Источники питания генераторов плазмы

Материалы лекции № 2.8 и 2.9.

Источники питания генераторов плазмы.

*****

Общие требования к выходным параметрам источника питания генератора плазмы. Инициирование разряда в генераторах плазмы. Инициирование разрядов в длинных разрядных промежутках. Классификация методов инициирования разряда в генераторах плазмы. (Инициирование разрядов в длинных разрядных промежутках. Классификация методов инициирования разряда в генераторах плазмы. Классификация методов инициирования разряда в генераторах плазмы.). Выбор типа источника вторичного электропитания для генератора плазмы. Стабилизация режима работы генератора плазмы. Общие понятия об устойчивости работы системы генератор плазмы – источник его питания. Некоторые принципы создания падающей выходной характеристики ИВЭП.

Приложение 1: Стабилизаторы напряжений и токов. Основные понятия. Схемы и основные параметры стабилизаторов. Особенности транзисторных стабилизаторов напряжения. Ключевые импульсные стабилизаторы. Электромагнитные стабилизаторы напряжения. Стабилизаторы напряжения с насыщенным сердечником. Феррорезонансные стабилизаторы напряжения.

Приложение 2: Основные понятия о сглаживающих фильтрах, требования предъявляемые к фильтрам (Основные понятия. Требования, предъявляемые к фильтру).

*****

Выше мы рассмотрели вольтамперные характеристики таких основных видов разряда, как тлеющий и дуговой. Выяснили характер изменения тока и напряжения в генераторе плазмы, включая и этап зажигания разряда. Следующим этапом может быть формулирование общих требований к выходным параметрам источника питания генератора плазмы.

2.8-9.1. Общие требования к выходным параметрам источника питания генератора плазмы.

Источник питания генератора плазмы обязан обеспечивать всю совокупность значений токов и напряжений, соответствующих рабочим режимам этого источника, включая зажигания разряда. Хорошо если источник для своей работы использует разряд с эмитирующим катодом (например, накаленным), в этом случае разряд можно зажечь от напряжения не слишком превышающего рабочее напряжение плазменного устройства. Однако в случае устройства использующего самостоятельный разряд такой катод отсутствует. А напряжение зажигания самостоятельного разряда обычно составляет сотни вольт, а то и многие киловольты, для очень малых промежутков (согласно кривой Пашена). Горит же разряд, обычно, при гораздо более низких напряжениях. Следовательно, источник питания должен быть высоковольтным, обеспечивающим выходное напряжение достаточное для зажигания разряда. Высоковольтный источник отличается от низковольтных наличием достаточно большого количества различных изоляторов и изоляционных прокладок, прослоек и т.д. А самое главное, что высоковольтный источник питания по сравнению с низковольтным на ту же мощность заметно дороже, а обеспечить его надежность гораздо сложнее.

После того как разряд инициирован, от источника питания, как правило, требуется быстрое снижение напряжения до рабочего. Здесь возникает вопрос, «куда же деть» разницу напряжений U_раб и U_заж. Понятно, что, используя тот или иной метод регулирования, выходное напряжение ИВЭП можно снизить до требуемой величины, но это значит, что в рабочем режиме источник питания будет сильно недогружен по мощности (см. рисунок 2.8-9.1.).

Известно, что в системе координат U-I мощность пропорциональна площади прямоугольника, одна сторона которого – напряжение, а другая - ток. При зажигании разряда от источника питания требуется обеспечить параметры U_заж ,I_заж. При работе в номинальном режиме U = U_раб, а I = I_раб. Характерно, что полная мощность источника питания определяется произведением U_заж I_раб и она будет существенно больше мощностей потребляемых от источника, как в режиме зажигания Р_заж = U_заж I_заж, так и в номинальном рабочем режиме Р_раб = U_раб·I_раб. Особо впечатляет эта разница мощностей для источников плазмы, использующих самостоятельный дуговой разряд без накаленного катода. Зажигание разряда происходит при напряжениях во много сотен вольт, а то и больше киловольта, а рабочее напряжение такой дуги несколько десятков вольт. Рабочий же ток дуги может равняться и десяткам и сотням и даже тысячам ампер. Получается, что в рабочем режиме источника плазмы будет использовать очень малую часть мощности источника питания.

Но есть и другая сторона этой проблемы. При снижении напряжения на разряде с U_заж до U_раб их разница должна «падать» либо внутри источника питания, либо «передвигать» рабочую точку источника плазмы по его ВАХ до тех пор пока суммарное падение напряжения на разряде U_раб и падение напряжения на внутреннем сопротивлении источника питания не станут в сумме равны U_заж. В таком случае не исключено, что генератор плазмы, рассчитанный на работу на нормальном тлеющем разряде, может перейти на аномальный тлеющий разряд или даже на дуговой. Плотность тока на электроды, которая при этом существенно возрастает, приведет к быстрому их разогреву, а окончится этот процесс в лучшем случае аварийной ситуацией, а в худшем - полным выходом источника плазмы из строя.