اتصال کوتاه

.

.

خلاصه

پلاسمایی که توسط فرکانس بالا تولید می‌شود کاربردهای بسیاری در فرآوری محصولات با پلاسما و نیز در امر مطالعه‌ی ویژگی‌های بنیادین پلاسما دارد. در این راستا یک «نوسانگر هارتلی» فرکانس بالا با توان یک کیلووات طراحی شده و در فرکانس کاری صنعتی 13/56 مگاهرتز مورد آزمایش قرار گرفته است. ساخت این دستگاه در بخش فرکانس بالای انستیتوی پژوهش پلاسما با استفاده از یک لامپ تریود ساخت EIMAC از تیپ 3CX1200A7 به انجام رسید. چشمه‌ی RF در مُـد «کاتود زمین‌شده» کار می‌کند. لامپ تریود یادشده در کلاس AB کار کرده و بازخور آن در مسیر کاتود تامین شده است. لامپ مدار از نظر تلفات آنود (پلیت) و تلفات شبکه دارای حاشیه‌ی کافی هست که در برابر عدم تطابق‌های لحظه‌ای در بار، ایستادگی کند. در مسیر ولتاژ بالای منبع تغذیه تمهیدات مکانیکی و الکتریکی متعددی اندیشیده شده تا کیفیت عمومی این سامانه را ارتقا دهد. این مولد اساساً از سه بخش تشکیل یافته است:

• بخش RF،
• منبع تغذیه ی ولتاژ بالا و
• منبع تغذیه فیلامان با استارت نرم (Soft Start).

این مجموعه به صورتی فشرده ساخته شده و در کابینت آلومینیومی به ابعاد 80 × 60 × 1800 سانتی متر قرار داده شده است. این مقاله به شرح مشخصات، الزامات طراحی، مدار مورد استفاده، پارامترهای کاریِ نوسانگر یک کیلوواتی در کنار منبع تغذیه‌ی ولتاژ بالا و سامانه‌های مراقبتی و حفاظتی و مسدودکننده، تست‌های انجام شده و نتایج بدست آمده‌ی این دستگاه تحت یک بار مصنوعی 50 اهمی می‌پردازد. این نوسانگر یک کیلوواتی به مدت 8 ساعت به صورت پیوسته مورد آزمایش قرار گرفت و بدون هیچ افت محسوسی توان اسمی خود را تولید کرد.

.

مقدمه

کاربردهای فرکانس بالا به صورت پیوسته (CWRF) همراه با توسعه‌ی شاخه‌های سخن‌پراکنی، امور دفاعی، صنعتی و پژوهشی دایماً در حال گسترش است. یک نوسانگر فرکانس بالای پیوسته از نوع «خودگردان» (Free running) با توان 1 کیلووات بر روی 13/56 مگاهرتز کاربردهای پرشماری، از جمله در آزمایش‌های مرتبط با پلاسما دارد. نوسانگر پیوسته‌ای که در اینجا معرفی می‌شود، در بر دارنده‌ی منبع تغذیه‌ی بایاس، سامانه‌های کنترلی، نمایشگرها و مسدودکننده‌های ضروری است که همگی در یک کابینت طراحی، ساخته و تست شده است. نوسانگر را می‌توان در بازه‌ای به پهنای 1 مگاهرتز از فرکانس مرکزی آن تنظیم کرد و یک کیلووات توان فرکانس بالا را در چرخه‌های زمانی بالغ بر چندین ساعت به طور پیوسته برای مصارف صنعتی و یا در آزمایشگاه‌های پژوهشی پلاسما به کار گرفت.

.

کلیات طرح

مولد از سه بخش اصلی یعنی «مولد فرکانس بالا»، «منبع تغذیه‌ی آنود لامپ» و مدار «استارت نرم» برای تغذیه‌ی فیلامان تشکیل یافته است. ساختار این سامانه متراکم و کمپکت است و همه‌ی زیرسامانه‌ها و خودِ نوسانگر هارتلی در یک کابینت آلومینیومی به ابعاد 660×800×1800 میلی متر نصب شده‌اند. منبع تغذیه‌ی آنود لامپ یک منبع با ولتاژ متغیر است که همراه با ترانسفورماتور تغذیه‌ی AC فیلامان، پانل کنترلی، نمایشگرهای متفاوت، مدارهای حفاظتی و مسدودکننده، هواکش خنک‌کننده‌ی لامپ با قطر 10 سانتی متر، فیلترهای ضداختلال RFI، و مدار تانک قابل تنظیم در این کابینت جای گرفته‌اند.

برای نوسان‌سازی در فرکانس بالا، مدار هارتلی انتخاب شده است. این مدار هم ساختار ساده‌ای دارد و هم از نظر اقتصادی بسیار باصرفه است زیرا در مدار تانک آن به خازن‌های ولتاژبالای سرامیکی یا خازن‌های خلاء نیازی نمی‌باشد. با وجود این‌ها، این مدار پاسخ فرکانس بالای خوبی دارد و کارآیی و راندمان بهتری به دست می‌دهد. از این نوع مدار نوسانگر در صنایع گرمکاری القایی و خازنی برای مواد مختلف با قدرت‌هایی تا چند صد کیلووات توان RF استفاده به عمل می‌آید.

بایاس این مدار با یک منبع تغذیه‌ی آنود به تنهایی انجام می‌شود و بایاس کاتود به صورت خودکار (Self-biased) تامین می‌شود. قابل تنظیم بودن ولتاژ خروجی این منبع تغذیه امکان تغییر دادن توان RF و تغییر کلاس کار مدار را به دست داده است. در کنار این، بایاس خودکار کاتود نیز به مصرف کمتر و افزایش بازده مولد کمک کرده است. با این شیوه، نقطه‌ی کار بهینه در توان خروجی انتخاب شده به صورت خودبخودی تنظیم می‌شود. مدار اولیه‌ی ترانسفورماتور تغذیه فیلامان به مجموعه‌ای از مقاومت‌ها، زمانگیر، و کنتاکتورهایی مجهز شده است تا به مدت یک دقیقه پیش از اِعمال ولتاژ اسمی فیلامان، آن را با ولتاژ کمتری «پیش گرم» کند. با این روش عمر فیلامان و لامپ افزایش داده می‌شود.

برای تضمین کارکرد مطمئن و جلوگیری از تداخل سیگنال‌ها، همه‌ی کابل‌های تغذیه و اتصالات کنترلی به «خازن‌های میان گذر» (Feed through) و فیلترهای L فرکانس بالا مجهز هستند.

.

شرح نوسانگر

نوسانگر هارتلی طرح بسیار شناخته شده‌ای در کاربردهای فرکانس بالا است. در این مولد از نوسانگر هارتلی برای تولید یک کیلووات توان فرکانس بالا به صورت پیوسته و بر روی فرکانس 13/56 مگاهرتز بهره‌گیری شده است. ولتاژ آنود لامپ سه‌قطبی (تریود) ساخت Eimac از تیپ 3CX1200A7 در این مدار 4 کیلوولت با جریان 500 میلی‌آمپر است. کارکرد مدار در کلاس AB بازدهی بهتر از 50% به دست می‌دهد. بایاس منفی کاتود به صورت خودکار از طریق مدار فیدبک تامین می‌شود. تنظیم دقیق فرکانس در بازه‌ی چند مگاهرتز توسط خازن متغیر 20 تا 70 پیکوفارادی در مدار تانک انجام می‌شود. عایق این خازن از جنس تفلون است.

.

.

توان RF خروجی از روی پریزی بر روی چوک RFC و از طریق یک خازن تفلونی 30 پیکوفاراد برداشت می‌شود. ولتاژ شکست این خازن باید 10 کیلوولت یا بیشتر باشد. پایانه‌ی 50 اهمی خروجی به یک کانکتور تیپ N و یک آداپتور تبدیل مجهز است. مقادیر بیشینه‌ی مطلق لامپ 3CX1200A7 بنا به داده‌برگ آن به شرح زیر است:

.

.

پارامترهای کاری مدار

بر اساس داده‌های تولیدکننده‌ی لامپ، خط بار بر روی نقطه کار 3/8 کیلوولت و 400 میلی آمپر با صفر ولت روی کاتود و پارامترهای کاری زیر به دست آمده‌اند:

.

.

مدار منبع تغذیه‌ی ولتاژ‌بالای آنود کاملاً حفاظت در نظر گرفته شده است و دارای مشخصات زیر می باشد:

.

.

تست کیفیت و نتایج

بر اساس جزییات طراحی که در بالا آمد، تعداد زیادی از این مولد ساخته و به مشتریان تحویل داده شده است. در زیر نتایج آزمایش‌ها بر روی یکی از مولدهایی که اخیراً ساخته شده ارایه شده است.

.

.

جمعبندی

این مولد فرکانس بالا که در مقیاس تجاری تولید شد، کیفیت و شاخصه‌های فنی رضایت‌بخشی از خود نشان داد و نتایج کاری بر محاسبات انطباق داشت. تست‌ها با توان‌سنج‌های برخط (Through line power meter) و بار مصنوعی 50 واتی به انجام رسیدند. در مصارف صنعتی که کاهش شکستگی‌ (اعوجاج)‌های هارمونیکی اهمیتی ندارند، بازده مولد می‌تواند با راه‌اندازی مدار نوسانگر در کلاس C ارتقا داده شود. دمای لامپ و افزاره‌های مدار تانک در توان‌های بیش از یک کیلووات اوج می‌گیرد، اما حاشیه‌ی حفاظتی کافی، هم در لامپ و هم در افزاره‌های دیگر، پیش‌بینی شده است. با سرمایش بهتر می‌توان از این مدار توان خروجی تا بیش از 1/5 کیلووات هم دریافت نمود.

با ایجاد تغییراتی کوچک در این مدار می توان فرکانس کار را تغییر داد و بر توان خروجی افزود.

.

.

این مقاله در 23 – مین «سمپوزیوم علم و فن آوری پلاسما (Plasma-2008)» ارائه شد.

نویسندگان: سونیل کمار، باوش کادیا، راج سینگ، آتول واریا، وای.اس.اس.سرینیواس، اس.وی. کولکارنی و آی.سی.آر.اچ-آر.اف. گروپ

انستیتوی پژوهش پلاسما، بهات، گاندیناگار 428 382، هند

sunilg@ipr.res.in

.

.

.