第二节 印刷制版中常用激光器电源电路

一、氦氖（He-Ne）激光器电源电路

　　连续工作He-Ne激光器可以用交流、直流、射频等方式激发，对激发电源的基本要求是电压高（几千伏）、放电电流低（几毫安到几十毫安）。



　　直流激发电源是目前用得最普遍的一种电源，图4－6所示为激光印字机中使用的氦氖激光器电源电路，T₁为电源变压器，T₂为高压变压器，其电路组成主要由串联晶体管稳压电路，高压整流、滤波、限流电路与稳流电路等组成。电路工作原理是：交流电压经VD₁－VD₄桥式整流，电容C₃滤波后输出直流电压作为串联式晶体管稳压器的输入电压，V₂₁、V₂₂组成复合调整管，稳压电路以晶体管V₂₃、V₂₄按共发射极连接作推挽式输出，加于高压变压器T₂的初级绕组。由T₂输出的高压，经VD₉－VD₁₂桥式整流，R₂₅、C₆阻容滤波后，再通过串接的限流电阻将直流高压加于激光管的电极上，使灯管起辉点燃，限流电阻作为限流电路主要用于保护电源和激光放电管，使起辉后放电电流不至过大，阻值大小一般在几十千欧至数百千欧范围内，视放电管参数而定。







图4－6 激光印字机氦氖激光器电源电路图



　　为消除或减轻放电电流的波动现象，该电路设计有稳流回路。即在放电管电路中串接一个电流负反馈电路来实现，其作用原理是将变化的电流作为取样信号输入由晶体管V₁₅、V₁₆组成的差分放大器，将其与基准信号比较并进行差分放大，再送入复合调整管V₂₁、V₂₂进行调整控制。

二、氩离子（Ar⁺）激光器电源电路

　　氩离子激光电源主要由灯丝电源、高压触发电源、主工作电源、磁场电源及一些辅助电源组成，如图4－7所示。



　　现将激光电源工作的基本原理分别介绍如下：



　　（1）激光管的离子化和弧光工作。完成激光离子化和产生弧光放电工作所需电路主要应包括灯丝供电、整流滤波电路和升压起动电路，其电路原理图如图4－8所示。



　　（2）电路工作原理。三相电源接通时，变压器T₃为灯丝提供3.6-3.9A的电流使其加热，同时二极管VD₁－VD₆和电容C₁₀、C₁₁及R₁、L₁组成一个三相桥式整流滤波电路为激光管提供一个250V的开路电压。另一路，由二极管VD₁₄、VD₁₅和电容C₁组成一个半波倍压整流滤波电路，它产生一个附加250V的电压，此电压反向加至二极管VD₇两端，使电源产生500V的开路电压，此电压对电容C₄充电储能，准备为激光管点燃时提供足够的能量。







图4－7 氩离子激光器电源原理图







图4－8 氩离子激光电源 主工作电源电路图



　　灯丝预热30s后，延时继电器接通K₃，这时当手控按钮开关SB₃时，K₄接通，500V电压通过C₂加至高压变压器T₂（变压比1：14）的初级，变压器的次级将感应产生5－7kV的高压加至激光管两端的电极上，使管内气体电离，产生辉光放电，短瞬间激光管电流急增为几安培，使激光管由辉光放电过渡为弧光放电。正常工作时，调节电流值达激光输出阈值，工作电流超过一定数值时使继电器工作，断开倍压滤波电路保证主电路有足够的能量输出。

三、二气化碳（CO₂）激光器电源电路

　　连续放电激励的CO₂激光器，大多采用直流辉光放电的激励电源，其电源电路原理图如图4－9所示。







图4－9 CO₂激光器电源电路原理图



　　图中T₁为调压器，T₂为高压变压器，SB为水压开关，VD₁－VD₄是4个高压硅堆，C₁、C₂为高压电容，R₅（10×1MΩ）为高压泄放电阻，R₄为限流电阻，PV是电压表，PA是电流表，A是激光放电管。



　　电源电路由低压电路和高压电路两部分组成。其电路工作原理是：当接通开关SA₁时，指示灯EL₁亮。没通水前，水压开关不工作，低压电源不接通，当通水并达一定水压时，水压开关SB接通，继电路KA通电吸合，其常开触点闭合，再接通开关SA₂，指示灯EL₂亮，此时低压电源接通工作。转动调压器旋钮，由电压表PV可指示调压器输出电压的大小。



　　当调节调压器输出时，高压变压器T₂将输出交流高压由4个硅堆组成的桥式整流，C₁、C₂、R₃组成π形滤波后电源获得一直流高压输出，经串联电阻R₄限流，将此高压加于激光管两端，使放电管起辉点燃，由于辉光放电的负阻特性，必须串接限流电阻才能使放电稳定，限流电阻的阻值应约为放电管内阻的几分之一。放电管的内阻与放电电流强度、放电管直径1气体混合比例以及管内总气压有关。如10mm内径，长度为1m的激光放电管，等效内阻约为600kΩ，限流电阻可选200kΩ左右。



　　图中高压泄放电阻R₅，并联在电容器的两极，进行电源切断后的放电工作，电压表PV和电流表PA，可用来指示电压与电流。

四、固体激光器电源电路

　　脉冲激光器如红宝石激光器，一般采用脉冲氙灯激励，而连续输出的固体激光器是采用光泵激励，如掺钕钇铝石榴石（简称Nd:YAG）激光器是采用连续氪灯泵浦，因而不同的光泵需用不同的供电电源，现分别介绍如下。



　　1．重复频率脉冲氙灯电源电路。重复频率脉冲红宝石激光器光泵电源电路，如图4－10所示。其光泵电源电路即重复频率脉冲氙灯电源电路由主电路、触发电路、预电离电路等组成。



　　电源电路工作原理：



　　（1）主电路（见图4－10）。图中T₁为高压变压器，C₁为高压储能电容，当C₁充电到一定电压时，电容C₁贮存能量为



　　E=1/2C₁U²



　　式中C₁的单位为法拉（F），电压U的单位为千伏（kV），能量E的单位为焦耳（J）。







图4－10 重复频率脉冲激光器电源电路图



　　当接通电源时，由高压变压器T₁输出的交流高压，经由高压硅堆组成的桥式整流，C、L滤波后产生直流高压与储能电容C₁，通过电感线圈（20mH）构成LC谐振回路，对C₁充电，因电容C₁是与氙灯两端并联，电压UV通过可控开关VT₂加在氙灯两极上。这时，因充电电压小于氙灯的自闪电压，灯不亮，电路中VT₁和VT₂为晶闸管，作国控制开关，当VT₁导通，VT₂截止时，电源对C₁充电。



　　当VT₁截止，VT₂导通时，电容C₁对灯管放电输出高压。晶闸管VT₁、VT₂所处状态可由重复频率信号源控制。放电过程中灯管内阻R_i很小（一般为0．5－1Ω），所以放电时间（τ）很短，根据公式：



　　τ=1/2R_iC



　　如R_i＝0．5Ω，C＝100μF，τ＝25μs，由于放电时间极短，会引起严重的冲击波和电极溅射，影响灯管寿命。为延长灯管寿命，在放电回路中应串入电感L（约40μH）。



　　（2）触发电路。如图4－10所示，图中T₃为电源变压器，T₄为高压变压器（如汽车的点火线圈）。



　　当220V电源接通时，变压器输出300V交流电压，经二极管VD₅对电容C₄（0．47μF）充电。C₄通过晶闸管VT₃与高压变压器T₄的原绕组构成LC放电回路，当按下触发开关K，接通触发信号源使VT₃导通，高压变压器T₄产生高压，使火花隙S放电，产生几万伏高压脉冲触发氙灯击穿电离；此时在主供电电路高压UV的作用下氙灯过渡为高电流密度的弧光放电，产生极强的闪光。当电容电压由于放电而下降到一定程度后，放电自行熄灭，完成一次闪光过程。



　　（3）预电离电路（见图4－10）。在上述回路中每次触发时将产生一个几万伏的高压火花，火花会影响氙灯寿命，并对电路产生干扰。为了消除火花，可采用预电离电路。T₂为电源升压变压器，当接通220V电源时，变压器次级将输出800V的交流电压，通过桥式整流和C、R滤波在灯管两端输入1kV左右直流高压；当触发信号使灯管击穿时，预电离电路就能在灯管内产生维持100-200mA的预燃电流，使灯管处于预燃状态。由主电路中控制晶闸管VT₂的导通，使C₁电压加于灯管时，处于预燃状态灯管即可形成脉冲放电，将灯管点亮。



　　在重复频率器件中，都是开始由高压火花触发，以后只要给VT₂以一定频率的触发信号，就可正常工作，因此可消除火花干扰，达到延长氙灯寿命的目的。



　　2．连续氪灯电源电路。连续Nd:YAG激光器是由连续氪灯进行光泵激励的，图4－11所示，为实用小型单相连续YAG激光器电源电路，其电源电路由主电路、控制电路及触发电路组成。







图4－11 连续氪灯电源电路图



　　电源主电路为一升压整流滤波电路，电路中的桥式整流的两臂用了两个晶闸管，构成晶闸管相控整流桥，将变压和整流部分结合在一起，由晶闸管控制电路提供信号，控制晶闸管导通角，实现电源电压的调整。连续氪灯正常工作电压约为100－130V，而起辉电压约为500V左右，故主电路输出电压须升压为500－1000V的直流高压，氪灯点燃需由触发电路提供一个几万伏的高压脉冲，使灯管击穿电主来实现。



　　其电源供电程序为：接通总开关SA，控制电路电源接通；指示灯HL₁亮，同时，晶痼管控制电路开始工作，按下按钮开关SB₁水泵接通电源工作；水压开关S接通，继电器KA₁获电吸合，其常开触点KA₁接通自锁，HL₂指示灯亮。按下主电路按钮开关SB₂，继电器KA₂吸合，其常开触点KA₂接通主电路和触发电路电源自锁；主电路中KA₂常闭触点断开，主电路受晶闸管控制信号作用，经升压整流滤波后的直流高压对储能电容C₅充电。当按下触发开关SB₃时，继电器KA₃吸合，KA₄、KA₅相继吸合；KA₅常闭触点断开，切断触发器供电电源，主电路中KA₄常开触点接通，将储能电容C₅上电压加于灯管两端。同时触发电路中KA₃接通，产生几万伏高压脉冲，加于灯管使氪灯击穿电离，并产生弧光放电使氪灯点燃。

第四章 复习思考题

　　1．试述如图4－3所示脉冲氙灯电源电路的组成及其电路工作原理。



　　2．何谓辉光放电的负阻特性？在电路设计时为使放电稳定应采取什么相应措施？



　　3．He-Ne激光器激励电源由哪些主要电路组成，其各部分的主要作用是什么？



　　4．YAG激光器所用的连续氪灯电源电路如图4－11所示，试说明其电路组成与工作原理。

[时间：2001-11-30  作者：杨皋　张长峰  来源：《印刷设备电路与控制》·第四章 印刷制版中常用光源电路]