微型rf co2激光电源
micro-power supply of co2 laser
摘要:文章介绍了当前rfco2激光器现状与发展趋势。详细介绍了输出激光15w所需160w的rf电源。主要内容包括:技术要求、设计方法、原理框图、原理电路、工作原理、工作过程。该rf电源由振荡器、推挽放大器及调制器组成。具有连续输出和脉冲输出两种方式,连续工作频率为40mhz,脉冲工作调制频率为0~100khz连续可调,电源体积仅为激光头的1/4,电源质量为0.2kg,λ/4波长传输线0.1kg。整个电源小巧紧凑、成本低,便于装配、调试与维修。
关键词:二氧化碳激光器射频电源振荡器放大器调制器阻抗匹配
1引言
自1973年第一台射频(rf)波导激光器问世至今已26年多。最初是将线圈绕在波导上,实现了rf激励波导激光器的发光。它首次显示了低电压激励的优越性。那时,还有许多不完善的地方。存在的主要缺点是:放电不均匀,耦合效率差、线圈电感太大,限制rf频率的提高,只能在几mhz以下工作等。
尽管已有26年多的研制、使用历史,但当前它仍处于发展与改进阶段。其总的研制方向是:降低成本、增长寿命、提高输出功率和效率、减小体积和质量,改进可靠性,提高各项性能指标,以适应各种用途的需要。
rfco2激光器工作频率按ism规定为27~40mhz;其主要分类如下所述:
(1)按输出方式分
1)连续输出;
2)脉冲输出——调制频率高达1mhz;
3)q开关输出——电光调q与声光调q。
(2)按谐振腔的工作分
1)波导腔——孔径d=1~3mm;
2)自由空间腔——孔径d=4~6mm。
(3)按激励极性分
1)单相;
2)反相。
(4)按腔体结构分
1)单腔;
2)多腔;
(a)折叠腔:v型——2折;z型——3折;x型——4折。
(b)列阵腔:短肩列阵;交错列阵。
(c)积木式:并联—2腔;三角组联—3腔。
3)大面积放电
(a)平板型,(b)同心环型。
(5)按均恒电感分布方式分
1)准电感谐振技术—用于低电容激光头;
2)平行分布电感谐振技术—用于高电容激光
头。
(6)按谐振腔材料分
1)陶瓷—金属混合型;2)全陶瓷型;3)全金属型。
(7)按冷却方式分
1)空气冷却;2)水冷却。
(8)按封装方式分
1)封离型;2)流动型。
谐振腔的材料一般为:金属—a1。陶瓷—beo,bn、ain、al2o3等。
2技术条件
用于co2激光器的典型工作气体内含有:二氧化碳、氮、氦和氙。氮气和氦气有利于放电的均匀性。氙气对rf放电激光器的功率和效率具有积极影响。添加5%氙气可使功率提高24%。
通常单模结构器件,单位长度注入的连续(射频)激励功率限于2~6w/cm,转换效率为10%~20%,对激光电源的一般要求为:稳定可靠、维修方便、效率高、尺寸小、成本低。
图1rfco2激光器电源原理框图
具体技术条件如下:
输入参数:交流输入电压220v;交流输入电流1.5a;开关电源输出直流电压30v;开关电源输出电流8a。
rf电源:输入功率160w;工作频率40mhz;输出波形正弦波;带宽△f±3mhz;效率70%。
调制器:脉冲调制频率0~100khz方波连续可调;占空比连续可调;幅度调制度100%。
3原理电路
rfco2激光电源由5部分组成[1],如图1所示。
图1 rf co2激光器电源原理框图
图1中第1部分为整流滤波电路,采用全波桥式整流与电容滤波将220v交流变为311v平滑直流。第2部分为开关电源,将311v直流变为100khz脉冲电流,再经电容、电感滤波后变为30v、8a直流。第3部分包括由振荡器与放大器两部分组成的rf电路(如虚线框内所示)。将输入直流经晶振变为40mhz,6w射频。再经14.28db增益的放大器,放大后输出为40mhz,160w。第4部分为脉冲工作的调制器。第5部分为匹配网络。
本文将重点介绍第3部分和第4部分。电路如图2所示。振荡器由晶体管v2、电感线圈l1、电容器c5、c7、电阻r11、r12、石英晶体振荡器g等组成。晶体振荡电路产生6w、40mhz正弦振荡波,经3:1传输线变压器t,推动推挽功率放大器。推挽功率放大器由晶体管v3、v4,电感l3、l2,电阻器r13、r14、r15,电容器c9、c10和变压器t组成d类电流开关推挽放大器,两个晶体管轮流导通。为了追求小型化,提高效率是关键,因而采用d类电流开关推挽放大器是一种必然结果。这一点可由下述工作过程的分析清楚地看出。
当晶体管导通时,c极电流的基波分量为最大,回路中点电压也等于最大值umax,在中心点处的电压平均值等于电源电压。因此(当ucc≈30v时),
由此得出:
umax=(π/2)(ucc-ucs)+ucs(2)
c极回路两端交流电压峰值为:
ucmax=2(umax-ucs)=π(ucc-ucs)(3)
基波分量振幅为:(2/π)icc,因而回路产生基频电压振幅为:
ucmax=(2/π)iccr(5)
将(3)式代入(5)式即得:
icc=πucmax/2r=(π2/2r)(ucc-ucs)(6)
则输出功率:
p0=u2cmax/2r=(π2/2r)(ucc-ucs)2(7)
dc输出功率:
pdc=icc.ucc=(π2/2r)(ucc-ucs)ucc(8)
c极耗散功率:
pc=pdc-p0=(π2/2r)(ucc-ucs)ucs(9)
由此得出c极效率:
ηc=p0/pdc=(ucc-ucs)/ucc(10)
可见,晶体管饱和压降ucs越小、效率ηc则越高,若
ucs→0,则ηc→100%,这是d类电流开关推挽放大电路的优点,为此设计时应注意尽量选取饱和压降低的功率晶体管。
脉冲工作由图1中第4部分调制器控制。调制器的原理电路见图2,它以ic1与ic2为主体,组成幅度键控调制器,属于数字信号调幅的线性调制器[3]。连续工作时,将图2中s开关置于off关断位置。脉冲工作时,将s开关置于on接通位置。脉冲调制的工作过程是:利用一个矩形脉冲序列的基带信号对振荡器晶体管v2的振荡幅度进行控制。由控制振荡电路的起振与停振达到调制的目的。由电位器rp4控制调制频率,由rp7控制脉冲宽度。所以,调制频率与调制脉宽皆可作到连续可调。
图2rf电路原理图
第5部分是阻抗匹配网络。负载阻抗匹配的目的是消除不匹配负载的反射。方法是引入电抗性元件(电容、电感或传输线)。人为地产生一个或数个反射波。使它与原来不匹配负载产生的反射波相互抵消。使激光器的输入阻抗与rf电源的输出阻抗互为共轭复数。匹配网络一般分为两种,一种是集总参数匹配网络,其主要形式有l型、t型、π型等[3]。这种匹配网络的主要缺点是:插入耗损大、噪声大、体积大。另一种是分布参数匹配网络,是1/4波长传输线,这就克服了上述集总参数匹配网络的缺点。它的理论关系比较简单。由传输线任一点上的电压和电流方程即可方便地导出下列1/4波长(或1/4波长奇数倍)阻抗交换方式为: z0=(10)
式中z1——电源输出的阻抗;
z2——激光器输入的阻抗;
z0——1/4传输线的特性阻抗。
1/4传输线采用syv-50-3电缆。它一端接电源,另一端接激光头。该rf电源如作积木式结构应用,同时可满足输出激光30w,60w等激光器的需要。
4结束语
最后是关于激光头的准电感谐振技术。为了使输入射频沿激光器长度,电压分布均匀,加入一对电感并联在谐振腔上下电极之间。这样,由于电感负导纳的补偿作用,使激光器沿长度上的驻波比大大下降,失配角小于9°,理论计算结果电压不均匀度小于3%。
有关过流、过压、过热保护电路、显示电路、安全延时电路、自诊断等辅助电路,本文不再一一赘述。
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