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J. Álvarez1, O. Sandoval2, P. Pacheco3, R. Sarmiento31 Estudiante de Maestría en Ciencias Físicas, SUE-Caribe.
1,2,3 Grupo de Espectroscopía Óptica de Emisión y Láser, GEOEL Universidad del Atlántico,
Km 7 vía a Puerto Colombia. A.A. 1890. Barranquilla-Colombia. [email protected]
RESUMEN
Se diseñó y construyó una fuente conmutada de alto voltaje para un ampli icador láser pul-sado de nitrógeno molecular N2. Su construc-ción está basada en la teoría de fuentes con-mutadas que operan a frecuencias más altas que la frecuencia de la red de alimentación domiciliaria con un convertidor DC-DC en
con-iguración Flyback. Para la construcción se em-pleó un circuito integrado TL494, un transfor-mador Flyback y como elemento conmutador un transistor MOSFET. La fuente provee alto voltaje de salida que puede ajustarse interna-mente con un trimpot entre 8 y 12 kV requeri-dos para alimentar el ampli icador y generar la descarga en el medio activo. La e iciencia y bajo rizado de la señal de salida de la fuente, permitió obtener pulsos de radiación cuasimo-nocromática a 337,1 nm (banda 0-0 de la tran-sición electrónica C → ÷ B del Segundo Sistema Positivo del nitrógeno molecular), de corta duración y de gran ganancia (superradiante) a temperatura ambiente. Se obtuvo la evolución temporal del pulso de luz, la forma del voltaje de salida entre los electrodos de entrada del láser y se caracterizó el espectro de la radia-ción emitida.
Palabras clave: Fuente conmutada, Con
igu-ración Flyback, Ampli icador láser.
ABSTRACT
Was designed and built a high-voltage switch-ing power supply for a pulsed laser ampli-ier molecular nitrogen N2. Its construction is based on the theory of switching power sup-plies operating at frequencies higher than the frequency of the supply network at home with a DC-DC converter con iguration Flyback. For construction used a TL494 integrated circuit, a lyback transformer as a MOSFET transistor switch. The source provides high output volt-age can be adjusted internally with a trimpot between 8 and 12 kV required to power the ampli ier and generate the discharge in the active medium. The ef iciency and low ripple of the output signal of the source allowed to obtain radiation pulses cuasimonocromática to 337,1 nm (0-0 band of the electronic transi-tion C → ÷ B of the second positive system of molecular nitrogen), short duration and high gain (superradiant) at room temperature. We obtained the temporal evolution of the light pulse, the shape of the output voltage between the electrodes of the laser input and character-ized the spectrum of radiation emitted.
Key words: Switching power supply, Flyback
con iguration, Laser ampli ier.
Caracterización de una fuente conmutada
de alto voltaje alimentando un láser
pulsado de nitrógeno molecular
Characterization of a high voltage switching power
supply feeding a pulsed molecular nitrogen
Recibido: Noviembre 30 de 2012 / Aceptado: Enero 31 de 2013
1. Introducción
La necesidad de construir fuentes de descarga de bajo peso y que ocupen poco espacio permitió incursionar en el estudio y diseño de fuentes con-mutadas que trabajan a frecuencias mucho más altas que la suministrada por la corriente alterna domiciliaria y que para efectos de regulación utili-zan el principio de variación del ciclo útil de la señal cuadrada denominada modulación por ancho de pulso PWM (Pulse-Width-Modulation) a frecuen-cia ija.
En este trabajo se describe el diseño, la construcción y caracterización de una fuente de alto voltaje conmutada cuando se encuentra alimentando un ampli icador láser pulsado de nitróge-no molecular (N2). Su diseño se basa en el circuito integrado TL494 el cual contiene toda la circuitería interna re-querida para este tipo de fuentes. 2. Topología de una fuente conmu-tada
Una aplicación típica de una fuente es convertir un voltaje AC en un voltaje DC regulado. Las fuentes convencio-nales utilizan reguladores lineales para reducir el voltaje de entrada al nivel deseado, es decir que en todo momento la corriente de la carga es
suministrada por el sumnistro de en-trada, entonces el exceso de potencia que no consume la carga se disipa en forma de calor disminuyendo nota-blemente la e iciencia de la fuente. No obstante existe un tipo de fuentes en donde el lujo de corriente es regula-do con semiconductores de potencia (Transistores, diodos, Mosfet, etc.) los cuales son continuamente encendidos y apagados a una alta frecuencia. Es-tos dispositivos son conocidos como fuentes de alimentación conmutadas, las cuales ofrecen gran e iciencia com-paradas con las fuentes lineales debi-do a que se puede controlar el lujo de corriente a través de la carga por medio de la conmutación de elemen-tos semiconductores de potencia con bajas pérdidas de energía.
Una forma de controlar la poten-cia promedio entregada a una carga es controlando el voltaje promedio aplicada a esta. Esto puede lograrse abriendo o cerrando un interrruptor de forma rápida Figura 1.
El voltaje promedio visto por el resis-tor de carga R está dado por la expre-sión:
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Donde t(on) es el tiempo de encendido
del suiche, T es el periodo de la señal. Entonces podemos observar que re-duciendo t(on) se disminuye el voltaje promedio entregado a la carga. Este método de control se conoce como Modulación por Ancho de Pulso (Pul-se Width Modulation PWM) [1]. Existen varias con iguraciones que se pueden escoger a la hora de dise-ñar una fuente conmutada entre las cuales podemos citar: El regulador Buck y Boost, el convertidor Flyback, Forward, Push-Pull, Half-Bridge y Full Bridge. La elección correcta depende de la aplicación, de los requerimien-tos de potencia entre otros detalles. Para la construcción de la fuente se escogió la con iguración Flyback por diferentes razones, la más importan-te es que el diseño del transformador en una fuente conmutada es un factor
crítico y más si este va a operar a gran-des voltajes, además es posible conse-guir en el comercio transformadores Flyback utilizados en los televisores de tubo de rayos catódicos (TRC) es-pecialmente diseñados para trabajar a grandes tensiones, los cuales traen internamente diodos ultrarrápidos para recti icación de la corriente. La Figura 2 muestra el diagrama eléctri-co para la eléctri-con iguración Fly-back [1]. El voltaje de salida para la con igura-ción Flyback está dado por la expre-sión:
V0(salida) = V(entrada) x (t(on))/(T – ton) x (N2/N1) (2)
Donde (N2/N1) es la relación de vuel-tas entre el secundario y el primario del transformador. En los transforma-dores Flyback esta relación es alta lo que permite obtener grandes voltajes de salida.
3. Diagrama en bloques de la fuente construida
La fuente conmutada de alto voltaje cuenta con un convertidor DC-DC en con iguración lyback utilizando un circuito integrado controlador PWM TL494. La fuente proporciona un vol-taje de salida ijo de 10 kV, requerido para operar un ampli icador láser pul-sado de nitrógeno molecular.
En la Figura 3 se muestra el diagrama en bloques de la fuente construida. En el primer bloque se recti ica y iltra la tensión alterna de entrada convirtién-dola en una continua pulsante. En este diseño se utiliza un voltaje de entrada de 25 VAC proveniente de un trans-formador aislador de red para redu-cir el riesgo al operarla. Este voltaje se recti ica con recti icador de onda
completa para luego alimentar el cir-cuito de control.
El segundo bloque se encarga de con-vertir el voltaje continuo en una onda rectangular de alta frecuencia, en este caso se utilizó una frecuencia de 12kHz, por ser la frecuencia de ope-ración sugerido por el fabricante del transformador y en la cual se obtuvie-ron los mejores resultados. Esta onda rectangular es aplicada a una bobina o al primario de un transformador. El tercer bloque iltra la salida de alta frecuencia del bloque anterior, entre-gando así un voltaje ijo de 10 kV al circuito del láser a través de una re-sistencia limitadora de 100 K.
El cuarto bloque se encarga de co-mandar la oscilación del segundo
blo-Figura 1. Control de la potencia entregada a una carga por medio de la Modulación por Ancho de Pulso (PWM).
Figura 2. Configuración Flyback. El diodo de rectificación D se encuentra dentro del transfornmador Flyback. El transistor es el elemento de conmutación.
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que. Esta con iguración consiste de un oscilador de frecuencia ija, una tensión de referencia, un comparador de tensión y el modulador de ancho de pulso (PWM). El modulador reci-be el pulso del oscilador y modi ica su ciclo de trabajo según la señal del comparador, el cual coteja la tensión continua de salida del tercer bloque con la tensión de referencia, cambian-do el ancho del pulso dependiencambian-do de si la carga requiere o no más potencia [1,2].
4. Descripción experimental
Para la caracterización de la fuente se realizó el montaje experimental que se muestra en la Figura No. 4. Para re-gistrar el pulso luminoso se enfocó el
haz con una lente de 50 mm de distan-cia focal y se utilizó un fototransistor de alta velocidad referencia BPW13 [3] ubicado en el foco de esta. La se-ñal del fototransistor se llevó a un os-ciloscopio de 150 MHz de frecuencia con memoria de barrido. La Figura 5 muestra varias capturas de la señal luminosa tomadas en diferentes ins-tantes.
Se midió el voltaje de salida de la fuen-te utilizando una sonda especial para este tipo de medida y un voltímetro de precisión. El voltaje a plena carga presentó gran estabilidad y un rizado inferior ±0,lkV. Posteriormente se co-necta la sonda en el nodo de alta ten-sión del circuito cuando ella se
encon-Figura 3. Diagrama en bloques de la fuente conmutada construida
Figura 4. Montaje experimental utilizado para la caracterización de la fuente
Figura 5. Señal luminosa capturada por el fototransistor en diferentes instantes
traba operando. La Figura 6 muestra el voltaje de alta tensión en los elec-trodos del láser.
Para comparar los resultados se
pro-cedió a realizar una simulación del circuito equivalente para el láser de nitrógeno [4], utilizando para ello el programa de simulación de circuitos Circuit Maker. La Figura 7 muestra el
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Figura 6. Voltaje de alta tensión entre los electrodos del láser de nitrógeno
Figura 7. Voltaje de salida entre los electrodos del láser dados por la simulación en Circuit Maker
voltaje de salida, dada por la simula-ción, entre los electrodos internos del ampli icador láser.
En la Figura 8 se muestran los espec-tros de la radiación del láser y un tubo Geissler de nitrógeno, donde se obser-vó y veri icó que la longitud de onda
de emisión del láser es de 337.145 nm correspondiente a transición (0-0) del SSP del N2. Se nota también una gran ampli icación de la emisión respecto a las otras emisiones dando como re-sultado una gran pureza espectral de la señal, a pesar de no tener cavidad resonante.
5. Conclusiones
La fuente opera con una frecuencia de 11.5 KHz, provee un voltaje ijo de 10 kV con una variación ±0.1 kV traba-jando a plena carga, y una intensidad máxima de 2 mA con una e iciencia cerca del 50%.
Con la fuente construida se alimentó un sistema ampli icador de un láser pulsado de N2 que permitió obtener radiación ampli icada a 337,1 nm de la banda 0-0, en la transición electró-nica C → B del N2.
6. Agradecimientos
Los autores agradecen a las directi-vas de la Universidad del Atlántico, la Junta ProCiudadela Universitaria del
Figura 8. a) Espectro de la radiación del amplificador láser de nitrógeno b) Espectro óptico de un tubo espectral de nitrógeno
Atlántico por el apoyo brindado en el desarrollo de esta investigación. 7. Referencias
[1] E. Ma., C.V. Thompson and Cle-venger (1991). J. Appl. Phys. 69, 2211.
[2] A.S. Edeltein, R.K. Everett, G.Y. Richardson, S.B. Qadri, E.I. Al-tman, J.C. Foley and J.H. Pere-pezko (1994). J. Appl. Phys. 76, 7850.
[3] Hernández, Jorge E. (1997).
Electrónica & Computadores.
Publicaciones Cekit S.A. 3, 68. [4] Modulated DSC Compendium.
Basic Theory & Experimental Considerations; Thermal Analy-sis & Rheology.
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