Для любого лазера, работающего в импульсном режиме, требуется устройство, которое коммутирует энергию источника питания лазера на активное вещество или же лампу-вспышку. В коммерческих лазерах функцию коммутатора выполняют разнообразные полупроводниковые или газоразрядные устройства. В частности, одним из лучших коммутаторов для импульсных газоразрядных лазеров является водородный тиратрон, позволяющий формировать короткие импульсы высокого напряжения. Существует множество разновидностей водородных тиратронов, рассчитанных на разные токи и напряжения. На фото внизу показана отечественная конструкция водородного тиратрона типа ТГИ1- 1000/25.
Этот прибор способен коммутировать импульсный ток 1000 А при напряжении на аноде 25 кВ. Конечно, такая штука пригодится в мастерской любителя лазеростроения. Однако это дорогое удовольствие. Купить водородный тиратрон можно, но не у всех есть возможность выкладывать
10 000 руб за штуку. Кроме того, высоковольтные водородные тиратроны слишком громоздки. К примеру, габариты показанного на фото выше тиратрона
110 х 160 мм. Поэтому для домашнего самоделкина будет проще и гораздо дешевле изготовить самодельный коммутатор, представляющий собой искровой разрядник.
Самый простой вариант искрового разрядника – это двухэлектродный не управляемый разрядник, работающий на воздухе. В Интернете можно найти множество описаний того, как изготовить такой разрядник. Тем не менее, на рисунке ниже приведу вариант схемки двухэлектродного разрядника.
На фото ниже показана гайка-колпак (колпачковая гайка), которую можно использовать в качестве электрода разрядника.
Конкретные размеры разрядника не имеют принципиального значения. Для получения коротких высоковольтных импульсов нужно стремиться к уменьшению длины токоведущих элементов разрядника, а также уменьшать искровой промежуток между электродами разрядника. Чем больше диаметр электродов разрядника (2), тем выше коммутируемое напряжение при неизменной длине межэлектродного промежутка. Подключение разрядника осуществляется через контакты (1), которые закрепляются на токоведущие линии внешней электрической цепи. Во время работы разрядника возникает очень громкий звуковой шум, который желательно подавлять, дабы не раздражать окружающих (домочадцы, соседи и т.д.). Для подавления треска разрядника его можно поместить в какой-нибудь закрытый диэлектрический корпус. Хорошим звукоподавителем будет резина, но и пластиковая коробка то же подойдет. Можно склеить корпус из пластин оргстекла. На фото ниже показан вид самодельного двухэлектродного искрового разрядника. Для ослабления светового эффекта от искры внутрь корпуса дополнительно введен обрезок полипропиленовой трубки.
Левый по фото электрод разрядника прикручивается к дюралевой пластине, а правый электрод накручен на латунный винт (можно и стальной), который на резьбе держится в корпусе. Правый электрод фиксируется на дюралевой пластине с помощью прижимной гайки. Такая конструкция позволяет оперативно изменять межэлектродное расстояние при неизменном положении контактных пластин разрядника. На фото ниже показан разрядник в разобранном виде.
В процессе работы разрядника внутренняя поверхность его корпуса засирается (загрязняется) продуктами микроразрушения электродов (частицы металла, оксиды и т.п.), что является причиной возникновения поверхностных разрядов, которые ухудшают параметры разрядника. В конце концов, разрядник полностью теряет свою эффективность, что проявляется в потере лазерной генерации. В таком случае требуется прочистка внутренней поверхности корпуса разрядника. При использовании упомянутой выше полипропиленовой трубки очистку поверхности легко провести с помощью круглого напильника.
В книге Т. Рапа «Эксперименты с самодельными лазерами» приводятся более эффективные схемы самодельных разрядников, которые имеют улучшенные характеристики. Это и управляемые разрядники, и разрядники повышенного давления, и разрядники с прокачкой воздуха.
Кроме обычного двухэлектродного искрового разрядника существует и так называемый рельсовый разрядник, который состоит из нескольких промежуточных электродов. Схема такого разрядника показана на рисунке ниже.
Использование нескольких промежуточных разрядников, расположенных последовательно друг за другом, позволяет повышать напряжение на электродах разрядника (1) при этом уменьшая межэлектродное расстояние. На рисунке только три промежуточных контактов. Однако их число можно увеличить. Чем больше промежуточных электродов, тем меньше межэлектродное расстояние при неизменном напряжении на разряднике и выше крутизна получаемых импульсов. Рельсовый разрядник дает более короткие импульсы, чем двухэлектродный разрядник.
Показанная на схеме конструкция рельсового разрядника несколько громоздка и может быть упрощена. Более практичной является схема приведенная ниже.
На диэлектрический стержень друг за другом (через диэлектрическую прокладку) надеваются металлические шайбы. Число шайб определяется напряжением блока питания лазера и расстоянием между шайбами. Опытным путем нужно подобрать число шайб так, чтобы при подключении разрядника к высоковольтному блоку питания лазера происходил пробой разрядника. Толщину диэлектрических прокладок следует выбирать в пределах 0,5 – 1 мм. При использовании более тонких прокладок возникают поверхностные разряды, ухудшающие эффективность разрядника. Диаметр шайб особого значения не имеет и выбирается из конструктивных соображений. В качестве диэлектрического стержня желательно использовать керамический стержень, поскольку он «держит» температуру и его поверхность можно очищать. Но можно использовать и пластмассовый стержень. В этом случае ресурс работы разрядника будет ограничен обгоранием пластика. В качестве диэлектрической прокладки желательно использовать фторопласт, но можно обойтись и обычной полиэтиленовой пленкой. Опять же в этом случае ресурс работы разрядника будет ограничен обгоранием полиэтилена. На фото ниже показаны этапы изготовления самодельного рельсового разрядника с использованием стальных монтажных шайб диаметром 18 мм и полиэтиленовой пленки.
Пластиковый корпус крепится к алюминиевой плоскости приклеиванием. Поначалу это делалось с помощью эпоксидки и результат был нестабилен. Позже выяснилось, что удобнее и надежнее клеить на термоклей («глюган»). Для приклеивания насверлите по периметру будущего клеевого шва много отверстий диаметром по 2 мм. В процессе приклеивания термоклей затечет в них и образует столбики, на которых, как на заклепках, будет надежно держаться вся конструкция.
Отрежьте горлышко от пластиковой бутылки, вырованяйте срез, и приклейте к алюминиевому уголку. Перед приклейкой уголок (плоский электрод) желательно подогреть градусов до шестидесяти (горячий на ощупь). Наклейка без дополнительного прогрева дает меньшую прочность, что снизит предельные давления (пропускаемые энергии) выдерживаемые разрядником.
По центру пластиковой крышки аккуратно просверлите отверстие диаметром на 0.5-1.0 мм меньшим, чем диаметр болта, используемого в качестве электрода. На торце болта нарежьте шлиц под отвертку с крупным жалом. Шлиц пригодится в дальнейшем для регулировки разрядника. Вкрутите болт резьбой в крышку.
Дальше остается только собрать разрядник.
И поставить в схему, где он будет использоваться.
Вот и все. Собрав разрядник, подключите его к мультиметру, включенному на измерение сопротивления (омов). Вкручивайте болт разрядника до тех пор, пока мультиметр не зарегистрирует короткое замыкание. Отметьте нулевое положение разрядника. В дальнейшем Вы от него будете отсчитывать количество оборотов болта разрядника, когда будете выставлять требуемое напряжение пробоя.
Что еще неплохо бы знать о разрядниках?
Выглядит непредставительно, да и работает не очень (быстро загрязняется продуктами эрозии электродов) но применение даже такого макета значительно повышает выход излучения из воздушного азотного лазера атмосферного давления.
Разрядник из мебельного болта и горлышка от бутылки хорошо работает до 10..12 кВ. При больших напряжениях можно было бы применить мебельный болт с большей высотой шляпки, но это до тех пор пока он пролазит через бутылочное горлышко. Да и пробой по краям оставляет напыление, приводящее к снижению рабочего напряжения. Если у вас есть доступ к так называемым колпачковым гайкам (иногда еще называются орешковыми гайками) для напряжений 20-30 кВ используйте следующую конструкцию:
Разрядник на 20..30 кВ
Ниже показана последовательность сборки. Она практически не отличается от того, что делали для разрядника из бутылочного горлышка. Только размеры всех деталей больше.
Дальше остается только собрать разрядник.
Разрядник неплохо работает при длине искры до 10 мм (в корпусе из 40 мм трубы) и до 15 мм (в корпусе из 50 мм трубы), что соответствует напряжениям свыше 30 кВ.
При энергиях разряда до 10 Дж разрядника хватает на несколько тысяч импульсов, после чего его необходимо вскрывать и чистить корпус изнутри.
При энергиях разряда в 120 Дж разрядника хватает на несколько десятков импульсов (ближе к сотне) после чего необходимо чичтить.
Рельсовый разрядник
Как и обещалось, вот гайд по сборке самодельного регулируемого двухзазорного рельсового разрядника. Для его сборки потреьуются: пара хромированных цилиндрических дверных ручек, подходящий кусок (куски) алюминиевого уголка, алюминиевый стержень (или медный или бронзовый) диаметром около 10 мм (подойдет и трубка, кстати, но придется чуть изменить способ крепления). Также потребуется немного пластика для корпуса, пара болтиков с гаечками и разного рода слесарный инструмент.
Все проводники (дверные ручки, стержень и уголки) в разряднике должны быть как можно прямее. С гнутыми деталями разрядник не будет работать правильно. Вместо алюминиевого уголка здесь использованы уголковые плинтуса. Кризис ресурсов, что возьмешь. Будем надеяться, что Вам повезет больше.
Отрежьте алюминиевый уголок в размер используемых дверных ручек с небольшим запасом (на стенки корпуса). Скруглите углы уголка и ручек.
Установите дверные ручки-электроды на уголки.
Сделайте днище. Отрежте прямоугольный кусок пластика, длиной в размер уголка и шириной, вычисляемой по формуле:
Использованные мной дверные ручкм имеют высоту 16.3 мм (при диаметре цилиндрической части 11 мм), диаметр использующегося медного стержня 10 мм. И поскольку хочется, чтобы этот разрядник имел полный зазор, варьируемый в пределах 3..6 мм (каждый из зазоров по полтора миллиметра) нужно взять ширину днища равной w = 16.3*2+2*1.5+10 = 45.6 мм. Потребуется затратить определенные усилия, чтобы вырезать днище более менее точно в размер и чтобы оно при этом имело ровные стороны и прямоугольную форму. Но оно того стОит.
Приклейте днище к электроду как показано на фото и приклейте боковые стенки.
Затем приклейте противоположный электрод.
На этом фото показан медный стержень, который вскоре станет центральным электродом.
С торцов стержня просверлите отверстия под крепежные болты и нарежьте в них резьбу.
В этом варианте резьба и винты используются на М3, но и М4 сойдет.
Не забудьте зашлифовать стержень и скруглить концы.
Следущая важная часть разрядника это его крышка. Она может быть и непрозрачной, но с прозрачной все куда проще и интереснее.
Прорежьте в верхней крышке четыре паза, как на левом фото. Ширина каждого из пазов должна быть чуточку больше чем половина от максимального полного зазора разрядника. Фото ниже показывает зачем это надо. Поскольку разрядник в этом примере предназначен для зазоров от 3 до 6 мм (7.8..15.6 кВ) то пазы должны быть шириной 3+ мм.
На этом фото показано, как использовать сверла для выставления зазора разрядника. Каждое сверло здесь имеет диаметр 3 мм. Отсюда полный выставленный зазор равен 6 мм.
Когда закончите с выставлением зазора залепите пазы звукоизолирующим материалом. Неплохие результаты дает толстый двусторонний скотч на основе пенорезины, используемый в качестве утеплителя окон.
На правом фото показан небольшой воздушный лазер с этим разрядником. Тут не особо хватило место и Вам придется поверить на слово, что этот лазер способен возбуждать раствор родамина 6Ж до генерации на расстояниях до полуметра безо всяких линз. Для кумарина это соответствует растоянию более одного метра. С точечным разрядником результаты куда хуже.
В линиях электропередачи из-за атмосферных явлений, а также процессов коммутации, нередко возникают импульсные перенапряжения. Импульсные перенапряжения из-за атмосферных явлений могут возникать также в проводных системах связи на медных кабелях, а также антенных сооружений систем радиосвязи. Резкие броски напряжения способны разрушать изоляцию проводов. Также указанные явления могут приводить к выходу аппаратуры из строя. Для борьбы с перенапряжениями применяются устройства, именуемые разрядниками. Их задача — быстро соединить линию подвергшеюся опасности с заземлением, тем самым «сбросить» разрушительный электрический заряд. Ни электромеханические системы (реле), ни даже устройства с микропроцессорным управлением не способны заменить простые и дешевые разрядники, отличающиеся от прочих «выключателей» высоким быстродействием.
Защитные устройства с нелинейным сопротивлением (варисторы) часто также относят к разрядникам, хотя принцип их работы другой
Наиболее массовый класс разрядников, исторически появившийся первым — так называемые искровые разрядники. В их основе лежит явление электрического разряда в газе, отсюда и появилось слово «разрядник». Сейчас для защиты изоляции и аппаратуры используют также твердотельные устройства, обладающие нелинейным сопротивлением (варисторы) — при росте напряжения, приложенного к электродам, сопротивление резко падает. Такие устройства также называют разрядниками, хотя никакого разряда в них физически не происходит. Мы расскажем о принципе работы именно искровых разрядников.
Устройство искрового разрядника
Конструкция типичного искрового разрядника содержит в себе следующие основные элементы: герметичную камеру, заполненную газом, электроды, устройство гашения дуги.
Когда напряжение на электродах не выше порогового значения, разрядник находится в состоянии покоя. Внутреннее сопротивление (до 1 ГОм) в этом режиме можно считать бесконечно большим.
При увеличении напряжения выше порогового значения на электродах в газе возникает сначала тлеющий разряд, в результате чего напряжение на выводах падает до 80 В. При этом газ разогревается, растет ток через него, что быстро приводит к возникновению дугового разряда, когда внутри устройства образуется плазменный канал низким сопротивлением. После перехода в данное состояние через разрядник протекает значительный ток (до 150 килоампер), а напряжение на выводах падает до значения около 20 В.
Одноразовые и самовосстанавливающиеся разрядники
Одноразовый искровой разрядник не сможет защитить изоляцию и аппаратуру от повторного действия молнии. После завершения своего действия он представляет собой перемычку с сопротивлением, близким к нулю. В сетях электропитания такая перемычка вызывает срабатывание защиты, отключающей подачу электроэнергии. В телекоммуникационных сетях прерывается связь, что вызывает срабатывание сигнализации. После получения сигнала об обесточивании или прерывании связи на место выезжает специалист, заменяющий одноразовый разрядник.
Простейший вариант реализации одноразового разрядника — электроды внутри камеры, выполненные из металла, который расплавляется под действием высокой температуры. Более сложный вариант — перемычка, закрепленная на стенке камеры каплей легко плавящегося металла. При дуговом разряде эта капля расплавляется и перемычка соединяет электроды. Вероятно, вы уже догадались о том, что одноразовый искровой разрядник не самое лучшее решение для защиты электрических линий и устройств.
Самовосстанавливающийся искровой разрядник способен возвращаться в состояние покоя ограниченное число раз. Иногда такой разрядник используют совместно со счетчиком срабатываний, который позволяет оценить грозовую нагрузку и ожидаемый срок службы устройства.
Проблемы технической реализации
Основной проблемой при построении самовосстанавливающегося искрового разрядника является необходимость гашения дуги. Дело в том, что процесс дугового разряда является самоподдерживающимся. После того, как импульс прошел, плазменный канал продолжает существовать какое-то время, при этом защищаемая линия замкнута на землю. Если канал не погасить, сработает защита линии от короткого замыкания, что в общем случае нельзя допустить. А, если речь идет о телекоммуникационных применениях, то прерывается связь. В добавок ко всему, от нагрева разрядник просто разрушается. Для гашения дуги используются разнообразные средства, по конструкции которых и различаются типы искровых разрядников.
Другая проблема — защита симметричной линии, что особенно актуально для использования в телекоммуникационной отрасли. Оба провода защищены путем соединения их разрядниками с «землей». Из-за разницы параметров разрядников может возникнуть ситуация, когда один разрядник сработает, а другой нет, что может только усугубить ущерб от импульсных перенапряжений. Поэтому для защиты симметричных линий применяются трехэлектродные разрядники (не путать с управляемыми разрядниками, которые также имеют три электрода). Они представляют собой фактически два разрядника в виде одного устройства и с общем выводом «земли», выполненные в едином производственном цикле. Благодаря этому их технические характеристики полностью идентичны.
Методы гашения дуги
Обеспечение гашение дуги в заданный промежуток времени может быть обеспечено применением специального газа, который подавляет электрическую дугу при силе тока ниже порогового значения. Но на практике такой способ применяется редко, недостатком подобных разрядников является низкая стабильность ресурса использования. То есть, количество возможных срабатываний можно наперед определить только приблизительно.
Трехэлектродный разрядник с термореле производства компании CITEL
Более распространенный способ, когда речь идет о телекоммуникационных применениях — разрядник с термореле. В таких разрядниках используются прочные электроды, способные выдержать многократное срабатывание. Параллельно разряднику включается термореле. При возникновении дугового разряда камера нагревается и термореле срабатывает, шунтируя разрядник. Напряжение на разряднике падает до нулевого значения и дуговой разряд прекращается. После охлаждения термореле его контакты размыкаются и разрядник переходит в состояние покоя. Разрядники с термореле выдерживают до 10 срабатываний.
В вентильном разряднике для гашения дуги используется нелинейное сопротивление
На протяжении многих десятилетий на электрических сетях широко используются вентильные разрядники. Они представляют собой последовательно соединенный газовый разрядник и нелинейное сопротивление. В нашей стране обычно используются сопротивления из вилита — композиционного материала на основе карбида кремния. Сопротивление вилитового резистора тем меньше, чем больше сила тока. Когда происходит импульсное перенапряжение и срабатывает разрядник, сила тока через резистор резко возрастает и его сопротивление снижается. Но когда импульс прошел и продолжается самоподдерживающийся дуговой разряд, сила тока падает, сопротивление резистора возрастает, что приводит к уменьшению напряжения на контактах разрядника. Таким способом гасится дуговой разряд. Вентильный разрядник выдерживает до 20 срабатываний.
Разновидностью вентильного разрядника является магнитовентильный, где для гашения дуги дополнительно используется магнитное поле.
Несколько выбивается из общего ряда трубчатый разрядник, который также относится к искровым. В нем камера не является герметичной и заполнена твердым веществом — поливинилхлоридом. «Земля» выполнена в виде трубки, другой электрод выполнен в виде стержня, коаксиально расположенного в этой трубе. При искровом разряде в толще поливинилхлорида вырабатывается газ, стремящийся выйти наружу. Течение газа осуществляет гашение дуги. Трубчатые разрядники выдерживают до 10 срабатываний. Их основное преимущество — дешевизна, но в остальном их характеристики находятся не на самом высоком уровне, поэтому такие разрядники постепенно заменяют твердотельными.
Специальные типы разрядников
Выпускаются управляемые разрядники, имеющие три электрода. Они используются не для защиты оборудования, а для коммутации больших импульсов энергии. Третий электрод нужен для управления током, текущим между двумя другими электродами.
Для защиты изоляторов ЛЭП применяются длинно искровые разрядники, основанные на принципе скользящего разряда. Этот тип разряда возникает на диэлектрической поверхности и не может переходить в дуговой разряд, что отменяет необходимость в дугогасительных устройствах. В последнее время на смену длинной искровым разрядникам приходят мультикамерные, в которых гашение дуги происходит потоком газа, вырабатываемом при разряде. Как длинно искровые, так и мультикамерные разрядники были изобретены российскими учеными.
Выводы
Искровые разрядники находят свое применение как недорогие надежные устройства, способные выдерживать большие нагрузки. В телекоммуникационных приложениях использование варисторов ограничено из-за высокой емкости. В то же время, целесообразность их использования во многом упирается в экономику. Вентильный разрядник — дорогое устройство, требующее замены через каждые 20 срабатываний. Разница в стоимости между твердотельным и вентильным разрядниками полностью перекрывается более высокими затратами на эксплуатацию, так что твердотельный разрядник предпочтительнее.
Искровые разрядники применяются для уравнивания потенциалов в системах молниезащиты
Применение искровых разрядников в телекоммуникационных и сетях низковольтного электроснабжения необходимо и оправдано. В системах молниезащиты они очень востребованы благодаря надежности и возможности пропускать через себя большие токи. Примером тому могут служить разделительные разрядники Leutron, выдерживающие силу тока до 100 килоампер.
