Лампы накачки. Часть 6. - Научно-технический центр

Приветствуем. В данной части будет рассмотренно: режиммодулированного CW и QCW, расчет схемы питания импульсной лампы, расчет RC-цепей, расчет схемы питания при малых длительностях импульса накачки, расчет напряжения симмера, расчет напряжения на криптоновой дуговой лампе накачки. В общем представляет плотно нагруженный формулами материал, для понимания которого потребуется немало времени. Мы постарались подать материал максимально доступно и просто. Используя полученную информацию вы сможете определит основные параметры блока питания лампы, определить требуемый тип лампы.

Режим модулированного CW и QCW

Эффективность дуговых ламп может быть повышена модуляцией излучения и режима квазинепрерывного излучения. Модулированный режим представляет собой быстрое переключение между двумя уровнями тока – ток симмера (нижнее значение) до рабочего тока (верхнее значение). В режиме простоя лампа переводится в режим дежурной дуги, значение тока несколько выше тока симмера. Длительность верхнего значение тока порядка нескольких миллисекунд, скважность обычно 50%. Типичные значения токов модулированного режима представлены в таблице

Внутренний диаметр лампы, мм	Макс. пиковый ток, А	Рекомендуемый пиковый ток, А	Минимальный ток симмера, А	Минимальный ток простоя, А	Предел плотность мощности материала колбы, Вт*см^2
3	12	10	1	5	320
4	24	20	2	10	320
5	33	30	3	15	320
6	45	40	5	20	320
7	6	50	10	28	320
8	73	65	20	33	320

Табл. 2. Токи квазинепрерывного излучения для криптоновых ламп различного диаметра.

В казинепрерывном режиме ток дуги лампы модулируется синусоидой. Глубина модуляции – разница между средним значением и половиной амплитуды синусоиды. Глубина модуляции не должна превосходить 50%, при синусоидальном токе лампы средняя мощность на лампе не должна превосходить технических условий. Частота синусоиды обычно 50 или 100Гц, обуславливается дешевизной изготовления блока питания от электрической сети 50Гц.

Рис. 22.CW и QCW режимы питания дуговых ламп.

Расчет схемы питания импульсной лампы.

Чаще всего импульсные лампы подключаются к формирующей цепочке (емкость/индуктивность) или управляются электронным ключом. Для схем с формирующей цепочкой, рассчитываются значения емкости, индуктивности и напряжения заряда разрядной батареи конденсаторов при заданных параметрах затухающего импульса, требуемой длительности и энергии при выбранном значении импеданса лампы. Если затухающие колебания разрядного импульса будут иметь большую амплитуду обратной полуволны, это может привести к повреждению схемы питания и снижает ресурс лампы. Если же использовать импульс с очень большим подавлением затухающих колебаний, то энергия вспышки будет «размазана» во времени, получим длительную вспышку с малой мощностью свечения. Поэтому вводят понятие критического затухания импульса, это значение затухания при котором энергия вспышки укладывается в заданное время, но при этом затухающие колебания не имеют большой амплитуды. Импульс разрядки с критическим затуханием соответствует коэффициенту колебаний 0.7..0.8. Меньшие значения коэффициента приводят к большим пульсациям, большие - к малой энергетике вспышки.

При правильно подобранной форме разрядного импульса, его форма близка к Гауссовой. Для заданной длительности импульса, энергии и импеданса лампы, рассчитывается единственный подбор значений емкости, индуктивности и напряжения заряда конденсатора, которые обеспечивают затухание на уровне 0.7..0.8.

Если требуется работа при разных уровнях энергий (для регулировки энергии изменяют напряжение заряда накопительной батареи), то значения емкости и индуктивности формирующей цепочки следует рассчитывать для критического затухания при наибольшей используемой энергии. Полученные значения дадут большие значения коэффициента затухания для меньших напряжений заряда накопительной батареи.

Алгоритм расчета

Расчет начинается с нахождения вольтамперной характеристики лампы.

(1) , где

- напряжение на электродах лампы (В); - ток разряда (А); - импеданс ламп .

Данное выражения является аппроксимацией, которая верна для плотности тока более 500 . определяется в основном длиной дуги, внутренний диаметром, типом газа и давлением.

(2) - для ксенона;

(3) - для криптона, где

- давление (торр), - дина дуги (мм), - внутренний диаметр (мм).

Значения параметров формирующей цепочки и напряжения заряда разрядной батарее:

(4);

(5);

(6), где

- накопительная емкость (Ф), - индуктивность цепи (Гн), - запасенная энергия (Дж), - коэффициент затухания, принять равным 0.8 для критического затухания, - напряжение на накопительной емкости (В), - 1/3 длительность импульса по уровню тока 0.1 (с).

Данные выражения не учитывают всех нюансов динамики плазмы. Однако достаточно точны в первом приближении и позволяют вычислить параметры импульса тока через лампу.

Последовательность расчета

Рассчитываем значение накопительной емкости, по заданной энергии вспышки, длительности импульса и импеданса лампы по формуле (4), определяем значение индуктивности по формуле (5), находим напряжение заряда по формуле (6).

Полученные значении подставляем в формулу:

(7);

(8) - импеданс цепи, Ом.

Для обеспечения критического затухания =0.8. Если данное условие не выполняется, требуется пересчитать параметры снова, чтобы выполнялось данное условие. Если используется лампа с малым импедансом и даже при =0.8 присутствуют осцилляции, следует параллельно накопительной емкости поставить защитный диод.

Дополнительные расчеты:

(9) - пиковый ток, А.

(10) - запасенная энергия, Дж.

(11) - плотность пикового тока, , где

- площадь поперечного сечения внутреннего объема лампы, .

Как правило, значение пикового тока, полученное по формуле (9) несколько больше реальных величин. Это обусловлено допущением, что лампа имеет нулевое реактивное сопротивление. Для более точного расчета следует ввести поправку:

(12) - реактивное сопротивление лампы, Ом,

где - площадь поперечного сечения внутреннего объема лампы в , - длина дуги в см, - сопротивление плазмы:

при мс;

при мс, где

- 1/3 длительность импульса по уровню тока 0.1.

С учетом поправки выражение (9) привет вид:

(13) - пиковый ток, А

Данное выражение дает более точный результат, особенно при слабо затухающем импульсе разрядки.

Расчет RC цепей

Существуют приложения, где нет надобности строго выдерживать энергетику или форму импульса разрядки: вспышки фотокамер, стробоскопы… В таких случаях используют упрощенную RC цепь разряда. Формулы для расчета параметров импульса RC цепи:

(14), сопротивление лампы, Ом.

(15) - пиковый ток, А.

Данные выражения дают грубую оценку требуемых значений, чего обычно вполне достаточно для расчета цепи питания лампы.

Расчеты при малой длительности импульса

При расчете параметров формирующей цепочки для малых длительностей импульса разряда, следует придерживаться нижеследующих рекомендаций. Расчетное значение емкости, как правило, получается большим, чем требуется в реальных условиях. Для импульсов длительностью 1-10мс следует снизить полученное значение емкости в 4 раза. Для импульсов длительностью 11-20мс в 2 раза. Корректировка представляет собой логарифмическую шкалу, т.е. для длительности импульса меньше 1мс следует уменьшить значение емкости на еще больше значение. Затем следует пересчитать напряжение заряда для нового значения емкости.

При дальнейших расчетах предполагайте, что общая индуктивность схемы 1мГн. Индуктивность всех используемых компонентов цепи разряда должна быть сведена к минимуму.

При малых длительностях импульса токовая дуга не заполняет весь внутренний объем лампы. Только 50-70% внутреннего диаметра лампы используется эффективно, уменьшение внутреннего диаметра приводит к повышению импеданса, что следует учитывать при расчетах.

Расчет напряжения симмера

Стандартная ВАХ лампы не может быть использована в качестве отправной точки для расчета напряжения симмера. Так как дуга не заполняет объем лапы полностью, формула (1) не верна. Чтобы правильно рассчитать напряжение симмера, следует точно знать диаметр дуги при заданном токе симмера. После этого можно внести поправку при расчете импеданса (значение станет значительно выше), что позволит провести точный расчет. Упрощенный вариант расчета дан ниже:

(16) , где

- напряжение симмера на лампе (В), - импенданс лампы, - диаметр лампы (мм), - диметр дуги симмера (мм), - ток симмера, А.

(17) .

Формулы верны для режима тлеющей дуги. Точка перехода от дугового режима к тлеющему - , т.е. при заполнении менее 70% диаметра лампы дуга тлеющая.

Полученное выражение напряжения симмера – приблизительное, т.к. слишком много факторов влияет на результат, например повышение давления из-за температуры внутри лампы и на катоде. Обычно напряжение на симмере немного изменяется в процессе работы, так как точка контакта дуги перемещается по поверхности катода. Особенно это заметно при малых токах симмера (около 50мА), напряжение симмера можжет изменяться в пределах 150В.

Расчет напряжения на дуговой криптоновой лампе

Обычно требуется определить изменение напряжения и выходной мощности лампы при изменении тока дуги. При нормальном режиме работы лампа работает в области положительного сопротивления (линейно возрастающий участок ВАХ). Расчеты приведены для данного режима:

(18) - напряжение на лампе (В);