Lasercutter (Alt)

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Lasercutter Release status: experimental [box doku]
Description	Schneidlaser für möglichst auch Metalle
Author(s)	TeslaDennis , MadEnginner
Last Version	0.1

Beschreibung

Bei diesem Projekt möchte ich einen Schneidlaser bauen der stark genug ist um Material zu schneiden oder Oberflächen zu gravieren. Die Leistung hängt maßgeblich vom eingesetzten Laser ab. Der finale Aufbau soll ähnlich einem X-Y-Plotter aufgebaut werden. Statt des Stifts wird der Laserstrahl auf das Material gelenkt.

Aktueller Stand

#Der Laser wurde beschafft. Erste Gehversuche den Laser Pulsweise in Betrieb zu nehmen sind erfolgreich abgeschlossen. Es wurde auf verschiedene Materialien "geschossen" um zu schauen "wat der denn so kann".

Haben ihn mit der Hardware eines Rubinlasers den YAG probehalber mal in Betrieb genommen. Die Hardware ist für unseren Fall nicht zu gebrauchen da sie zu wenig Leistung besitzt. Wir werden die Baugruppen zerlegt und die Teile daraus wiederverwendet. (eigentlich nur den Zündübertrager mit Beschaltung und die Hochspannungsdioden)

Haben nun ein eigenes Zündnetzteil gebaut. (siehe #Zündeinheit)

Komponenten

Das System wird aus drei Teilen bestehen:

• Dem Tisch mit Laser
• Der Steuerung (bevorzugt in 19" Baugruppen)
• Ein Computer der das ganze mit Daten versorgt
• (Peripherie, der Laser braucht Kühlwasser und Druckluft)

Laserkopf

Bei dem Laserkopf handelt es sich um einen Blitzlampengepumpten ND:YAG Laser mit Wasserkühlung. Der Laser besitzt eine Ausgangsleistung von 15 Watt im Mittel und eine Pulsleistung von 40 Kilowatt, bei einer Wiederholrate von 20 Hz darf die Pumpenergie maximal 80J betragen. Die Zündspannung der Lampe wurde auf ca. 10kV bis 12kV geschätzt. Die Brennspannung der Lampe beträgt 600V bei einem Strom von 20mA. Bei einem Strom von 70mA sinkt sie auf etwa 200V. Für das einleiten der Simmerentladung ist jedoch eine Spannung von etwa 1kV nötig.

Netzteil

Für die im Laser verbaute Blitzlampe wir ein hohen Strom auch eine hohe Spannung benötigt. Der Strom wird durch einen Kondensator bereitgestellt, da die Blitzlampe, wie der Name schon sagt, nur pulsweise betrieben wird. In unserem Fall besteht der Kondensator aus zwei GeneralAtomics Hochspannungskondensatoren mit 42µF bei maximal 5kV. Da die Blitzlampe jedoch nur mit einer Energie von 80J belastet werden darf, wird hier nur eine Ladespannung von 1400V benutzt. Bei voller Leistung müssen diese Kondensatoren 30mal pro Sekunde aufgeladen werden. Wenn man die Zeit für die Zündung der Lampe und die Entladung vernachlässigt bedeutet dies man hat maximal 50ms Zeit. Dies allein entspricht schon einer Ladeleistung von

<math>P_min = \frac {\frac 1 2 \cdot C \cdot U^2} {t} = 1600W</math>

Bei einer Zeitspanne von 40ms ergibt sich schon eine benötigte Leistung von 2kW. Diese Anforderungen zeigen schon das der Eigenbau eines Schaltnetzteils diesen Kalibers nicht gerade einfach sein wird.

Durch einen Unglücklichen Zufall haben wir aber ein Hochspannungsnetzteil über. Genauer gesagt stammt es aus dem großen Kupferdampf-Laser(Spitzname Todelaser, da Ausgangsleistung 26W grün und Pulsleistung 90kW), dessen Beryliumoxid-Röhre leider zerbrach. Das Netzteil machte in seinem alten Zuhause eine Spannung von 8kV bei einer Leistung von 6kW. Die Leistung ist ausreichend, nur leider ist die Spannung viel zu hoch. Also waren ein paar Modifikationen nötig.

Das Netzteil und seine Modifikationen

Der Hochspannungstrafo besteht aus zwei dicken Primärwindungen und vier stark voneinander isolierten Sekundärwichlungen, von denen jede 8kV erzeugt. Die verschiedenen Wicklungen wurden im Orginal nach der Gleichrichtung parallel geschaltet. Es sieht so aus, als wenn dies ein Universalmodul war, welches je nach Verdrahtung Ausgangsspannungen von 8kV bis zu 32kV erzeugen konnte. Darauf deuten auch die Auslegung der Gleichrichterdioden hin, denn jeder Zweig der Brückgleichrichter besteht aus vier in Reihe geschalteten 10kV Dioden. Ebenso ist das Hochspannungssteckersystem Marke Eigenbau auch für eine wesentlich größere Spannungs ausgelegt, wie man an der sehr langen Isolation des Steckers erkennen kann. Das interessante ist, dass dieses Steckersystem eigetnlich aus Pressfittingen für Rohre besteht und die Kontaktierung über eine an der Koaxialkabel angelötete Mütter und eine Feder erfolgt.

Zur Anpassung an die geänderte maximale Ausgangsspannung von nur etwa 1,5kV wurden die alten Sekundärwicklungen komplett entfernt. Dabei wurden aber die Anzahl der Windungen mitgezählt. So kann die Ausgangsspannung einfach durch Anpassen der Verhältnisses geändert werden. Wegen der hohen zu erwartenden Ströme wurde die Wicklung mit 1,2mm Kupferlackdraht ausgeführt.

Der alte Gleichrichter wäre dem hohen Strom auch nicht gewachsen gewesen, also musste auch hier ein neuer her. Dieser besteht aus einer Reihen- und Parallelschaltung von mehreren UF4007 Dioden (1kv 1A). Ebenso musste der Strommesshunt auf der Sekundärseite gegen Masse entsprechend verkleinert werden.

Auch der Vorwiderstand zur Messung der Ausgangsspannung wurde von 200MOhm auf 50MOhm verkleinert. Ohne diese Änderungen hat man über die externe Sollwert-Vorgabe nur einen sehr kleinen Aussteuerbereich zur Verfügung.

Steuerung

Zur Steuerung des Netzteil gibt es eine 25polige D-Sub-Buchse auf dessen Rückseite. Über diese Schnittstelle lassen sich viele Funktionen ansprechen. Wie zum Beispiel:

• Open Kollektor Statusausgänge (On, Off, Überlast, Interlock, Inhibit, End-of-Charge, ...)
• Poweronoff -Taster (On NC, OFF NO -->Laut TeslaDennis üblich bei Selbsthaltenden Relaischaltungen)
• Inhibit (Stoppt das Netzteil)
• "Analog Charging Waveform Out 'Voltage' " (Zugang zu internem Spannungsteiler ohne Tiefpass, siehe unten)
• Sollwertvorgabe 0-8V (8V=maximale Ausgangsspannung) ToDo: Zusammenhang messen!
• Anschlüsse für Messinstrumente (Strom und Spannung)
• Interlock
• ...

Fürs erste wurde ein minimal Steuerpanel gebaut, um das Netzteil testen zu können. Dies besteht aus Status LEDs, Poti zur Sollwertvorgabe, Abgriffe für die Messsignale und Schalter für Inhibit( dauerhaft an oder externes Signal( Pulldown = Aus))

Stromversorgung

Das Gerät stammt aus Amiland, dem entsprechend ist es für 208V Drehstrom oder 230V einphasig ausgelegt. Das Problem ist, dass man die gesamte Leistung nicht so gut aus einer Phase ziehen kann. Also musste Drehstrom her, leider bekommen wir bei einer Vollweggleichrichtung keine 320V, also musste eine Dreipuls-Mittelpunktsgleichrichterung verwendet werden.

Ausserdem gab es noch eine improvisierte Einschaltstrombegrenzung aus 3 180Ohm Widerständen, die später von einem Schütz überbrückt werden. Dies muss bisher manuell erfolgen, aber später macht dies dann ein Zeitrelais.

Messungen

Nachdem sich das Netzteil nun über das Panel steuern lässt konnten auch ein paar Messungen gemacht werden. Dazu wurde unsere Kondensatorbank und ein Entladewiderstand angeklemmt. Ausserdem leisteten noch ein Multimeter (bis 1000V) und ein elektrostatisches Voltmeter (maximaler Anzeigewert 4kV) gute Dienste.

Der erste Eindruck ließ sich am besten mit WOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOWWWWWWWWWWW beschreiben: On-Taste und die End-of-charge LED leuchtet!

Über den "Charging Waveform"-Ausgang wurde also ein also ein Speicheroszi angeschlossen und mal geschaut wie schnell es denn nun wirklich ist und wir waren überrascht: 14,8ms. Nach einer kleinen Messreihe kamen wir dann auf einen durchschnittliche Ladezeit von etwa 15,9ms. Wir haben also eine durchschnittliche Ladeleistung von 4,9kW. Dieser niedrige Wert steht sicher im Zusammenhang mit unserer Mittelpunktsgleichrichtung. Ist aber mehr als ausreichend, wenn man die Pulsfrequenz von 20Hz bedenkt.

Zündeinheit

Die Zündspannung, in unserem Fall über 10kV, wird nur kurz, zum Zünden der Lampe benötigt. Diese hohe Spannung wird seriell über einen Impulstransformator eingekoppelt. Sekundärseitig ist der Trafo mit dem Kondensator in reihe an die Lampe angeschlossen. Primärseitig wird über einen Thyristor und einen Kondensator ein kurzer Strompuls in den Trafo geschickt, damit dieser eine sekundär hohe Spannung aufbauen kann. Diese Spannung addiert sich zur Ladespannung des Haupt-Kondensators und über steigt damit die Zündspannung der Lampe, wodurch diese leitend wird.

Die Zündeinheit besteht aus einem Schaltnetzteil das aus 24VDC 500VDC generiert. Mit diesem Netzteil wird ein Kondensator aufgeladen der mit Hilfe eines Thyristors in den Zündübertrager entladen werden kann. Die Zündeinheit wird von einem AVR gesteuert der folgende Aufgaben übernimmt:

• Steuerung des Schaltnetzteils und abschaltung des selbigen bei erreichen der Ladeschlussspannung (500V).
• Überwachung des Schaltnetzteils
• Kommunikation mit des Steuerung des Lasersystems
• Auslösen eines Zündpulses als Reaktion auf externes Triggersignal
• Abschaltung der gesamten Zündeinheit im Fehlerfall

Die Zündeinheit besitzt vier Anschlüsse um Signale zu Empfangen uns zu senden:

• eine RS232 Schnittstelle
• einen Triggereingang der einen Zündpuls auslöst
• einen Fehlerausgang der sobald der AVR eine Fehlfunktion feststellt auf High gesetzt wird
• einen Eingang mit dem das gesamte Zündgerät ein- und ausgeschaltet werden kann.

Alle Ein- und Ausgänge sind über Optokoppler galvansch getrennt.

Simmern

Unter simmern bezeichnet man das Vorhandensein einer dauerhaft brennenden Entladung in der Blitzröhre, der Simmerentladung. Bei dem Zünden der Röhre kommt es immer zu einem Absputtern von Elektrodenmaterial. Dieses Material setzt sich dann auf dem Glaskolben ab und führt zu einer Verdunkelung der Röhre von innen. Durch diese Verdunkelung sinkt zum einen die Leichtausbeute der Blitzröhre und zum anderen steigt hierdurch die thermische Belastung der Glaswände stark an. Kurzum, die Lebensdauer sinkt. Wenn nun aber die Röhre nur einmal mit einer geringem Strombelastung gezündet wird und fortan ein konstanter Lichtbogen brennt kommt es zu einer viel geringere Absputterung. Die Folge ist eine mehr als zehnfache Lebensdauer der Röhre. Wir haben uns für einen Simmerstrom von etwa 70mA entschieden, bei diesem Strom benötigen wir eine Spannung von etwa 200V. Ist der Strom geringer, so steit der Spannungsbedarf stark an (negativer Widerstand einer Gasentladung). Aufgund dessen benötigen wir Anfangs eine hohe Spannung um 1kV, damit sich nach der Zündung auch eine Simmerentladung ausbilden kann. Brennt die Entladung ersteinmal sinkt der Spannungsbedarf stark ab.

Um nun einen Stromimpuls zu erzeugen benötigen wir einen Thyristor, welcher die Kondensatorbank abtrennt. Durch diesen muss bei jedem Laserpuls der gesamten Pulsstrom fließen.

Leider erwies sich das Simmern als alles andere als trivial, aber wir haben bereits erste Erfolge zu verbuchen.

Der erste Versuch war schon sehr abenteuerlich, die Leerlaufspannung wurde durch einen 230V/400V Trenntrafo mit einer anschließenden Spannungsverdopplung erzeugt und der Strom wude über einen Vorwiderstand begrenzt. Obwohl dieser einfacher Aufbau bereits super funktionierte, war er alles andere als optimal, denn für die 14W Simmerleistung (200V 70mA) wird bestimmt das vierfache in dem Vorwiderstand verheizt.

Der zweite Versucht war ein induktiv strombegrenzter Royer-Wandler (ZVS mit großer Induktivität). Leider ließ sich diese Schaltung nicht dazu überreden seinen Strom weit genug zu senken. So kamen wir immer auf Kurzschlussströme im 200mA Bereich.

Der dritte Versuch lehnt sich an ein billiges HeNe-Lasernetzteil an. Denn bei diesen wird die Zündspannung durch eine Kaskade erzeugt und durch die entsprechende Dimensionierung der Kondensatoren wird der Ausgangsstrom begrenzt. Ein schneller Aufbau aus 4 Kondensatoren(20µF MP) und 8 Dioden(2x UF4007 in Reihe) brachte einen Simmerstrom von 230mA. Als nächstes werden wir die Kondensatoren schrittweise verkleinern, bis sich ein entsprechender Strom einstellt.

Ergebnisse

[1]

Links

Info Resonanzwandler