KR900008076B1 - 레이져 후래쉬램프용 광대역 고효율 심머 전원 공급장치 및 방법 - Google Patents

레이져 후래쉬램프용 광대역 고효율 심머 전원 공급장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

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Description

레이저 후래쉬램프용 광대역 고효율 심머 전원 공급장치 및 방법
제1도는 후래쉬램프 심머 전류 공급 및 제어장치를 포함하는 본 발명의 기본 소자를 도시한 개략도이고,
제2도는 고정된 저항기 부하를 구동시키기 위한 판스워드 심머 전원 공급장치에 대한 조절 곡선이며,
제3(a)도, 제3(b)도, 제3(c)도, 및 제3(d)도는 40μSEC에 걸쳐 본 발명의 한 조절 싸이클을 상세하게 도시한 트레이스(trace)도이고,
제4도는 심머 전류, 심머 전압, 및 공급 전압에 대한 여러가지 제한치를 나타내는 전형적인 후래쉬램프 양단의 전압 V(1)대 후래쉬램프 I(1)을 통하는 전류의 그래프도이며,
제5도는 FET 드레인 전압(상부) 및 드레인 전류(하부)의 전형적인 예를 도시한 이중 오실로스코프 트레이스도이고,
제6도는 본 발명에 의해 발생된 심머 전력 상태로부터 발생하는 후래쉬램프 전류의 주기적인 상승 및 강하상태를 나타내는 다른 오실로스코프 트레이스도이다.
1. 발명의 배경
1. 미합중국 정부 권리
미합중국 육군에 의해 재정된 계약 번호 DAAKl0-81-C-0093하에, 본 발명의 권리는 미합중국 정부가 갖는다.
2. 발명의 분야
본 발명은 레이저 펌핑 전원 공급장치에 관한 것으로, 더욱 상세히 말하자면, 레이저 광학 펌핑에 관련된 후래쉬램프와 같은 개스 방전 장치에 심머(simmer)전류를 제공하고 제어하기 위한 장치에 관한 것이다.
3. 기술의 설명
레이저 이득 매체는 광선 증폭 과정을 개시하는 여러가지 후래쉬튜브 또는 후래쉬램프 장치로부터 여자(excitation)에너지를 수신한다. 후래쉬램프는 연속적으로 준비된 공급장치내에 저장된 에너지로부터 광선을 발생시킬 수 있다. 일반적으로, 이 광선은 레이저 매체의 바닥 상태와 펌핑 밴드사이의 전이 주파수와 일치하는 주파수를 갖고 있는 광선 에너지를 포함하는 흑체(blackbody) 방사선으로 이루어진다. 이것은 이득 매체내의 상태 밀도반전을 유도함으로써 방사선의 방출을 유도하는 후래쉬램프 출력부분이다.
레이저로부터의 출력 에너지 안정성을 개량하고 후래쉬램프 수명을 증가시키기 위해서 후래쉬램프의 충분한 방전에 필요한 것에 비해 비교적 낮은 전력 레벨로 후래쉬램프를 통하는 심머 전류를 유지하는 것이 유리하다. 후래쉬램프 수명을 향상시키는 것은 매우 중요한 설계 목적인데, 그 이유는 본 발명과 유사한 장치와 결합되는 시스템이 백만 내지 천만배 이상 고장없이 작용하는 것으로 기대되기 때문이다. 심머 전류를 안정하게 유지하면 펄스화 전원 공급장치에 거의 순간적으로 응답하여 후래쉬램프내에 펄스화 아크(arc)가 형성될 수 있게된다. 결과적으로 후래쉬램프의 동작 수명은 고 에너지 펌핑 펄스로부터의 감소된 물리적 충격, 후래쉬램프 외피(envelope)의 감소된 실투현상(devitrification), 및 전극 스퍼터링과 증발의 최소화때문에 증가된다.
주펌핑 에너지가 이득매체에 인가될 때 용이하게 방전하도록 후래쉬램프를 심머 상태에 유지하는 중요성은 본 분야에 숙련된 기술자들에게 공지되어 있다. 다수의 초기 장치들은 이 일반적인 기술사업 분야에 속한다. 이 장치들중에, 소정의 발명은 후래쉬램프를 심머 상태내에 배치하는 문제점을 해결하기 위해 시도되었다.
미합중국 특허 제4,398,129호에서, 토간(Logan)은 에너지 저장 캐패시터의 불완전한 방전으로부터 전류의 안정한 장방형 펄스까지 부분적으로 이온화된 개스 레이저 여자 후래쉬램프를 주기적으로 종속시키기 위한 전류 모우드 스위치로서 불포화 트랜지스터를 사용하는 후래쉬램프 구동 회로에 대해 기술하였다. 펄스 기간은 단안정 멀티 바이브레이터에 의해 설정되고, 펄스 진폭은 에미터 저항기상의 탭에 의해 제공된 피드백(feedback)신호에 의해 제어된다. 이 회로는 구형파 전류 후래쉬램프 방전을 제공하기 위해 후래쉬램프를 구동시킨다. 램프가 외부 소오스로부터 점등 전압 펄스에 의해 부분적으로 이온화된 상태에 배치된 후에, 활정 공동에미터 형태로 포화상태이하에 유지되는 회로내의 트랜지스터는 2개의 모우드, 즉 부분적인 이온화를 유지하는 심머 상태와 전체 이온화 펌핑 상태사이로 전류의 진폭을 주기적으로 스위치한다. 토간 특허는 주로 후래쉬램프 전류 및 레이저 펌핑 과정을 제어하기 위해 후래쉬램프와 직렬로 활성 장치를 이용하는 것에 관련되어 있다. 이 특허에 기술된 회로는 심머 전류를 활성적으로 제어하기 위한 장치 및 방법을 제시하지 않는다. 토간은 소정의 부하가 부과되어 그의 램프 구동 회로의 심머 상태 세그먼트의 대역폭을 심하게 제한시키는 경우에, 그의 장치에 의해 발생된 심머 상태가 고장난다고 설명하였다. 토간 발명은 심머 전류의 조정에 관한 것이라기 보다는, 층분한 고 전류 방전중에 레이저 출력 펄스의 형태, 지속기간 및 타이밍을 제어하기 위해 활성 장치를 사용하는 것에 더욱 관련된것으로 나타난다.
미합중국 특허 제4,035,691호에서, 알트맨(Altman)등은 원래 3600 내지 4300Å 스펙트럼 영역내에 있는 광선에너지 출력을 갖고 있는 펄스화 레이저 여자 소오스에 대해 기술하였다. 바람직한 스펙트럼 영역내에서 방사하기 위해 거의 투명하게 되어 있는 물질로 된 외피는 비가열 상태에서 최소한 한 압력 분위기를 발생시키는 소정량의 크세논(xenon) 개스를 포함한다. 또한, 외피는 동작 온도로 가열될때의 분위기보다 적지않은 증기 압력을 발생시키는 소정량의 수은을 포함한다. 이 밀봉 외피내에 간격을 두고 배치된 전극들이 펄스화 전력의 외부 소오스에 의해 활성화될때, 전기 아크 또는 방전이 발생된다. 알트맨 발명의 한 실시예내에서, 광선 소오스내의 직류 심머 전류는 크세논 개스의 브레이크다운(breakdown)을 용이하게 하기 위해 15 내지 25Å의 범위내에 유지되므로, 펄스화 전원에 거의 순간적으로 응답하여 공간 전극 양단에서 펄스화 아킹을 하게 한다. 본 발명의 양호한 실시예는 크세논 개스의 브레이크다운을 촉진하여 용이하게 하기 위해 적합한 직류 전원을 양호하게 포함할 수 있다.
미합중국 특허 제4,005,333호에서, 니콜스(Nichols)는 레이저가 완전히 활성화 되기전에 선정된 기간에 후래쉬램프를 약간 턴 온시킴으로써 광학적으로 결합된 Nd : YAG(네오디뮴 : 이트륨-알루미늄-가아닛)레이저의 출력 효율을 증가시키기 위한 장치에 대해 기술하였다. 이 발명은 주에너지 방전이 레이저 이득 매체를 자극하기 위해 해제되기 바로 전에 소량의 펌프 에너지가 후래쉬램프에 인가되는 의사심머(pseudosimmer)개념을 이용하였다. 니콜스는 이 트리거링 방법이 주 에너지가 후래쉬램프를 해제할 때 큰 이온경로 직경을 발생시킨다고 주장하였다. 후래쉬램프를 통한 주 에너지 공급장치로부터의 전류 흐름은 실리콘 제어 정류기에 의해 제어된다. 니콜스의 심머 펄스 회로망은 흐를 수 있게 될때 포화 인덕터, 분리 다이오드 및 후래쉬램프를 통해 직렬로 전도되는 에너지를 저장하는 캐패시터를 특징으로 한다.
미합중국 특허 제3,967,212호에서, 데레(Dere)등은 펌핑 공동(cavity), 복굴절성 필터, 다수의 주파수체배 결정체를 포함하는 후래쉬램프 펌프화 다이(dye) 레이저용 광학 공동에 대해 기술하였다. 펌핑 공동내에서, 후래쉬램프는 강제 공기 대류에 의해 냉각되고 직류 심머 전류로 동작된다. 이 장치의 발명자들은 후래쉬램프에 직류 아크 또는 심머 전류를 인가하면 후래쉬램프의 동작 수명이 증가된다고 주장하였다. 또한, 데레 등은 이 기술이 후래쉬램프에 의해 지속된 고 에너지 펌핑 펄스의 물리적 충격을 감소시키고, 외피 실투현상을 감소시키며, 전극 스퓨터링 및 증발을 최소화시킨다고 주장하였다. 데레 특허는 후래쉬램프의 동작 수명을 증가시키기 위해 심머 전원 공급장치를 사용하는 것에 대해 언급하였지만, 이 발명자들은 본 발명내에 청구된 바와 같은 심머 전류 발생장치 및 방법을 제시하거나 제안하지는 않았다.
미합중국 특허 제4,267,497호에는 지속파 아크 램프와 같은 레이저 후래쉬튜브 또는 램프용 전원 공급장치에 대한 설명도 포함되어 있다. 버벡(Burbeck)등은 직류 공급장치로부터 펄스 대열(train) 출력을 제공하기 위한 고 주파수 스위치에 대해 기술하였다. 펄스 대열 출력이 후래쉬튜브 또는 램프 양단에 부여되기전에, 신호의 펄스 폭은 변조되고, 신호내의 고 주파수 리플부분은 필터 장치에 의해 제거된다. 변조된 펄스 대열 출력은 후래쉬튜브 또는 램프에 심머 전류를 공급하기 위해 직류 레벨로 상승될 수 있다. 고 주파수 스위치는 최소한 한 트랜지스터 또는 다이리스터(thyristor)로 구성될 수 있다. 필터는 인덕터 및 캐패시터의 배열로 될 수 있다.
이 버벡 발명은 후래쉬램프에 제어된 전류를 공급하는 스위칭 형 조절기를 구성한다. 이 종래의 장치는 후래쉬램프 양단의 전압을 감지하는 것과 반대로, 램프를 통하는 전류, 및 일정한 저 리플 램프 전류의 발생에 더욱 관련된 감지기술을 사용한다. 버벡 후래쉬램프 내의 도전 상태를 유지하는데 필요한 심머 전류의 레벨은 심머 전류가 비교적 낮은 임피던스 소오스로부터 발생되기 때문에 비교적 높게 된다.
상술한 발명들은 후래쉬램프 전압 변화에 신속히 응답하지 않고, 단일 제어 루우프내의 dc-dc 변환기를 사용하여 심머 전류를 조절하지 못하고, 미리 선택된 바람직한 상부 레벨과 하부 레벨 사이에 후래쉬램프 심머 전류를 유지하지 못하며, 종래의 대부분의 장치에 의해 생긴 포화 및 동기 단점을 방지하지 못한다. 이 종래의 방법 또는 장치는 이 심머 전류 문제점의 모든 복잡한 형태를 처리하는 효과적이고 포괄적인 해결책을 제공하지 못한다. 이 문제점의 이러한 해결책은 20년이상 동안 레이저 산업에 의해 얻어진 오랫동안 느껴왔던 필요성을 만족시키게 된다. 레이저 후래쉬램프 수명을 상당히 연장시키는 유효한 심머 전류를 발생시키기 위한 실질적으로 실용적이고 신뢰할만한 장치는 광전자 분야가 크게 발달하게 한다. 레이저 장치의 제조자들은 요구시에 전체 전력으로 순간 방전할 수 있는 레이저를 발생시키기 위해 이러한 혁신적인 설계를 사용할 수 있다. 이러한 발명은 이상적으로 다수의 간섭성 방사 시스템과 상호동작하여 동작하기에 적합하게 되고, 광범위한 동작 상태 및 시스템 응용에 걸쳐 일관성있고 신뢰할 수 있게 실행하게 된다.
발명의 요약
본 발명은 레이저 후래쉬램프 및 이와 유사한 개스 방전 램프의 성능 및 동작 수명을 향상시키는 적합한 심머 전류의 발생, 조절, 및 제어 문제점의 유효하고, 실용적이며, 저렴하고, 간편하며, 간단한 해결책을 제공한다. 본 발명은 최저 심머 전류에서 후래쉬램프에 필요한 최대 전압보다 높은 출력 전압을 발생시키기 위해 dc-dc 변환기를 사용한다. 이 변환기는 인덕터에 의해 후래쉬램프에 접속된다. 이 인덕터를 통하여 전류는 최소 인덕터 전류가 감지될 때 dc-dc 변환기를 턴온시키고, 최대 전류가 인덕터를 통해 흐를때 이변환기를 턴 오프시키는 작동기 회로에 의해 감지된다. 심머 전류는 미리 선택된 제한치를 사이로 자동적으로, 신속하게 확실하게 유지된다. 이 자동 조절은 변압기 포화에 의해 발생되는 해로운 전류 스파이크(spike)를 발생시키지 않고서 달성된다. 연속적인 심머 상태를 유지함으로써, 판스워드(Famworth) 후래쉬램프 심머 전원 공급 장치는 후래쉬램프가 전체 전력 준비 상태로 계속 유지되게 한다. 램프 심머 상태가 내부 전극들사이에 이온을 도전시키는 미소 필라멘트를 보존하기 때문에 확장된 기간동안 온상태로 유지된다. 후래쉬램프 동작 특성이 소정시간이후에 저하되더라도, 심머 회로는 계속 동작하는데, 그 이유는 동작특성이 일정하게 될 수 있고 변환 후래쉬램프 전류에 대해 거의 순간적으로 조정될 수 있기 때문이다. 이 거대한 동적범위 및 동작의 안정성은 이 혁신적인 장치가 크게 다른 환경 조건하에서 광범위한 종류의 레이저 시스템에 사용될 수 있게한다.
본 발명은 상호작용 제어 루우프 설계와 결합되는 종래의 장치에 있었던 포화 및 동기 문제점이 없이 심머 전류를 제어한다. 이전의 장치는 후래쉬튜브를 통하는 평균 전류를 감지하고 불균형을 보정하기 위해 천천히 응답함으로써 심머 전류를 제공하도록 시도하였지만, 본 발명은 순간적인 교정법을 제공한다. 또한, 본 발명은 이전의 복잡한 전자 설계를 간단하게 한다. 하기에 청구된 본 발명에 사용된 스위칭 구성부품은 과거에 사용되었던 다중 스위칭 루우프 및 이들의 모든 공존하는 문제점을 극복한 발전을 나타낸다. 또한, 판스워드 심머 전류 발명은 후래쉬램프 성능을 크게 저하시키는 잡음 및 쥬울(Joule) 열 손실로부터 거의 면제되는 회로설계를 포함한다.
그러므로, 본 발명의 목적은 요구시에 순간 전체 전력 용량을 제공하기 위해 연속적이지만 약간 활성 또는 심머 상태로 후래쉬램프 또는 개스 방전 장치를 유지시키는 자동적으로 정밀 제어되고 조절된 심머 전류를 제공함으로써 후래쉬램프 또는 개스 방전 장치의 동작 수명을 상당히 증가시키기 위한 것이다. 전체 방전 아크를 재개시하는 반복적인 필요성을 제거함으로써, 연속적인 저 전력 아크는 전체적으로 완전한 냉각상태로부터 후래쉬를 반복적으로 시동할 필요성을 제거시킨다.
본 발명의 또 다른 목적은 매우 짧은 기간내에 후래쉬램프 전류의 변화에 응답할 수 있는 심머 전류 시스템을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 램프의 요구조건이 0(zero)와 최대 공급 전압사이에 있는 동안, 후래쉬램프 전류가 미리 선택된 하한치 이하로 떨어지지 않고 미리 선택된 상한치를 초과하지 않게 하기 위한 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 단일 제어 루우프를 구성하는 회로 배열내에 조절되는 dc-dc 변환기를 사용함으로써 심머 전류를 제어하여, 이전 설계에 관련된 동기 및 그밖의 다른 단점들을 방지시키기 위한 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 dc-dc 변환기 변압기가 포화상태로 되는 경우에 후래쉬램프 전류의 과도 강하를 방지하기 위한 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 제어 회로내의 저항성 열 손실을 최소화 시킴으로써 이전 설계보다 더욱 효율적으로 심머 전력을 후래쉬램프에 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 램프내의 잡음 또는 전압 변동의 해로운 결과로부터 비교적 면제되는 양호하게 조절된 후래쉬램프 심머 전류를 공급하기 위한 것이다.
지금부터 첨부도면을 참조하여 본 발명의 양호한 실시예에 대해 기술하겠다.
양호한 실시예의 설명
제1도는 생략된 개략형태로 심머 전류 전원 공급장치(10)의 계통도를 도시한 것이다. dc-dc 전류 변환기 변압기(12)는 1차권선(14), 2차권선(16) 및 직류 입력 중앙 탭(18)을 포함한다. 이 양호한 실시예에서, 1차권선 대 2차권선의 비는 3대 1이고 입력 탭(18)에 유입된 전압은 28V이다. 1차권선(14)는 온/오프 스위치로서 개략적으로 도시된 제1스위칭 장치(20)과 제2스위칭 장치(22)에 결합된다. 양호한 실시예에서, 제1 및 제2스위칭 장치는 전체효과 트랜지스터(field effect transistor, FET)이다. 2차권선(16)의 출력은 4개의 다이오드(24a,b,c,d)를 포함하는 전파 정류 브리지(24)에 병렬로 접속된다. 정류 브리지(24)는 후래쉬램프 결합 인덕터(26)을 통해 후래쉬램프(28)의 애노드에 직렬로 결합된다. 본 발명의 최상 모우드는 인덕터(26)으로 125μh 코일을 사용한다. 인덕터(26)을 통하는 전류는 I(s)로써 도시되어 있다. 후래쉬램프의 캐소드 또는 (-)단자는 접지에 접속된다.
램프 전류 감지 회로(34)는 램프 전류 감지 회로 결합 인덕터(30)을 통해 정류기(24)에 접속된다. 또한, 이 인덕터도 양호한 실시예에서 12μh 코일이다. 10Ω의 저항을 갖고있는 램프 전류 감지 회로 결합 저항기(32)는 인덕터(30)을 접지에 접속시킨다.
또한, 심머 트리거 회로(38)은 램프 양단의 전압이 프리셋트 레벨을 초과할 때 램프(28)의 트러거링을 개시하기 위해 인덕터(26) 및 심머 트리거 회로 결합 저항기(36)을 통해 정류기(24)의 출력에 직렬로 결합된다. 결합 저항기(36)의, 양호한 값은 301kΩ이다. 변압기 1차 전류 감지 회로(40)은 결합 저항기(42)에 접속된다. 0.1Ω의 저항값을 갖고 있는 결합 저항기(42)는 제1스위칭 장치(20) 및 제2스위칭 장치(22)를 접지에 접속시킨다.
본 발명의 기본형태중 한 형태는 최저 심머 전류에서 후래쉬램프(28)에 필요한 최대 전압보다 높은 출력전압을 발생시키는 dc-dc 변환기 변압기(12)의 동작이다. 변환기 변압기(12)의 변압이 램프 전압보다 높기 때문에, 결합 인덕터(26)내의 전류는 소오스 전압과 부하 전압의 차이와 코일(26)과 코일(30)의 인덕턴스 값의 차이에 의해 결정된 비로 증가한다.
후래쉬램프(28)내의 심머전류가 너무 낮으면, 스위칭장치(20,22)중 한 장치가 작동되고, 변환기 변압기(12)의 출력내에서의 전압은 증가되어 필요한 후래쉬램프 전압을 신속하게 초과하게된다. 전파 정류 브리지(24)는 2개의 인덕터(26 및 30) 양단에 이 초과 전압을 부여한다. 이 부여된 전압의 극성은 인덕터(26 및 30)을 통하는 전류가 시간이 지남에 따라 증가하도록 되어있다. 후래쉬램프(28)은 이 코일들과 직렬로 접속되기 때문에, 이에 따라 후래쉬램프 전류 I(s)가 증가한다. 전류 I(s)가 너무 크거나 너무 크게되면, 스위칭장치(20,22)는 턴오프되고, 후래쉬램프(28)을 통과하는 전류는 단지 코일(26 및 30)의 유도성 작용에 의해서만 유지된다. 이것은 인덕터(26 및 30) 양단의 전압 강하를 발생시키어, 소정 시간에 걸쳐 후래쉬램프전류를 감소시킨다.
램프 전류 감지회로(34)는 인덕터(30) 및 저항기(32)의 도움으로 부하 전류 I(s)를 모니터하는 종래의 논리회로이다. 이 전류 감지 분기회로(subcircuit)의 소자 및 설계는 전자분야에 숙련된 기술자들에게 공지되어 있다. I(s)가 미리 선택된 상한치에 도달할때, 램프 전류 감지회로(34)는 2개의 스위칭장치(20,22)중 한 장치를 턴오프시킴으로써 변환기 변압기(12)를 턴오프시킨다. 변환기 변압기(12)로부터의 이 출력변화는 램프 전압 및 코일(26 및 30)의 인덕턴스 값에 의해 결정된 비로 후래쉬램프 전류를 즉시 감소시킨다. 전류 Ⅰ(s)가 미리 신택된 하한치로 강하될 때, 변환기 변압기(12)는 다시 작동되고, 램프 전류 I(s)는 즉시 증가한다. dc-dc 변환기(12)가 턴온될때마다, 스위칭장치(20,22)는 이들의 동작이 교호되도록 토글(toggle)된다. 이 교호동작은 2개의 스위칭장치가 소정의 동작기간 동안 턴오프되더라도, 변환기 변압기(12)가 동작범위내에 유지되게 한다. 램프 전류의 상한치가 달성되기전에 dc-dc 변환기 변압기(12)가 포화상태에 도달하면, dc-dc 변환기는 차단된다. 이것은 램프 전류 I(s)가 하한치에 도달할때까지 비활성 상태로 유지되고, 그 다음 변환기의 대향 스위칭장치는 다시 턴온된다.
변환기 변압기(12)가 포화상태로될 때, 증가된 1차 전류는 변압기 1차 전류 감지회로(40) 및 스위칭장치(20,22)에 접속된 저항기(42)에 의해 감지된다. 2개의 스위칭장치(20,22)가 전계효과 트랜지스터인 경우, 저항기(42)는 이들의 공통 소오스와 직렬로 접속된다. 1차 전류 감지신호가 변압기 1차 전류 감지회로(40)내의 전류 감지 비교기(도시하지 않음)의 소정의 임계치를 초과하면, 신호가 발생되어 2개의 스위칭장치(20,22)를 턴오프시킨다. 이때, 램프 전류 감지회로(34)내의 전류 감지 비교기(도시하지 않음)는 후래쉬램프 전류 I(s)가 하한치에 도달할때까지 2개의 스위칭장치(20,22)를 오프상태로 유지시킨다. 변환기 변압기(12)의 포화상태는 스위칭장치(20,22)가 전체 후래쉬램프 전류 I(s)에 도달하는데 필요한 기간의 거의 전체기간동안 턴온될때에만 발생하기 때문에, 2개의 스위칭장치가 오프상태로 유지되는 시간은 스위칭장치(20,22)의 비동작인 I(s)에 대한 미리 선택된 상한치에 도달함으로써 야기된 경우와 같이 길게된다. 통상적으로, 포화상태는 1차권선의 2개의 절반부의 권선저항의 약간의 불균형 및 스위칭장치들이 온 상태에 있을때의 스위칭장치의 저항 차이경우에만 생긴다. 램프(28)이 개방(open)상태로 되는 경우에, 1차 감지회로(40)은 변압기(12)가 2개의 포화제한치들 사이를 안정하게 교호하게되는 비교적 낮은 주파수에서 스위칭장치(20,22)를 토글하도록 작용한다. 그러므로, 심머링 상태하에서, 이 스위칭의 주파수는 램프 전류 감지회로(34) 또는 변압기 1차 전류 감지회로(40)내의 전류 감지로 인해 스위칭하기 의해 거의 동일하게 된다. 스위칭 주파수는 회로 구성부품의 값 및 후래쉬램프(28)의 동적 동작에 의해 결정된다. 스위칭 주파수는 코일(26 및 30)의 인덕턴스의 값을 증가시킴으로써 감소될 수 있다.
스위칭장치(20,22)의 동작을 교호하는 토글링 작용은 변압기 1차 전류 감지회로(40)내의 플립-플롭회로(도시하지 않음)에 의해 제어된다. 2개의 스위칭장치(20 및 22)가 교호로 작동되므로, 변환기 변압기(12)내의 자속이 비포화범위 이상으로 앞뒤로 변한다. 자속이 순환할때, 교호극성의 전압은 변압기 2차권선(16)에 공급된다.
심머 전원 공급장치(10)의 초기 동작 기간동안, 후래쉬램프(28)의 도전상태는 심머 트리거 회로(38)에 의해 개시된다. 이 분기회로는 후래쉬램프(28)의 초기 이온화를 간단히 제공하여, 심머 전류가 흐르게하여 후래쉬램프를 연속적인 준비상태에 유지시킨다. 회로(38)내의 구성부품 및 이것의 설계 및 동작은 전자공학분야에 숙련된 기술자들에게 널리 공지되어 있다.
제2도는 고정 저항 부하를 구동시키기 위한 조절곡선(44 및 46)을 도시한 것이다. 조절기 전압 V(s)는 곡선(44)로 V 대 램프 저항 Ω으로 도시되어 있다. 곡선(46)은 램프를 통하는 전류 I(s)를 도시한 것이다.
조절기 전압 V(s)의 단일 싸이클, 후래쉬램프 부하 전류 I(s), 램프 저항 R(I), 및 후래쉬램프 도전 경로의 상대 직경 d∼는 제3도에 도시되어 있다. 이전 장치의 성능에 본 발명에 대한 이 데이타를 비교하면, 후래쉬램프 전류 변화를 평활하게 하고 상당히 좁은 범위에 이 변화를 제한시키기 위한 판스워드 회로의 훌륭한 능력을 추측할 수 있게된다. 본 발명은 종래의 장치에 있었던 동기 문제점을 고정시키지 않고 발생시키지 않기 때문에, 하기에 청구된 발명내의 후래쉬램프는 이전의 전원 공급장치내에서 관찰된 소멸(snuff-out) 문제점을 배제시키는 동적 저항 례벨 및 아크직경에서 동작한다.
제4도는 심머 전원 공급 장치의 동적 범위를 도시한 것이다. 단일 그래프는 본 발명의 전체 동작 범위에 걸친 후래쉬램프 전류 I(1)에 대한 후래쉬램프 전압 V(1)를 도시한 것이다. 변압기(12)의 출력 전압은 수평대시(dash) 라인(60)으로 표시되어 있다. 중간 수평 대시 라인(62)는 바람직한 최소 심머 전류에서 최대램프 전압을 나타낸다. 최저 수평 대시 라인(64)는 바람직한 최대 심머 전류에서 최소 램프 전압을 나타낸다. 양호한 실시예에서의 심머 전류의 범위는 최소 전류(66) 및 최대 전류(68)로 표시되어 있다. 전압 대 전류 그래프의 저 전류 범위(56)에서, 후래쉬램프(28)의 임피던스(R)은 -10KΩ 이상으로 된다. 저 전류범위(56)은 대시 수직 라인(66)으로 표시한 심머 전류 범위의 하한치에 의해 제한된다. 후래쉬램프는 동작이 비선형으로 되는 부하를 나타낸다. 저 전류에서 동작될때, 이것의 저항은 (-)로 될 수 있다. 이 (-)임피던스 범위에서 후래쉬램프의 동작을 안정화시키기 위해, 후래쉬램프는 램프의 (-)임피던스보다 큰 (+)임피던스에 의해 구동된다. 전압 대 전류곡선의 고 전류 부분(58)은 심머 전류(68)의 범위의 상한치에 의해 제한된다. 이 동작 범위에서, 후래쉬램프의 임피던스(R)은 1 또는 2 정도로 된다.
제5도는 본 발명의 검사중에 얻어진 실험 데이타를 도시한 것이다. 한쌍의 전계효과 트랜지스터가 dc-dc 변환기 변압기(12)의 1차권선(14)내의 제 1 및 제2스위칭장치(20 및 22)로서 사용될때, 드레인 전압 및 드레인 전류는 곡선(70 및 72)로 각각 도시한 바와 같이 나타난다. 전압곡선(70)은 횡좌표를 따라 구간당 20V를 나타내는 그리드(grid)에 대해 분배된다. 전류 곡선(72)는 수직 구간당 5A로 분배된다. 2개의 그래프(70 및 72)는 구간당 20μSEC로 분배되는 종좌표를 따른 시간척도에 대해 도시되어 있다.
제6도는 판스워드 심머 전원공급 장치의 실험실 검사중에 발생된 그래프를 포함한다. 후래쉬램프 전류는 y-축을 따른 구간당 20mA의 척도 및 x-축을 따른 구간당 20msec의 시간 척도에 대해 곡선(74)로 도시되어 있다. 본 발명이 후래쉬램프 전류를 감지하기 위해 저 저항값의 감지 저항기를 포함하기 때문에, 판스워드 심머 전류 발명은 또한 후래쉬램프 성능을 크게 감쇠시키는 잡음 및 쥬울 열 손실로부터 거의 면제되는 회로 설계를 포함한다.
양호한 실시예에서, 캐소드로부터 애노드까지 측정된 램프 양단의 스트라이크(strike) 전압은 모멘트 트러거링이 개시될 때 대략 최소한 800V로 된다. 램프 양단의 공정 심머 출력 전압은 소정의 안정 상태값을 취하는데, 통상적으로는 램프 특성에 의해 요구된 바와 같이 100 내지 200V 사이이다. 심머 전류는 공칭적으로 약 60mA이고, ±30%의 최대 단기(short term) 편차 싸이클을 갖고 있다. 심머 전류는 후래쉬램프가 트리거된 후에 즉시 최적하게 발생될 수 있다. 또한, 램프 전압은 심머 아크가 형성되는 동안 램프 저항이 최적하게 신속히 강하하게 할 수 있다. 안정상태 동작중에, 전압은 심머 공급 내부 발진에 의해 야기된 램프 저항내의 단기 변화를 발생시킨다. 전류 조절은 변압기의 2차권선내에서 제어된다. 직렬 인덕터를 통하는 전류 I(s)의 고레벨값 저레벨값은 직접 감지되고, 변압기의 1차 권선내의 스위칭 전계효과 트랜지스터를 개방 및 페쇄시키기 위해 사용된다. 이 실시예의 한 장점은 FET도전 상태가 중첩되지 않는다는 것인데, 그 이유는 I(s)가 너무 높아서 감소될때 FET가 모두 개방되고 너무 낮아서 증가할때 FET 한개가 페쇄되기 때문이다. 회로는 전류가 높게되어야 할 필요가 있을때 페쇄되는 FET를 자동적으로 교호하도록 배열된다. 한 FET가 페쇄되고 I(s)가 미리 선택된 제한치에 도달될때, 이 FET는 개방된다. I(s)가 미리 선택된 최소 제한치에 도달한 후에는, 다른 FET가 폐쇄되고 싸이클은 필요할때 종종 반복된다.
양호한 실시예의 다른 장점은 한 사이클 동안 변압기가 스위칭 FET의 불균일한 정합 또는 과도하게 높은 심머 전압 필요성으로 인해 포화상태로 된 경우에, 변압기의 1차권선내의 제2감지는 작동되거나 도전중인 FET를 오프상태로 스위치하게 되고 권선의 다른 절반부는 활성화된다. 이 혁신적인 발명의 이 변형의 또 다른 주요 특징은 심머 전류가 개시되기전에, 램프가 예를 들어 심머 전류회로의 배경으로부터 매우 큰 저항값 즉 30억Ω을 갖는 것으로 나타난다는 것이다. 이때, 심머 상태가 부여되기전에, 약 800V의 전체 전압이 이 가상 개방 회로상에 부여된다. 이것은 전체 2차권선이 1차권선의 각각의 절반부에 의해 구동되기때문에 이 설계에 의해 더욱 용이하게 달성된다. 레이저 방사 장치내에 이 중요 발명을 결합시킴으로써 실현될 수 있는 또 다른 장점은 필요한 구성부품의 경제성인데, 그 이유는 판스워드 심머 전원 공급 장치가 후래쉬램프 양단에 필터 캐패시터를 필요로 하지 않기 때문이다. 이 개량점은 이전 장치에 비해 램프 전류의 변화에 상당히 더욱 신속하게 응답하게 한다.
이 심머 전원 공급 회로를 양호하게 동작시키기 위해, 입력 탭(18)에서의 변압기 입력전압 및 변압기(12)의 승압(step-up) 교체율의 적(product)은 필요한 후래쉬램프 전압보다 크게되어야 한다. 전자공학 분야에 숙련된 기술자들은 이 설계의 필요성을 잘 알고 있고, 하기에 청구된 판스워드 발명에 사용하기에 적당한 변압기에 제공함으로써 이 동작상태를 제공할 수 있게 된다.
판스워드 심머 전원 공급 장치는 미리 선택된 상한치와 하한치 사이에 후래쉬램프 전류 I(s)를 연속적으로 유지시킨다. 이것은 후래쉬램프 특성과 무관한 이상적인 심머 동작을 제공한다. 이 중요한 발명은 레이저 및 전기-광학 분야에 진보적인 주요 스텝으로 구성된다.
지금까지 본 발명을 특히 양호한 실시예에 관련하여 상세하게 기술하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에 숙련된 기술자들은 발명의 원리 및 범위를 벗어나지 않고서 본 발명을 여러가지로 변형 및 개발 할 수 있다.

Claims (13)

  1. 개스 방전 장치가 전체 전력 준비 상태로 항상 유지하도록 하기 위해 개스 방전 장치내에 심머 전류를 일정하게 유지하는 방법에 있어서, 최저 개스 방전 장치 심머 전류에 대응하는 최대 개스 방전 장치 전압보다 항상 큰 개스 방전 장치 입력 전압을 발생시키는 수단, 및 심머 전류가 미리 선택된 정밀한 범위값들내에서 연속적으로 순화하도록 개스 방전 장치내의 심머 전류의 크기에 직접 응답하여 개스 방전 장치 입력 전압을 조정하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 후래쉬램프에 심머 전류를 제공하는 방법에 있어서, 인덕터를 통해 직렬로 후래쉬램프에 결합된 후래쉬램프 전류 감지회로로 후래쉬램프내의 후래쉬램프 전류를 감지하는 수단, dc-dc 변환기 변압기에 결합되는 변압기 1차 전류 감지회로내에 저장된 전류 상한치와 전류 하한치에 후래쉬램프 전류를 비교하는 수단, 인덕터를 통해 후래쉬램프에 결합되고 출력 전압을 증가시키어 후래쉬램프 전류를 증가시키는 dc-dc변환기 변압기를 활성화시킴으로써 후래쉬램프 전류가 전류 하한치와 동일하게 되는 경우에 후래쉬램프 전류를 증가시키는 수단, 및 변환기 변압기를 비활성화시키어 정밀하게 제어된 범위내에 후래쉬램프 전류를 유지하기 위해 후래쉬램프 전류를 감소시킴으로써, 후래쉬램프 전류가 상한치와 동일하게 되는 경우에 후래쉬램프 전류를 감소시키는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 개스 방전 장치에 심머 전류를 제공하고 제어하기 위한 장치에 있어서, 개스 방전 장치내의 개스 방전 장치 전류를 감지하기 위한 전류 감지장치, 개스 방전 장치애 결합된 다수의 인덕터, 개스 방전 장치에 심머 전류를 공급하기 위해 개스 방전 장치에 결합된 전력장치, 미리 선택된 전류 범위내의 심머 전류를 제공하기 위해 전력 장치를 선택적으로 활성화시키기 위해 전력 장치에 결합된 제 1 및 제2스위칭장치, 및 제1 및 제2스위칭장치의 교호 동작을 조절하기 위해 전력 장치와 제1 및 제2스위칭장치에 결합된 제어장치로 구성된 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 제3항에 있어서, 전류 감지 장치가 다수의 인덕터를 통해 개스 방전 장치에 결합되는 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 제3항에 있어서, 전력 장치가 1차권선 및 2차권선을 포함하고 전파 브리지 정류기에 결합되는 변압기를 포함하는 dc-dc 변환기인 것을 특징으로 하는 장치.
  6. 제3항에 있어서, 제1 및 제2스위칭장치가 전계효과 트랜지스터인 것을 특징으로 하는 장치.
  7. 제3항에 있어서, 개스 방전 장치가 레이저용 후래쉬램프인 것을 특징으로 하는 장치.
  8. 제3항에 있어서, 제어장치가 제1 및 제2스위칭장치에 결합된 변압기 1차 전류 감지회로인 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 제5항에 있어서, dc-dc 변환기 변압기가 심머전류의 미리 선택된 하한치에서 개스 방전 장치에 의해 필요한 최대 전압보다 큰 출력 전압을 항상 발생시키는 것을 특징으로 하는 장치.
  10. 제5항에 있어서, 개스 방전 장치 전류가 미리 선택된 최대 전류를 초과하는 경우에 스위칭장치가 제1 및 제2스위칭장치중 한 장치를 비 작동시킴으로써 엔에이블될 때, 전류 감지 장치가 dc-dc 변환기 변압기를 턴오프시키는 것을 특징으로 하는 장치.
  11. 제5항에 있어서, 개스 방전 장치 전류가 미리 선택된 최소 전류 이하로 강하되는 경우에 제1 및 제2스위칭장치중 한장치를 교호 순차로 작동시킴으로써, 전류 감지 장치가 dc-dc 변환기 변압기를 턴온시키는 것을 특징으로 하는 장치.
  12. 제5항에 있어서, 제1 및 제2스위칭장치가 dc-dc 변환기 변압기의 1차권선에 결합되는 것을 특징으로 하는 장치.
  13. 1차권선, 2차권선, 중앙 입력 탭, 1차권선에 결합된 제1FET스위칭장치, 1차권선에 결합된 제2FET스위칭장치, 및 전파 브리지 정류기를 포함하고, 후래쉬램프 결합 인덕터를 통해 후래쉬램프에 결합되는 dc-dc 변환기 변압기, 램프 전류 감지 회로 결합 인덕터를 통해 dc-dc 변환기 변압기에 결합된 후래쉬램프 전류 감지 회로, dc-dc 변환기 변압기의 1차권선에 결합된 변압기 1차 전류 감지 회로, 변압기 1차 전류 감지 회로 및 접지에 접속된 변압기 1차 전류 감지 회로 결합 저항기, 및 심머 트리거 회로 결합 저항기를 통해 후래쉬램프에 접속된 심머 트리거 회로로 구성된 것 특징으로 하는 후래쉬램프용 심머 전원 공급 장치.
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