串联谐振升压式He_Ne激光器电源

1、收稿日期19960520; 收到修改稿日期19960718第24卷第6期中国激光V o l. A 24, N o . 61997年6月CH I N ESE JOU RNAL O F LA SER S June , 1997串联谐振升压式H e 2N e (提要e 。, H e e 激光, 经整流滤波后的直流高压电源可以作为H e 2N e 激光器电源。由于L C 谐振电路的输出电压随负载电流的增大而很快下降, 与气体放电管的伏安特性能很好地配合, 无需外加限流电阻, 故电源效率显著提高; 又由于电源的内阻很大, 可使稳流性能大为改善; 同时由于电路中无笨重的升压变压器且高频滤波电容的容量很小,

2、 故电源体积小巧, 重量很轻, 使用方便, 是一种性能较好, 具有推广价值的H e 2N e 激光器电源。我们研制的电源电路图如图1所示, 图中L 1, L 2和L 3是绕在同一磁环上的三个小线圈, 通过它们间的耦合使晶体管T 1和T 2(我们采用BU 508A 交替饱和导通, 从A B 端口输出高频方波电压, 此方波电压即是L C 串联谐振电路的激励源。从电容器C 两端输出的高频交流电压V 0经二极管D 6和D 7倍压整流后变为直流高压U 0。采用倍压整流的目的是为了降低对V 0的要求并使正负半周的负载相等。为了防止H e 2N e 管与滤波电容C 4和C 5直接并联时有可能产生负阻振荡,

3、H e 2N e 管可串接一小阻值的电阻 R 3, 其值由实验确定。图1H e 2N e 激光电源电路的串联谐振模式F ig . 1C ircuit of series resonance model fo rthe H e 2N e laser 图2等效电路F ig . 2Equivalent circuit电路的核心问题是L C 串联谐振电路的设计。当电网电压为220V 时, 激励方波的幅度约为150V 。由傅里叶展开式可知, 其中基波成份的有效值为135V , 由于谐振电路的Q 值较大, 可忽略方波中高次谐波的作用, 近似认为激励源是有效值为V i = 135V 的高频正弦恒压源。谐振电

4、路的等效电路如图2所示。图2中r 是谐振电路的固有损耗电阻, 包括电感L 的直流电阻、晶体管的饱和导通电阻及发射极电阻、电感电容的高频损耗等效电阻等。等效负载电阻R L 可根据等损耗折算原理算出。设整流滤波后的直流输出电压为U 0, 输出电流为I 0, 则直流负载R T =U 0 I 0, 由V 20 R L =U 20 R T , 而U 0=22V 0, 求得R L =8R T 。等效电路的微分方程为L C 2d t 2+C r +R L 1V 0=(1 用相量法1求解:0L i r C i 0=Q 0V i -r Q 20i 0(2式中r 。U 0和I 0, 利用U 0=22V 0, I

5、0=i 0 (22 得U 0=22Q 0V i -8Q 20rI 0(3这就是此高压直流电源的输出伏安特性。(3 式表明此电源的戴维南等效电压为22Q 0V i , 等效内阻为8Q 20r 。由(3 式得到如下谐振电路的设计步骤:1 电源的空载输出电压22Q 0V i 应大于H e 2N e 管的起辉电压U B R 。若希望在电网电压很低时也能可靠起辉, 可选22Q 0V i =1. 5U B R , 由此可确定Q 0值; 2 在H e 2N e 管正常工作时, 设其管压降为U T , 管电流为I T 。则应有U 0=U T =22Q 0V i -8Q 20rI T , 由此式可求出r 值;

6、3 谐振频率f 0选定后, 由Q 0=2f 0L r 算出所需的L 值, 由C =(2f 0 2L 算出所需的C 值。例:长度为25c m 的H e 2N e 管正常工作时, 设U T 1200V , I T 6×10-3A , U B R 6000V , 令22Q 0V i =1. 5U B R =9000V , 确定Q 0=2316(式中的V i 按照135V 计算 , 由U 0=1200=9000-8×23. 62×6×10-3r , 求出r =2928。若设定f 0=50kH z , 求出L =Q 0r (2f 0 =23. 6×292

7、(2×5×104 =22m H , C =(2f 0 2L =(2×5×104 2×22×10-3=460p F 。在电源制作中, 要注意两个关键问题:1 从(2 式可知, 当L , C 确定后, 应尽量减小串联谐振电路中的固有损耗电阻r , 使它不超过计算值 , 否则将使电源的开路输出电压降低, 甚至使He 2N e 管不能起辉。为此首先要正确选择耦合线圈L 1和L 2的匝数, 使晶体管T 1和T 2处于交替饱和导通状态, 以减少导通电阻。我们使用57磁环, L 3取8匝, L 1和L 2取6匝, 发现效果较好。其次由于电感L 的值

8、较大, 如绕成空心线圈, 则匝数多, 直流电阻大, 体积也很大。我们用0. 21的高强度漆包线在E E 12磁芯上制成605中国激光24卷电感L , 由于匝数大大减少直流电阻只有108左右。绕好后用环氧树脂密封, 以满足高压绝缘要求;2 由于是高频电压整流, 整流二极管D 6和D 7的结电容应很小。在H e 2N e 管开路的情况下, 由于整流二极管结电容的存在, 它与滤波电容C 4和C 5仍构成高频通路而仍有输出电流I 0存在, 由(2 式可知, 它使谐振电容C 两端的输出电压V 0降低电容较大, 不适合于高频电压整流, 应采用结电容很小的快速二极管, 如。根据耐压要求可用几个二极管串联。我

9、们成功地制作了一个适用于25c m H e 2N e 电网电压低至170V 时也可使H e 2N e 管可靠起辉。, 管电流由4mA 变至615mA , 稳流性能明显改善。015kg 。参考文献1李翰荪. 电路分析基础, 第二版. 北京高等教育出版社, 1991, 548550Ser ies Resonance W ay to Step up Voltage for the He -Ne La serZhang X inchang W ang L iguo(D ep a rt m en t of E lectron ic Inf or m a tion T echnology , S hanx i U n iversity , T a iy uan 030006 Abstract In th is paper , w e have discu ssed the design and the m ak ing m ethods of the series