet sind; 1326 - eine Vielzahl von
Montagelöchern, die im vorderen Endabschnitt des Substrates
1117a zeilenförmig in Übereinstimmung mit den
Montagelöchern 1324 angeordnet sind; und 1327 - Schrauben,
die in die Löcher 1324 und 1326 eingedreht sind. Bei der
zweiundzwanzigsten Ausführungsform der Erfindung bilden die
Buchsen 1325, die Montagelöcher 1324 und 1326, etc.
Anschlußmittel.
Die Betriebsweise der wie beschrieben aufgebauten
Schalteinrichtung ist folgende.
Gemäß Fig. 4 wird die Steuereinheit 1117 in Richtung des
Pfeiles "a" bewegt und das vordere Ende des Substrates
1117a wird auf die Montageplatte 1323 des Moduls 1116
gesetzt. Dann werden die Stiftklemmen 1322 in die Buchsen
1325 eingeschoben, so daß die Montagelöcher 1324 und 1326
ausgefluchtet sind. Die Schrauben 1327 werden fest in die
Löcher 1324 und 1326 eingeschraubt. Damit sind der Modul
1116 und die Steuereinheit 1117 mechanisch fest verbunden
und elektrisch stabil aneinander angeschlossen.
Die Steuereinheit 1117 legt über die Buchsen 1325 und die
Stiftklemmen 1322 Steuersignale an den Modul 1116 an, so
daß die Vielzahl von FETs im Modul 1116 eingeschaltet
werden. Es sei bemerkt, daß die Signalpfade für die
Steuersignale zum Modul 1116 im wesentlichen gleiche Länge
besitzen. Daher wird die Ungleichmäßigkeit der
Schaltzeitpunkte vermindert, was eine gute
Schaltcharakteristik liefert. Das Problem der Zerstörung
der FETs ist damit gelöst und eine hohe
Schaltgeschwindigkeit sichergestellt.
Fig. 71 stellt eine perspektivische Ansicht einer
dreiundzwanzigsten Ausführungsform der Schalteinrichtung
gemäß der vorliegenden Erfindung dar. Der Modul 1116 ist
mit einem Koppler 1328 ausgestattet, der alle Stiftklemmen
1322 umgibt. Ein Stecker 1329, die mit dem Koppler 1328 und
den Stiftklemmen 1322 verbunden werden muß, ist auf dem
vorderen Endabschnitt des Substrates 1117a der
Steuereinheit 1117 angebracht. Der Stecker 1329 und der
Koppler 1328 bilden die Anschlußmittel.
Zum Zusammenbauen der Schalteinrichtung wird die
Steuereinheit 1117 in Richtung des Pfeiles "c" bewegt und
der Stecker 1329 mit dem Koppler 1328 und den Stiftklemmen
1322 verbunden, womit der elektrische und mechanische
Anschluß der Steuereinheit 1117 mit dem Modul 1116
hergestellt ist.
Fig. 72 stellt eine perspektivische Ansicht zur
Veranschaulichung einer vierundzwanzigsten Ausführungsform
der Schalteinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung dar.
Bei dieser Ausführungsform ist eine Kopplungseinheit 1330
getrennt zwischen dem Modul 1116 und der Steuereinheit 1117
angeordnet, um beide miteinander zu verbinden. Auf der
Seitenwand der Kopplungseinheit 1330 ist eine Nut 1331
angebracht, die der Steuereinheit 1117 gegenübersteht.
Klemmen 1332 sind auf der Bodenfläche der Nut angeordnet.
Weiter sind in der Steuereinheit Löcher (nicht dargestellt)
angebracht, in welche Schrauben 1332a eingedreht werden. Am
vorderen Ende der Rückseite des Substrates 1117a der
Steuereinheit 1117 sind Klemmen (nicht dargestellt) zum
Anschließen der Anschlußklemmen 1332 angebracht.
Montagelöcher 1333, in welche die Schrauben 1332a
eingedreht werden müssen, sind ebenfalls im Modul 1116
angebracht. Ein Koppler (nicht dargestellt) ist auf der
Seitenwand der Kopplungseinheit 1330 angebracht und steht
den Stiftklemmen 1322 des Moduls 1116 gegenüber.
Zum Zusammenbauen der Schalteinrichtung wird die
Kopplungseinheit 1330 zunächst in Richtung des Pfeiles "d"
bewegt, um den Koppler mit den Stiftklemmen 1322 zu
verbinden. Dann wird die Steuereinheit 1117 in Richtung des
Pfeiles "i" bewegt, um das vordere Ende der Steuereinheit
in die Nut 1331 der Kopplungseinheit 1330 einzuführen und
so die Klemme 1332 mit der Klemme des Substrates 1117a zu
verbinden. Damit ist der Modul 1116 mit Hilfe der
Kopplungseinheit 1330 elektrisch und mechanisch mit der
Steuereinheit 1117 verbunden.
Wie aus der obigen Beschreibung hervorgeht, ist bei den
Ausführungsformen der Modul mit den Stiftklemmen und den
Anschlußmitteln ausgestattet, die den Modul elektrisch und
mechanisch an die Steuereinheit anschließen bzw. von dieser
trennen können. Vom mechanischen Standpunkt aus liefern die
Anschlußmittel gemäß den obigen Ausführungsformen eine
feste und stabile Verbindung des Moduls mit der
Steuereinheit. Vom elektrischen Standpunkt aus reduzieren
die gleichen Längen der Signalpfade die Ungleichmäßigkeit
der Schaltzeiten und liefern so eine gute
Schaltcharakteristik.
Nunmehr wird unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen eine fünfundzwanzigste Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung beschrieben. In Fig. 73 sind gleiche
Teile mit den gleichen Bezugszeichen den Fig. 20 versehen.
Es bezeichnen: 144F - eine Festkörperschalteinrichtung
bestehend aus FET-Modulen; 1411B - eine Impulsformerleitung
(PFL) zur Verzögerung eines Impulses, wobei die Leitung in
einer der vorbereitenden Entladung gewidmeten Schaltung
angeordnet ist; und 1420 - eine
Hochspannungsimpulsschaltung, bestehend aus einem
Kondensator 141, einem spitzenimpulsliefernden Kondensator
142 und einer Ladeinduktivität 143, etc.
Nunmehr wird die Betriebsweise des wie beschrieben
aufgebauten entladungserregten Impulslasergerätes
beschrieben. Bei dieser Ausführungsform bildet die
Festkörperschalteinrichtung 144F den Hochspannungsschalter
anstelle einer gasgefüllten Entladungsröhre mit heißer
Kathode, die üblicherweise zum Auslösen der Entladung als
Hochspannungsschalter benutzt wird. Der Schalter 144F
besteht aus FET-Modulen als Festkörperelemente, die
serien-parallelgeschaltet sind. Bei dieser Schaltung wird
ein starker, in die Hochspannungsimpulsschalter 1420
fließender Momentanstrom über viele serien-parallel
angeschlossene Elemente mit verbreiterter Stromflußfläche
verteilt. Die Gesamtinduktivität wird daher extrem
reduziert. Damit wird der Verzögerungsfaktor verbessert und
mit dem Hochspannungsschalter eine
Hochgeschwindigkeitsschaltoperation durchgeführt.
Demgegenüber ist die herkömmliche, der vorbereitenden
Ionisation dienende Schaltung A (Fig. 20) aus
Induktivitäten 1411A und 1411B und dem Kondensator 1412
aufgebaut, die zur Einstellung einer Zeitkonstante dienen.
Es ist daher schwierig, den Zeitpunkt der Stromschwingung
zur Auslösung der vorbereitenden Entladung genau
einzustellen.
Bei der vorliegenden Ausführungsform wird die Induktivität
von ungefähr 200 nH auf annähernd 20 nH reduziert, wobei es
sich um den Wert des herkömmlichen Gerätes handelt. Zu
diesem Zweck wird die der vorbereitenden Ionisation
gewidmete Schaltung von der Hochspannungsseite der
Schalteinrichtung her angeschlossen, und die
Impulsformerleitung 1411B ermöglicht die Anpassung ihrer
Länge. Dadurch ist eine Abstimmung der Stromverzögerung
möglich, so daß der Zeitpunkt der Ionisation gesteuert
werden kann. Damit können gespeicherte Elektronen mit
maximaler Dichte gewonnen und zur richtigen Zeit an den
Hauptentladeabschnitt geliefert werden. Die Verwendung der
Impulsformerleitung 1411B verbessert die Schwingungsperiode
des Stromimpulses um das Dreifache, was eine
Hochgeschwindigkeitsoperation ermöglicht.
Fig. 74 veranschaulicht die sechsundzwanzigste
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Ein
Zuleitungsdraht ist von einem Punkt in der Nähe des
Mittelpunktes der Festkörperschalteinrichtung 144F aus in
Serienschaltung angeschlossen und mit der für die
vorbereitende Ionisation bestimmte Schaltung verbunden. Bei
dieser Schaltung wird die an die Schaltung für die
vorbereitende Ionisation angelegte Spannung reduziert,
wodurch die Beschädigung des zwischen die zweite
Hauptelektrode 146 und die Hilfselektrode 148 eingefügten
dielektrischen Materials minimiert wird.
Fig. 75 zeigt eine siebenundzwanzigste Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung. Bei der Struktur dieser
Ausführungsform sind die erste und die zweite
Festkörperschalteinrichtung 144F1 und 144F2 getrennt
angebracht, so daß Steuerbefehle getrennt an die
Hochspannungsimpulsschaltung 1420 und an die der
vorbereitenden Ionisation dienende Schaltung angelegt
werden. Wenn FET-Module als erste und zweite
Festkörperschalteinrichtungen 144F1 und 144F2 verwendet
werden, kann die Schwingungsperiode leicht im
Hochgeschwindigkeitsansprechbereich eingestellt werden.
Dementsprechend kann ein Triggerimpuls von einem
Impulsgeber 1430 mit der richtigen Zeitgabe zur
Durchführung der vorbereitenden Entladung erzeugt werden.
Bei den oben erwähnten Ausführungsformen wird die
Kapazitätstransferschaltung als
Hochspannungsentladungsschaltung verwendet. Falls
gewünscht, kann auch eine LC-Inverterschaltung oder eine
Schaltung mit Antireflexbelagsleitung für den gleichen
Zweck verwendet werden. Die FET-Module für die
Festkörperschalteinrichtung können durch Transistoren,
Thyristoren, Thyratrons, Funkenstrecken, und dergleichen
ersetzt werden.
Bei der fünfundzwanzigsten und sechsundzwanzigsten
Ausführungsform ist der Schalter zum Auslösen der
Hauptentladung aufgrund der im Kondensator gespeicherten
Ladungen aus einer Festkörperschalteinrichtung aufgebaut,
die aus serien-parallelgeschalteten
Festkörperschaltelementen besteht. Die Hochspannungsseite
der Festkörperschalteinrichtung ist mit der Hilfselektrode
durch die der vorbereitenden Ladung dienende Schaltung
unter Einschluß der Impulsformerleitung verbunden. Der vor
der Auslösung der Hauptentladung liegende Startzeitpunkt
der vorbereitenden Entladung kann durch Einstellen der
Länge der Impulsformerleitung gesteuert werden. Daher kann
eine höhere Schaltgeschwindigkeit erzielt werden, und die
gleichmäßige vorbereitende Entladung kann harmonisch mit
dem Hauptentladungszeitpunkt durchgeführt werden.
Bei der siebenundzwanzigsten Ausführungsform der Erfindung
ist die erste Festkörperschalteinrichtung zum Auslösen der
Hauptentladung, und die zweite Festkörperschalteinrichtung
zum Auslösen der vorbereitenden Entladung vorgesehen, wobei
sie durch den Impulsgeber eingeschaltet werden. Daher kann
der Startzeitpunkt der vorbereitenden Entladung zur
Durchführung der Hauptentladung unter den besten
Bedingungen eingestellt werden.
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen eine achtundzwanzigste Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung beschrieben. In Fig. 76 werden
gleiche Bezugssymbole zur Bezeichnung gleicher oder
äquivalenter Teile der Fig. 1 verwendet. Ein Kondensator
159 wird durch die Hochspannungsleistungsquelle 10 geladen.
Eine Festkörperschalteinrichtung 1510 enthält eine Vielzahl
von Hochgeschwindigkeitsschaltelementen in
Serien-Parallelschaltung (beispielweise in Form einer
Schaltung aus vielen Stufen).
Im Betrieb lädt die Hochspannungsleistungsquelle 10 über
eine Schleife A mit Kondensator 159 und Drossel 12 den
Kondensator 159 auf. Dann wird die
Festkörperschalteinrichtung 1510 als Hochspannungsschalter
eingeschaltet. Mit dem Einschalten des Schalters wird die
im Kondensator 159 gespeicherte Ladung direkt als Impuls
durch eine Schleife B mit den Komponenten: Kondensator 159
- Festkörperschalteinrichtung 1510 - Entladungsteil 156
entladen. Es sei an dieser Stelle bemerkt, daß die
Festkörperschalteinrichtung 1510 in der Entladungsschleife
B in Reihe geschaltet ist. Aufgrund der
Impulsentladungsoperation steigt die Spannung zwischen den
Hauptelektroden im Entladungsteil 156 scharf an, woraufhin
ein Durchbruch im Entladungsraum erfolgt, so daß die im
Kondensator 159 gespeicherte Energie in den Entladungsteil
156 geliefert wird. Dadurch wird das im Entladungsraum
befindliche Gas zur Aussendung eines Laserstrahls durch
stimulierte Emission angeregt.
Festkörperschaltelemente wie beispielsweise FET-Module
werden direkt in Serien-Parallelschaltung gestapelt und
bilden einen einzelnen Block. Der Kondensator 159 ist in
den Schaltblock eingearbeitet. Der Schaltblock ist auf dem
Entladungsteil 156 montiert, um eine Struktureinheit zu
bilden. In diesem Falle sind die jeweiligen Komponenten
drahtlos miteinander verbunden, um die Stromflußpfade zu
minimieren und damit die Induktivität zu reduzieren.
Wie aus der obigen Beschreibung hervorgeht, ist die
Festkörperschalteinrichtung in Reihe mit der
Entladungsschleife für die Impulsentladung der im
Kondensator des Entladungsteils gespeicherten Energie
geschaltet. Die Vielzahl der
Hochgeschwindigkeitsschaltelemente in der
Festkörperschalteinrichtung sind serien-parallelgeschaltet.
Daher ist die Induktivität klein, so daß ein steiler
Impulsentladungsstrom erzielt werden kann, mit hohem
Gesamtwirkungsgrad.
Nunmehr wird unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen eine neunundzwanzigste Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung beschrieben. In den Fig. 77 und 78
werden gleiche Bezugssymbole zur Bezeichnung gleicher oder
äquivalenter Teile der Fig. 22 und 23 verwendet.
Hochspannungsschalter 1611a und 1611b sind als
Festkörperschaltelementgruppen sind mit Stapeln von
serien-parallelgeschalteten FET-Modulen zusammengebaut. Die
Bezugszeichen 162a und 162b bezeichnen den Kondensator
C₁, und die Bezugszeichen 163a und 163b bezeichnen den
Kondensator C₂.
Im Betrieb lädt gemäß Fig. 78 die
Hochspannungsleistungsquelle 164 die Kondensatoren 162 und
163 über den Ladewiderstand 165 (oder über ein induktives
Element) der LC-Inverterschaltung auf. Dabei hat die
Spannung im Punkt A den Wert 0. Dann wird gleichzeitig die
Hochspannungsschalteinrichtung 1611 eingeschaltet. Die
Entladung beginnt durch eine Schleife, welche den ersten
Kondensator 162 und die Hochspannungsschalteinrichtung 1611
enthält. Mit fortschreitender Entladung steigt die Spannung
im Punkt A auf einen Wert an, der doppelt so hoch wie die
Ladespannung ist. Außerdem steigt die Spannung zwischen den
Hauptelektroden rasch an, wobei der Entladungsraum
durchbricht. Die Energie des Kondensators wird in den
Entladungsraum gespeist. Das Gas im Entladungsraum wird
erregt und sendet einen Laserstrahl durch stimulierte
Emission aus. In der LC-Inverterschaltung kann die
Ladespannung niedriger als die für den Entladungsteil 116
benötigte Spannung sein. Daher kann die Versorgungsquelle
leistungsmäßig schwächer bemessen werden.
Wie oben erwähnt, besteht die
Hochspannungsschalteinrichtung 1611 aus dem Stapel
serien-parallelgeschalteter FET-Module als Schaltelemente.
Die Fig. 77(a) und 77(b) stellen dar, wie die FET-Module
gestapelt sind. Bei der vorliegenden Ausführungsform
besteht der Schalter, wie ersichtlich, aus sieben Stufen
von in Reihe angeordneten Modulen und aus sechs Stufen von
parallel angeordneten Modulen. Die FET-Module sind entlang
des Entladungsteils 166 angeordnet. Diese Struktur
verringert die Streuinduktivität der
Hochspannungsschalteinrichtung. Falls die
Querschnittsfläche der Schleife mit dem
Hochspannungsschalter 1611 und dem ersten Kondensator 162
die Größe S = 2 m², und die Länge "l" in
Entladungsrichtung den Wert 0.5 m besitzen, beträgt die
Schaltungsinduktivität 50 nH. Dieser Wert entspricht im
wesentlichen der aufgrund der Beziehung L = uS/l erwarteten
Größe der Induktivität. Die Aufteilung der
Hochspannungsschaltungeinrichtung 1611 in zwei Teile, wie
dargestellt, verringert die Induktivität weiter auf 25 nH.
Dieser kleine Induktivitätswert kann bei der herkömmlichen
Schalteinrichtung mit Thyratron nicht erzielt werden. Wenn
die Hochspannungsschalteinrichtung 1611 für die
LC-Inverterschaltung angewandt wird, kann die Spannung vor
der Entladung rasch erhöht werden. Daher kann die
Leistungsfähigkeit der Laserschwingung verbessert werden,
so daß eine Verwendung des magnetischen Sättigungsschalters
nicht erforderlich ist.
Wenn das Produkt aus der an den Entladungsraum angelegten
Spannung und ihrer Anliegedauer einen ausreichenden Wert
erreicht, beginnt die Elektronenvervielfachung, so daß die
Impedanz des Entladungsraumes abnimmt. Es vergeht eine
gewisse Zeit, bis die Abnahme der Impedanz endet. Bei der
Schalteinrichtung gemäß der Erfindung kann die Spannung
innerhalb kurzer Zeit verdoppelt werden, weil die
Induktivität klein ist. In diesem Falle erreicht das
Spannungs-Zeitprodukt jedoch noch nicht einen vorbestimmten
Wert. Unter diesen Umständen kann der vom Kondensator
gelieferte Strom nicht in den Entladungsraum fließen, weil
die Impedanz im Entladungsraum noch zu groß ist. Daher
fließt der Strom durch die Hochspannungsschalteinrichtung
1611 zu seinem Ursprung zurück, und die Spannung fällt ab.
Aus diesem Grunde verkleinert eine übermäßige Verringerung
der Induktivität die Schwingungswirksamkeit. Hieraus ist
leicht ersichtlich, daß die beste Schwingungswirksamkeit
durch eine Wahl der Induktivität der Schaltung mit der
Hochspannungsschalteinrichtung 1161 und der Kapazität des
Kondensators 162 solcherart erreicht wird, daß das Produkt
aus Spannung und Zeit t (= π √), innerhalb derer die
Spannung verdoppelt wird, dem für den Entladungsraum
geltenden Spannungs-Zeitprodukt gleicht.
Fig. 79 zeigt eine dreißigste Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung. Bei dieser Ausführungsform ist eine
Diode 169A zwischen die Hochspannungsleistungsquelle 164
und die Hochspannungsschalteinrichtung 1611 eingefügt. Die
in Fig. 79 dargestellte Schaltung verhindert, daß die
einmal angestiegene Spannung erneut abfällt. Die Diode 169A
kann durch einen Schalter 169B mit magnetischer Sättigung
ersetzt werden. Die Schaltung verdoppelt die an den
Entladungsraum angelegte Spannung und behält die doppelte
Spannung solange bei, bis die Entladung beginnt (Beginn der
Elektronenvervielfachung). Daher kann eine Verbesserung der
Schwingungswirksamkeit erzielt werden.
Fig. 80 veranschaulicht eine einunddreißigste
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der ein
Impulsspitzen liefernder Kondensator 1610 dicht am
Entladungsteil angeordnet ist. Es kann eine steilere
Spannung an den Entladungsteil angelegt werden.
Fig. 81 veranschaulicht die zweiunddreißigste
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die in Fig. 81
dargestellte Schaltungsstruktur wird häufig, beispielsweise
bei einem Stickstofflaser, angewandt. Auch bei dieser
Schaltung muß die Zeitkonstante der Schaltung klein
bemessen sein, um die an den Entladungsteil angelegte
Spannung auf einen hohen Spannungswert zu bringen. Um dies
zu erreichen, ist die Verwendung einer Vielzahl von
Halbleiterschaltelementen für den Hochspannungsschalter
1611 besonders wirksam.
Um die Schaltungsinduktivität zu verringern, werden bei
den vorerwähnten Ausführungsformen der Erfindung
serien-parallelangeschlossene FET-Module für den
Hochspannungsschalter verwendet. Der Hochspannungsschalter
kann aber auch aus einem anderen Typ
serien-parallelgeschalteter Komponenten bestehen, wie
beispielsweise Thyratrons als herkömmlicher Schalter,
Funkenstrecken, Thyristoren und Transistoren. Weiter kann
im vorliegenden Falle die Induktivität verringert werden.
Darüber hinaus können Halbleiterschalter als integrierte
Schaltungen (IC) ausgebildet werden, so daß ein einzelner
Schalter eine Vielzahl von Schaltfunktionen besitzt.
Wie aus der bisherigen Beschreibung hervorgeht, werden bei
den Ausführungsformen der Erfindung
Festkörperschaltelementgruppen, bestehend aus einer
Vielzahl von FET-Modulen, für den Hochspannungsschalter
der LC-Inverterschaltung verwendet. Daher wird die
Schaltinduktivität verringert, was eine hohe
Ansprechleistung des Hochspannungsschalters schafft. Somit
kann ein Lasergerät mit einem hohen
Schwingungswirkungsgrad realisiert werden.
Nunmehr wird unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen eine dreiunddreißigste Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung beschrieben. In Fig. 82 werden
gleiche Bezugssymbole zur Bezeichnung gleicher oder
äquivalenter Teile der Fig. 24 oder 26 benutzt. In Fig. 82
bezeichnen die Bezugszeichen 1711 eine Diode und 1712
einen Widerstand. Eine Reihenschaltung, bestehend aus der
Diode 1711 und dem Widerstand 1712, ist dem
Impulserzeugungskondensator 174 parallelgeschaltet. Im
angeschlossenen Zustand ist die Diode 1711 für die
Ladungspolarität der an die Ladeklemme 177 angeschlossenen
Spannung nicht leitend. Ein Schalter 1713 besteht aus
einer sättigbaren Drossel, die zwischen den
impulserzeugenden Kondensator 174 und den als Thyratron
arbeitenden Schalter 175 angeschlossen ist. Eine aus dem
Impulserzeugungskondensator 174, dem Thyratronschalter 175
und dem sättigbaren Drosselschalter 1713 bestehende
Reihenschaltung ist parallel an die
Hauptentladungselektroden 171 und 172 angeschlossen.
Die aus der Diode 1711 und dem Widerstand 1712 aufgebaute
Schaltung wird Rückstromsperrschaltung genannt.
Nunmehr wird die Betriebsweise des wie erläutert
aufgebauten entladungserregten Impulslasergerätes
beschrieben. Der Strom i₁ fließt in den
Impulserzeugungskondensator 174 und lädt den Kondensator
auf. Zur Zeit t = t₀ wird ein Triggersignal an den
Thyratronschalter 175 angelegt. Als Antwort auf das
Triggersignal wird die im Impulserzeugungskondensator 174
gespeicherte Ladung in Form des Stromes i₂ entladen.
Nach Ablauf einer durch das Produkt aus Spannung und Zeit
(t = t₀₁ der Fig. 83) des sättigbaren Drossenschalters
1713 bestimmten Zeitdauer geht die Ladung vom
impulserzeugenden Kondensator 174 in den
spitzenimpulsliefernden Kondensator 173 über. Die
Spannungswellenformen sind in Fig. 83 dargestellt. Zur
Zeit t = t₁ beginnt zwischen den
Hauptentladungselektroden 171 und 172 die Hauptentladung,
und es fließt ein Strom i₃. Zur Zeit t = t₂ wird die
am spitzenimpulsliefernden Kondensator 173 liegende
Spannung hinsichtlich ihrer Polarität umgekehrt. Im
Anschluß an den Zeitpunkt t = t₂ entwickelt sich im
impulserzeugenden Kondensator 174 die Umkehrspannung.
Dabei ermöglicht die Umkehrstromsperrschaltung mit der
Diode 1711 und dem Widerstand 1712, die parallel an den
Impulserzeugungskondensator 174 geschaltet sind, das
Fließen des Bypass-Stromes i₄ durch die genannte
Schaltung. Daher entwickelt sich im
Impulserzeugungskondensator 174 keine Umkehrspannung. Die
durch die nach der Hauptentladung auftretende Schwingung
erzeugte Überschußenergie wird durch den Widerstand 1712
aufgezehrt. Das bedeutet, daß zwischen den
Hauptentladungselektroden 171 und 172 kein Nachstrom
(Rückstrom) erzeugt wird, und daß dementsprechend auch
kein Lichtbogen oder eine stromstarke Entladung erzeugt
wird. Bei der vorliegenden Ausführungsform kann die
Ansprechgeschwindigkeit der Diode 1711 durch das
Vorhandensein des sättigbaren Drosselschalters 1713
relativ niedrig sein. Der Grund dafür wird nachfolgend
erläutert.
Der in Fig. 82 dargestellte sättigbare Drosselschalter
1713 wird in Richtung der mit einem Pfeil versehenen
durchgezogenen Linie gesättigt. Wenn die Ladung mit
umgekehrter Polarität im Impulserzeugungskondensator 174
angesammelt worden ist, wird der Schalter 1713 in einen
Blockierungszustand versetzt, um die anschließende
Ladungsschwingung zu verhindern. Innerhalb einer relativ
langen Zeitdauer (beispielsweise 200 ns), während der der
Schalter 1713 die Spannungsänderung blockiert, kann die
Diode 1711 ansprechen und den Umkehrstrom durch den
Widerstand 1712 fließen lassen. Aus diesem Grunde kann die
Ansprechzeit der Diode 1711 langsam sein, so daß der
Spitzenstrom ebenfalls reduziert ist. Bei der vorliegenden
Ausführungsform kann also die Diode 1711 eine billige
Diode mit langsamer Ansprechzeit sein.
Fig. 84 veranschaulicht eine vierunddreißigste
Ausführungsform der Erfindung, bei der ein
entladungserregtes Impulslasergerät eine Starkstromdiode
1711A mit hoher Ansprechempfindlichkeit verwendet, im
Gegensatz zum Impulslasergerät der Fig. 82. Da die Diode
eine hohe Ansprechgeschwindigkeit besitzt, kann das
Impulslasergerät nützliche Wirkungen erzielen, die denen
der 33. Ausführungsform vergleichbar sind, ohne aber der
Mitwirkung eines sättigbaren Drosselschalters zu bedürfen.
Fig. 85 veranschaulicht eine fünfunddreißigste
Ausführungsform der Erfindung, bei der ein
Impulslasergerät so geschaltet ist, daß eine Maßnahme zur
Sperrung des Rückstromes wie bei dem in Fig. 26
dargestellten bekannten Impulslasergerät getroffen sind.
Wie dargestellt, ist eine Serienschaltung, bestehend aus
einem als sättigbare Drossel ausgebildeten Schalter 178
und einem impulserzeugenden Kondensator 174 den
Hauptentladungselektroden 171 und 172 parallelgeschaltet.
Eine Serienschaltung, bestehend aus einer Diode 1711 und
einem Widerstand 1712 (welche die Rückstromsperrschaltung
bilden), ist parallel an den Impulserzeugungskondensator
174 angeschlossen. Ein Ladestrom i₁ fließt in einen
Impulserzeugungskondensator 179, um den Kondensator
aufzuladen. Die so gespeicherte Ladung wird (in Gestalt
des Stromes i₂) über einen Thyratronschalter 175 in den
Impulserzeugungskondensator 174 übertragen. Die Diode 1711
ist so geschaltet, daß sie für die Polarität der
Fließrichtung des Stromes nicht leitend ist, wobei der
Strom zunächst den Impulserzeugungskondensator 174
auflädt. Die in dem den Spitzenimpuls liefernden
Kondensator 173 gespeicherte Umkehrstromladung passiert
als Entladungsstrom i₄ im Nebenanschluß abrupt die Diode
1711, wenn die Sperre durch den sättigbaren
Drosselschalter 178 beseitigt wird. Daher kann dieses
Impulslasergerät ebenfalls die gleichen Wirkungen erzielen
wie die vorerwähnten Ausführungsformen.
Während die bisher beschriebenen Ausführungsformen der
Erfindung jeweils einen spitzenimpulsliefernden
Kondensator 173 verwenden, kann ein Impulslasergerät, das
ohne einen spitzenimpulsliefernden Kondensator arbeitet
(wie in Fig. 86 dargestellt) ebenfalls sehr nützliche
Wirkungen erzielen, die denen der anderen
Ausführungsformen vergleichbar sind. In diesem Falle ist
es von Vorteil, als Diode 1711A eine
Hochgeschwindigkeitsdiode hoher Kapazität zu verwenden.
Fig. 87 veranschaulicht eine sechsunddreißigste
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In dieser
Figur ist eine Diode 1711 in Reihe in eine Schaltung
eingefügt, die einen spitzenimpulsliefernden Kondensator
173, einen Impulserzeugungskondensator 174 sowie einen
Schalter 175 aufweist. Ein Widerstand 1712 ist der Diode
1711 parallelgeschaltet.
In der Schaltung fließt ein von einer Ladeklemme 177 an
den Impulserzeugungskondensator 174 gespeister Ladestrom
i₁ durch den Widerstand 1712 sowie eine Induktivität
176. Wenn der Schalter 175 leitend wird, wird die im
Impulserzeugungskondensator 174 gespeicherte Ladung in den
spitzenimpulsliefernden Kondensator 173 (in Form des
Stromes i₂) übertragen, wobei dieser Kondensator dem
Entladungsteil parallelgeschaltet ist und der genannte
Strom durch die Diode 1711 und den Schalter 175 fließt.
Mit dem Ladungstransfer steigt die Spannung zwischen den
Hauptentladungselektroden 171 und 172 an, und die
Hauptentladung (es fließt der Strom i₃) beginnt mit der
Aussendung des Laserstrahls.
Ein Teil der in den Kondensatoren 173 und 174
gespeicherten Ladung wird vom Entladungsteil nicht
aufgezehrt und schwingt daher. Daher verläuft die Richtung
des Stromes umgekehrt zur Richtung desjenigen Stromes, der
von der Spannung hervorgerufen wird, wenn der Laserstrahl
ausgesandt wird. Die Diode 1711 blockiert den Stromfluß.
Weiter wird Strom vom Widerstand 1712 verbraucht, falls
dessen Wert zu hoch angesetzt wird. Die Folge ist, daß der
Schwingungsumkehrstrom unterdrückt wird.
In diesem Falle muß die Diode 1711 eine
Hochgeschwindigkeitsoperation durchführen. Daher bildet
eine Serien-Parallelschaltung aus vielen Dioden die Diode
1711. Eine sättigbare Drossel (MPC), die in Fig. 87 mit
dem Bezugszeichen 1711a bezeichnet ist, kann anstelle der
erwähnten Serien-Paralleldiodenschaltung verwendet werden.
In einem solchen Falle geht der
Schwingungsunterdrückungseffekt verloren, falls die
Drossel in Sättigung geht. Dieses Problem kann jedoch in
der Weise vermieden werden, daß die Zeitdauer bis zur
Sättigung richtig eingestellt wird und die Entladung
innerhalb der eingestellten Sättigungszeitdauer
verschwindet. Falls die sättigbare Drossel und eine Diode
niedriger Ansprechgeschwindigkeit kombiniert werden (die
Kombination dieser beiden Elemente ist in Fig. 87 mit dem
Bezugszeichen 1711(b) versehen), unterstützen sich der
Spannungssperreffekt der sättigbaren Drossel und die bei
Beseitigung der Spannungsblockade verursachte
Widerstandsreduktion der Starkstromdiode gegenseitig und
liefern bessere Wirkungen.
Bei jeder Ausführungsform wird für die Ladeschaltung die
Induktivität 176 verwendet. Die in der Induktivität
gespeicherte Ladung wird beim Entladen möglicherweise in
einen Lichtbogen umgesetzt. Um dies zu verhindern, ist ein
Widerstand 176A dem reaktiven Element 176 vorzuziehen.
Fig. 88 veranschaulicht die siebenunddreißigste
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In dieser
Figur ist eine Diode 1711 der Rückstromsperrschaltung (zur
Unterdrückung der Schwingung) in eine Schaltung eingefügt,
die den impulsspitzenliefernden Kondensator 173 und die
Hauptentladungselektroden 171 und 172 aufweist. Wenn die
Schwingung durch die Diode 1711 unterdrückt wird, wird die
im spitzenimpulsliefernden Kondensator 173 zurückbleibende
Energie durch einen Widerstand 176A aufgezehrt.
Während bei den obigen Ausführungsformen Dioden und
sättigbare Drosseln verwendet werden, können sie auch
durch jedes andere Element ersetzt werden, das den Strom
begrenzen kann, wie etwa Vakuumdiodenröhren, Thyristoren
und Varistoren. Da der Widerstand 1712 durch den
Innenwiderstand der Diode ersetzt werden kann, kann der
Widerstand 1712 entfallen.
Bei den obigen Ausführungsformen der Erfindung wird ein
Thyratron als Schalter 175 verwendet. Es kann durch eine
Serien-Parallelschaltung aus Halbleiterschaltelementen
(Thyristoren, SIT-Transisoren, FETs, IGBTs, etc.) oder
durch Schalter, wie etwa Funkenstrecken und
Schienenschalter (rail switches) ersetzt werden. Von der
Ladeklemme 177 wird ein positiver Ladestrom geliefert; es
kann aber auch unter Beibehaltung der Nutzwirkungen ein
negativer Ladestrom eingespeist werden.
Obwohl die oben beschriebenen Ausführungsformen der
Erfindung bei Excimer-Lasern Anwendung finden, kann die
Erfindung natürlich auch bei jedem anderen
Impulslasergerät angewandt werden, das einen geringen
Entladungswiderstand und einen schwingenden
Entladungsstrom aufweist.
Die bei den obigen Ausführungsformen verwendeten
Kondensatoren können durch eine Schaltung mit verteilten
Parametern ersetzt werden.
Entsprechende Kombinationen der Ausführungsformen liefern
noch bessere Wirkungen.
Wie aus der obigen Beschreibung hervorgeht, wird zum
Sperren des Rückstromes, der durch die nach der
Hauptentladung an die Hauptentladungselektroden angelegten
Umkehrspannung verursacht wird, die
Rückstromsperrschaltung an einen Hauptabschnitt derjenigen
Stelle angeschlossen, an der die Rückspannung reduziert
werden kann. Durch das Vorhandensein der
Rückstromsperrschaltung wird die durch die Rückspannung
erzeugte Energie verbraucht, so daß zwischen den
Hauptentladungselektroden ein Lichtbogen und eine
stromstarke Entladung kaum auftreten kann, und die
Elektroden nur wenig angegriffen werden.
Zusätzlich wird eine rasche Wiederholungsschwingung
ermöglicht, was einen Hochleistungsbetrieb des
Lasergerätes erlaubt.
Nunmehr werden unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen die achtunddreißigste und neununddreißigste
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. In
den Fig. 89 und 90 werden gleiche Bezugssymbole zur
Bezeichnung gleicher oder äquivalenter Teile der Fig. 28
benutzt. Ein spitzenimpulsliefernder Kondensator (C₂),
der als spannungsabhängiger Kondensator dient, besteht
beispielsweise aus BaTiO₃. Eine
Festkörperschalteinrichtung 1811 ist aus FET-Modulen in
Serien-Parallelschaltung aufgebaut.
Die Betriebsweise des wie b 04197 00070 552 001000280000000200012000285910408600040 0002004131949 00004 04078eschrieben aufgebauten
Lasergerätes wird nunmehr beschrieben. Der Betrieb der
Schaltung selbst ist der gleiche wie der in Bezug auf Fig.
28 beschriebene und wird daher fortgelassen. Vielmehr wird
unter Bezugnahme auf Fig. 91 eine Veränderung der
Kapazität des impulsspitzenliefernden Kondensators (C₂)
1810 im Hinblick auf die Gleichspannung beschrieben. Wie
aus dem Kurvendiagramm hervorgeht, nimmt im Falle, daß
sich die Ladespannung der Nennspannung annähert, die
Kapazität des impulsspitzenliefernden Kondensators (C₂)
1810 auf ungefähr die Hälfte ihres Wertes vor der
Aufladung ab, falls der Kondensator aus BaTiO₃ besteht.
Die Lebensdauer der Hauptentladungselektroden hängt
allgemein davon ab, wie gleichmäßig und lichtbogenfrei
eine Entladung durchgeführt wird. Um die
Qualitätsverschlechterung der Dioden durch Sputtern
hervorzurufen, muß der Nachstrom minimiert werden. Es ist
daher zur Sicherstellung einer hohen Zuverlässigkeit und
langen Lebensdauer erforderlich, die an den Klemmen des
impulsspitzenliefernden Kondensators nach dem Beginn der
Ladung auftretende Umkehrspannung zu vermindern.
Bei der Kapazitätstransferschaltung wird eine erste
Spitzenspannung nach folgender Formel berechnet:
In dieser Gleichung stellt v₀ die Ladespannung für den
Kondensator C₁ dar, und es gilt:
2Vo = V2M (C₁-C₂)/C₁,
wobei γ = C₁/C₂ ist.
Fig. 94 stellt ein Kurvendiagramm zur Veranschaulichung
der Beziehung zwischen C₁/C₂ und V2M dar. Das
Diagramm zeigt, daß die am spitzenimpulsliefernden
Kondensator C₂ liegende Spannung durch allmähliches
Vergrößern des Verhältnisses von C₁/C₂ auf den
doppelten Wert der angelegten Spannung erhöht werden kann.
Wenn weiter der aus BaTiO₃ bestehende
spitzenimpulsliefernde Kondensator C₂ verwendet wird,
weist seine Kapazität bei Beginn der Entladung einen
Minimumswert auf und nimmt nach Beginn der Entladung zu.
Es wird ein Zustand hergestellt, der sich dem
Anpassungszustand des Entladungsteils annähert. In diesem
Zustand wird viel Energie aus der Entladung des
Kondensators injiziert, so daß die im
impulsspitzenliefernden Kondensator zurückbleibende
Energie entsprechend reduziert wird. Wie aus Fig. 92(a)
hervorgeht, wird die Spannung Vr umgekehrter Polarität der
Wellenform der am spitzenimpulsliefernden Kondensator
(C₂) 1810 liegenden Schwingungsspannung im Vergleich zu
derjenigen der Fig. 30 deutlich reduziert. Dementsprechend
ist auch der Nachstrom klein, wie Fig. 92(b) zeigt, so daß
keine Lichtbogenbildung auftritt. Wie aus Fig. 93
hervorgeht, die eine Schwingungswellenform der
Entladungsspannung veranschaulicht, erreicht diese eine
erste Spitzenspannung V2M. Wie Fig. 90 zeigt, ist im
Falle, daß die Festkörperschalteinrichtung 1811 verwendet
wird, die Induktivität des Schalters zur Zeit der
Entladung tatsächlich deutlich kleiner als wenn ein
Thyratron benutzt wird. Die Ansprechgeschwindigkeit des
Schalters ist daher hoch, so daß sich die Wellenform gemäß
Fig. 93 steil ändert und einen hohen Output liefert.
Bei der vorliegenden Ausführungsform arbeitet der als
spannungsabhängiger Kondensator aus BaTiO₃ bestehende
impulsspitzenliefernde Kondensator derart, daß wenn die an
den Kondensator angelegte Spannung auf die Nennspannung
ansteigt, die Kapazität halbiert wird. Eine durch den
Nachstrom hervorgerufene Lichtbogenentladung findet also
nicht statt, wodurch die Lebenszeit der
Hauptentladungselektroden verlängert wird. Weiter kann die
Spannung des Entladungsteils durch Anwendung der
niedrigeren Spannung des Schaltteils erzielt werden.
Dieses Merkmal verringert die Anzahl der erforderlichen
Reihenschaltung der Festkörperschaltelemente.
Claims (17)
1. Schalteinrichtung für ein entladungserregtes
Impulslasergerät, bei der ein in Reihe mit einer
Entladungsröhre geschalteter Hauptkondensator durch eine
Hochspannung geladen wird, und ein zweiter Kondensator
über die Entladungsröhre durch Einschalten einer
Schaltervorrichtung impulsförmig entladen wird,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Schaltervorrichtung (115, 144, 415, 515, 1510,
1611, 1811) aus einer Schaltermatrix von
Festkörperschaltelementen (14, 49, 516) gebildet ist.
2. Schalteinrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
- - die Schaltervorrichtung eine Schutzschaltung mit mindestens einem Überspannungsschutz-FET (49A) in einer Serienschaltungsstufe (S1, S2, S3, . . . ) der Schaltermatrix umfaßt, dessen Gate (G) von den Gates der übrigen Festkörperschaltelemente (49) getrennt ist;
- - eine Zenerdiode (411) sowie eine weitere Diode (412) zwischen Drain und Gate des Überspannungsschutz-FETs geschaltet sind;
- - ein Widerstand (413) zwischen Gate und Source des Überspannungsschutz-FETs (49A) eingefügt ist; und
- - ein zweiter Widerstand (431) und ein Kondensator (432) parallel und zwischen Drain und Gate des Überspannungsschutz-FETs (49A) geschaltet sind.
3. Schalteinrichtung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
die elektrische Leiterlänge vom Hauptkondensator (2) zur
Schutzschaltung (316) kürzer ist als vom Hauptkondensator
(2) zur Schaltervorrichtung, so daß die Induktivität der
Stromschleife durch die Schutzschaltung geringer ist als
die Induktivität der Stromschleife durch die
Schaltervorrichtung.
4. Schalteinrichtung nach Anspruch 1,
gekennzeichnet durch
einen Transistor (514) zur Erfassung eines
Kurzschlusses oder einer Unterbrechung eines (515)
der Festkörperschaltelemente der Schaltermatrix,
wobei der Transistor von der Spannung über dem
Festkörperschaltelement (515) gesteuert wird und ein
Anzeigeelement (57) steuert.
5. Schalteinrichtung nach Anspruch 1,
gekennzeichnet durch eine Impulsformerleitung,
die eine Schaltung zur ausschließlich vorbereitenden
Ionisation der Entladungsröhre steuert, wobei
die Impulsformerleitung (1411P) an die
Hochspannungsseite der Schaltervorrichtung (144)
angeschlossen ist.
6. Schalteinrichtung nach Anspruch 1,
gekennzeichnet durch
- - eine zweite Schaltervorrichtung (144F2) zum Einleiten einer vorbereitenden Ionisation vor der Hauptentladung über eine ausschließlich der vorbereitenden Ionisation dienende Schaltung (1412);
- - dadurch, daß die zweite (144F2) Schaltervorrichtung aus einer Schaltermatrix von Restkörperschaltelementen gebildet ist, und;
- - durch einen Impulsgeber (1430) zur Erzeugung von Triggersignalen zur Einschaltung der ersten (144F1) und zweiten (144F2) Schaltervorrichtungen.
7. Schalteinrichtung für ein entladungserregtes
Impulslasergerät, bei der ein in Reihe mit einer
Entladungsröhre geschalteter Hauptkondensator durch eine
Hochspannung geladen wird, und ein zweiter Kondensator
über die Entladungsröhre durch Einschalten einer
Schaltervorrichtung impulsförmig entladen wird,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Schaltervorrichtung (144) aus einer Gruppe von
Festkörperschaltelementen besteht, von denen jede aus
einer Vielzahl von gleichzeitig angesteuerten, in einer
Schaltermatrix angeordneten Schaltelementen besteht, die
eine Umschaltfunktion besitzen.
8. Schalteinrichtung für ein entladungserregtes
Impulslasergerät, bei der ein in Reihe mit einer
Entladungsröhre geschalteter Hauptkondensator durch eine
Hochspannung geladen wird, und ein zweiter Kondensator
über die Entladungsröhre durch Einschalten einer
Schaltervorrichtung impulsförmig entladen wird,
gekennzeichnet durch
eine Rückstrom-Sperrschaltung (1711, 1712) zum
Sperren des Rückstromes, der durch eine nach der
Hauptentladung an die Hauptentladungselektroden der
Entladungsröhre angelegte Rückwärtsspannung
verursacht wird.
9. Schalteinrichtung für ein entladungserregtes
Impulslasergerät, bei der ein in Reihe mit einer
Entladungsröhre geschalteter Hauptkondensator durch eine
Hochspannung geladen wird, und ein zweiter Kondensator
über die Entladungsröhre durch Einschalten einer
Schaltervorrichtung impulsförmig entladen wird,
dadurch gekennzeichnet, daß
der zweite Kondensator (1810) ein spannungsabhängiger
Kondensator ist, dessen Kapazität mit Zunahme der
Ladespannung abnimmt.
10. Schalteinrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
- - die Festkörperschaltelemente in eine Vielzahl von Moduleinheiten (116) gruppiert sind;
- - jede Moduleinheit (116) eine Drain-Elektrodenplatte (117) umfaßt, an welche die Drainelektroden der Festkörperschaltelemente der Moduleinheit angeschlossen sind; und
- - jede Moduleinheit (116) eine Source-Elektrodenplatte (118) umfaßt, an welche die Source-Elektroden der Festkörperschaltelemente der Moduleinheit angeschlossen sind; und
- - die Module gestapelt sind, um die Schaltervorrichtung zu bilden.
11. Schaleinrichtung nach Anspruch 10,
gekennzeichnet durch
- - eine Vielzahl von Triggerkreisen (213a) zum Anlegen von Triggersignalen an die Festkörperschaltelemente der Schaltermatrix;
- - Übertragungsleitungen (219) gleicher Länge zur jeweiligen Verbindung der Vielzahl der Triggerkreise (213a) mit den Festkörperschaltelementen;
- - so daß die Festkörperschaltelemente der Schaltermatrix im wesentlichen gleichzeitig durch die Triggersignale gesteuert werden.
12. Schalteinrichtung nach Anspruch 10,
gekennzeichnet durch
- - eine Rückstrom-Sperrschaltung (1711, 1712) zum Sperren des Rückstromes, der durch eine nach der Hauptentladung an die Hauptentladungselektroden der Entladungsröhre angelegte Rückwärtsspannung verursacht wird;
- - einen Modulenhalter, der so beschaffen ist, daß eine Vielzahl von leitenden Platten (622) parallel zueinander mit eingefügten Isolierelementen (623) angeordnet ist, und jede der Moduleinheiten (616) herausnehmbar zwischen die benachbarten leitenden Platten eingefügt ist, derart daß die Elektrodenplatten (620, 621) mit den leitenden Platten (622) in Berührung stehen.
13. Schaleinrichtung nach Anspruch 10,
gekennzeichnet durch
eine Vielzahl von Strahlungsrippen (720a) als
Fortsätze der Drainelektroden (720), die von einer
Seitenkante jedes Moduls in gleicher Richtung
vorstehen.
14. Schalteinrichtung nach Anspruch 10,
gekennzeichnet durch
Wärmeröhren (820), die so angeordnet sind, daß die
Festkörperschaltelemente (81) oder die Moduleinheiten
auf Metallplatten (820A, 820B) der Wärmeröhren (820)
gruppiert und zwischen die benachbarten Metallplatten
eingeschoben sind, wobei diese Sandwichstrukturen in
einer Vielzahl von Stufen zusammengesteckt sind, in
welchen die Metallplatten (820A, 820B) an einem Ende
jeder Wärmeröhre als Wärmeabsorptionsmittel niedrigen
Wärmewiderstandes dienen, während der andere
Endabschnitt jeder Wärmeröhre zur Kühlung mit
Strahlungsplatten (82) versehen ist.
15. Schalteinrichtung nach Anspruch 10,
gekennzeichnet dadurch,
- - daß Anschlüsse zur Steuerung der Vielzahl der Halbleiterschaltelemente an einer inneren Oberfläche einer in einem Gehäuse jeder Moduleinheit gebildeten Nut vorgesehen sind; und durch
- - eine Steuereinheit mit einem in der Nut des Gehäuses anbringbaren Einpaßteil, wobei Steuersignale an im Einpaßteil gebildete Anschlußabschnitte angelegt werden, die ihrerseits an die Anschlüsse der Nut anschließbar sind.
16. Schaleinrichtung nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, daß der zweite
Kondensator (1810) aus BaTiO₃ besteht.
17. Schalteinrichtung nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazität des
zweiten Kondensators (1810) bei Aufladung auf Nennspannung
auf die Hälfte abnimmt.
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