DE3010541C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Stabi­ lisierung einer elektrischen Entladung in einem Glimment­ ladungs-Gaslaser nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Eine derartige Schaltungsanordnung ist aus der US-PS 38 42 365 bekannt. Die bekannte Schaltungsanordnung umfaßt eine Elektrode, die aus einer Gruppe von parallel geschal­ teten Elektroden besteht, wobei parallel zur Kathoden- und Anodenelektrode ein Kondensator geschaltet ist. Dieser Kon­ densator hat hier die Aufgabe, die zwischen die Kathode und die Anode angelegte Gleichspannungsvorspannung zu stabili­ sieren.

Aus der DE-OS 20 31 559 ist eine Entladungseinrichtung in Form einer Elektronenblitzleuchte bekannt, die von einer photoelektrischen Meßeinrichtung angesteuert wird. Beim Erreichen einer einstellbaren Lichtmenge wird die Blitz­ röhrenentladung unterbrochen. Im Entladungskreis der Blitz­ röhre ist ein in Reihe mit der Blitzröhre geschalteter Thy­ ristor angeordnet, der gleichzeitig mit der Blitzröhre ge­ zündet wird. Das Wesentliche dieser bekannten Elektronen­ blitzleuchte besteht in einem der Blitzröhre parallel mit einer Kapazität in Reihe geschalteten Kurzschlußglied in Form eines Thyratrons oder eines Thyristors. Bei dieser be­ kannten Entladungseinrichtung erfolgt jedoch der Kurzschluß­ vorgang unabhängig von der an der Entladungseinrichtung an­ stehenden Spannung.

Ferner ist aus der DE-OS 25 02 140 ein Hochleistungs-Gas­ laser mit einer Einrichtung bekannt, die einen Anregungshohlraum mit einer optischen Achse bildet, mit einem Einlaß und einem Auslaß für ein gasförmiges Lasermedium, mit einer Elektrode, die als Kathode wirkt, und mit einer Elektrode, die als Anode wirkt. Die Anode weist eine Anordnung von einzeln belasteten Elektroden auf, die eine segmentartige Anode bilden, wobei diese und die Kathode so angeordnet sind, daß eine elektrische Entladung quer zur Strömungs­ richtung des gasförmigen Lasermediums und zur optischen Achse des Anregungshohlraums aufrechterhalten wird.

Ein Problem mit kontinuierlich arbeitenden Gaslasern (im Gegensatz zu Impuls-Gaslasern), die durch elektrische Entla­ dungen erregt werden, beruht auf der Neigung der Entladung, auf fadenförmige Lichtbögen begrenzt zu werden, die für die Erregung der Laserwirkung nicht effektiv sind. Diese Licht­ bogenbildung tritt mit steigender Häufigkeit auf, wenn die eingegebene Energiedichte zunimmt.

Daher sind viele Laser durch das Auftreten von Lichtbögen bei höheren Energiedichten nur begrenzt ver­ wendbar. Ein Verfahren zur Lösung des Pro­ blems der Lichtbogenbildung liegt darin, die Wirkung des Lichtbogens auf den ausgegebenen Laserstrahl so zu ver­ ringern, daß das Auftreten von Lichtbögen keine Folgen für den Einsatz des Lagers hat. Dies kann dadurch er­ reicht werden, daß der Energieverlust des Lasers wäh­ rend eines Lichtbogens und/oder die Dauer des Lichtbo­ gens auf Pegel verringert werden, welche die Nutzbar­ keit des Strahls nicht beeinflussen. Die für die Praxis akzeptierbaren Pegel hängen von dem jeweiligen Anwen­ dungszweck des Lichtbogens ab. Die meisten industriellen Anwendungsfälle von Hochenergielaser beim Schweißen, Schneiden oder bei der Oberflächenhärtung betreffen Pro­ zesse, die sich im Mittel über eine Zeitskala beispielsweise 5 ms oder mehr erstrecken, wo­ durch sich eine obere Grenze für die Dauer eines Lichtbo­ gens für diese Anwendungsfälle ergibt. Der Gesamtenergie­ verlust aufgrund des Lichtbogens sollte in bezug auf die zugeführte Energie über diese Zeitskala ebenfalls gering (ca. 5%) sein. Beispielsweise wäre für diese Anwendungsfälle ein Lichtbogen akzeptierbar, der 1 ms dauert und während des Lichtbogens zu einem Verlust von 20% führt.

Der Energieverlust während eines Lichtbogens kann dadurch verringert werden, daß die Auswirkungen des Lichtbogens auf einen kleinen Abschnitt der Entladung begrenzt wer­ den. Wenn also die Entladung auf elektrischem Wege in zehn Segmente unterteilt wird, dann verringert der Ver­ lust eines Segmentes aufgrund eines Lichtbogens die Aus­ gangsleistung in einem typischen Fall um 20%, und zwar in Abhängigkeit von der Ausgangskopplung, dem Verstär­ kungsfaktor, der Absorption des nicht erregten Gases usw. Eine weitere Unterteilung in Segmente führt zu einer wei­ teren Verringerung des Verlustes; diese Begrenzung ist jedoch eine Frage des komplexen Aufbaus und der Kosten der Steuerschaltung sowie der physikalischen Ausdehnung der durch den Lichtbogen betroffenen Zone. Eine solche Unterteilung der Entladung läßt sich beispielsweise leicht bei einem Laser mit aus mehreren Segmenten bestehender Elektrode und Querströmung erreichen.

Die minimale Dauer eines Lichtbogens und seine Auswirkun­ gen hängen von der Ursache des Lichtbogens ab. Lichtbogen, die auf Defekte bzw. Störstellen der Kathoden zurückzufüh­ ren sind, können eine längere Brennzeit benötigen, bis der Defekt entfernt ist. Bei Laser, deren Betrieb durch Volu­ meninstabilitäten in der Entladung begrenzt wird, kann der Lichtbogen sehr rasch unterdrückt bzw. gelöscht und die Entladung erneut gezündet werden, nachdem sich die heißen Stellen an der Kathode und im Gas aufgrund der Wärmeleitung oder Konvektion zerstreut bzw. entfernt haben. Bei einem typischen Laser mit Querströmung beträgt die Konvektions­ zeit des Gases über die Entladung 1 ms; es sollte deshalb eine minimale Dauer des Lichtbogens in dieser Größenord­ nung möglich sein, wenn der Lichtbogen rasch genug abge­ schaltet werden kann, damit sich der zugehörige Kathodenfleck in dieser Zeitspanne ebenfalls zerstreut.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, eine Schaltungsanordnung zur Stabilisierung einer elek­ trischen Entladung in einem Glimmentladungs-Gaslaser der angegebenen Gattung zu schaffen, welche den Beginn eines Lichtbogens in einem Bereich der Anode feststellt, diesen Bereich der Anode abschaltet, und den Bereich erneut anregt, wenn der Lichtbogen abgeklungen ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeich­ nungsteil des Anspruches 1 aufgeführten Merkmale gelöst.

Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 8.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbei­ spielen unter Hinweis auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Schaltdiagramm einer Ausführungsform mit Merkmalen nach der Erfindung;

Fig. 2 ein Schaltdiagramm einer weiteren Ausführungsform mit Merkmalen nach der Erfindung; und

Fig. 3 ein Schaltdiagramm einer dritten Ausführungsform mit Merkmalen nach der Erfindung.

In Fig. 1 ist eine Schaltungsanordnung zur Stabilisierung der Ent­ ladung in einem Gasentladungs-Laser dargestellt, dessen Elektroden schematisch durch die Bezugszeichen 1 und 2 angedeutet sind. Die als Anode dienende Elektrode 1 ist in Form einer Reihe von Segmenten 3 ausgebildet, die aus einzelnen Elektroden 4 bestehen. Die als Kathode dienende Elektrode 2 verläuft parallel zu der Anode 1, weist je­ doch nur ein einziges, kontinuierliches Bauteil auf, von dem nur ein Teil dargestellt ist. Jede Elektrode 4 ist parallel zu den anderen Elementen ihres Segmentes 3 sowie parallel zu denen der anderen Segmente 3 geschaltet. In Reihe zu jeder Elektrode 4 liegt eine Stabili­ sierungsschaltung 5. Ein Hauptinduktivitätselement 6, insbesondere eine (Drossel)Spule liegt in Reihe mit den Elektroden 4 in jedem Segment 3; ein Thyristor als bistabile Schaltanordnung 7 liegt in Reihe mit einem Kondensator 8, der parallel zu den Segmenten 3 der Elek­ troden 4, und zwar insbesondere parallel zu jedem Segment 3 liegt. Zu jedem Kondensator 8 ist parallel ein Vorbelastungswiderstand 9 geschaltet. Jede Spule weist eine Sekundärwicklung 10 auf, die mit der Steuerelektrode des zugeordneten Thyristors 7 verbunden ist.

Diese Schaltungsanordnung hat die folgende Funktionsweise: Sobald in irgendeinem Segment 3 ein Lichtbogen auftritt, führt dies zu einer Erhöhung des Spannungsabfalls an der entsprechen­ den Spule. Dieser Spannungsabfall induziert in der mit der Steuerelektrode des zugehörigen Thyristors 7 verbunde­ nen Sekundärwicklung 10 der Spule eine Spannung. Diese Spannung zündet den Thyristor 7 mit einer Empfindlichkeit, die durch die Zahl der Windungen der Se­ kundärwicklung 10 an der Spule bestimmt werden kann. Der Thyristor 7 ist wiederum in Reihe zu dem Kondensator 8 parallel zu der Entladungsstrecke geschaltet. Bei der Zündung des Thyristors 7 fällt die Spannung der Ent­ ladung rasch auf einen niedrigen Wert, wodurch sowohl der Lichtbogen als auch jede restliche Glimmentladung unterdrückt bzw. gelöscht werden. Die Spannung an der Entla­ dungsstrecke erscheint an der Drosselspule, während der Strom den Kondensator 8 auflädt. Die Werte für die Spule und den Kondensator 8 werden so ausgelegt, daß der Strom in der Zeitspanne, die für die Aufladung des Kondensators 8 auf die ursprüngliche Entladungsspannung benötigt wird, nur etwas ansteigt. Damit lädt sich der Kondensator 8 ef­ fektiv bei konstantem Strom und mit einer Geschwindigkeit auf, die umgekehrt proportional zu dem Wert des Kondensators ist, bis eine vorgegebene Schwellenspannung erreicht wird; daraufhin wird die Entladung wieder gezündet. Zu diesem Zeitpunkt, oder kurz danach, erreicht oder übersteigt die Spannung an dem Kondensator 8 die Entladungsspannung, und der Thyristor 7 wird abgeschaltet. Der Kondensator 8 wird anschließend durch den Vorbelastungs- oder Nebenschlußwiderstand 9 entladen, wodurch das System wieder in den Ausgangszustand für den nächsten Lichtbogen gebracht wird. Der Wert des Vorbelastungs- oder Nebenschlußwiderstandes 9 wird so ausgewählt, daß der Nebenschlußstrom unter dem Haltestrom des Thyristors gehalten wird, um die Möglichkeit auszuschließen, daß der Thyristor 7 nicht abgeschaltet wird. Dies begrenzt die Wiederholungsrate. Höhere Wiederholungsraten können bei Bedarf erreicht werden, wenn ein induktives Neben­ schlußelement mit kritischer, insbesondere aperiodischer Dämpfung verwendet wird; als Alternative hierzu kann man sich auch auf die Umkehr der Spannung an dem Thyristor 7 verlassen, wenn die Entladung zündet. Diese beiden Verfahren haben jedoch stabile Gleichgewichtszustände, wenn der Thyristor 7 permanent eingeschaltet ist. Es wird darauf hingewiesen, daß der von der Energiequelle gezogene Strom nahezu kon­ stant ist. Dadurch bleibt eine gegenseitige Beeinflussung bzw. Wechselbeziehung mit anderen Segmenten 3 der Anode 1 oder mit der Hauptstromzuführung minimal.

Fig. 2 zeigt eine weitere Schaltungsanordnung, bei der alle Hauptinduktivitätselemente bzw. Spulen 6 durch Spannungsbegrenzer geschützt sind, beispielsweise durch Varistoren 21; eine Diode 22 als Gleichrichtungselement ist in Rückwärtsrichtung parallel zu jeder Spule geschaltet, um den Anstieg der Rückwärtsspannung zu begrenzen, der sonst die über­ schüssigen Ströme in den Spulen durch die Entladung treiben könnte, wenn die Thyristoren 7 bei der erneuten Zündung der Entladung abschalten.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Schaltungsaufbau enthalten die Stabilisierungsschaltungen 5 ein induktives Element, z. B. eine Spule als Blindlast 23, das entwe­ der aus mehreren Segmenten, wie in der Figur dargestellt ist, oder aus einer einzigen, konzentrierten Spule bestehen kann. Dadurch verringert sich jedoch die Fähigkeit der Sekundärwicklung an jeder Spule, das Ein­ setzen eines Lichtbogens rasch genug festzustellen. Dieses Problem kann überwunden werden, indem zu jeder Spule 23 ein kleiner Kondensator parallel geschaltet wird oder indem eine Spule 23 mit hoher Eigenkapazität verwen­ det wird. Bei der Umleitung des Entladungsstroms durch einen Thyristor 7 erzeugt die entsprechende Spule 23 eine aus­ reichende Spannung, um den Strom durch den Varistor 21 aufrechtzuerhalten; diese Spannung hat eine solche Pola­ rität, daß die Entladung aufrechterhalten wird, wodurch es zu einer Verringerung der Effektivität der Thyristorschal­ tung kommen kann. Dieser Effekt wird dadurch kompensiert, daß eine Diode 22 in Rückwärtsrichtung parallel zu jeder Spule geschaltet wird. Die kleine Verringerung des Stroms in der Spule, die durch diese Rückwärtsspannung erzeugt wird, ist jedoch für die Beschleunigung der Entladung zweckmäßig, um die erneute Zündung bei verringertem Strom zu Beginn herbeizuführen. Nach einer bevorzugten Ausführungsform wird deshalb diese Spannung unterdrückt bzw. gelöscht, indem die negative Seite jedes Kondensators 8 weiter negativ in bezug auf die Kathodenelektrode 2 vorgespannt wird, und zwar mittels einer kleinen Energie­ quelle für die Gleichstromaufladung und eines zusätzli­ chen Kondensators 25, wie in Fig. 3 zu erkennen ist.

Wenn die Anode noch feiner in Segmente unterteilt ist als die Lichtbogensteuerschaltung, wie es bei vielen, aus verschiedenen Segmenten bestehenden Elektrodenanordnungen der Fall ist, können einige Segmente direkt unter Umge­ hung der Lichtbogensteuerung von der Hochspannungsschiene (HT) getrieben werden. Dies erleichtert die erneute Zündung der Entladung, weil der gesamte, von diesen Segmenten gezogene Strom durch die Lastschaltung auf Werte be­ grenzt wird, die nicht für die Aufrechterhaltung eines Lichtbogens ausreichen.

Dieses Steuersystem ist an einem 5-kW-Glimmentladungs- CO₂-Laser mit einer aus mehreren Segmenten bestehenden Anode getestet worden. Die Anode ist zur Steuerung des Licht­ bogens in sechs Segmente unterteilt worden, wobei jedes Segment mit einem Thyristorschalter versehen war, wie oben erläutert wurde. Ein zuverlässiger Betrieb mit effektiver Unterdrückung bzw. Löschung der Lichtbögen wurde mit Einschaltzeiten von ungefähr 50 µs vom Beginn des Lichtbogens an und Zeitspannen von 1 ms erreicht. Der Leistungsverlust im Ausgangsstrahl bei einem außer Be­ trieb befindlichen Segment war 1 kW, wodurch sich ein Gesamtenergieverlust pro Lichtbogen von 1 Joule ergab. Bei Verwendung dieser Lichtbogensteuerung wurde der Be­ reich des zuverlässigen Betriebs von 5 kW auf 6 kW erwei­ tert, während der Betrieb bei dem Nennwert von 5 kW da­ durch verbessert wurde, daß bedeutende Lichtbögen vermieden werden konnten, die vorher mit einer Rate von eini­ gen Lichtbögen pro Stunde auftraten.

Claims (8)

1. Schaltungsanordnung zur Stabilisierung einer elektrischen Entladung in einem Glimmentladungs-Gaslaser mit einer Kathoden- und einer Anodenelektrode, wobei eine Elektrode aus einer Gruppe von parallel geschalteten Elektroden be­ steht, und mit einem parallel zur Kathoden- und Anoden­ elektrode liegenden Kondensator, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) die Anodenelektrode aus der Gruppe von parallel geschal­ teten Elektrode (4) gebildet ist,
• b) eine Reihenschaltung aus einer bistabilen Schaltanordnung (7) und dem Kondensator (8) parallel zu der Gruppe von parallel geschalteten Elektroden (4) der Anode (1) und der Kathodenelektrode (2) geschaltet ist, und
• c) in Reihe mit der Gruppe von parallel geschalteten Elektroden (4) der Anode (1) ein Hauptinduktivitäts­ element (6) mit einer Sekundärwicklung (10) geschaltet ist, wobei die Sekundärwicklung die bistabile Schalt­ anordnung (7) triggert, damit die Elektrode (4) der Anode (1) durch den Kondensator (8) überbrückt wird, wenn der durch das Hauptinduktivitätselement (6) flie­ ßende Strom über einem Wert liegt, der dem Vorhandensein eines Lichtbogens zwischen einer der einzelnen Elektroden (4) der Anode (1) und der Kathodenelektrode (2) entspricht.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine An­ ordnung zur Schaffung einer Blindlast (23) in Reihe mit jeder einzelnen Anodenelek­ trode (4).

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Anordnung zur Schaffung einer Blindlast (23) in Rei­ he mit jeder einzelnen Anodenelektrode (4) als auch des Hauptinduktivitätselements (6) eine ein­ zelne Drosselspule aufweist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Blindlast (23) neben einer induktiven auch eine kapazitive Komponente auf­ weist, und daß die induktive Komponente und die kapazi­ tive Komponente parallel geschaltet sind.

5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß jede Drosselspule einen zugeordneten Spannungsbegrenzer (21) aufweist.

6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Hauptinduktionselement (6) ein Gleichrich­ tungselement (22) aufweist, das so parallel zu dem Hauptinduktivitätselement (6) geschaltet ist, daß es den Anstieg der Rückwärtsspannung begrenzt, die dann auftreten kann, wenn die bistabile Schaltanordnung (7) vom leitenden in den nicht-leitenden Zustand geschal­ tet wird.

7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die bistabile Schaltanordnung (7) eine Elektronen- bzw. Thermionenröhre aufweist.

8. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die bistabile Schaltanordnung (7) ein Halbleiter­ element aufweist.