DE2422678C2 - Schaltung für eine Blitzröhre zur Anregung eines Lasers - Google Patents

Description

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in F i g. 3A nicht eingezeichnet und besitzt eine Nachei- zur Erzielung einer raschen Anstiegszeit des Laser-Auslung gegenüber ΦΒ um 120°. Der Schaltungspunkt 301 gangslichtiinpulses und für eine zuverlässige Zündung ist der Null-Leiter oder der geerdete Sternpunkt der der Blitzlampe oder Blitzröhre. Wenn die rasche AnStromquelle. Die Schaltungspunkte 302 und 303 sind stiegszeit des Laser-Ausgangslichtimpulses nicht erüber Dioden 305 und 325 mit einem gemeinsamen 5 reicht würde, so bestünde die Möglichkeit, daß das La-Schaltungspunkt 32G verbunden. Der Spannungsverlauf serlicht von der zu schweißenden Oberfläche während zwischen dem Schaltungspunkt 320 und Erde, wie er des ersten Teiles des Laserlichtimpulses reflektiert würsich ergibt, wenn keine Belastung vorhanden ist, ist in de, so daß der Wirkungsgrad des Schweißvorganges Fig. 3A durch eine verstärkte linie deutlich gemacht vermindert würde. Eine kurze Anstiegszeit des Laser-Die sich am Schaltungspunkt 320 einstellende Spannung io Ausgangslichtirapulses bewirkt, daß die Oberfläche des wird über eine Glättungsdrossel 307 an die Anode 314 zu schweißenden Materials von dem Laserstrahl bereits der Blitzröhre oder Blitzlampe 313 geführt Die Ein- anfänglich aufgebrochen wird und der Rest des Impulbuchtungeh der gleichgerichteten und summierten Teile ses tatsächlich dazu ausgenützt würde, eine Schweißung der Spannungswellen, wie sie noch am Schaltungspunkt zu bewirken und nicht von der Oberfläche reflektiert J£ 320 auftreten, sind nach Glätttung durch die Drossel 307 15 wird. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ent- \ß ausreichend aufgefüllt, so daß die Gasentladung in der hält der Kondensator-Ladestromkreis 309 einen Trans- f. Blitzlampe oder Blitzröhre 313 nicht unterbrochen wird, formator mit einer Gleichrichterdiode im Sekundäri| wenn der Spannungsverlauf durch diese Bereiche nied- Stromkreis des Transformators, weiche über einen Wi- S rigerer Spannung geht Der Nulleiter oder Sternpunkt derstand au die Kondensatoren 308 und 327 angekop-K 301 ist unmittelbar an die Kathode 3i5 der Blitzröhre 20 pelt ist

oder Blitzlampe 313 angeschlossen. Durch 'Jiese Ver- Die logische Schaltung 311 der Auslöseeinrichtung : wendung von zwei der drei Phasen einer dreiphasigen wertet die Wechselspannung ΦΑ zwischen den Schal-Stromquelle können die Blitze der Blitzröhre oder Blitz- tungspunkten 302 und 301 aus und erzeugt einen verlampe zeitlich über eine Dauer hinaus verlängert wer- hältnismäßig niedrigen Spannungsimpuls geringer Breiden, wie sie bei einphasigen Systemen erreicht werden 25 te mit einer Amplitude von beispielsweise 12 Volt und kann, so daß sich auch eine wünschenswerte Verlange- einer Impulsbreite von einer Mikrosekunde unter Einrung des Laserimpulses, beispielsweise für die Anwen- haltung eines gewünschten Phasenwinkels. Die Lamdung beim Laserschweißen, erzielen läßt Nachdem wei- pen- oder Röhrenauslöseschaltung 312 wandelt diese ter die Beruhigungszeit oder Erholungszeit der meisten verhältnismäßig niedrige Eingangsimpulsspannung der Blitzlampen, insbesondere von Xenon-Blitzröhren, cha- 30 Leitung 420 in einen Impuls verhältnismäßig hoher rakteristischerweise nicht mehr als mehrere hundert Spannung, beispielsweise zwei Kilovolt, um, welcher auf Mikrosekunden beträgt, ist die Zeit zwischen den Im- den Leitungen 326 auftritt und über diese Leitungen der pulsen bei der Verwendung einer dreiphasigen 50 Hz- Primärwicklung 317 des Zündtransformators 316 zuge-Stromquelle mehr als ausreichend für eine vollständige führt wird.

Erholung der Blitzlampe zwischen den Zündungen. 35 Die Sekundärwicklung 318 des Zündtransformators

In der Schaltung nach Fi g. 1 sind ein Vorimpulskon- 316 ist an die Kathode 315 und die Austöseeiektrode319

densator 308, ein Dämpfungskondensator 327 und ein angeschlossen. Die logische Schaltung 311 der Auslö-

Kondensator-Ladestromkreis 309 vorgesehen. Wäh- seeinrichtung enthält außerdem eine binäre logische Im-

rend der Ei holungszeit der Blitzlampe oder Blitzröhre pulszählschaitung, welche eine bestimmte Zahl von

entsprechend dem in Fig.3A eingezeichneten Zeitab- 40 Zür\dimpulsen für die Blitzlampe auszählt, welche je-

schnitt 512 werden die Kondensatoren von dem Kon- weils die Lampe oder Röhre zünden und dann eine Zäh-

densatorladestromkreis 309 aiif eine Gleichspannung lung entsprechend einer Pause zwischen einer Gruppe

vorzugsweise in der Größenordnung von 1,2 Kilovolt von Impulsen vornimmt Im vorliegenden Äusführungs-

bis 2,4 Kilovolt aufgeladen. Die Ladung fließt während beispiel wird die Blitzlampe oder Blitzröhre 313 zu Be-

dieser Zeit in die Kondensatoren 303 und 327 und nicht 45 ginn einer Periode der Spannung ΦΑ gezündet, doch

zu der Blitzröhre oder Blitzlampe 313 oder der Strom- kann auch jeder andere Zündphasenwinkel gewählt

quelle 300, da die Blitzröhre oder Blitzlampe 313, wenn werden. Im gezeigten Ausführungsbeispiel werden für

sie nicht gezündet ist einen hohen Widerstand aufweist jede Impulsgruppe zwei Impulse gezählt und dann wird

und die Spannung von 12 Kilovolt bis 2,4 Kilovolt in eine Pause ausgezählt wonach wieder eine Gruppe von

Sperrichtung an den Dioden 305 und 325 ansteht Wenn 50 drei Impulsen auftritt

die Blitzlampe oder Blitzröhre 313 dann gezündet wird, In der Schaltung nach Fi g. 2 ist die logische Scli'jl- ; so addiert sich die Ladung aus dem Vorimpulskondensa- tung 31.1 der Auslöseeinrichtung genauer gezeigt Sie tor 308 und dem Dämpfungskondensator 326 zu dem enthält eine Vollwellengleichrichter-Diodenbrücke 415, anfänglichen Stromfluß durch die Blitzröhre oder Blitz- deren Eingänge 4tfi und 417 an die zwischen den Schallampe 313 und bewirkt einen hohen,schmalen Stromim- 55 tungspunkten 302 und 301 nach Fig. 1 herrschenden puls zu Beginn der Zündung der Lampe. Der Stromim- Spannung ΦA gelegt sind. Der Ausgang der Brückenpuls aus dem Vorimpulskondensator 308 schafft einen schaltung 415, welcher mit 421 bezeichnet ist liegt an primären Entladungsweg innerhalb der Blitzröhre oder dem Eingang einer monostabilen Kippschaltung 414. Blitzlampe 313, während der Dämpfungskondensator Die monostabile Kippschaltung 414 liefert an die Aus-327 für eine Ausbreitung der Entladung über den ge- 60 gangsleitung 418 einen Impuls mit einer Phasenlage gesamten Innenraum der Lampe oder Röhre verantwort- genüber der Periode der Spannung; jägifv^sicfie durch : Hch ist Die Stromspitzen sind in F ig. 3D mit 514 be- eine Zündwinkeleiristellüng festgelegt wird.Die auf der zeichnet und treten an der Stirn der Stromimpulse 505 Leitung 418 auftretenden Impulse sind in Fi g. 3B mit auf, wobei diese impulse 505 den Stromfluß durch die 503 bezeichnet Sie werden sowohl dem Eingang eines Blitzlampe oder Blitzröhre 313 darstellen. Die Strom- 65 digitalen Zählers 413 als auch dem Eingang eines Torspitzen 514 stellen sicliryr, daß von der Blitzlampe oder schaltelementes 412 mitgeteilt Die Anzahl der Impulse Blitzröhre 313 ein anfänglicher, hoher Lichtimpuls abge- in einer Gruppe hintereinander abzugebender Impulse geben wird. Diese Lichlimpulsspitze ist sehr vorteilhaft wird über die Leitung 425 mittels äußerer Schalteinrich-

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tungcn eingestellt Der digitale Zähler 413 erzeugt an ehe aus elektrisch leitendem Material besteh}. Die Spei-. seinem Ausgang auf der Leitung 419 eine logische »0« seschaltung 601, deren Eingang von einer dreiphasigen sobald die gewünschte Zahl von Impulsen von dem Zäh- Wechselstromquelle aus gespeist wird, ist über eine Leiler 413 abgezählt ist Die Torschaltung 412 enthält ein tung 611 an die Kathode der Blitzröhre oder Blitzlampe binäres UND-Gatter, welches nur dann ein Ausgangssi- s 605 angeschlossen und steht über eine Leitung 610 mit gnal abgibt, wenn beiden Eingängen ein Signal entspre- der Anode dieser Röhre in Verbindung. Das impulsweichend einer logischen »1« zugeleitet wird. Da die Im- se auftretende Laserstrahlenbündel 612 wird mittels eipulsspitzen 503 gemäß Fig.3B Signale entsprechend ner Linse 613 auf das zu schweißende Material 614 foelner logischen »1« darstellen, können diese Impulse nur kussiert.

dann durch das UND-Gatter der Schaltung 412 gelan- to Für die Blitzröhre oder Blitzlampe und den Laserstab gen, wenn der auf der Leitung 419 auftretende Ausgang lassen sich noch viele andere Anordnungen vorsehen, des digitalen Zählers 413 eine logische »1« ist, was an- Beispielsweise kann die Blitzröhre die Gestalt einer zeigt, daß der Zählerendstand noch nicht erreicht ist. Schraubenlinie aufweisen, die sich um den Laserstab Die auf der Leitung 420 auftretenden, m F i g. 3C mit 504 herumwindet, wobei sowohl die Blitzröhre als auch der bezeichneten Impulse werden der Primärwicklung 411 15 Laserstab zentrisch in einem zylindrischen, verspiegeleines Impulstransformators 410 zugeführt. Die Sekun- ten Raum angeordnet sind. Auch können zwei oder därwicklung 408 des Transformators 410 ist zwischen mehrere Blitzlampen oder Blitzröhren verwendet wer· die Steuerelektrode 409 und die Kathode eines gesteu- den. Es sei noch erwähnt, daß sich Schaltungen der hier erten Siliziumgleichrichters 404 geschaltet und bewirkt, vorgeschlagenen Art sehr vorteilhaft für das Laserbohdaß der Siliziumgleichrichter 404 eingeschaltet wird, 20 ren und auch für das Laserschweißen einsetzen lassen.

wenn Impulse auf der Leitung 420 auftreten. Ein Gleich-

Spannungspotential von 200 Volt ist über einen Wider- Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

stand 401 an die Anode des gesteuerten Siliziumgleich-

richters 404 und an einen Anschluß eines Kondensators

403 gelegt Wenn der gesteuerte Siliziumgleichrichter

404 leitend geschaltet ist, so wird der Kondensator 403 über die Leitungen 326 an die Primärwicklung 317 des Transformators 316 nach F i g. 1 angeschlossen. Der Strom in diesem Stromkreis hat die Gestalt einer Sinushalbwelle, da der Kondensator 403 und die Induktivität des Transformators einen Resonanzstromkreis bilden und sich der Strom aufgrund des Vorhandenseins des gesteuerten Siliziumgleichrichters 404 nicht umkehren kann. Dieser Sinushaibwellenimpuls wird dann über den Zündtransformator 316 auf die Auslöseelektrode der Biitziampe oder Blitzröhre 3Ϊ3 übertragen.

F i g. 4 zeigt eine der Schaltung nach F i g. 1 ähnliche Anordnung, bei welcher die Wechselstromquelle, welche mit 700 bezeichnet ist und zur Zündung der Blitzlampe oder Blitzröhre 313 dient, in Dreiecksschaltung vorliegt Die Dioden 707 bis 710 sind in der im einzelnen aus F i g. 4 ersichtlichen Art und Weise geschaltet, wobei die Spannung, welche sich zwischen dem Schaltungspunkt 701 und Erde ergibt in F i g. 5 durch verstärkte Linien deutlich gemacht ist Die gestrichelten Linien sollen das Verständnis erleichtern und verdeutlichen teilweise die einzelnen Phasen der dreiphasigen Stromquelle 700 bezüglich der einen Halbwelle. Die Welligkeit innerhalb der einzelnen Impulse 720 ist geringer als bei der Schaltung gemäß F i g. 1, da drei einan- der überlappende Sinushalbwellen zur Bildung eines Impulses beitragen anstelle der zwei Halbwellen bei der zuvor beschriebenen Schaltung, so daß die mittleren Einbuchtungen der Impulswelle hier besser ausgeglättet sind. Die übrigen Schaitungsteiie sind genauso ausgebildet wie bei der Ausführungsform nach F i g. 1.

F i g. 6 zeigt die hier vorgeschlagenen Speiseschaltungen in der Anwendung für das Laserschweißen. Hier sind die Blitzröhre oder Blitzlampe 605 und ein stabförmiger Laser 606 in je einem der beiden Brennbereiche eines im Querschnitt elliptischen Reflektorhohlraumes 603 angeordnet Die Innenfläche 604 des Hohlraumes 603 ist verspiegelt so daß sämtliches Licht welches von der Blitzröhre oder Blitzlampe 605 ausgeht auf den Laserstab 606 fokussiert wird. Die Auslöseschaltung 602 ist über eine Leitung 609 an den den Rcflcktorhohlraum 603 bildenden Mantel gelegt welcher zugleich als äußere Auslöseelektrode dient da mindestens seine Innenflä-

Claims (3)

1 2 speisenden Wechselstromimpulse immer ein rascher Patentansprüche: Anstieg des Laser-Ausgangslichtimpulses gesichert ist Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden

1. Schaltung für eine Blitzröhre (313), die zur An- Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Danach ist regung eines Lasers dient, mit einer dreiphasigen 5 der Blitzröhre eine Kondensatoranordnung parallel ge-Wechselstromquelle (300), mit Gleichrichtern (305, schaltet, die von der dritten Phase der Wechselstrom-325), die zwischen den einzelnen Phasen der Wech- quelle und damit jeweils in der Phese zwischen den selstromquelle (300) und der Blitzröhre (313) ange- Impulsen der beiden direkt speisenden! Phasen a*ifgelaordnet sind, und mit einer Zündeinrichtung (310) für den wird. Beim Zünden der Blitzröhre überlagert sich die Blitzröhre (313), dadurch gekennzeich- io daher den beiden speisenden Wechselstromphasen jene t, daß zwischen der Blitzröhre (313) und zwei weils die Entladung der Kondensatoranordnung, so daß Phasen (302,303) der Wechselstromquelle (300) un- unabhängig vom Zündzeitpunkt mit Bezug auf den Phagesteuerte Gleichrichter (305,325) angeordnet sind senwinkel der beiden direkt speisenden Wechsel- und daß die dritte Phase (304) eine Aufladeschaltung Stromphasen ein hoher Stromimpuls ausgelöst wird. (309) speist die einen ungesteuerten Gleichrichter 15 Dieser Stromimpuls führt damit zu einem entsprechend aufweist und die eine parallel zur Blitzröhre geschal- starken Lichtimpuls mit von Anfang an hoher Amplitutete Kondensatoranordnung (308, 327) zur Erzeu- de, so daß auch der Laser-AusgangslichtimpuSs einen gung eines hohen Stromimpulses zu Beginn der ZSn- entsprechend steilen Anstieg aufweist

dung der Blitzröhre (313) auf eine Gleichspannung Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den

auflädt. 20 Patentansprüchen 2 und 3. Danach kann zwischen den

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekenn- direkt speisenden beiden ungesteuerten Gleichrichtern zeichnet daß zwischen der Blitzröhre (313) und den und der Blitzröhre zusätzlich eine Glättungsdrossel vorungesteuerten Gleichrichtern (305, 325) eine GIät- gesehen sein, um die Summe der sich überlagernden tungsdrossel (307) angeordnet ist Spannungen beider speisenden Wechselstromphasen in

3. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekenn- 25 an sich bekannter Weise zu glätten und damit Spanzeichnet, daß die Kondensatoranordnung aus zwei nungseinbrüche zu vermeiden. Durch Verwendung von Kondensatoren (308, 327) besteht von denen der zwei Kondensatoren, von denen der eine der Blitzröhre eine (327) der Blitzröhre (313) direkt parallel ge- direkt parallel geschaltet und der andere mit der Blitzschaltet ist und der andere (308) über die Glättungs- röhre über die Glättungsdrossel verbunden ist, läßt sich drossel (307) nnt der Blitzröhre (313) verbunden ist 30 außerdem eine bessere Verteilung der Kondensatorentladungen über die Zeit und damit über den gesamten

Innenraum der Röhre erzielen.

Einzelheiten der Erfindung seien nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispie-

Die Erfindung betrifft eine Schaltung für eine Blitz- 35 len näher erläutert Im einzelnen zeigt

röhre, die zur Anregung eines Lasers dient entspre- F i g. 1 ein Schaltbild einer Speiseschaltung zur Zün-

chend dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. dung einer Blitzlampe oder Blitzröhre unter Speisung

Eine derartige Schaltung, die z. B. beim Schweißen aus zwei Phasen einer dreiphasigen Wfchselstromquel-

oder Bohren mittels Laser benötigt wird, ist unter ande- Ie in Sternschaltung,

rem aus der GB-PS 11 65 687 bekannt Als Gleichrichter 40 Fig. 2 ein Schaltbild einer Auslöseimpuls-Erzeu-

für die einzelnen Wechselstromphasen dienen dabei ge- gungseinrichtung für die Schaltung nach F i g. 1,

steuerte Gleichrichter, die so gesteuert werden, daß F i g. 3A bis 3E verschiedene Wellenformen zur Er-

zwei Phasen jeweils zeitlich nacheinander die Blitzröhre läuterung der Wirkungsweise der Schaltung nach

direkt speisen. Auf diese Weise ist es gegenüber Schal- F i g. 1,

tungen mit nur einer einphasigen Wechselstromquelle, 45 Fig.4 ein Schaltbild der Speiseschaltung für eine

wie sie beispielsweise durch die US-PS 35 43 087 be- Blitzlampe oder Blitzröhre, die aus den drei Phasen ei-

kannt sind, möglich, über einer Halbwelle des Speise- ner Wechselstromquelle in Dreieckschaltung gespeist

Wechselstromes hinaus andauernde Laserimpulse infol- wird,

ge Überlappung der Spannungen zweier Phasen zu er- F i g. 5 ein Diagramm mit der Kurvenform der gleichzeugen. 50 gerichteten Spannung aus der Schaltung nach Fig.4,

Die Lösung nach der GB-PS 11 65 687 erfordert aber unH

große und teuere gesteuerte Gleichrichter in den hohe F i g. 6 eine Laser-Schweißeinrichtung, auf welche die

Ströme der Speiseschaltung führenden Leitungen, da- hier vorgeschlagene Speiseschaltung mit Vorzug an-

mit genug Leistung vom Netz auf die Blitzröhre über- wendbar ist.

trage» werden kann. Außerdem bestehen Einschrän- 55 In Fig. I ist das Schaltbild einer Speiseschaltung für kungen bei der Zündung der Blitzröhre abhängig vom eine Blitzlampe oder Blitzröhre dargestellt, welche von gewählten Phasenwinkel der Wechselstromquelle, da einer dreiphasigen Wechselstromquelle in Sternschalnach dem Nulldurchgang erst die Brennspannung er- tung nach dem hier angegebenen Prinzip unter Verwenreicht sein muß, um die durch die Zündung bewirkte dung einer Halbwellengleichrichtung gespeist wird. Die Gasentladung auf die Lichtemission aufrecht zu erhal- 60 Schaltung sei anhand der in den F i g. 3A bis 3E dargeten. Andererseits ist es notwendig, daß zu Beginn des stellten Kurvenformen näher beschrieben. In Fig.3A Laserimpulses ein ausreichender Lichtimpuls erzeugt sind zwei der Phasen einer dreiphasigen Wechselstromwird, damit der Anstieg des Laser-Ausgangslichtimpul- quelle durch die Kurven 501 und 502 dargestellt, welche ses ausreichend steil verläuft, um zum Beispiel ein be- die Spannungen ΦA und ΦΒdarstellen. Betrachtet man friedigendes Schweißergebnis zu erzielen. 65 die Schaltung nach F i g. 1, so bezeichnet die Kurve 501

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die eingangs ge- die Spannung ΦΑ zwischen den Punkten 302 und 301,

nannte Schaltung so zu verbessern, daß unabhängig während die Kurve 502 die Spannung ¹^d zwischen den

vom Zündzeitpunkt in bezug auf den Phasenwinkel der Punkten 303 und 301 bezeichnet. Die Spannung '['CwA