بخشی از مقاله
چکیده –
در این مقاله طراحی و ساخت یک منبع تغذیه لیزر حالتجامد نئودیوم یاگ با دمش فلاش لامپی متشکل از سه بخش شارژ کننده خازنی، شبکه شکلدهنده پالس - - PFN و مدار تریگر و تخلیه بیانشده است. یک مبدل سوئیچینگ با آرایش فلای-بک با تکنیک کنترل جریانی به یک شارژ کننده خازنی - - CCPS تبدیلشده است.
جهت تخلیه انرژی ذخیره شده خازن PFN در فلاش لامپ با استفاده از یک مدار تریگر یک پالس ولتاژ بالا به فلاش لامپ اعمال شده که باعث یونیزه شدن آن میشود و مسیر تخلیه خازن برای ایجاد پالس جریان را فراهم مینماید. کلیه مدارات لازم در این منبع تغذیه، شبیهسازی و بهصورت صنعتی ساخته شده است. درنهایت، نشان دادهشده که نتایج شبیهسازی با نتایج عملی ثبتشده بهطور کامل با همدیگر مطابقت دارند.
-1 مقدمه
لیزرهای پالسی توانایی تولید پالس های لیزری با قله توان بالا را دارند . جهت تامین انرژی نورانی این لیزرها از فلش لامپ استفاده میشود 2]، .[1 برای تامین انرژی الکتریکی فلش لامپ نیاز به منبع تغذیه پالسی است. در این منابع تغذیه لازم است انرژی در مدت زمان کوتاهی به بار اعمال شود. این کار با شارژ خازن و تخلیه ناگهانی آن در بار صورت میپذیرد.
برای شارژ خازن شبکه شکل دهنده پالس - PFN - نیاز به یک منبع تغذیه شارژ کننده خازنی - - CCPS است. این منابع تغذیه برخلاف منابع تغذیه مرسوم کهبرای بارهایی با توان خروجی ثابت یا تقریباً ثابت طراحی میشود دارای توان خروجی متغیر هستند3]،.[2 با پیشرفتفنّاوری نیمههادی و به کمک توپولوژیهای جدید، استفاده از مبدل سوئیچینگ ازجمله آرایش فلای-بک - flyback - در ساخت CCPS مطرح شد. استفاده از این توپولوژیها باعث کاهش حجم و وزن مدار و افزایش راندمان میشود
منابع تغذیه معمولی برای بارهایی با توان ثابت طراحی میشوند. استفاده از این منابع تغذیه در شارژ کننده خازنی با مشکل مواجه میشود چراکه در طول فرآیند شارژ خازن، منبع تغذیه با محدوده متغیری از توان روبروست که از حالت اتصال کوتاه شروعشده و درنهایت با رسیدن ولتاژ خازن به ولتاژ نهایی به بیشترین مقدار خود میرسد
شکل:1 شکل موج دو سر خازن شارژ شده در یک شارژ کننده خازنی[6]
شکل1 ولتاژ دو سر خازن ذخیره کننده انرژی متصل به خروجی یک CCPS را نشان میدهد. همانگونه که در شکل میتوان دید یک CCPS دارای سه مد عملکرد است.
اولین مد، مد شارژ - Charging Mode - است که در آن خازن از مقدار ولتاژ اولیه صفر شروع به شارژ شده و تا رسیدن ولتاژ آن به مقدار ولتاژ نهایی و مطلوب ادامه مییابد. مد دوم معروف به مد تازه گردانی - - Refresh Mode، به فاصله زمانی از انتهای مد شارژ تا ابتدای زمان تخلیه اطلاق میشود. در این بازه زمانی ولتاژ خازن به دلایلی ازجمله به علت نشتی خازن شروع به افت میکند لذا CCPS باید با ارسال بستههای کوچک انرژی به خازن مقدار افت ولتاژ آن را جبران کند به صورتی که تا زمان تخلیه انرژی خازن ثابت بماند. مدتزمان مد تازه گردانی بسته به نرخ تکرار بار 1⁄ دارد.
آخرین مد، مد تخلیه - Discharge Mode - است که CCPS هیچ توانی را به خازن ارسال نمیکند. در شروع این مد توان خروجی صفر است، زیرا که علیرغم ارسال جریان از طرف CCPS به خازن، به علت صفر بودن ولتاژ خازن، توان خروجی صفر است و خازن در ابتدای شارژ بهصورت اتصال کوتاه عمل میکند. با افزایش ولتاژ خازن، توان خروجی افزایش پیداکرده و در انتهای مد به حداکثر توان خروجی میرسد. در این مد به علت ناچیز بودن جریان خروجی CCPS توان خروجی آن تقرباًی صفر است. بنابراین توان خروجی یک CCPS بر روی یک محدوده وسیع تغییر میکند.
در این طرح با بهکارگیری مبدل ساده فلای-بک و استفاده از تکنیک کنترل جریانی، این مبدل از یک منبع تغذیه برای تامین توان برای بار ثابت به یک شارژ کننده خازنی برای بارهای پالسی نظیر یک لیزر پالسی نئودیوم یاگ تبدیل شده است که نتایج شبیه سازی و اندازه گیری های عملی موید این ادعا می باشد.
-2 منبع تغذیه شارژ کننده خازنی
منبع تغذیه طراحی شده در اینجا از نوع فلای بک با فرکانس متغیر است، یعنی به جای کنترل عرض پالس زمانی روشن بودن سوئیچ، فرکانس سوئیچینگ کنترل می شود. دلیل انتخاب این نوع مبدل، تامین انرژی مورد نیاز لیزر با هزینه کمتر، پایداری بیشتر و طراحی راحت تر است.
شکل:2 مبدل فلای-بک باکنترل جریانی بصورت یک [7] CCPS
فرآیند کنترل شارژ خازن در مدار فلای-بک نشان داده شده در شکل2 به اینصورت است که با نمونه برداری از جریان اولیه و جریان ثانویه ترانسفورمر و مقایسه با جریانهای مرجع از پیش تعیین شده، منجر به فرکانس کلیدزنی متغیر میشود. به این ترتیب در ابتدای سیکل شارژ با تعداد قطار پالس بیشتری نسبت به انتهای سیکل، خازن انرژی را دریافت می کند و ترانزیستور با تحمل پیک جریانی کوچکتری نسبت به حالت شارژ تک پالس، خازن را شارژ میکند.
شکل:3 شکل موج های جریان و ولتاژ مبدل فلای-بک با کنترل جریانی برای شارژ خازن [7] PFN
با اعمال اولین فرمان که از یک مدار فرمان نظیر میکروکنترلر به مدار درایور ترانزیستور داده میشود، کلید در حالت وصل قرار گرفته و جریان اولیه ترانسفورمر بطور خطی افزایش مییابد، قبل از اینکه این جریان به مقدار حداکثر جریان قابل تحمل ترانزیستور برسد کلید خاموش میشود، در این لحظه جریان در ثانویه ترانسفورمر برقرار میگردد و انرژی ذخیره شده در هسته به خازن بار تحویل داده میشود تا زمانیکه جریان ثانویه کاهش یافته و به مقدار برسد n - نسبت دور ترانسفورمر و a عددی بین صفر تا کمتر از یک است که زمان روشن شدن ترانزیستور را معین می کند - . در این لحظه ترانزیستور مجدداً روشن شده و این چرخه تا آنجا ادامه خواهد یافت که ولتاژ دو سر خازن بار به مقدار نهائی و معین برسد.
در این موقع فرایند شارژ خازن خاتمه یافته و ترانزیستور خاموش میشود. نمودارهای جریان و ولتاژ طی فرایند شارژ مطابق شکل3 است
-1-2 شبیه سازی مدار شارژکننده خازنی
به منظور پیاده سازی عملی مدار شارژ کننده خازنی و برای اطمینان از صحت عملکرد طراحی، مدار شماتیک نشان داده شده در شکل4 در نرم افزار Pspice شبیهسازی شده است. در واقع در این شبیهسازی سه حلقه بسته کنترلی فیدبک منفی، پیادهسازی شده است. برای نمونه برداری جریان اولیه ترانسفورمر از جریان مقاومت نمونه گیر R1 و با قرار دادن مقاومت R17 در مسیر ثانویه ترانسفورمر از جریان ثانویه فیدبک گرفته شده است. همچنین به منظور کنترل سطح ولتاژ خازن از مقایسه کننده U1A استفاده شده است. نتیجه این شبیه سازی برای ولتاژ دو سر خازن بار در شکل5 نشان داده شده است. خازن 30 میکرو فارادی طی مدت زمان 52 میلی ثانیه تا مقدار 835 ولت شارژ شده است.
شکل:4 شماتیک مدار شبیه سازی شده در محیط Pspice
