Table of Contents

إن تصميم إمدادات الطاقة لنظم الليزر ذات الطاقة العالية هو أحد أكثر التخصصات احتياجا في أجهزة توليد الطاقة الكهربائية، والليزر نفسه أداة بصرية دقيقة تعتمد على مدخلات كهربائية ثابتة منخفضة الدقة لإنتاج شعاع ثابت، وبالتالي فإن نقص التجهيز الكهربائي يستحدث مواهب متطورة أو انجراف حراري أو سمارات عابرة تتدهور من نوعية البلازما، بل يمكن أن يلحق الضرر بأجهزة التحكم في الليزر المتوسطة أو الضخ.

الاحتياجات الرئيسية لمواد الطاقة الكهربائية العالية الدفع

وتفرض الليزرات ذات الطاقة العالية - التي تُعرَّف عادة بأنها الليزرات ذات الموجات المستمرة فوق كيلوواط أو الليزر الملوَّثة بقوى ذروة في نطاق الميغاوات - مطالب شديدة على إمداداتها من الطاقة، وتُوسَّع الاحتياجات الرئيسية الأربعة أدناه.

القدرة العالية على العمل

ويحتاج جهاز لازر، ومصابيح العشب، ومصابيح الوميض إلى تيار كبير لتحقيق تحويل السكان، وبالنسبة للليزر الصلبة المضخمة، يمكن أن يتجاوز التيار 100 ألف لكل بار من الأغبياء، ويجب أن تُوصل إمدادات الطاقة هذا التيار بموجات منخفضة (في كثير من الأحيان أقل من 1 في المائة) لتجنب إدخال الضجيج في إنتاج الليزر.

القابلية للذوبان

إن انجراف عدد قليل من فولتات يمكن أن يغير نقطة تشغيل الليزر، مما يقلل الكفاءة أو يسبب قفزات في الليزر الواحد، وتحتاج إمدادات الطاقة من ليزر الغاز (مثل ثاني أكسيد الكربون أو المحارم) إلى تنظيم في حدود 0.1 في المائة من نقطة الوسط، ويتحقق هذا الاستقرار من خلال إشارات مفصّلة ومرتدة ومضمونة ذات كفاءة متعددة.

الإدارة الحرارية

أما أوجه القصور في إمدادات الطاقة - التي عادة ما تكون 10 إلى 30 في المائة في تحويل المحولات أو أجهزة التنظيم السطرية - فتصبح عدة كيلووات من الحرارة في نظام حرارة 10 كيلوواط، وبدون التبريد الكافي، وارتفاع درجات الحرارة في العناصر، والتعجيل بفشل أجهزة الاستنشاق الكهربائي، ومزودات الأمواج المغناطيسية، والإدارة الحرارية ليست خياراً بعد التفكير؛ وهي تُملي على المسارات المادية.

مواد السلامة

(أ) ارتفاع حجم الفولط (حتى عشرات الكيلوغرامات لبعض الليزر الغازية) والخطرات العالية الحالية التي تشكل خطراً فتكاً، ويجب أن تتضمن إمدادات الطاقة مستويات متعددة من الحماية: الدوائر الثلاثية الزائدة والمبالغة في الفول، والكشف عن التخلف الأرضي، وقطع القاع، ودوائر الطواريء، والنظم المشتركة التي تعطل الإمدادات عندما يفتح باب الغلق(60).

بــاء - توابع الإمداد بالطاقة للأجهزة ذات الدفع العالي

ويتوقف اختيار الطبقات على نوع الليزر ومستوى الطاقة وخصائص الناتج المطلوبة، وتهيمن ثلاثة من الطبقات على الميدان.

لوازم الطاقة البديلة

أما إمدادات الطاقة البديلة فهي أفقان من نظم الليزر ذات الطاقة العالية، وهي توفر كفاءة تفوق 90 في المائة ويمكن أن تُجمع بشكل مترابط، وتُستخدم محولات التوليد الكامل والنصف العجائز في إطار النواتج التي تبلغ 1 كيلوواط، والتي كثيرا ما تُنتج عن عمليات التموين غير المتطورة أو تقنيات التحويل غير المأمون التي تُستخدم في إطار نظام تحديد المواقع (ZCS).

منظمو الصف

وبالنسبة للطلبات التي تتطلب ضوضاء شديدة - مثل الليزرات ذات التردد الواحد المستمر المستخدم في التقاطع أو المطياف - تستخدم أجهزة التحكم في الغلاف الجوي بعد تبديل المعالج، وتحرق المرحلة الخيوطية من الفائض كدواء حراري، وتهين الكفاءة العامة إلى 40 - 60 في المائة، وبسبب الانتفاخ الحراري، لا تستخدم أجهزة التحكم في الكتائب إلا في مستويات عملية.

المترجمون الشفويون والمترجمون الشفويون

وتتزايد استخدام المحولات الصوتية (مثلاً، LLC، LCC) في إمدادات الليزر العالية الطاقة لأنها تحقق التحول الناعم على نطاق واسع، مما يقلل بدرجة كبيرة من الانبعاثات الناجمة عن التوليد، ويحول الخسائر، أما بالنسبة للليزر المحشوة بشكل إيجابي (مثلاً، الليزر المسببة للتوترات التي تتطلب نبضات عالية في معدلات التكرار في كهرتز)، فتعرض المزودات الأكثر تعقيداًاًاًاًاًاًا

اعتبارات التصميم في ديبث

وبالإضافة إلى المتطلبات الأساسية، يجب على المهندسين أن يتصدوا لعدة تحديات مترابطة في مجال التصميم.

كفاءة تحويل السلطة

وكل نقطة مئوية من الكفاءة تُحد من الحمولة الحرارية بعشرات أو مئات من الخاطيش، وهذا يؤثر مباشرة على حجم نظام التبريد، وضجيج المعجبين، والوقت المتوسط بين الفشل (MTBF).

النواة الكهربائية والروبيان

إن حمى الليزر حساسة للغاية بالنسبة للترددات القريبة من تردد الليزر المخفف (التي غالبا ما تصل إلى 100 كيلوهيرتز إلى 10 أمهرتز) وتتسبب النواقص في هذه الترددات في ضوضاء شديدة يمكن أن تفسد القياسات أو تتدهور نوعية اللحام في الليزر الصناعية، ويجب أن تشمل إمدادات الطاقة مرشحات ذات نواتج منخفضة التجاوزات تقل عن 10 كرامات.

الوحدات واستعادة الوظائف

وكثيرا ما تدار الليزر الصناعية على مدار الساعة طوال أيام الأسبوع في المصانع، ويتوقف فشل الإمداد بالطاقة الإنتاج، ويكلف عشرات الآلاف من الدولارات في الساعة، وتسمح التصميمات النموذجية بتبادل مستويات الطاقة دون إغلاق الليزر، وتورد كل وحدة جزءا من الطاقة الكلية (مثلا، وحدتين من وحدات الكيماويات مقابل 8 كيلوواط في الليزر)، وإذا فشلت وحدة واحدة من وحدات الكشف، فإن الوحدات المتبقية تتقاسم الحمولة، وإن كانت مخفضة.

الحجم والثمانية والمضيق الميكانيكي

وتفرض نظم الليزر المحمولة - المستخدمة في أجهزة تحديد النطاقات العسكرية، أو معدات طبية - قيودا صارمة على الحجم والوزن، وتتطلب كثافة الطاقة العالية التغليف المتطور: ثلاث دائغ، ومكونات مغناطيسية متكاملة، وأجهزة توليد الطاقة المضغوطة، وحتى بالنسبة للليزر الصناعية الثابتة، فإن إمدادات الطاقة الأصغر تحرر حيزا من أجهزة التبريد أو مصادر الليزر الإضافية.

الإدارة الحرارية: نظام فرعي حرج

الإدارة الحرارية ليست فقط حول ربط مروحة إلى عظمة الصدر، بل هي نظام منسق لمسارات إزالة الحرارة.

Air cooling

أما بالنسبة للإمدادات التي تصل إلى حوالي ٥ كيلوواط، فإن التبريد القسري في الهواء مع المراوح المحورية يكفي، كما أن الألومنيوم المهددة بالبضائع الفضائية عن كثب، ويجب على المهندسين حساب قطر الضغط الجوي وربط منحنى المعجبين لضمان تدفق جوي كاف على المكونات العالية الخردة مثل مركبات الإيغ بي بي بي بي بي تي ومصففات المنتجات الأساسية في البيئات الصناعية العالية.

سائل التبريد

ففوق ٥ كيلوواط، يصبح التبريد الجوي غير عملي بسبب ضوضاء المعجبين وحجم التسخين، ويستخدم التبريد السائل لوحات باردة - كثيرا ما تكون مجهزة بأجهزة مجهرية مزروعة أو زعانف ثابتة - مثبتة مباشرة بوحدات توليد الطاقة الكهربائية، ويعمم المبرد )خليط الماء - الزنج( من خلال حلقة مغلقة، ويرفض مقاومة الحرارة إلى جهاز كشف أو جهاز شعاعي.

المحاكاة الحرارية والتبريد الساخن

ويعتمد التصميم الحديث على ديناميات السوائل الحاسوبية على التدفق الجوي النموذجي، وسلوك الحرارة، والتدفق السائل، ويحدد المهندسون البقع الساخنة - مثل نواة المنتج أو مصرف المكثف - ويضبطون بشكل متكرر التصميم، ويضيفون موزعات الحرارة، أو يزيدون وزن النحاس في طبقات ثنائي الفينيل متعدد الكلور.

السلامة والامتثال

وتُستخدم إمدادات الطاقة الكهربائية في إطار نظم متعددة للسلامة تتداخل وأحيانا تتضارب.

السلامة الكهربائية

وينظم المركز الدولي للكهرباء 60950-1 (الذي أصبح الآن تابعاً للشبكة 62368-1) سلامة تكنولوجيا المعلومات ومعدات الطاقة، أما بالنسبة للوازم الليزرية، فتتمثل الاحتياجات الرئيسية في: تعزيز العزل بين المقومات والنواتج، ومسافات التسلل والتطهير القائمة على أساس الفولط العامل، وإغلاق الضمادات، وكثيراً ما تستخدم الإمدادات ذات الحركة العالية (فوق 1 كيلوفولط) النفط أو العزل SF6 لمنع حدوث تداول.

السلامة السريعة

ويعرف المركز الدولي للكهرباء ٦٠٨٢٥-١ تصنيفات السلامة لمنتجات الليزر، وفي حين أن إمدادات الطاقة نفسها ليست ليزرا، فإنه يجب أن يتفاعل مع نظام سلامة الليزر، ويشمل ذلك سلسلة مترابطة بين الأزواج، إذا فتحت أبواب الضبط، فإن الإمداد بالطاقة يجب أن يفصل مضخة الليزر في غضون ثواني، وبالمثل، يجب أن يؤدي فشل مكوك الشعاع إلى إغلاق إمدادات الطاقة.

EMC Compliance

(أ) الجزء 18 (الصناعة والعلمية والمعدات الطبية) والحد الأقصى المحدد لتعدادات حقوق الملكية الفكرية (الصادرات المشعّة) والرقم 11 لرابطة الدول المستقلة (الصادرات الرئيسية للضوضاء)

المراقبة والرصد

وتستخدم إمدادات الطاقة الليزرية الحديثة حلقات المراقبة الرقمية مع أجهزة التحكم بالمايكرو أو نظام إدارة المعلومات، مما يتيح تنظيما دقيقا، وعمليات تشخيص، والاتصال عن بعد.

التغذية واللائحة

ويتخذ نظام نموذجي لقياس الناتج الحالي (للليزر المتقلب) أو الفولط (للليزر المضخمة للتصريف) عن طريق جهاز استشعار أو صقل للثبات المؤثرة، ويجب أن تستكمل عينات شركة ADC في 1 ميسبس، والمحاسبة المزودة بأجهزة توجيه ذات فتحات متعددة، التي كثيرا ما تكون ذات خامات الرصاص، دورة PWM في تردد التبديل (50-200 كيلو متر مربع).

الرصد عن بعد والتشخيص

(ب) الوصلات الرقمية مثل (C CAN) RS-485 أو Ethernet) تسمح لجهاز التحكم في نظام الليزر برصد التطاير العرضي، وحالياً، ودرجة الحرارة، وأعلام الخطأ، وتتتبع الخوارزميات الافتراضية عصر أجهزة التكتل الكهربائي (بمقياس ESR) وتحذر عند الحاجة إلى استبدالها، وفي نظم متعددة الوسائط، يوازن جهاز التحكم حالياً مع إمكانية التحلل بشكل معقول إذا فشلت وحدة.

الاختبار والتقييم

قبل أن يدخل تصميم الإمداد بالطاقة الإنتاج يجب أن يمر بخطة اختبار صارمة

اختبارات الإقراض والكفاءة

ويقوم مصرف للحمولة قابل للبرمجة بتحفيز الخصائص الكهربائية للليزر - التكتل المستمر أو التطاير المستمر أو تحميل النبض - وتقاس الكفاءة في نقاط تشغيل متعددة )١٠-١٠٠٪ من الطاقة المقومة( باستخدام أجهزة قياس كهربائية معيرة، وتلتقط الصور الحرارية في أسوء حمل للتحقق من درجات الحرارة في البقع الساخنة التي تظل دون حدود تقدير العناصر.

قياسات الرسوبيات والمصابات

وباستخدام مسبار تفاضلي ومصفوفة ذات عرض واسع النطاق (20 ميغاهيرتز أو أعلى)، يقوم المهندسون بقياس حجم الناتج تحت الحمولة الكاملة، وبالنسبة للوازم الليزرية، تحدد كمية الذروة إلى البق؛ والحدود النموذجية هي 50 مللي في الفرن مقابل 50 درجة مئوية.

اختبارات السلامة والتحمل

ويجري اختبار الاختبارات (القابلية للأخشاب) بين الرياح الأولية والرياح الثانوية وبين الإنتاج والأرض، ويتحقق من زيادة حجمها واختبارات الدائرة القصيرة من أن الدوائر الواقية تتنقل داخل ثواني صغيرة، وتدير اختبارات الحرق إمداداتها بكامل طاقتها المقدرة لمدة 100 ساعة، بينما تدور حول حجم المدخلات لتحفيز التباينات في خطوطها.

وهناك عدة تقدم تكنولوجي يعيد تشكيل الميدان.

Gallium Nitride (GaN) and Silicon Carbide (SiC) Devices

وتتيح هذه الحركات المتطورة التي تستخدمها شركة سي سي سي سي سي إم آي تي (SFET) تحويل الترددات فوق 1 ميغاهيرتز مع خسائر منخفضة، مما يقلل من المغناطيسيات والمركبات، وثدييات الطاقة التي تزيد عن 30 و/ج3.

المراقبة الرقمية والتمكين الأمثل

ويمكن أن تكيف حلقات المراقبة الرقمية الكاملة تواتر تبديل الإمدادات والوقت المميت في الوقت الحقيقي للحفاظ على نظام الرصد والتحقق المستمرين عبر حمولات مختلفة، وتقوم أجهزة التنبؤ القائمة على أساس AI بتحليل درجات الحرارة وأنماط الحمل لتوقع الفشل، وتستخدم بعض مختبرات البحوث التعلم من أجل تعزيز القدرة على تحقيق أقصى قدر من الكفاءة في استخدام الموجات المبلورة.

التكامل وطرائق السلطة

ويقدم الموردون الآن وحدات متكاملة للطاقة تجمع بين جسر التبديل، وسائقي البوابات، والمغنطيسية، والتبريد في مجموعة واحدة، وتبسط هذه الوحدات التصميم وتخفض المختطف الطفيلي، فعلى سبيل المثال، تدمج سلسلة الذئب السريع (المتجانسة الآن) HVD مجموعات SC MOSFETs في شكل نصف جسر معدله 1.2 كيلوفولت و 100 ألف، وهو ما يمثل مثاليا لعشرة كيلوواط.

خاتمة

إن تصميم إمدادات الطاقة لنظام ليزر عالي الطاقة يمثل تحديا هندسيا متعدد التخصصات، ويتطلب فهما عميقا للالكترونيات الكهربائية، والديناميات الحرارية، والتوافق الكهرومغناطيسي، والهندسة الآمنة، وأفضل التصميمات ليست كافية فحسب، بل إنها تتوقع الجيل القادم من الليزر، مما يوفر غرفة رئيسية للكفاءة والموثوقية، ومع أن الأشعة الوطنية، والتحكم الرقمي، والتبريد المتقدم ستستمر في تيار الطاقة الكهربائية.

For further reading, consult the IEE Transactions on Power Electronics], the ]Laser Institute of America safety standards page], and reference designs from manufacturers like Texas Instruments[FLdio-T:5] for high-down transformcurrent.