Коэффициент заполнения k: Прямоугольные импульсы: описание и принцип формирования

Содержание

Основы радиолокации — Импульсная и средняя мощность

коэффициент заполнения

средняя мощность

импульсная мощность

длительность импульса

период повторения импульсов

Рисунок 1. К пояснению понятий «коэффициент заполнения», «импульсная мощность», «средняя мощность»

коэффициент заполнения

средняя мощность

импульсная мощность

длительность импульса

период повторения импульсов

Рисунок 1. К пояснению понятий «коэффициент заполнения», «импульсная мощность», «средняя мощность»

Импульсная и средняя мощность

Энергия, излучаемая радиолокатором непрерывного излучения может быть легко определена, поскольку передатчик такого радиолокатора работает непрерывно. Однако у импульсного радиолокатора передатчик включается и выключается, чтобы обеспечить получение информации о дальности цели с каждым импульсом. Знать количество энергии, излучаемой в таком случае, важно, поскольку оно связано с мощностью на выходе передатчика, от которой прямо зависит максимальная дальность действия радиолокатора.

Чем большую энергию излучает радиолокатор, тем большей будет дальность обнаружения им цели.

Энергия импульса равна произведению импульсной (пиковой, максимальной) мощности на длительность импульса. Однако измерительные средства (датчики), используемые в радиолокаторах для измерения мощности, выполняют измерение в течение интервала времени, превышающего длительность импульса. По этой причине период повторения импульсов включен в формулы для расчета мощности передатчика. Мощность, измеренная в течение такого периода, называют средней мощностью. Соотношение между средней и импульсной мощностью поясняется на Рисунке 1 и описывается следующей формулой:

Импульсная мощность должна вычисляться чаще, чем средняя мощность. Это вызвано тем, что большинство измерительных средств измеряют среднюю мощность напрямую, как правило, путем оценки нагрева чувствительного элемента датчика. Формула (1) определяет общий подход к расчету импульсной мощности по средней мощности и наоборот.

Поскольку некоторое количество энергии накапливается в модуляторе, система электропитания должна обеспечивать потребляемую мощность передатчика, лишь немного большую, чем средняя излучаемая мощность.

Коэффициент заполнения

Произведение длительности импульса (τ) на частоту повторения импульсов (prf), являющуюся величиной, обратной периоду повторения импульсов (Τ) в формуле (1), называют коэффициентом заполнения радиолокатора. Коэффициент заполнения показывает какую часть рабочего периода (периода повторения импульсов) система находится в «активном» состоянии.

Иногда при расчетах импульсной и средней мощности используется величина, обратная коэффициенту заполнения. Такая величина называется скважностью. Она показывает сколько импульсов укладывается в интервал времени, равный периоду повторения.

Сущность коэффициента заполнения можно пояснить на таком примере (Рисунок 1). Предположим, передатчик работает в течение 1 микросекунды и выключается на 99 микросекунд, затем снова запускается на 1 микросекунду и так далее. В таком случае передатчик работает в течении одной из ста микросекунд или 1/100 всего рабочего времени, то есть его коэффициент заполнения составляет 1/100 или 1 процент. Значение коэффициента заполнения используется при расчетах как импульсной мощности, так и средней мощности радиолокационной системы.

коэффициент заполнения — это… Что такое коэффициент заполнения?

3.15 коэффициент заполнения (fill ratio), φ: Отношение объема источника шума под кожухом к внутреннему объему кожуха.

Примечание — Если форма источника шума затрудняет расчет его объема, то можно в качестве объема источника принять объем огибающего параллелепипеда по ГОСТ 31275.

Коэффициент заполнения — максимально возможный объем СПГ по отношению к общему объему резервуара (определяет разработчик резервуара).

3.13 коэффициент заполнения (fill ratio) φ: Отношение объема источника шума под кожухом к внутреннему объему кожуха.

Примечание — Если форма источника шума затрудняет расчет его объема, то можно в качестве объема источника принять объем огибающего параллелепипеда по ГОСТ 31275.

2.15 коэффициент заполнения: Отношение площади пикселя, отведенной для отображения информации, к полной площади пикселя.

3.11 коэффициент заполнения: Отношение теоретического объема, заполненного металлом, определяемого исходя из массы и плотности, к действительному объему, полученному после сдавливания при определенной нагрузке набора (пакета) листов.

3.10 коэффициент заполнения: Отношение теоретического объема, заполненного металлом, определяемого исходя из массы и плотности, к действительному объему, полученному после сдавливания при определенной нагрузке набора (пакета) листов.

3.10 коэффициент заполнения (duty factor): Отношение длительности импульса к периоду следования импульсов в периодической импульсной последовательности.

11. Коэффициент заполнения

Отношение длительности импульса к длительности периода

Смотри также родственные термины:

47. Коэффициент заполнения вихретокового проходного преобразователя

Fill factor of encircling eddy current probe

Отношение площади поперечного сечения объекта контроля к меньшей из площадей поперечного сечения, эквивалентного витка измерительной или возбуждающей обмотки проходного вихретокового преобразователя

где  — площадь поперечного сечения эквивалентного витка измерительной обмотки;

 — площадь поперечного сечения эквивалентного витка обмотки возбуждения

57. Коэффициент заполнения графика нагрузки энергоустановки потребителя

Коэффициент заполнения

D. Belastungsfaktor

Отношение среднеарифметического значения нагрузки энергоустановки потребителя к максимальному за установленный интервал времени

3.

1.63 коэффициент заполнения графика нагрузки энергоустановки потребителя (коэффициент заполнения): Отношение среднеарифметического значения нагрузки энергоустановки потребителя к максимальному за установленный интервал времени.

[ГОСТ 19431-84, пункт 57]

207. Коэффициент заполнения жилы

Коэффициент заполнения

Отношение площади поперечного сечения многопроволочной токопроводящей жилы к площади, ограниченной описанным около нее контуром

13.5.2. Коэффициент заполнения кабельных каналов

Необходимо, чтобы коэффициент заполнения основывался на показателях длины и прямолинейности канала и гибкости проводов. Рекомендуется, чтобы расположение каналов и их размеры позволяли легко укладывать на место провода и кабели.

7.1.9. Коэффициент заполнения круга

Отношение площади поперечного сечения стержня к площади круга с диаметром, равным диаметру стержня трансформатора

Примечание. При наличии в сечении стержня каналов площадь поперечного сечения каналов не включается в площадь поперечного сечения стержня

34. Коэффициент заполнения лесосплавного хода

Е. Coefficient of floating route filling

Отношение площади, занятой плывущими бревнами или сплоточными единицами в пределах рассматриваемого участка лесосплавного хода, к общей площади этого участка

19. Коэффициент заполнения несущего винта

Коэффициент заполнения

σ

Величина, определяемая соотношением

7.1.15. Коэффициент заполнения окна магнитной системы

Отношение суммарной площади поперечного сечения металла всех витков всех обмоток в окне магнитной системы к площади окна

68. Коэффициент заполнения питателя роторного снегоочистителя

Коэффициент заполнения питателя

Отношение фактической объемной производительности снегоочистителя к пропускной способности питателя

67. Коэффициент заполнения ротора снегоочистителя

Коэффициент заполнения ротора

Отношение фактической объемной производительности снегоочистителя к пропускной способности ротора

7. 1.10. Коэффициент заполнения сечения стержня (ярма)

Отношение активного сечения стержня (ярма) к площади его поперечного сечения

7.1.11. Коэффициент заполнения сталью

Отношение активного сечения стержня к площади круга с диаметром, равным диаметру стержня трансформатора.

Примечание. Коэффициент заполнения сталью равен произведению коэффициента заполнения круга и коэффициента заполнения сечения стержня

Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации. academic.ru. 2015.

Широтно-импульсная модуляция (ШИМ). Аналоговая и цифровая

Принцип ШИМ – широтно-импульсная модуляция заключается в изменении ширины импульса при постоянстве частоты следования импульса. Амплитуда импульсов при этом неизменна.

Широтно-импульсное регулирование находит применение там, где требуется регулировать подаваемую к нагрузке мощность. Например, в схемах управления электродвигателями постоянного тока, в импульсных преобразователях, для регулирования яркости светодиодных светильников, экранов ЖК-мониторов, дисплеев в смартфонах и планшетах и т. п.

Большинство вторичных источников питания электронных устройств в настоящее время строятся на основе импульсных преобразователей, применяется широтно-импульсная модуляция и в усилителях низкой (звуковой) частоты класса D, сварочных аппаратах, устройствах зарядки автомобильных аккумуляторов, инверторах и пр. ШИМ позволяет повысить коэффициент полезного действия (КПД) вторичных источников питания в сравнении с низким КПД аналоговых устройств.

Широтно-импульсная модуляция бывает аналоговой и цифровой.

Аналоговая широтно-импульсная модуляция

Как уже упоминалось выше, частота сигнала и его амплитуда при ШИМ всегда постоянны. Один из важнейших параметров сигнала ШИМ – это коэффициент заполнения, равный отношению длительности импульса t к периоду импульса T. D = t/T. Так, если имеем сигнал ШИМ с длительностью импульса 300 мкс и периодом импульса 1000 мкс, коэффициент заполнения составит 300/1000 = 0,3. Коэффициент заполнения также выражается в процентах, для чего коэффициент заполнения умножается на 100%. По примеру выше процентный коэффициент заполнения составляет 0,3 х 100% = 30%.

Скважность импульса – это отношение периода импульсов к их длительности, т.е. величина, обратная коэффициенту заполнения. S = T/t.

Частота сигнала определяется как величина, обратная периоду импульса, и представляет собой количество полных импульсов за 1 секунду. Для примера выше при периоде 1000 мкс = 0,001 с, частота составляет F = 1/0,001 – 1000 (Гц).

Смысл ШИМ заключается в регулировании среднего значения напряжения путем изменения коэффициента заполнения. Среднее значение напряжения равно произведению коэффициента заполнения и амплитуды напряжения. Так, при коэффициенте заполнения 0,3 и амплитуде напряжения 12 В среднее значение напряжения составит 0,3 х 12 = 3,6 (В). При изменении коэффициента заполнения в теоретически возможных пределах от 0% до 100% напряжение будет изменяться от 0 до 12 В, т.е. Широтно-импульсная модуляция позволяет регулировать напряжение в пределах от 0 до амплитуды сигнала.

Что и используется для регулирования скорости вращения электродвигателя постоянного тока или яркости свечения светильника.

Сигнал ШИМ формируется микроконтроллером или аналоговой схемой. Этот сигнал обычно управляет мощной нагрузкой, подключаемой к источнику питания через ключевую схему на биполярном или полевом транзисторе. В ключевом режиме полупроводниковый прибор либо разомкнут, либо замкнут, промежуточное состояние исключается. В обоих случаях на ключе рассеивается ничтожная тепловая мощность. Поскольку эта мощность равна произведению тока через ключ на падение напряжения на нем, а в первом случае к нулю близок ток через ключ, а во втором напряжение.

В переходных состояниях на ключе присутствует значительное напряжение с прохождением значительного тока, т.е. значительна и рассеиваемая тепловая мощность. Поэтому в качестве ключа необходимо применение малоинерционных полупроводниковых приборов с быстрым временем переключения, порядка десятков наносекунд.

Если ключевая схема управляет светодиодом, то при малой частоте сигнала светодиод будет мигать в такт с изменением напряжения сигнала ШИМ. При частоте сигнала выше 50 Гц мигания сливаются вследствие инерции человеческого зрения. Общая яркость свечения светодиода начинает зависеть от коэффициента заполнения – чем ниже коэффициент заполнения, тем слабее светится светодиод.

При управлении посредством ШИМ скорости вращения двигателя постоянного тока частота ШИМ должна быть очень высокой, и лежать за пределами слышимых звуковых частот, т.е. превышать 15-20 кГц, в противном случае двигатель будет «звучать», издавая раздражающий слух писк с частотой ШИМ. От частоты зависит и стабильность работы двигателя. Низкочастотный сигнал ШИМ с невысоким коэффициентом заполнения приведет к нестабильной работе двигателя и даже возможной его остановке.

Тем самым, при управлении двигателем желательно повышать частоту сигнала ШИМ, но и здесь существует предел, определяемый инерционными свойствами полупроводникового ключа. Если ключ будет переключаться с запаздываниями, схема управления начнет работать с ошибками. Чтобы избежать потерь энергии и добиться высокого коэффициента полезного действия импульсного преобразователя, полупроводниковый ключ должен обладать высоким быстродействием и низким сопротивлением проводимости.

Сигнал с выхода ШИМ можно также усреднять посредством простейшего фильтра низких частот. Иногда можно обойтись и без этого, поскольку электродвигатель обладает определенной электрической индуктивностью и механической инерцией. Сглаживание сигналов ШИМ происходит естественным путем в том случае, когда частота ШИМ превосходит время реакции регулируемого устройства.

Реализовать ШИМ можно посредством компаратора с двумя входами, на один из которых подается периодический пилообразный или треугольный сигнал от вспомогательного генератора, а на другой модулирующий сигнал управления. Длительность положительной части импульса ШИМ определяется временем, в течение которого уровень управляющего сигнала, подаваемого на один вход компаратора, превышает уровень сигнала вспомогательного генератора, подаваемого на другой вход компаратора.

При напряжении вспомогательного генератора выше напряжения управляющего сигнала на выходе компаратора будет отрицательная часть импульса.

Коэффициент заполнения периодических прямоугольных сигналов на выходе компаратора, а тем самым и среднее напряжение регулятора, зависит от уровня модулирующего сигнала, а частота определяется частотой сигнала вспомогательного генератора.

Цифровая широтно-импульсная модуляция

Существует разновидность ШИМ, называемая цифровой ШИМ. В этом случае период сигнала заполняется прямоугольными подымпульсами, и регулируется уже количество подымпульсов в периоде, что и определяет среднюю величину сигнала за период.

В цифровой ШИМ заполняющие период подымпульсы (или «единички») могут стоять в любом месте периода. Среднее значение напряжения за период определяется только их количеством, при этом подымпульсы могут следовать один за другим и сливаться. Отдельно стоящие подымпульсы приводят к ужесточению режима работы ключа.

В качестве источника сигнала цифровой ШИМ можно использовать COM-порт компьютера с 10-битовым сигналом на выходе. С учетом 8 информационных битов и 2 битов старт/стоп, в сигнале COM-порта присутствует от 1 до 9 «единичек», что позволяет регулировать напряжение в пределах 10-90% напряжения питания с шагом в 10%.

Похожие темы:

Коэффициент заполнения — Энциклопедия по машиностроению XXL

В случае утолщения входной кромки трубопровода от 0 до б = = б/П,( — 0,05 интенсивность отрыва потока от стенок заметно уменьшается и коэффициент заполнения сечения увеличивается ( с = 0,6).[c.22]

Принимая для струйки, выходящей из отверстия решетки, коэффициент заполнения сечения (контракции) ас 0,65 и коэффициент скорости фск = 0,95, получим согласно формулам (1.23) и (1.24) для наиболее узкого сечения общей струи (х/ ЛГк 0,7 х= = = 140 мм) при ( — 0,38 следующие значения относительных скоростей шах/и р =  [c.217]


Уточнить формулы (1.13) можно введением коэффициента заполнения 1-го блока ai=Viм Vi (где Vi—полный объем блока Уш — примерный объем деталей блока), тогда  [c.47]

Вторую ветвь базы данных составляют массивы условно-постоянной информации. Прежде всего сюда относятся справочные данные, характеризующие марки сталей и других магнитных материалов, таблицы стандартных размеров голого и изолированного проводов различных марок. Сюда включаются также различные эмпирические коэффициенты заполнения, обработки, запаса и пр. ), а также массив ограничений, накладываемых на геометрические размеры и диктуемых требованиями их технологической выполнимости.  [c.85]

Большой наглядностью обладает способ сравнения циклов на Т — s-диаграммах. Если сравнивать произвольный цикл, вписанный в цикл Карно, то площадь вписанного цикла меньше, чем площадь цикла Карно. Отношение из этих площадей называют коэффициентом заполнения цикла. Чем больше коэффициент заполнения, тем ближе приближаются к наиболее эффективному преобразованию теплоты в работу.  [c.88]

Активное и внутреннее реактивное сопротивления условного одно-виткового индуктирующего провода при коэффициенте заполнения g = 0,9 и глубине проникновения тока в медь  [c.258]

При конструировании приборов, их механизмов и деталей необходимо обеспечить 1) надежность и точность выполнения заданных функций 2) удобство, простоту и безопасность эксплуатации. При этом компоновка прибора, конструкция корпуса, расположение, форма, размеры, окраска и освещение шкал, указателей и других средств отображения информации, а также рукояток управления и переключателей должны удовлетворять требованиям эргономики 3) внешний вид, форму и размеры элементов конструкции, их окраску и отделку, соответствующую требованиям технической эстетики 4) компактность конструкции — малые размеры и вес при высоком коэффициенте заполнения объема 5) прочность, жесткость и износостойкость деталей 6) удобство конструкции для профилактических осмотров, ремонта и транспортировки  [c. 398]


Назовем коэффициентом заполнения диаграммы скоростей  [c.109]

Коэффициент заполнения т] = = (R/R ) = 0,5. По диаграмме на  [c.103]

Если индуктор имеет w витков, расположенных в один ряд, то следует / j, Х2 , Xj, / ( умножить на w rj следует также разделить на коэффициент заполнения g = 0.8 -н 0,9 делится на w.  [c.116]

Наиболее распространенный вид индуктора для закалки внутренней поверхности — кольцевой индуктор для закалки цилиндрической поверхности (см. рис. 8-12, 8-15). Особенностью этого индуктора является то, что коэффициент заполнения магнитопро-вода сталью на внутренней его кромке больше, чем на внешней. Это затрудняет изготовление таких индукторов при диаметрах, меньших 50 мм. В последнем случае вместо стали лучше применять феррит, особенно если частота выше 2500 гц. В остальном работа такого индуктора протекает так же как и плоского.[c.117]

Приближенно полную работу деформации образца можно вычислить, умножив площадь прямоугольника с основанием А1 — ОО4 и высотой Рд на коэффициент заполнения диаграммы И, тогда А = Рд -А1 г . В частности, для стали 11 = 0,8—0,9.  [c.73]

В индукционной печи с плазмотроном последний особо полезен для расплавления кусковой шихты с малым коэффициентом заполнения тигля, а также для перегрева расплава перед разливкой или в процессе его обработки [68, 80].  [c.98]

TO выходная здс проходного преобразователя с коэффициентом заполнения т) = 1  [c.6]

Комплексную индуктивность измерительной катушки можно выразить через компоненты комплексной магнитной проницаемости ii и Ц2, собственную индуктивность катушки Lo и коэффициент заполнения т]  [c.102]

Для оценки эффективности реализации приведенных схем целесообразно ввести следующие показатели коэффициент заполнения профиля и коэффициент использования импульсов.[c.61]

Коэффициент заполнения профиля Кз отражает степень заполнения профиля, подлежащего контурно-лучевой обработке зонами лазерного воздействия  [c.61]

Расчет момента центробежной муфты со стальными щариками производят аналогично. При определении массы шариков, расположенных в одной полости муфтты, объем полости умножают на коэффициент заполнения К, учитывающий пустоты между шариками. Обычно принимают К= 0,5…0,7.  [c.333]

При радиальном растекании узкой струи по фронту такой решетки наибольшими скоростями будут обладать центральные струйки, протекающие нормально или под небольшими углами наклона к поверхности решетки наименьшие скорости будут у промежуточных струек, которые почти полностью стелятся по фронтальной поверхности решетки. Кроме этого, центральные струйки будут иметь и большую массу, так как коэффициент заполнения сечения ( сжатия ) центральных отверстий при протекании через них струек нормально к поверхности решеаки получается наибольшим. Коэффициент заполнения сеченнй остальных отверстий уменьшается с увеличением угла наклона к фронтальной поверхности решетки т. е. с удалением от оси струи. Исключение составляют отверстия, расположенные вблизи стенки корпуса аппарата, у которой струйки изменяют свое направление нормально к решетке. В результате, струйки, выходящие из центральных каналов спрямляющей решетки, с большой кинетической энергией и массой будут подсасывать более слабые периферийные струйки, за исключением пристенных (рис. 3.5, г). Как видно из сравнения рис. 3.5, в и г, характер профиля скорости в последнем случае будет близок к характеру профиля скорости за перфорированной решеткой с меиьшпм значением ( р при отсутствии за ней спрямляюищй решетки. Так оно и должно быть, так как спрямляющая решетка устраняет влияние увеличенной радиальности растекания потока по фронту решетки и нет большого отличия в поведении струек, протекающих через отверстия решетки при больших и малых значениях р.  [c.83]

Гранецентрированная кубическая и гексагональная илотно-упакованная (da = 1,633) рен 1еткн — наиболее компактные в них коэффициент заполнения объема атомами равен 74 «о.[c.16]

При уменьшении координационного числа в решетке Г12 до 6 коэффициент заполнения составляет около 50 о, а при коордппа ционном числе 4 — B ei o около 25 %.  [c.16]

Под коэффициентом заполнения цикла подразумевается отношение площади даппого цикла в Гя-днаграмме к площади цикла Карно, осущест-пленного U том же нптервллс температур,  [c.322]

Этот процесс совершенствования циклов тепловых машин называют карнотизацией цикла. Повышение средней температуры подвода теплоты и понижение средней температуры отвода теплоты эквивалентно увеличению коэффициента заполнения цикла.  [c.89]


Площадь сечения стержня с учетом изоляции 6 = SJk , где /г, 0,9 — коэффициент заполнения, учитывающий межлисто-  [c.282]

Вычерчивается пространственная схема, в процессе выполнения кС Торой определяется взаимное расположение элементов Конструкции в пространстве. Сначала наносятся на бумагу оси валиков, делительные окружности колес и пунктиром габаритные контуры двигателя, редуктора, сельсина и т. д. (см. рис. 28.8, б, г). Затем нг носятся контуры корпуса механизма. При этом стремятся получить наименьшие габаритные размеры корпуса механизма, высокий коэффициент заполнения объема Кз и обеспечить неооходимые условия для эксплуатации, сборки, осмотра и ремонта механизма. (К = где Кд — объем, занимаемый деталями и элементами механизма — объем параллелепипеда, ограничивающего габариты механизма.)  [c.405]

Провода с высокопрочной эмалевой изоляцией получают с использованием лаков на основе синтетических полимеров, пленка которых не нуждается в поверхностной защите, что позволяет уменьшить толщину изоляции это существенно влияет на размеры многовитковых многослойных аппаратных катушек и увеличивает коэффициент заполнения пазов электрических машин. Например, при номинальном диаметре медного провода 1 мм толщина изоляции провода марки ПЭЛБД с масляной эмалевой, изоляцией и двойной обмоткой хлопчатобумажной пряжей составляет 0,165 мм, а провода марки ПЭВ-1 с изоляцией на основе поливинилацеталевого лака (с однослойной изоляцией) — 0,04 мм, провода ПЭВ-2 (с двухслойной изоляцией) — 0,05 мм. Двухслойная изоляция более надежна в механическом и электрическом отношении, чем однослойная с точки зрения наличия случайно ослабленных мест, имеет значительно большее пробивное напряжение.  [c.260]

Принятые величины. Переохлаждение конденсата А к = = 0,7 °С теплоемкость конденсата с =4,175 кДж/(кг-°С). Разность температур 8i = 4,7 °С температура забортной охлаждающей воды fi = 23 °С, ее теплоемкость Сц, = 3,925 кДж/(кг-°С), плотность р = 1020 кг/м скорость охлаждающей воды в трубах w = 2,0 м/с. Наружный диаметр труб d = = 0,019 м, внутренний dg = 0,016 5 м, шаг труб s = 28 мм. Коэффициент загрязнения рз = 0,9, коэффициент = 0,83, коэффициент заполнения трубной доски Т1тр = 0,58. Число ходов охлаждающей воды 2=2. Толщина трубной доски 8 = 0,03 м.  [c.182]

В дефектоскопах, как правило, используются дифференциальные ВТП самосравнения с малой базой, с однородным и неоднородным полем в зоне контроля. Применение ВТП с неоднородным полем обусловлено стремлением уменьшить длину возбуждающей катушки с целью сокращения общей длины ВТП при контроле объектов большого диаметра. Однако при этом приходится принимать меры для стабилизации положения объекта. Для уменьшения возможных радиальных перемещений объекта в ВТП, а также для поддержания коэффициента заполнения t] на определенном уровне, определяющем чувствительность, дефектоскопы снабжают набором ВТП различного диаметра. При использовании ВТП с однородным полем можно значительно уменьшить число их типоразмеров, компенсируя изменение чувствительности при изменении г) регулированием возбуждающего тока.  [c.139]

Развитие статистических методов позволяет наиболее полно оценить шероховатость поверхности, так как, помимо высотных характеристик, эти методы определяют закон распределения неровностей по высоте, коэффициент заполнения профиля, регулярную и случайную составляющие профиля, радиусы закругления неровностей, шаг неровностей, углы наклона боковых сторон профиля к средней линии и другие параметры. По Пекленику, профиль поверхности может быть характеризован автокорреляционной функцией [130]. По данным работы [125], автокорреляционная функция, полностью характеризующая профиль исследуемой поверхности при условии, что функция профиля х) стационарна и одновременно подчиняется распределению Гаусса, выражается двумя следующими зависимостями  [c.24]

В соответствии с первой схемой осуществления процесса контурно-лучевой обработки предполагается, что 8 = 5 = 0 (рис. 38, а). Эта схема может быть использована в том случае, если по эксплуатационным требованиям, предъявляемым к изготовляемой детали, допускается наличие необлученных участков между зонами лазерного воздействия. Схема, показанная на рис. 38, а, характеризуется малым коэффициентом заполнения профиля (Кз = 0,8) и сравнительно высоким коэффициентом использования импульсов (Ки = = 0,68), что обусловливает довольно высокую производительность и скорость обработки. Отличительной чертой этой схемы является также отсутствие взаимноперекрытых участков зон лазерного воздействия, так как коэффициент перекрытия в этом случае равен единице.[c.61]


Абляция тонкопленочных слоев с помощью лазеров с различными профилями пучка: энергоэффективность и коэффициент заполнения

ИЮН252020

Тонкие пленки играют все более важную роль в современном обществе. Структурирование и формирование рельефа тонкого слоя с помощью селективной лазерной абляции является одной из ключевых технологий в производстве дисплеев и фотоэлектрических элементов. Двумя основными аспектами тонких пленок являются образование тонкой пленки и структурирование или модификация тонкой пленки. Поэтому лазерное излучение, благодаря его пространственной фокусируемости и временной управляемости, все чаще используется для структурирования и модификации тонких пленок.

Одновременно в производстве тонкопленочных солнечных элементов используются два процесса абляции: скрайбирование с помощью селективной абляции и технологическая изоляция с помощью удаления кромки. Для уменьшения потерь солнечный активный слой сегментируется по зонам. Активные зоны соединяются последовательно посредством гомогенного процесса осаждения из паровой фазы и процесса скрайбирования по очереди. Для электрической изоляции и герметизации солнечных элементов все слои в граничной области полностью обработанных солнечных элементов на стеклянной подложке должны быть удалены. Ввиду огромного потенциального применения процесс лазерной абляции также интенсивно исследуется для скрайбирования и структурирования тонких пленок на кремниевых подложках [1, 2, 3].

Обычные лазерные пучки имеют круглое поперечное сечение. Кроме того, большинство современных лазеров высокого качества имеют гауссов профиль пучка. Из-за порогового поведения гауссов профиль пучка не благоприятен для процесса абляции [1, 2, 3]. Появление концепции лазеров с технологией InnoSlabпозволяет получать пучок с одномерным линейным профилем с плоской вершиной и с высоким качеством [4, 5, 6, 7]. Одномерный линейный профиль может быть преобразован в круговой гауссов или в двумерный с квадратным или прямоугольным поперечным сечением. В этой статье мы обсудим основы процессов абляции со следующими профилями пучка: круговой гауссов, одномерный линейный с плоской вершиной и двумерный квадратный с плоской вершиной. Основными вопросами будут энергетическая эффективность процесса и коэффициент заполнения для различных профилей пучка. Соответствующие экспериментальные результаты будут представлены.

Эффективная энергоэффективность (EEE)

Пучок с круговым гауссовым профилем

Рассмотрим круговой гауссов пучок с энергией импульса E. Он сфокусирован вниз до точки с радиусом a на поверхности образца. Тогда плотность потока φ(r) кругового гауссова пучка определяется по формуле:

 

где φ0 = 2E/πa2 – максимальная плотность потока на оси.

Учитывая пороговую плотность потока для процесса абляции φth, мы имеем:

где rth – радиус с пороговой плотностью потока, а α = φ0th – отношение максимальной плотности к пороговой плотности потока.

Энергия внутри круга rth определяется интегралом плотности потока:

Рис. 1. Распределение плотности потока в луче с гауссовым профилем.

Как показано на рис. 1, эффективная энергия процесса, полезная для абляции, является произведением площади диска, определяемой как rth, и пороговой плотности потока φth:

Для того, чтобы охарактеризовать эффективность процесса абляции, мы определяем эффективную энергоэффективность как отношение эффективной энергии процесса к полной энергии:

На рис. 2 показана зависимость эффективной энергоэффективности от отношения плотностей потока: сначала эффективная энергоэффективность увеличивается, а после достижения максимума начинает уменьшаться с увеличением отношения плотностей потока.

Рис. 2. Зависимость эффективной энергоэффективности от отношения плотностей потока для кругового гауссова профиля.

Существует максимальное значение эффективной энергоэффективности, определяемое как:

и достигается, когда отношение максимальной плотности к пороговой плотности потока равно:

Соответствующий максимум эффективной энергоэффективности в этом случае будет равен:

Это означает, что только 36. 8% энергии максимально полезны для процесса абляции. Другая часть энергии импульса является потерянной энергией и не способствует процессу абляции. Что еще хуже, потерянная энергия нагревает подложку и приводит к нежелательному эффекту и влиянию на подложку.

В случае заданного порога и энергии импульса оптимальный радиус пучка для получения максимальной эффективной энергоэффективности определяется по формуле:

В случае заданного порога и размера пятна для абляции, требуемую энергию импульса можно рассчитать как:

Пучок с одномерным линейным профилем с плоской вершиной

Далее мы обсудим процесс абляции с использованием гауссова пучка с одномерным линейным профилем с плоской вершиной. Для одномерного гауссовского пучка с плоской вершиной с энергией импульса E, длиной b и шириной 2a пространственное распределение плотности потока определяется как:

Для пороговой плотности потока Ith мы имеем:

где φ0 = E/ab·√(2/π) – это максимальная плотность потока в точке xth

где α = φ0th – отношение максимальной плотности к пороговой плотности потока.

В этом случае энергия в области шириной 2xth определяется как:

Тогда эффективная энергия процесса, полезная для абляции:

А эффективная энергоэффективность для одномерного гауссовского пучка с плоской вершиной равна

На рис. 3 показана зависимость эффективной энергоэффективности от отношения плотностей потока. Зависимость аналогична пучку с круговым гауссовым профилем: сначала эффективная энергоэффективность увеличивается, а после достижения максимума начинает уменьшаться с увеличением отношения плотностей потока.

Рис. 3. Зависимость эффективной энергоэффективности от отношения плотностей потока для одномерного гауссовского пучка с плоской вершиной.

Максимальное значение эффективной энергоэффективности достигается, когда отношение максимальной плотности к пороговой плотности потока равно:

Соответствующий максимум эффективной энергоэффективности в этом случае будет равен:

что означает, что 48. 4% энергии максимально полезны для процесса абляции. Другая часть энергии импульса является потерянной энергией и не способствует процессу абляции. Что еще хуже, потерянная энергия нагревает подложку и приводит к нежелательному эффекту и влиянию на подложку.

В случае заданного порога и энергии импульса оптимальный размер поперечного сечения пучка (2a·b)opt для получения максимальной эффективной энергоэффективности определяется по формуле:

В случае заданного порога и размера пятна для абляции, требуемую энергию импульса можно рассчитать как:

Пучок с двумерным профилем с плоской вершиной

Теперь рассмотрим процесс абляции с использованием пучка с двумерным профилем с квази-плоской вершиной. Интенсивность излучения имеет в основном периодическое изменение с максимальной плотностью потока φmax и минимальной плотностью потока φmin. Тогда энергия импульса E и модуляция интенсивности M определяются следующими выражениями:

Для абляции тонкой пленки минимальная плотность потока должна быть эквивалентна пороговой плотности потока. В этом случае эффективная энергия процесса, полезная для абляции равна

При этом эффективная энергоэффективность для двумерного гауссовского пучка с квази-плоской вершиной равна

Таким образом, в случае идеального двумерного пучка без модуляции эффективная энергоэффективность составляет 100%.

Коэффициент заполнения (OFF)

На рис. 4 показано, как область обработки может быть оптимально заполнена пучком круглого поперечного сечения. Для полной абляции существует следующая зависимость между минимальным пороговым радиусом и расстоянием двух лазерных пятен:

Рис. 4. Заполнение области обработки пучком круглого сечения.

Максимальное расстояние между рядами обработки равно d·cos30°, а эффективная площадь на один лазерный импульс определяется как Seff:

Коэффициент заполнения представляет собой отношение площади, определяемой пороговым радиусом, к эффективной площади на лазерный импульс. Для пучка с круглым поперечным сечением коэффициент заполнения равен:

Очевидно, что для всех пучков с прямоугольным или квадратным поперечным сечением коэффициент заполнения равен единице: OFFrect = 1

Общая эффективная эффективность (EOE)

Общая эффективная эффективность процесса абляции определяется отношением эффективной энергоэффективности (EEE) к коэффициенту наполнения (OFF).

Для кругового гауссова пучка максимальная EOE определяется как:

Для одномерного пучка с плоской вершиной максимальная EOE определяется как:

Для двумерного пучка с идеальной плоской вершиной общая эффективная эффективность равна единице: EOE2d = 1.

Заключение

Были представлены основы процессов абляции с использованием лазерных пучков с различными профилями интенсивности и поперечного сечения. Для характеристики эффективности энергии импульса для процессов абляции были введены понятия эффективной энергоэффективности (EEE) и общей эффективной эффективности (EOE). Также были приведены зависимости EEE и EOE от параметров лазерного излучения для пучка с круговым гауссовым профилем, для одномерных пучков с плоской вершиной и для двумерных квадратных пучков с плоской вершиной. Результаты показывают, что круговой гауссов пучок с максимальной общей эффективной эффективностью в 30% является наиболее неэффективным для процесса абляции. Максимальная общая эффективная эффективность одномерного пучка составляет 48%. Двумерный же пучок без учета модуляции имеет 100%-ую общую эффективную эффективность и является наиболее оптимальным выбором для процессов тонкопленочной абляции. Также ожидается самое низкое влияние потерянной энергии во время процесса абляции при использовании двумерных квадратных пучков с плоской вершиной.

Подробные характеристики
Лазера InnoSlab серии BX

Подробные характеристики
Лазера InnoSlab серии IS

Подробные характеристики
Лазера InnoSlab серии GX

Ссылки

P. Engelhart, Lasermaterialbearbeitung als Schlüsseltechnologie zum Herstellen rückseitenkontaktierter Siliciumsolarzellen, PhD Dissertation, Fakultat fur Elektrotechnik und Informatik der Gottfried Wilhelm Leibniz Universitat Hannover, June 2007

P. Engelhart, S. Hermann, T. Neubert, R. Grischke, N.-P. Harder, R. Brendel, Laser processing for high efficiency solar cells, Proceeding of 17th NREL-Workshop, 1 903 (2007)

S. Haas, S. Ku, G. Schöpe, K.-M. Du, U. Rau, H. Stiebig , Patterning of thin-film silicon modules using lasers with tailored beam shapes and different wavelengths, Proc. 23rd European Photovoltaic Solar Energy Conference Valencia, Spain, September 2008

K.-M. Du, N.-L. Wu, J.-D. Xu, J. Giesekus, P. Loosen, and R. Poprawe, Partially end-pumped Nd:YAG slab laser with a hybrid resonator, Opt. Lett. 23, 370 (1998)

K.-M. Du, D.-J. Li, H.-L. Zhang, P. Shi, X.-Y. Wei, and R. Diart, Electro-optically Q-switched Nd:YVO4 slab laser with a high repetition rate and a short pulse width, Opt. Lett. 28, 87 (2003)

P. Zhu, D.-J. Li, B.-S. Qi, A. Schell, P. Shi, C. R. Haas, S.-J. Fu, N.-L. Wu, and K.-M. Du, Diode end-pumped high-power Q-switched double Nd:YAG slab laser and its efficient near-field second-harmonic generation, Opt. Lett. 33, 19 (2008)

D.-J. Li, Z. Ma, C. R. Haas, A. Schell, J. Simon, R. Diart, P. Shi, P.-X. Hu, P. Loosen, and K.-M. Du, Diode-pumped efficient slab laser with two Nd:YLF crystals and second-harmonic generation by slab LBO, Opt. Lett. 32, 10 (2007)

Надежность высокомощных лазерных диодных сборок, работающих в квазинепрерывном режиме с продолжительными рабочими циклами

Представлены данные о производительности и надежности высокомощных диодных решеток, работающих в квазинепрерывном режиме (QCW). Показано, как можно повысить эффективность работы и выходную мощность при повышенных до 45°С температурах теплоотвода без активного водяного охлаждения и без использования элементов Пельтье.

Исследуемые модули диодных сборок повышенной мощности были разработаны под заказ. Высокая компактность и надежность конструкции позволяет использовать QCW-массивы в  условиях длительных рабочих циклов. Основной элемент конструкции массива – периодическая структура (диодная линейка), представляющая сборку из  одиночных лазерных диодов. Эти элементы имеют размер 1 см, выполнены с электродами из сплава AuSn. Они расположены между двумя теплоотводами в виде слоев из сплава CuW. Массив из 15 дидных модулей, также как и одиночный бар, размещались на керамических пластинах с различными показателями теплоотвода. Результаты показывают, что выходная мощность лазерного излучения строго зависит от длины волны, на которой излучает диодные сборки, плотности упаковки* диодов в массиве, длительности работы, температуры и теплопроводности керамической подложки. Показано, что эксплуатация при температурах подложки до 45°C возможна и без применения водяного охлаждения или элементов Пельтье. Новая конструкция массива способствует увеличению мощности и более эффективной работе.

Введение

Термин «квазинепрерывный режим работы» лазерного диода означает, что лазерный источник накачки находится в состоянии «включено» в течение коротких интервалов времени. Их длительность является настолько короткой, насколько это необходимо для снижения эффектов, связанных с выделением тепла в структуре, но все же достаточно длительными для стабильного излучения, близкого к  непрерывному. Обычно коэффициент заполнения** соответствует нескольким процентам, что значительно снижает нагрев и все связанные с этим тепловые эффекты, такие как термическое линзирование [1] и выход из строя в результате перегрева [2]. Поэтому работа в квазинепрерывном режиме приводит к повышению пиковой мощности за счет падения средней мощности. Таким образом, модуль охлаждения QCW-массива обычно разрабатывается для небольших тепловых нагрузок. Источники могут располагаться более близко к модулю охлаждения с целью получения высокой мощности излучения благодаря более компактному расположению. Такое решение оказывается более выгодным в сравнении с массивами, где используется микроканальное охлаждение или CS-корпус [3].

Квазинепрерывные лазерные линейки и массивы широко используются во многих сферах: в промышленности, медицине, науке, космосе, обороне, включая дальнометрию, целеуказание. В зависимости от решаемых задач энергия и длительность импульса могут варьироваться в  широком диапазоне, в соответствии с ними меняется и качество луча. Требования к  мощности излучения, частоте повторения импульсов и  коэффициенту заполнения существенно зависят от приложения. Появились новые задачи, решения которых требуют более продолжительного времени службы, компактности, повышения длительности импульса, работы при повышенных температурах при наличии слабого охлаждения или даже при его отсутствии [4, 5]. Для этих целей мы разработали специальные QCW-массивы, обладающие компактностью и надежностью, возможностью варьирования числа лазерных линеек в  массиве, габаритов, материала подложки, а также ее конфигурации для совмещения с системой охлаждения.

*    Плотность упаковки (fill factor) – отношение ширины лазерного элемента к расстоянию между центрами лазерных стержней в массиве (периоду структуры), выраженное в процентах.
**  Коэффициент заполнения (duty cycle) – отношение длительности импульса к  периоду его следования, выраженное в процентах.

Принципиальная схема лазерного модуля

На рис.1 представлена схема сборки, состоящей из лазерных диодов, излучающих в квазинепрерывном режиме. Ключевая особенность данной конструкции – заданное (по индивидуальному проекту) число лазерных модулей (на схеме отмечены синим цветом), вставленных между двумя слоями сплава CuW (выделены оранжевым цветом), обладающих схожим температурным коэффициентом расширения. Данные модули расположены на электроизолирующей керамической подложке (выделена серым цветом) со специальным контактным слоем (выделен желтым цветом) с использованием легкоплавкого припоя. Заданные размер и форма керамической подложки позволяют легко адаптировать массив под различные активные и пассивные элементы охлаждения (выделены коричневым цветом). Важным преимуществом разработанной конструкции является улучшенное охлаждение через заднюю часть керамической подложки. Миниатюрные элементы, расположенные по бокам упаковки лазерных модулей, являются термисторами* для контроля изменения температуры во время работы. На фотографии (см. рис.1) показан QCW-массив в натуральную величину с одним лазерным стержнем и немного измененной формой подложки, состоящей из  аналогичного материала.

*  Термистор (Negative Temperature Coefficient Thermistors) – полупроводниковый прибор, у которого при повышении температуры происходит падение сопротивления.

Конструкция сборки обеспечивает ее надежную работу в квазиимпульсном режиме при длительной эксплуатации и повышенной температуре подложки. Эти достоинства обеспечены благодаря следующим особенностям сборки:

  • Лазерны модули, помещенные внутри слоев из сплава CuW, разделены между собой определенным воздушным промежутком. Это позволяет изолировать их друг от друга и механически, и термически.
  • Слой CuW работает как теплорассеиватель (теплоотвод), при этом каждый модуль термически соединен с керамической подложкой. Выделяемое тепло (в результате движения зарядов в гетероструктуре и безызлучательной рекомбинации) удаляется более эффективно, так как оно рассеивается на большие площади, что приводит к снижению температуры p-n перехода. Как результат – повышение надежности и увеличение времени допускаемой длительности работы в более широком интервале температур.
  • Отдельные контакты для каждого лазерного модуля спроектированы специально для минимизации электрического сопротивления. Это ведет к снижению выделения тепла по  сравнению с другими конструкциями.
  • В сравнении с массивами с плотной упаковкой без дополнительных теплоотводных слоев между лазерными излучателями, в данной конструкции каждый модуль, состоящий из лазерного излучателя и двух боковых CuW-слоев, можно отдельно протестировать перед припаиванием к контактной площадке.
  • Лазерные модули имеют электроды, выполненные из сплава AuSn. Данный материал используется для целей защиты от термо- [6] и электромиграции [7] (известно, что эти явления присущи легкоплавким припоям, таким как индий, что ограничивает срок службы лазерных массивов).
  • Каждый лазерный модуль в массиве расположен между двумя слоями CuW, обладающими одинаковой величиной коэффициента теплового расширения (что позволяет снизить эффекты механического напряжения в структуре, а также уменьшить эффект расхождения центров лазерных модулей друг относительно друга**).
  • Специальная конструкция массива позволяет просто и эффективно сформировать сечение луча требуемой формы, используя коллиматор быстрой оси для всех баров, а также коллиматор медленной оси ***, в особенности для стержней с малой плотностью упаковки. Далее становится возможным заведение луча в оптоволокно.

**    Эффект расхождения центров лазерных стержней друг относительно друга (smile) влияет на качество луча. Чем больше данный эффект, тем труднее качественно сколлимировать излучение от массива лазерных стержней.
***  Толкование понятий «быстрая» и «медленная» оси (FAC/SAC) состоит в следующем: на выходе из  резонатора ЛД сечение луча становится эллиптическим, при этом луч быстро (на больший угол) расходится в направлении вертикальной оси, и медленно (на малый угол) в направлении горизонтальной оси.

Диодным сборкам с описанными выше характерными особенностями, было дано название С-массивы. Компания DILAS Diodenlaser GmbH предлагает широкий выбор С-массивов для подложек со специальными размерами, которые изготавливаются под заказ. Массивы могут включать в себя от 1 до 15 лазерных модулей, длина резонатора может достигать 2 мм. Существует возможность варьировать длину волны выходного излучения – диапазон от 766 до 1550 нм. Можно изготавливать многоволновые (многочастотные) стеки, с минимальным шагом между резонаторами в 1,7 мм, с различным типом охлаждения: к примеру, если при эксплуатации отсутствует вода или не применяется термоэлектрический метод. Возможна разработка многоволновых массивов по индивидуальному техническому заданию.

Производительность с-массивов

Ниже представлены данные относительно производительности и надежности С-массивов с числом лазерных баров до 15 единиц для различных приложений. При сборке массива, располагая излучатели последовательно с шагом 500 мкм, удобно выполнить их сопряжение с оптоволокном. Это позволяет получить на  выходе высокую мощность излучения. Выходная мощность зависит от длины волны излучения, плотности упаковки лазерных модулей, а  также от продолжительности работы, температуры и теплопроводности керамической подложки.

Массивы с 15 лазерными линейками

В данном разделе рассмотрим производительность QCW-массивов, охлаждаемых за счет теплопроводности. Конструкция состоит из 15 лазерных линеек с плотностью упаковки 20%, длиной резонатора 2000 мкм. Длина волны излучения данного типа массива составляет 980  нм. Массив установлен на  специальную алюмонитридную керамическую подложку, изготовленную под заказ.

На рис.2 показано влияние роста коэффициента заполнения (и, соответственно, длительности импульса) на мощность излучения. Увеличение длительности импульса от 400 мкс до 10 мс приводит к падению мощности излучения на  6,5% при токе возбуждения (токе накачки) 60  А. На рис.2б показан спектр при токе возбуждения 55 А. Увеличение коэффициента заполнения приводит к увеличению средней мощности и  нагреванию массива. Наблюдаемое смещение в «красную» область вместе с увеличением коэффициента заполнения является мерой роста температуры p-n перехода в лазерных стержнях; температура увеличивается примерно на  32°C. Тем не менее, на кривой слева для длительности импульса в 10 мс сохраняется рост мощности до 807 Вт (ток накачки – 60 А), что положительно характеризует лазерный модуль при эксплуатации в условиях повышенного коэффициента заполнения.

На рис.3 приведены зависимости выходной мощности от  тока накачки и спектры излучения при частоте следования импульсов в 15 Гц, коэффициенте заполнения 15%, в случае с температурой подложки 20°C и  45°C. При токе накачки в 90 А, мощность излучения падает с 1252 Вт до 1155 Вт, в то время как кпд остается на уровне выше 55%. Длинноволновое смещение, показанное на рис.3б, обусловлено ожидаемым сужением запрещенной зоны при перепаде температур в 25°C.

Дальнейшее улучшение производительности работы лазерной сборки наблюдалось при использовании альтернативных керамических материалов с более высокой теплопроводностью (в 1,8 раз. чем у стандартной алюмонитридной керамической подложки). Оказалось, что значения выходной мощности излучения и КПД при температуре поверхности новой подложки 45°C сопоставимы с  результатами, соответствующими температуре 20°C у стандартной структуры с алюмонитридной керамической подложкой (см. [8] для более детальной информации).

Данные, представленные выше, показывают, что рассмотренные С-массивы, состоящие из  15 лазерных модулей, могут эксплуатироваться при минимальном охлаждении при повышенных температурах. Вместе с прочностью и компактностью конструкции, а также ввиду простоты формирования требуемого сечения луча благодаря низкой плотности упаковки лазерных стержней, массив лазерных диодов данного типа представляют интерес в  качестве накачки лазеров, использующихся в оборонной сфере.

Массивы с восемью лазерными линейками

В данном разделе рассмотрим технические характеристики QCW-массива, содержащего в своей структуре восемь лазерных баров, с  плотностью упаковки 50% и более, длиной резонатора 1500 мкм. Массив был установлен на алюмонитридную керамическую подложку. На  рис.4 изображен массив из восьми квазинепрерывных лазерных диодов, установленный на структуру, состоящую из микроканального охладителя, расположенного между двумя керамическими пластинами. Главными преимуществами этой конструкции являются: эффективное микроканальное охлаждение с  использованием обычной водопроводной воды и  отсутствие потенциала на поверхности охладителя.

Для зависимости на рис.4а частота повторения импульсов составила 3  Гц, коэффициент заполнения – 15%, что соответствует длительности импульса в 50 мс. При данных параметрах удалось достичь мощности излучения порядка 890 Вт при токе накачки в 120 А. Отклонение от линейной зависимости мощности излучения от тока накачки составило очень незначительную величину.

Для некоторых приложений, таких как эпиляция, требуется увеличение длительности импульса. На  рис.4б изображена зависимость выходной мощности от  возбуждающего тока с  частотой следования импульсов 2 Гц и длительности импульса в 100 мс. При данной конфигурации выходная мощность составила 580  Вт при токе накачки 85  А. Как и  в  предыдущем случае, отклонение от  линейной зависимости «мощность-ток» составило незначительную величину.

Стоит отметить, что удалось достичь увеличения мощности в диапазоне длин волн 980 нм с лазерными диодами, менее чувствительными к  нагреву по сравнению с С-массивами, излучающими на длине волны 808 нм, представленными на рис.4. Принципиальное ограничение по  мощности излучения и длительности импульса (или коэффициента заполнения) для QCW-массива связано не только с разрушением при воздействии излучения, а главным образом с максимально допустимой температурой p-n перехода.

Результаты, представленные на рис.5, были получены при постоянной величине тока. Эксперимент проводился при следующих параметрах: массив имел водяное охлаждение, состоял из восьми лазерных баров, излучающих на 808 нм. Частота следования импульсов соответствовала 2  Гц с коэффициентом заполнения 20%, плотность энергии излучения – 42 Дж/см2. После испытаний, которые длились 3000 часов, было зарегистрировано снижение мощности на  6%. Наибольшая потеря мощности произошла на временном интервале между 0 и 800 часами, что дает основание полагать, что время работы на отказ составляет более 10 000 часов. Данный показатель превосходит требования по надежности в области медицины и косметологии.

Другим возможным применением С-массивов с восемью лазерными линейками, охлаждаемыми за счет теплопроводности, является накачка твердотельных лазеров, генерирующих ультракороткие импульсы с умеренной частотой повторения и высокой энергией фотонов. Такие лазеры могут использоваться, к примеру, для инерциального термоядерного синтеза. В связи с длительным временем жизни возбужденного состояния в матрицах, легированных иттербием, требуемая длительность импульса составляет 1 мс.

В следующем эксперименте микроканальный охладитель был заменен массивной медной пластиной. Результаты, полученные при таком охлаждении, представлены на  рис.6. Показана зависимость мощности излучения от тока накачки для массива с охлаждением за  счет теплопроводности, состоящего из  восьми лазерных стержней, излучающих на  длине волны 940  нм, с плотностью упаковки 80% и длиной резонатора 1500 мкм.

Измерения получены при частоте повторения импульсов в 10 Гц, коэффициенте заполнения 1%, что удовлетворяет требованиям по длительности импульса, упомянутым выше, для накачки ктивной среды Yb3+:CaF2. Удалось достичь выходной мощности излучения массива в 3500 Вт при токе накачки 390 А (435 Вт в пересчете на один лазерный стержень). На  рис.6б показано длинноволновое смещение при токе накачки в 300 А при увеличении коэффициента заполнения от 1% до 2,5%, что соответствует увеличению температуры перехода на 13°C.

На рис. 6б показаны результаты эксперимента по тестированию надежности QCW-массива, охлаждаемого за счет теплопроводности. Эксперимент проводился при неизменном токе накачки. Массив состоял из восьми лазерных баров, излучающих на длине волны 940 нм. Частота повторения импульсов соответствовала 10 Гц, длительность импульса – 1 мс. Выходная мощность излучения массива составила 2400  Вт (или 300 Вт на каждый лазерный стержень) в соответствии с требованиями заказчика. После 2500 часов работы, падение мощности не  зафиксировалось, что позволяет говорить о надежности массива при заданных уровне мощности, частоте и  длительности импульса.

Массив с одной лазерной линейкой

В данном разделе рассматривается производительность С-массива, охлаждаемого за счет теплопроводности и содержащего только один лазерный бар (рис.1, правая часть).

На рис.7а представлена зависимость мощности излучения от силы тока накачки для массива с охлаждением за счет теплопроводности. Массив был изготовлен с одной лазерной линейкой, излучающим на  длине волны 940  нм. Измерения проводились при частоте повторения импульсов 50 Гц и длительности импульса 50 мкс.

Возможное применение для данного типа массива состоит в детонации легковоспламеняющихся веществ. В ходе экспериментов была достигнута выходная мощность в 710 Вт при токе накачки 640 А. При данных уровнях мощности разрушение структуры стержня не наблюдалось. Другой потенциальной возможностью применения данных массивов является накачка твердотельных лазеров для дальнометрии или стробируемых систем видения, где требуется длительность импульса порядка 1–5 мс.

На рис.7б показаны результаты эксперимента по тестированию надежности массива лазерных диодов, охлаждаемого за счет теплопроводности, содержащего один лазерный бар при токе накачки 400 А и частоте следования импульсов 5 Гц. В течение 1000 часов эксперимента длительность импульса была 2 мс, затем эксперимент был продолжен с длительностью импульса 4 мс. В течение всего эксперимента при указанных параметрах импульсов падения мощности не наблюдалось.

Новые образцы с длиной резонатора 1500 мкм и более усовершенствованной конфигурацией массива демонстрируют надежность работы при мощностях до 500 Вт и шириной импульса порядка 1 мс.

На рис.8а представлена зависимость мощности излучения усовершенствованного лазерного бара, выполненного с пассивированными гранями, от  тока накачки. Данный модуль охлаждался за счет теплопроводности. Длина волны излучения модуля составляла 940 нм, плотность упаковки 50%, длина резонатора 4000 мкм. Удалось достичь пиковой мощности излучения в  800 Вт при токе накачки 1150 А.

На рис.8б показано распределение температуры в структуре при мощности излучения 800 Вт, температуре подложки 20°C. Результаты были получены методом конечных элементов. Разница между самой холодной точкой (на подложке) и самой горячей точкой (на лазерном стержне) составила всего 9,65 °C.

Области применения для с-массивов

Описанные выше С-массивы с улучшенной системой охлаждения в сравнении со стандартными QCW-массивами отличаются надежностью при высоких уровнях мощности излучения с длиной импульса в миллисекундном диапазоне. Данные массивы становятся все более интересными для задач накачки высокомощных твердотельных лазеров (DPSSL) [9]. В целом область применения С-массивов широка – от накачки лазеров с  аттосекундной длительностью импульса до рентгеновского анализа и  физики элементарных частиц. В этих областях ультракороткие высокоэнергетические лазерные импульсы служат источником очень сильных электромагнитных полей, открывающих путь для исследований, давно предсказанных, но до сих пор не изученных эффектов в теории относительности и  квантовой физике. Кроме того, мощные твердотельные лазеры в некоторых международных проектах для исследования инерциального термоядерного синтеза должны иметь отличное качество луча и стабильность генерации. При выборе такого рода лазерных систем особое внимание уделяется оценке их КПД и  затрат на  обслуживание. Два крупномасштабных европейских проекта – HiPER (www.hiper-laser.org) и  ELI (www.extreme-light-intrastructure.eu), где используются лазеры с  высокими уровнями мощности, в настоящее время проходят свою подготовительную стадию. Последние достижения в  технологии изготовления диодных лазеров позволяют конструировать мощные лазеры с диодной накачкой, обладающие высокой надежностью и  имеющие приемлемую стоимость.

Мощные QCW-модули, описанные выше, могут быть расположены близко друг к  другу в  одной плоскости. На сегодняшний день разработаны С-массивы с мощностью 2,4 и 3,2 кВт для накачки на длинах волн 939 и 979 нм с шириной импульса порядка 1 мс (для активной среды Yb3+ : YAG) и 2,8 мс (для активной среды Yb3+: CaF2). В качестве примера на  рис. 9 показаны основные параметры системы накачки производства фирмы Lastronics GmbH (город Йена, Германия), которая используется для установок с мощностью излучения порядка 1015 Вт. Система накачки серии PM80 содержит 32 С-массива, охлаждаемых за счет теплопроводности. При частоте повторения импульсов 10 Гц генерируемая мощность излучения для данной системы накачки составляет 75 кВт для тока накачки 300 А. Ширина спектральной линии составила менее 6  нм (ширина на  полувысоте). На  рис. 9б изображено сечение луча квадратной формы, обладающего высокой степенью однородности по интенсивности, который идеально подходит для накачки мощных твердотельных лазеров.

Выводы и обсуждение результатов

В статье были представлены данные о показателях производительности и надежности массивов лазерных квазинепрерывных диодов, генерирующих излучение высокой мощности. Данные массивы, изготовленные по индивидуальным требованиям, отличаются компактностью, надежностью и  пригодны для продолжительной работы. Эти так называемые «С-массивы» содержат отдельные лазерные диоды (бары) длиной 1 см с электродами из сплава AuSn, расположенные между двумя теплорассеивающими слоями из сплава CuW. Массив из 15 линеек был размещен на керамических пластинах с различным теплоотводом в зависимости от приложения и соответствующих требований. Показано, что мощность выходного излучения в сильной степени зависит от длины волны, плотности упаковки лазерных баров, а также от коэффициента заполнения, температуры и теплопроводности подложки. Стоит отметить, что разработанные QCW-массивы могут эксплуатироваться при температуре подложки 45°C без дополнительного охлаждения (циркуляция воды или элементы Пельтье). Новая конструкция лазерных диодных сборок позволяет получать более высокие пиковые мощности излучения. Увеличение длины резонатора позволяет уменьшить электрическое сопротивление и случайные изменения температуры массива, что, как правило, приводит к  уширению спектральной линии (так называемый тепловой шум, описанный в работе [10]).

Конструкция С-массивов позволяет просто и эффективно сформировать сечение луча требуемой формы, используя коллиматор быстрой оси для всех стержней, а также коллиматор медленной оси, в особенности для стержней с малой плотностью упаковки. Далее становится возможным заведение луча в оптоволокно.

Представленная технология позволяет изменять размеры, а также особенности конструктивных модулей сборок лазерных диодов. Это позволяет изготавливать массивы по  индивидуальным требованиям исходя из  конкретной задачи заказчика. К примеру, существует возможность использовать различные керамические материалы с более высокой теплопроводностью, а также варьировать тип охладителя исходя из конкретных задач заказчика. Улучшенный теплообмен, прочность, малый вес разработанных массивов способствуют их успешному применению для задач, где требуется портативность и мобильность системы, в особенности в случаях с минимальным охлаждением.

Работы над улучшением конструкции массивов, процесса сборки, а также подбор оптимальных материалов продолжаются, и, возможно, в ближайшее время стоит ожидать ещё более успешных результатов.

Литература

  1. Hempel M., La Mattina F., Tomm J. W., Zeimer U., Broennimann R. and Elsaesser T.  Defect evolution during catastrophic optical damage of diode lasers. – Semiconductor Science and Technology, 2011, v.26, p.075020.
  2. Bawamia A. I., Eppich B., Paschke K., Wenzel H., Schnieder F., Erbert G. and Tränkle G. Experimental determination of the thermal lens parameters in a broad area semiconductor laser amplifier. – Applied Physics B-Lasers and Optics, 2009, v.97, p.95–101.
  3. Bacchin G., Fily A., Qiu B., Fraser D., Robertson S.,  Loyo-Maldonado V., McDougall S.D. and Schmidt B.  High temperature and high peak power 808 nm QCW bars and stacks. – Proc. SPIE, 2010, v.7583, p.75830P.
  4. Wilson S., Altshuler G., Erofeev A., Inochkin M., Khloponin L., Khramov V. and Feldchtein,  F. Long pulse compact and high brightness near 1-kW QCW diode laser stack. – Proc. SPIE, 2012, v. 8241, p.82410F.
  5. Klumel G., Karni Y., Oppenhaim J., Berk Y., Shamay M., Tessler R. and Cohen S. High  duty cycle hard soldered kilowatt laser diode arrays. – Proc. SPIE, 2010, v.7583, p.75830C.
  6. van Gurp G.J., de Waard P.J. and du Chatenier F. J. Thermomigration in indium and indium alloy films. – J. Appl. Phys., 1985, v. 58, p.728–735.
  7. Reddy K.V. and Prasad J.J.B. Electromigration in indium thin films. – J. Appl. Phys., 1984, v. 55, p.1546–1550.
  8. Kissel H., Fassbender W., Lotz J., Alegria K., Koenning T., Stapleton D., Patterson S. and Biesenbach J.  Reliable QCW diode laser arrays for operation with high duty cycles. – Proc. SPIE, 2013, v. 8605, p.86050V.
  9. Töpfer Th., Neukum J., Hein J. and Siebold M. Very-large-scale DPSS lasers are coming. – Laser Focus World, 2010, v. 46 (10), p.64–67.
  10. Pittroff W., Eppich B., Erbert G., Platz R., Tyralla D. and Tränkle G.  Simple design for fiber coupled 9xx nm kW – QCW pump module with high duty cycle based on customized chips and lateral heat removal. – Proc. SPIE, 2014, v. 8965, p. 896515.

 «Надежность высокомощных лазерных диодных сборок, работающих в квазинепрерывном режиме с продолжительными рабочими циклами» 1560(Kб)

Первая миля — научно-технический журнал — Первая миля

Двухканальные ШИМ с селекцией импульсов по длительности применяются в тех случаях, когда к вторичному источнику питания (ВИП) предъявляются высокие требования по КПД при его работе в большом диапазоне нагрузок по току – от максимальной токовой нагрузки (Iн = Imax) до минимальной (Iн = Imin), практически равной холостому ходу (Iхх). При этом большую часть времени ВИП работает при минимальных нагрузках по току.

В [2,4] рассмотрены схемы ШИМ, которые при работе на холостом ходу формировали достаточно короткие импульсы, длительность которых меньше длительности импульса, формируемого тактовым генератором. Эти импульсы, будучи короткими по длительности, тем не менее, во-первых, включают силовые транзисторы, в связи с чем тратится энергия и, следовательно, снижается КПД. Во-вторых, даже при наличии очень коротких импульсов приходится, как правило, устанавливать подгрузочные резисторы, хотя и сравнительно высокоомные (сотни Ом). Но на таком резисторе опять-таки расходуется мощность, что ведет к потере КПД.

Для бортовых ВИП, питающихся от батареи, важно экономить энергию. И если источник большую часть времени работает при минимальных токовых нагрузках, то очень важно иметь повышенный КПД.
Прямоходовые ВИП, в которых ШИМ построен по схеме двойного регулирующего воздействия на наклон пилообразного напряжения (в дальнейшем «пила»), имеют максимальный КПД при минимальном входном напряжении и максимальных нагрузках по току, т.е. при Uвх = Uвхmin и Rн = Rнmin. При Rн = Rнmax их КПД снижается. Одна из причин такого снижения заключается в том, что мощность, расходуемая в цепи управления силовыми МДП-транзисторами, слабо зависит от тока нагрузки, т.е. ее можно считать практически постоянной. А поскольку при Rн = Rнmax мощность по выходу снижается, то будет снижаться и КПД источника питания.
Один из способов повышения КПД таких ВИП заключается в том, чтобы полностью отказаться от подгрузочных резисторов. Но без них выходное напряжение возрастает, так как обратная связь (ОС) совместно с ШИМ не всегда справляется с задачей получения выходного напряжения в заданных пределах. При холостом ходе конденсатору выходного LC-фильтра не на что разряжаться, а поскольку даже очень короткие по длительности импульсы добавляют энергию в конденсатор фильтра при каждом включении силового ключа, то напряжение будет увеличиваться (ШИМ не 100-процентный). Если создать такой ШИМ, который не пропускал бы короткие импульсы на входы силовых транзисторов, то КПД увеличится, так как силовые транзисторы будут реже включаться. Можно не делать пропуск импульсов при условии, что ШИМ способен формировать импульсы с коэффициентом заполнения Кз = 0. Но такой ШИМ, работающий по схеме двойного регулирующего воздействия на наклон «пилы», реализовать невозможно (хотя в принципе 100-процентный ШИМ возможен). Не пропуская короткие импульсы на затворы транзисторов силовых ключей, мы тем самым снижаем коэффициент заполнения Кз, т.е. устремляем его к нулю.
Двухканальный ШИМ, работающий по принципу исключения импульсов по длительности (селекция импульсов), наиболее просто реализовать по схеме собственно ШИМ плюс распределитель импульсов на два выхода (канала). При этом в качестве собственно ШИМ могут применяться схемы с различными способами фиксации момента совпадения напряжения «пилы» с напряжением порога переключения логического элемента (ЛЭ). В данном случае рассмотрим схему ШИМ, в котором момент совпадения напряжения «пилы» с напряжением порога переключения ЛЭ фиксируется R-S-триггером. Вариант такого ШИМ со схемой селекции импульсов по длительности приведен на рис.1. Схема содержит собственно ШИМ (элементы В1, В2, В3, ключи Кл1, Кл2, времязадающая цепь на резисторе R1 и конденсаторе С1), узел селекции импульсов по длительности (УСлИ) и распределитель импульсов на два канала (выхода). Последний выполнен на Д-триггере Тг1, фиксирующем информацию по фронту спада входного сигнала на его тактовом входе «С» и двух вентилях И (вентили В4, В5).
Рассмотрим работу схемы ШИМ без узла селекции импульсов (УСлИ), когда выход элемента В3 (выход собственно ШИМ) подсоединен к тактовому входу «С» триггера Тг1. На вход схемы поступают импульсы от задающего генератора (импульсы tи.зг). Длительность импульсов tи.зг выбирается исходя из требований к длительности просечки. Если, например, предположить, что длительность периода следования импульсов tи.зг равна 2 мкс (Tи.зг = 2 мкс, fи.зг = 500 кГц), то длительность tи.зг выбирают, как правило, равной 0,1 от Tи.зг, т.е. равной 200 нс. В этом случае коэффициент заполнения Кз составит 0,9 (Кз = Tи.зг – tи.зг/ Tи.зг = 2–0,2/2 = 0,9). Такая величина коэффициента Кз будет иметь место при минимальном входном напряжении Uвх = Uвхmin. Надо отметить, что выбор длительности просечки связан с КПД всего ВИП. Чем больше коэффициент Кз, тем выше КПД. Коэффициент Кз = 0,9 достаточно высокий, и дальнейшее его увеличение связано с возможностью силовых ключей и трансформатора работать со сверхкороткими по длительности импульсами. Для справки: при выполнении силовых ключей на МДП-транзисторах величина длительности входного импульса по затвору может составлять наносекунды.
Рассмотрим момент времени, когда на входе схемы ШИМ импульсы tи.зг отсутствуют, т.е. на входе схемы действует сигнал с уровнем логического 0 (лог. 0). В этом случае имеет место следующее распределение логических уровней на выходах вентилей схемы ШИМ: В1 = 1, В2 = В3 = 0. Следовательно, на выходах ШИМ действуют сигналы с уровнем лог. 0 (В4 = В5 = 0), которые поступают на затворы силовых ключей, удерживая их в закрытом состоянии. Конденсатор С1 будет разряжен через ключ Кл2, поскольку на управляющем входе (У) этого ключа действует сигнал с уровнем лог. 1 (В1 = У = 1). При поступлении на вход схемы ШИМ импульса tи.зг (см. рис.1) на выходе элемента В1 сформируется уровень лог. 0 (В1 = 0), а на выходе элемента В2 – уровень лог. 1 (В2 = 1). При этом, во-первых, откроется ключ Кл1, т.е. появится дополнительная цепь для разряда конденсатора С1, который, как было сказано выше, уже был разряжен через ключ Кл2 (в качестве ключей Кл1 и Кл2 могут использоваться либо полевой транзистор, либо двунаправленный ключ типа КТ3). Во-вторых, на выходах вентилей В4, В5 будут действовать сигналы с уровнем лог. 0 (В4 = В5 = 0), за счет сигнала В3 = 0. То есть во время действия импульса tи.зг осуществляется запрет на передачу информации с выходов триггера Тг1 на входы затворов силовых ключей. По окончании действия импульса tи.зг на выходе элемента В3 сформируется лог. 1, и только на одном из выходов вентилей В4, В5 сформируется рабочий сигнал с уровнем лог. 1. Сразу после окончания импульса tи.зг начнется заряд конденсатора С1 по цепи R1, C1. Как только напряжение на конденсаторе С1 достигнет напряжения порога переключения элемента В2 (Uп.пер ≈ Uвн.пит/2, где Uвн.пит – внутреннее напряжение питания элементов схемы ШИМ, выполненных на КМДП ИС), на его выходе сформируется уровень лог. 0 (В2 = 0), а на выходе элемента В1 – уровень лог. 1 (В1 = 1). И, следовательно, завершится формирование длительности рабочего импульса на выходах вентилей В4, В5. Длительность импульса на выходе элемента В3 (без учета действия ОС), т.е. длительность импульса собственно ШИМ (tи.ш.), изменяется по закону:
Tи.ш. = (R1 x C1 x Uп.пер)/Uвх. (1)
То есть чем меньше Uвх, тем больше длительность импульса и, наоборот, чем больше Uвх, тем длительность импульса меньше.
С учетом действия ОС эта длительность изменяется в соответствии с выражением [3]:
tи.ш. = (R1 x C1) [Uп.пер/(Uвх + IVD1.2 x Кi x R1)]. (2)
Другими словами, триггер Тг1 по входу «С» управляется сигналами изменяемой длительности, которые при холостом ходе могут иметь длительность заметно меньшую, чем длительность импульса tи.зг. В результате триггер Тг1 по входу «С» может просто не сработать ввиду того, что входной импульс недостаточен по длительности для его переключения. И здесь приходит на помощь схема УСлИ. Задача узла – пропустить на вход триггера Тг1 импульсы, длительность tи.ш. которых больше длительности tи.тг1 импульса, необходимого для срабатывания триггера, т.е. должно выполняться условие tи.ш. ≥ tи.тг1.
Импульсы, которые не поступают на вход триггера Тг1, не поступают и на затворы силовых транзисторов. Следовательно, последние не переключаются, т.е. не тратится энергия на их включение и последующую работу, что и приводит к повышению КПД источника питания при малых токовых нагрузках и в режиме холостого хода. При холостом ходе напряжение на выходе ВИП возрастает (дроссель LC работает в режиме разрывного тока), и при отсутствии сигнала ОС достигает значения
Uвых = Uвх.ф х Ктр, (3)
где Ктр – коэффициент трансформации силового трансформатора; Uвх.ф – амплитудное значение напряжения на входе LC-фильтра. Если предположить, что Ктр = 1/3 (Ктр = W2/W1, где W1, W2 – число витков первичной и вторичной обмоток трансформатора соответственно), то при Uвх.max = 36 В напряжение на конденсаторе (нагрузке) сглаживающего LC-фильтра составит 12 В (36/3 = 12, без учета падения напряжения на выпрямительных диодах и других потерь). При заданном выходном напряжении 5 В (Uвых = 5 В) разность между заданным выходным напряжением и напряжением на выходе LC-фильтра составляет 7 В. И эта разность напряжений должна быть отработана обратной связью совместно с ШИМ изменением коэффициента заполнения Кз, что достаточно сложно без установки подгрузочных резисторов. При еще большем входном напряжении эта разность возрастет еще заметнее – и теперь уже точно без подгрузочных резисторов не обойтись.
Осуществляя пропуск импульсов, мы тем самым снижаем выходное напряжение на LC-фильтре (Uвых) и уменьшаем разность напряжений между заданным напряжением и напряжением на выходе LC-фильтра, т.е. мы как бы искусственно снижаем коэффициент заполнения Кз. И, следовательно, в соответствии с выражением (3) уменьшаем выходное напряжение.
Схемотехнический прием повышения КПД источников питания, которые работают при малых токах потребления, за счет пропуска импульсов может оказаться весьма полезным для ВИП, построенных из преобразователя напряжения (обычно – источника питания без элементов стабилизации выходного напряжения, т.е., например, без ОС) плюс линейный стабилизатор (ЛС). Однако последнее возможно при условии, что в схемной реализации ЛС имеется элемент обратной связи с гальванической развязкой, например, в виде диодной или транзисторной оптопары с возможностью управлять длительностью импульса, который формируется ШИМ от тока нагрузки, аналогично схеме, приведенной на рис.1.
Известно, что ВИП, содержащие ЛС на выходе, позволяют получать наиболее качественное вторичное питание (высокая стабильность, малые пульсации, отсутствие выбросов и провалов при резких сбросах и набросах нагрузки по току). Такие источники достаточно широко применяются при небольших мощностях и токах нагрузки не более 2 А. Поскольку в традиционных источниках, построенных по схеме с линейным стабилизатором, отсутствует ОС, то уменьшение длительности импульса, формируемого схемой ШИМ, может осуществляться только за счет входного возмущающего воздействия. Следовательно, коэффициент заполнения в таких ВИП не может изменяться более, чем в два раза, поскольку их функционирование осуществляется в соответствии с уравнением [1]:
Uвх Ч tи.ш. = const. (4)
Необходимо отметить, что ЛС держат холостой ход. А это означает, что в режиме холостого хода разность напряжений на входе ЛС (выход LC-фильтра) и на его выходе будет максимальной. В приведенном выше примере она составила 7 В.
Известно, что КПД линейных стабилизаторов оценивается выражением:
КПД ≈ Uвых/Uвх. (5)
И, значит, для рассмотренного выше случая он составит 5/12 = 42%, т.е. это невысокий КПД. Но в этом выражении не учитываются потери в токозадающем резисторе, который должен втекать в опорный элемент (например, стабилитрон), а они в данном случае будут достаточно высокими. Если учесть эти потери, КПД будет еще меньше. Следовательно, для повышения КПД линейного стабилизатора необходимо снижать напряжение на входе ЛС, не забывая при этом, что регулирующий транзистор должен работать в активном режиме. Именно пропуск импульсов позволяет это сделать и тем самым поднять КПД линейного стабилизатора при его работе в режимах близких к холостому ходу.
На рис.2 приведена схема узла селекции импульсов (УСлИ), позволяющая осуществлять пропуск импульсов, длительность которых меньше некоторой заданной величины. В конкретной разработке импульсы на резистор R1 поступают с выхода коллектора транзистора, нагрузкой которого является резистор номиналом 1 кОм (выход открытого коллектора компаратора 521СА3). Например, если R1 = 10 кОм, R2 = 100 кОм, С1 = 22 пФ, В1 – элемент ПУ (преобразователь уровней) серии 564, то схема пропускает импульсы, длительность которых ≥ 220 нс, т.е. импульсы, длительность которых на клемме Uвх меньше 220 нс, на выходе отсутствуют.
Короткие импульсы не могут пройти на выход схемы по той причине, что они просто не успевают зарядить конденсатор С1 и входную емкость элемента ПУ до его напряжения порога переключения, который при напряжении питания элемента, равном 5 В, составляет примерно 2,5 В. Для сигналов большей длительности такой проблемы не существует, поэтому они будут проходить на выход, не уменьшаясь по длительности.
Схема, приведенная на рис.2, относится к разряду времязадающих, поэтому номиналы элементов, входящих в ее состав, должны быть стабильными, т.е. они по возможности не должны зависеть от дестабилизирующих факторов (частота, напряжение, температура, старение) [1].
Заключение
Применение расмотренной в статье схемы ШИМ наиболее эффективно в тех случаях, когда требуется организовать пропуск импульсов с целью повышения КПД источника питания при его работе в режимах малых токов потребления, близких к режиму холостого хода. В описанной разработке импульсы на резистор R1 поступают с выхода коллектора транзистора, в нагрузке которого установлен резистор номиналом 1 кОм (выход открытого коллектора компаратора 521СА3).

ЛИТЕРАТУРА
1. Горячев В., Чуприн А. Проектирование источника вторичного электропитания с аналого-цифровой СБИС ШИМ-контроллера // Первая миля. 2015. № 7. С. 54–60.
2. Горячев В., Чуприн А. Двухканальный ШИМ в базисе элементов ИЛИ-НЕ // Первая миля. 2017. № 5. С. 64–71.
3. Горячев В., Чуприн А. Узел внутреннего напряжения питания в бортовых ВИП // Первая миля. 2016. № 4. С. 50–57.
4. Горячев В., Чуприн А. Широтно–импульсный модулятор на цифровых логических элементах // Первая миля. 2017. № 1. С. 68–75.

Коэффициент заполнения

| PVEducation

Ток короткого замыкания и напряжение холостого хода — это максимальные ток и напряжение, соответственно, от солнечного элемента. Однако в обеих этих рабочих точках мощность солнечного элемента равна нулю. «Коэффициент заполнения», более известный под аббревиатурой «FF», представляет собой параметр, который в сочетании с V oc и I sc определяет максимальную мощность солнечного элемента. FF определяется как отношение максимальной мощности от солнечного элемента к произведению V oc и I sc , так что:

$$ FF = \ frac {P_ {MP}} {V_ {OC} \ times I_ {SC}} $$

Графически FF — это мера «прямоугольности» солнечного элемента, а также площадь самого большого прямоугольника, который будет соответствовать кривой IV.FF проиллюстрирован ниже.

График выходного тока ячейки (красная линия) и мощности (синяя линия) как функции напряжения. Также показаны точки тока короткого замыкания элемента (I sc ) и напряжения холостого хода (V OC ), а также точка максимальной мощности (V mp , I mp ). Щелкните график, чтобы увидеть, как изменяется кривая для ячейки с низким FF.

Поскольку FF является мерой «прямоугольности» ВАХ, солнечный элемент с более высоким напряжением имеет более высокий возможный FF, поскольку «закругленная» часть ВАХ занимает меньшую площадь.Максимальный теоретический FF солнечного элемента может быть определен путем дифференцирования мощности солнечного элемента по напряжению и определения, где оно равно нулю. Следовательно:

$$ \ frac {d (I V)} {d V} = 0 $$

подача:

$$ V_ {MP} = V_ {OC} — \ frac {nkT} {q} ln (\ frac {q V_ {MP}} {nkT} +1) $$

Это неявное уравнение, но оно быстро сходится при повторении. Начиная с V MP = 0,9 × V OC в качестве начального условия, после одной итерации возникает ошибка <1% и незначительная (<0.01%) после трех итераций. Альтернативой является использование функций Ламберта (см. Ниже). Подстановка значения V MP обратно в уравнение диода дает I MP , а затем FF. Более часто используемое эмпирическое выражение для FF:

, где v oc определяется как «нормализованный V oc «:

Приведенные выше уравнения показывают, что чем выше напряжение, тем выше возможная FF. Однако большие колебания напряжения холостого хода в данной материальной системе относительно редки.Например, на одном солнце разница между максимальным напряжением холостого хода, измеренным для кремниевого лабораторного устройства и типичного коммерческого солнечного элемента, составляет около 120 мВ, что дает максимальные значения FF соответственно 0,85 и 0,83. Однако изменение максимального FF может быть значительным для солнечных элементов, изготовленных из разных материалов. Например, у солнечного элемента из GaAs может быть FF, приближающаяся к 0,89.

Приведенное выше уравнение также демонстрирует важность фактора идеальности, также известного как «n-фактор» солнечного элемента.Фактор идеальности является мерой качества перехода и типа рекомбинации в солнечном элементе. Для простых механизмов рекомбинации, обсуждаемых в разделе Типы рекомбинации, n-фактор имеет значение 1. Однако некоторые механизмы рекомбинации, особенно если они большие, могут вводить механизмы рекомбинации 2. Высокое значение n не только ухудшает FF. , но поскольку он также обычно сигнализирует о высокой рекомбинации, он дает низкие напряжения холостого хода.

Ключевым ограничением в уравнениях, описанных выше, является то, что они представляют максимально возможную FF, хотя на практике FF будет ниже из-за наличия паразитных резистивных потерь, которые обсуждаются в разделе «Эффекты паразитных сопротивлений».Таким образом, FF чаще всего определяется путем измерения ВАХ и определяется как максимальная мощность, деленная на произведение I sc * V oc , т. Е .:

Точное определение V

MP

Уравнение солнечного элемента:

$$ I = I_L-I_0 \ left [\ exp \ left (\ frac {V} {nV_t} \ right) -1 \ right] $$

\ (мощность = V \ умножить на I \) и, кроме того, член -1 не влияет на V MP

$$ P = V I_L- V I_0 \ exp \ left (\ frac {V} {nV_t} \ right) $$

V MP — это когда производная мощности по V равна нулю:

$$ 0 = I_L- I_0 \ exp \ left (\ frac {V_ {MP}} {nV_t} \ right) \ left (1+ \ frac {V_ {MP}} {nV_t} \ right) $$

V>> V t и перестановка дает:

$$ \ frac {I_L} {I_0} = \ exp \ left (\ frac {V_ {MP}} {nV_t} \ right) \ left (\ frac {V_ {MP}} {nV_t} \ right) $$

W-функция Ламберта представляет собой решение класса экспоненциальных функций.x \ Leftrightarrow X = W (Y) $$

так получаем:

$$ \ frac {V_ {MP}} {nV_t} = W \ left (\ frac {I_L} {I_0} \ right) $$

$$ V_ {MP} = nV_t W \ left (\ frac {I_L} {I_0} \ right) $$

, используя выражение для V OC , мы также можем записать:

$$ V_ {MP} = nV_t W \ left (\ exp \ left (\ frac {V_ {OC}} {nV_t} \ right) \ right) $$

Поскольку выражение внутри W () всегда действительное и положительное, нам всегда нужна только основная ветвь функции Ламберта W, W 0 .Функция Ламберта W является трансцендентной функцией, очень похожей на функцию логарифмирования. Хотя он недоступен на большинстве калькуляторов, он доступен в расширенных математических пакетах, таких как Matlab или Python. При дальнейшем анализе W-функцию Ламберта можно также использовать для других элементов солнечных элементов и при наличии паразитных сопротивлений.

12 шагов для проектирования трансформаторов SMPS: Группа Талема

Разработка магнитных компонентов для SMPS может быть сложной задачей из-за растущих требований к современной электронике.Выполнение этих 12 шагов может помочь инженерам справиться с проблемами и обеспечить успешный проект.

Для проектирования магнитных компонентов ИИП необходимы следующие параметры:

  • Диапазон входного напряжения
  • Выходное напряжение
  • Выходная мощность или выходной ток
  • Частота переключения
  • Рабочий режим
  • Максимальный рабочий цикл IC
  • Требования безопасности
  • Температура окружающей среды
  • Требования к размеру

Шаг 1: Core Choice

Сделайте предварительный выбор ядра, исходя из требований к питанию приложения, топологии коммутации и частоты.Ферритовые сердечники — лучший выбор для высокочастотных приложений. Для работы на частотах ниже 500 кГц большинство разработчиков будут использовать материал сердечника с проницаемостью от 2000 до 2500. Проницаемость значительно изменяется с повышением температуры и рабочей плотностью потока. В общем, это не повлияет на работу преобразователя, если сердечник не близок к насыщению, поскольку индуктивность (которая управляет режимом работы) в первую очередь определяется воздушным зазором. Однако повышение температуры и рабочая плотность потока будут влиять на потери в сердечнике, и это необходимо учитывать для обеспечения надежной работы.

Форма сердечника

Форма сердечника и конфигурация окна важны для конструкции высокочастотного трансформатора, чтобы минимизировать потери. Область окна намотки должна быть как можно шире, чтобы увеличить ширину намотки и минимизировать количество слоев. Это минимизирует сопротивление обмотки переменного тока.

  • Сердечники EFD и EPC используются, когда требуется низкий профиль.
  • EE и EF — хороший выбор и обычно используются как с вертикальными, так и с горизонтальными шпульками (вертикальные шпульки хороши, когда место для установки ограничено).
  • Сердечники ETD и EER обычно больше по размеру, но имеют большую площадь обмотки, что делает их особенно хорошими для конструкций с более высокой мощностью и схем с несколькими выходами. Ядра
  • PQ дороже, но занимают немного меньше места на печатной плате и требуют меньше витков, чем ядра E.
  • Для трансформатора с запасной обмоткой потребуется больший размер сердечника, чем для трансформатора с тройной изоляцией, чтобы оставить место для полей.
Размер сердечника

Есть много переменных, участвующих в оценке подходящего размера керна.

  • Один из способов выбрать подходящий сердечник — это обратиться к руководству производителя по выбору сердечника.
  • Произведение площади сердечника ( W a A c ), полученное путем умножения площади поперечного сечения сердечника на площадь окна, доступного для намотки, широко используется для первоначальной оценки размера сердечника для данного приложения.
  • Возможности обработки мощности ядра не масштабируются линейно с произведением площади или объемом ядра. Трансформатор большего размера должен работать с меньшей удельной мощностью, потому что площадь рассеиваемой теплоты не увеличивается пропорционально объему, производящему тепло.

В таблице ниже представлен обзор типов сердечников в зависимости от пропускной способности мощности:

EI60, EE50, EE60, EER49
Уровень выходной мощности (Вт) Рекомендуемые типы сердечников
0–10 EFD15, EF16, EE19, EFD20, EFD25
10–2017E, EFD 9017, EFD 9017, EF EI22, EFD25
20–30 EI25, EFD25, EFD30, ETD29, EER28 (L)
30–50 EI28, EER28 (L), ETD29, EFD25308,

–70
EER28L, ETD34, EER35, ETD39
70–100 ETD34, EER35, ETD39, EER40
100–150 EI50, EE40,
200–500 ETD44, ETD49, E55
> 500 ETD59, E65, E70, E80

c W4

Соотношение / выходная мощность получается с помощью:

K f = форм-фактор; для прямоугольной формы K f = 4
K u = коэффициент использования окна
J = плотность тока
B max = рабочая плотность потока
F = частота переключения
P o = выходная мощность

Шаг 2: значение произведения напряжения на время (V-µSec)

Определите значение V-T на основе максимально допустимого рабочего цикла и частоты.

Шаг 3: Первичные витки

Определите минимальное количество витков первичной обмотки, необходимое для поддержки наихудшего значения V-T .

Примечание: B <0,3 Тл для феррита

Шаг 4: Передаточное число

Расчет отношения витков вторичной / первичной обмоток

Примечание: падение напряжения на диоде В d = 0,5-1 В

Шаг 5: Вторичные витки

Выберите точное количество витков первичной и вторичной обмоток, которое будет использоваться на основе N p и N s / N p .

Шаг 6: Первичная индуктивность

Рассчитайте требуемую индуктивность первичной обмотки:

В таблице ниже приведены типичные значения КПД:

Топология Диапазон эффективности (η)
Обратный ход > 70%
Вперед > 85%
9018 9018 9018 Полумост > 90%
Полный мост > 90%

Шаг 7: Воздушный зазор

Трансформатор наименьшего размера и самой низкой стоимости достигается за счет полного использования сердечника.В конкретном приложении оптимальное использование сердечника связано с определенной оптимальной длиной зазора сердечника.

Зазор сердечника определяется количеством витков первичной обмотки и характеристиками индуктивности. Разработчик проверит, достаточно ли зазора для предотвращения насыщения сердечника.

Примечание. В топологиях двухтактного, прямого, полумостового и полного мостового преобразователя воздушный зазор обычно не требуется, так как это фактически действие трансформатора.

Шаг 8: Размер провода

После определения всех витков обмотки необходимо правильно выбрать размер провода, чтобы минимизировать потери проводимости обмотки и индуктивность рассеяния.Потери в обмотке зависят от действующего значения тока, длины и ширины провода, а также от конструкции трансформатора.

  • Размер провода можно определить по среднеквадратичному току обмотки.
  • Потери в обмотке зависят от величины сопротивления провода.
  • Сопротивление состоит из сопротивления постоянному току и сопротивления переменному току. На низких частотах R DC >> R AC , R AC можно эффективно игнорировать.
  • На высоких частотах может потребоваться многожильный / литцовый провод или фольга для минимизации сопротивления переменному току.
  • Из-за скин-эффекта и эффекта близости проводника диаметр провода / жилы должен быть меньше 2 * Δ d ( Δ d = глубина скин-эффекта)
  • Принять плотность тока обычно составляет 3–6 A / мм 2 .

Шаг 9: Коэффициент заполнения

Коэффициент заполнения означает площадь намотки на всю площадь окна сердечника (должно быть <1). Для первоначальных проектов рекомендуется использовать коэффициент заполнения не более 50%.Для трансформаторов с высокой удельной мощностью и несколькими выходами этот коэффициент, возможно, потребуется дополнительно уменьшить.

  • После определения размеров проводов необходимо проверить, может ли площадь окна с выбранным сердечником вместить рассчитанные обмотки. Площадь окна, требуемая для каждой обмотки, должна быть рассчитана соответственно и сложена вместе, также следует учитывать площадь межобмоточной изоляции, бобину и промежутки, существующие между витками.
  • На основе этих соображений общая требуемая площадь окна затем сравнивается с доступной площадью окна выбранного ядра. Если требуемая площадь окна больше, чем выбранная, необходимо либо уменьшить размер провода, либо выбрать жилу большего размера. Конечно, уменьшение диаметра провода увеличивает потери в меди трансформатора.

Шаг 10: потеря сердечника

В трансформаторе потери в сердечнике зависят от напряжения, приложенного к первичной обмотке.В катушке индуктивности это функция переменного тока, подаваемого через катушку индуктивности. В любом случае для оценки потерь в сердечнике необходимо определить уровень рабочей плотности потока. Зная частоту и уровень B, потери в сердечнике можно оценить по кривым потерь материала в сердечнике.

Шаг 11: потеря меди

В трансформаторе потери в меди зависят от сопротивления переменного и постоянного тока.

Шаг 12: Повышение температуры

Повышение температуры важно для общей надежности цепи.Пребывание ниже заданной температуры гарантирует, что изоляция проводов находится в рабочем состоянии, что близлежащие активные компоненты не выходят за пределы своей номинальной температуры, и что общие температурные требования соблюдены. Может произойти тепловой разгон, в результате чего сердечник нагреется до температуры Кюри, что приведет к потере всех магнитных свойств и катастрофическому отказу. Общие потери измеряются в ваттах, а площадь поверхности — в см 2 .

Конструкция трансформатора

Конструкция трансформатора сильно влияет на индуктивность рассеяния первичной обмотки.Индуктивность утечки приводит к скачку напряжения при выключении полупроводникового переключателя, поэтому минимизация индуктивности рассеяния приведет к более низкому скачку напряжения и снижению или даже отсутствию потребности в демпфирующей цепи на первичной обмотке.

Для минимизации индуктивности рассеяния используются следующие методы:

  • Обмотки трансформатора всегда должны быть концентрическими, то есть друг над другом, чтобы обеспечить максимальное сцепление, по этой причине не следует использовать разделенные и многосекционные катушки.
  • Использование разделенной первичной обмотки, при которой первый слой обмотки является самой внутренней обмоткой, а второй слой наматывается снаружи.
  • В трансформаторе с несколькими выходами вторичная обмотка с наивысшей выходной мощностью должна располагаться ближе всего к первичной для наилучшего соединения и наименьшей утечки.
  • Вторичные обмотки с несколькими витками должны быть расположены по ширине окна бобины, а не группироваться вместе, чтобы максимизировать связь с первичной обмоткой.Использование нескольких параллельных жил провода является дополнительным методом увеличения коэффициента заполнения и соединения обмотки с несколькими витками
  • Чтобы минимизировать индуктивность рассеяния и при этом соответствовать требованиям изоляции, при проектировании обмоток используйте провода с тройной изоляцией и минимальное количество слоев ленты.

Конструкция с намоткой по краю или конструкция с тройной изоляцией для проводов используются в соответствии с международными стандартами безопасности.

Экранирование трансформатора: Использование магнитной ленты (медного экрана) вокруг всего трансформатора обеспечит защиту от излучения по окружности для вихревых токов в трансформаторе.Этот экран представляет собой просто заземленную петлю из медной фольги вокруг всей сборки. Использование этого метода требует тщательного рассмотрения требований к изоляции, а также вопросов утечки и зазоров.

Вакуумная пропитка: Высокопроизводительные приложения, такие как военные, аэрокосмические, медицинские и высоковольтные, часто требуют дополнительного уровня защиты и изоляции. Вакуумная пропитка эпоксидными смолами и / или лаками может обеспечить такой высокий уровень производительности и долговечности.

См. Другие сообщения блога из категории «Переключенный режим»

  • Бхувана Мадхайян — инженер-проектировщик в Talema India.Она имеет степень бакалавра в области электротехники и электроники Университета Анна в Ченнаи и работает практикующим инженером с 2006 года. Бхувана присоединилась к команде Talema в 2007 году.

    Просмотреть все сообщения

, обеспечивающий сверхвысокий коэффициент заполнения в перовскитных солнечных элементах с оптимизированной конструкцией дендронов — Корейский университет

TY — JOUR

T1 — Разработка молекул переноса дырок без примесей дендритов

T2 — обеспечение сверхвысокого коэффициента заполнения в перовскитных солнечных элементах с оптимизированной конструкцией дендронов

AU — Chen, Wei

AU — Wang, Yang

AU — Liu, Bin

AU — Gao, Yajun

AU — Wu, Ziang

AU — Shi, Yongqiang

AU — Tang, Yumin

AU — Yang, Kun

AU — Zhang, Yujie

AU — Sun, Weipeng

AU — Feng, Xiyuan

AU — Laquai, Frédéric

AU — Woo, Han Young

AU — Djuriraš .

AU — Guo, Xugang

AU — He, Zhubing

N1 — Информация о финансировании: Эта работа была поддержана Национальным фондом естественных наук Китая (21805128, 21774055, 61775091), Проектом ключевых лабораторий Шэньчжэня (ZDSYS201602261933302), Комитетом по инновациям Шэньчжэня (JCYJ20180504165851864), Комитетом по инновациям Шэньчжэня (JCYJ20170818141216). Схема Университета Гонконга. Мы благодарны SUSTech Core Research Facility за помощь.Авторские права издателя: © 2020, Science China Press и Springer-Verlag GmbH Германия, часть Springer Nature.

PY — 2020

Y1 — 2020

N2 — Разработка не содержащих примесей материалов для переноса дырок (HTM) для высокопроизводительных перовскитных солнечных элементов (PVSC) является очень активной темой исследований в последние годы, так как HTM играют критически важную роль. роль в оптимизации кинетики межфазных носителей заряда и, в свою очередь, в определении производительности устройства. Здесь впервые используется новая стратегия дендритной инженерии для создания HTM с молекулярным каркасом типа D-A, а дифениламин и / или карбазол выбираются в качестве строительного блока для построения дендронов.Все HTM демонстрируют хорошую термостабильность и отличную морфологию пленки, а ключевые оптоэлектронные свойства можно настраивать путем изменения структуры дендрона. Среди них MPA-Cz-BTI и MCz-Cz-BTI демонстрируют улучшенный межфазный контакт с активным слоем перовскита, и потери на безызлучательную рекомбинацию и потери на перенос заряда могут быть эффективно подавлены. Следовательно, для устройств на основе MPA-Cz-BTI и MCz-Cz-BTI, соответственно, достигается высокая эффективность преобразования мощности (PCE), составляющая 20,8% и 21,35%, что сопровождается превосходной стабильностью при длительном хранении.Что еще более обнадеживает, для обоих устройств зарегистрированы сверхвысокие коэффициенты заполнения 85,2% и 83,5%, что является одним из самых высоких значений, о которых сообщалось на сегодняшний день. Эта работа демонстрирует большой потенциал дендритных материалов как нового типа HTM без примесей для высокоэффективных PVSC с отличным FF.

AB — Разработка материалов, переносящих дырки без примесей (HTM) для высокоэффективных перовскитных солнечных элементов (PVSC), была очень активной темой исследований в последние годы, поскольку HTM играют критическую роль в оптимизации кинетики межфазных носителей заряда и, в свою очередь, определение производительности устройства.Здесь впервые используется новая стратегия дендритной инженерии для создания HTM с молекулярным каркасом типа D-A, а дифениламин и / или карбазол выбираются в качестве строительного блока для построения дендронов. Все HTM демонстрируют хорошую термостабильность и отличную морфологию пленки, а ключевые оптоэлектронные свойства можно настраивать путем изменения структуры дендрона. Среди них MPA-Cz-BTI и MCz-Cz-BTI демонстрируют улучшенный межфазный контакт с активным слоем перовскита, и потери на безызлучательную рекомбинацию и потери на перенос заряда могут быть эффективно подавлены.Следовательно, для устройств на основе MPA-Cz-BTI и MCz-Cz-BTI, соответственно, достигается высокая эффективность преобразования мощности (PCE), составляющая 20,8% и 21,35%, что сопровождается превосходной стабильностью при длительном хранении. Что еще более обнадеживает, для обоих устройств зарегистрированы сверхвысокие коэффициенты заполнения 85,2% и 83,5%, что является одним из самых высоких значений, о которых сообщалось на сегодняшний день. Эта работа демонстрирует большой потенциал дендритных материалов как нового типа HTM без примесей для высокоэффективных PVSC с отличным FF.

кВт — дендритные молекулы

кВт — без примесей

кВт — материалы для переноса дырок

кВт — солнечные элементы из перовскита

кВт — сверхвысокий коэффициент заполнения

UR — http: // www.scopus.com/inward/record.url?scp=85092619306&partnerID=8YFLogxK

U2 — 10.1007 / s11426-020-9857-1

DO — 10.1007 / s11426-020-9857-1

M3 — Артикул

AN ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ: 85092619306

JO — Science China Chemistry

JF — Science China Chemistry

SN — 1674-7291

ER —

Неохлаждаемый инфракрасный детектор с высоким коэффициентом заполнения и термомеханической биматериальной структурой

Аннотация

Благодаря новой схеме считывания емкости, неохлаждаемый инфракрасный детектор емкостного типа с высоким коэффициентом заполнения и предлагается эффективно контролируемая теплопроводность.Вместо обычной конструкции конденсатора MEMS (т. Е. изоляционный зазор между верхним и нижним электродами), конденсатор с плавающим электродом и двумя нижними электродами имеет был применен к инфракрасному детектору. Инфракрасный поглотитель, который также действует как плавающий электрод конденсатора, соединены с подложкой двумя биматериальными ветвями. Эти ножки состоят из двух материалов, имеющих большую разницу в тепловых характеристиках. коэффициент расширения (Al: 25 ppm / K и SiO 2 : 0.35ppm / K), так что ноги отклоняются в соответствии с определенным изменение температуры из-за поглощения инфракрасного излучения. Движение этой ноги приводит к смещению верхнего электрода. конденсатора, а инфракрасное излучение определяется путем измерения изменения емкости. Однако кончик биматериала с одного конца нога не содержит Al и состоит исключительно из SiO 2 . Такая конструкция ножек позволяет отделить поглотитель от подложка как термически, так и электрически, потому что изоляторы обычно имеют более низкую теплопроводность, чем металлы. чем заказ.Изменение емкости в результате поглощения инфракрасного излучения считывается только через два нижних электрода. которые размещаются прямо под поглотителем, а также выполняют функции инфракрасных отражателей. В конструкции есть преимущества увеличение коэффициента заполнения инфракрасного детектора, эффективный контроль теплопроводности и высокая чувствительность к инфракрасному излучению. С участием только небольшие размеры SiO 2 (10 мкм x 2 мкм x 0,2 мкм), устройство может иметь низкую теплопроводность 1,3×10 -7 Вт / К, так что часть ножек может быть уменьшена в области пикселей.Устройство имеет коэффициент заполнения 0,77 и чувствительность 14% / K. к инфракрасным лучам относительно 1-2К разницы температур между структурой и подложкой.

© (2007) АВТОРСКОЕ ПРАВО Общество инженеров по фотооптическому приборостроению (SPIE). Скачивание тезисов разрешено только для личного использования.

Микроволны101 | Фактор заполнения

Щелкните здесь, чтобы перейти на нашу страницу о Keffective

Щелкните здесь, чтобы перейти на нашу страницу о ТЭМ

Нажмите здесь, чтобы узнать о нашей таблице извлечения Dk и Df

Новинка августа 2010 года! Фактор заполнения — это то, что связывает Keffective с ER.Коэффициент заполнения — это мера процента электрических полей в линии передачи, которые прорезают подложку.

В линиях передачи без ПЭМ, таких как CPW и микрополосковые, электрические поля прорезают два (а иногда и более) диэлектрических материала. Пока мы будем рассматривать только случай двух материалов, один из которых — воздух (ER = 1).

Если FF — процент полей в материале, то 1-FF — процент полей в воздухе.

Кэфф = ER * FF + 1x (1-FF)

Решение для FF,

FF = (Keff-1) / (ER-1)

В большинстве расчетов инженеров интересуют только Z0 и Keff.Но они упускают из виду то, что происходит на самом деле, игнорируя FF. Давайте начнем с формулировки практического правила микроволн 101, а затем сделаем резервную копию в виде примера:

Коэффициент заполнения микрополосками, практическое правило

Для данной микрополосковой или полосковой геометрии коэффициент заполнения почти не зависит от значения диэлектрической проницаемости подложки. Индуктивность на длину не изменяется в зависимости от диэлектрической проницаемости подложки, изменяется только емкость / длина.

Пример коэффициента заполнения микрополоски

Давайте посмотрим на пример геометрии.Предположим, вы оценивали неизвестный материал платы с линией передачи следующей геометрии микрополосков:

H = 2,7 мил

W = 5,0 мил

T = 2 мил

Давайте посмотрим на коэффициент заполнения для любой диэлектрической проницаемости ER от 1,01 до 10 (мы не можем использовать ER = 1, потому что это приводит к ситуации деления на ноль!)

Мы использовали ADS для расчета Keff и Z0 для всех этих диэлектриков и получили следующую таблицу:

ER Кефф Z0 FF
1.01 1,006 79,9 0,600
2 1,619 61,4 0,619
3 2,212 52,5 0.606
4 2,796 46,7 0,599
5 3,377 42,5 0,594
6 3.958 39,3 0,592
7 4,539 36,7 0,590
8 5,120 34,6 0,589
9 5,702 33,8 0,588
10 6,285 31,2 0,587

Заметка о вычислении Кэфф… Вы можете использовать микрополосковый калькулятор Microwaves101 и вычислить значения коэффициента заполнения. Но мы откроем вам секрет … наш микрополосковый калькулятор не такой точный, как ADS, потому что мы использовали упрощенные уравнения, которые не учитывают толщину металлической полосы. В случае этой геометрии ошибка достаточно велика, поэтому мы решили пойти с лучшим расчетом, действительно, значение Keff Microwaves101 почти на 10% больше. В будущем мы постараемся опубликовать калькулятор с полным микрополосковым решением, а пока, скажем так, остерегайтесь бесплатных калькуляторов в Интернете!

Как видно из таблицы, FF практически не меняется по отношению к ER.Посмотрим на сюжет, картинка стоит тысячи слов:

Теперь давайте рассчитаем индуктивность и емкость на длину (L ‘и C’) и построим их график.

Угадайте, что? Индуктивность / длина не сильно меняются, когда вы радикально меняете диэлектрическую проницаемость в линии передачи без ПЭМ. Как и следовало ожидать, емкость / длина изменяются линейно. Это прямой результат того, что FF остается постоянным по сравнению с ER!

Коэффициент заполнения CPW — практическое правило

Для идеального копланарного волновода (с очень толстой подложкой и без заземляющего слоя на задней стороне, тонкие идеальные проводники) коэффициент заполнения составляет 50%.Следовательно, Кэфф равен:

Кэф = (ER + 1) / 2

Это среднее значение воздуха (ER = 1) и субстрата.

Введение в Fillfactor в SQL Server

Вы человек наполовину заполненный или наполовину пустой?

Я никогда не подумаю, что «я все это видел», когда дело доходит до SQL Server — просто всегда есть кто-то, ожидающий за углом, кто обнаружит что-то новое, что с ним связано. Но есть некоторые вещи, которые я действительно хотел бы, чтобы не смог найти .

Одна из тех вещей, которые я ненавижу находить, — это плохие настройки коэффициента заполнения. Fillfactor может быть полезным инструментом для повышения производительности, но часто это убивает производительность , если вы используете его неправильно.

Краткое введение: что такое fillfactor и как он устанавливается?

«Фактор заполнения» — это параметр для индексов в SQL Server. Когда вы создаете или перестраиваете индекс, вы можете указать SQL Server, какой процент каждой 8-килобайтной страницы данных, используемой на «конечном» уровне индекса, он должен заполнить.

Другими словами, если вы установите коэффициент заполнения 90% при перестроении кластеризованного индекса, SQL Server попытается оставить 10% каждой конечной страницы пустыми . Пустое пространство будет присутствовать на странице в том виде, в котором оно записано на диске, и будет занимать столько же места, сколько находится в памяти.

По умолчанию SQL Server использует коэффициент заполнения 100% и пытается заполнить все страницы в индексах как можно ближе к полному. В зависимости от того, сколько строк на самом деле умещается на странице, ваш пробег может варьироваться.

Есть два способа установить коэффициент заполнения в SQL Server:

Задания по обслуживанию индекса иногда автоматизируют второй из этих вариантов. Если вы используете хранимую процедуру обслуживания индекса, которую вы взяли из Интернета, возможно, вы устанавливаете коэффициент заполнения, не осознавая этого.

Почему люди любят устанавливать коэффициент заполнения?

Администраторы баз данных и разработчики часто читают, что снижение коэффициента заполнения улучшает производительность за счет уменьшения разделения страниц. Возможно, они пытаются решить проблему с производительностью, или, возможно, они чувствуют себя параноиками.Они либо слишком сильно понижают коэффициент заполнения для некоторых индексов, либо применяют изменение коэффициента заполнения ко всем индексам.

Вот совок: действительно, коэффициент заполнения по умолчанию, равный 100%, не всегда подходит. Если я заполню свои страницы до краев, а затем вернусь и мне понадобится вставить строку на эту страницу, она не поместится. Чтобы данные соответствовали друг другу и сохраняли логическую структуру индекса, SQL Server должен будет сделать кучу сложных вещей («плохой» тип разделения страниц), в том числе:

  • Добавить новую страницу
  • Переместить примерно половину данных на новую страницу
  • Отметить данные, которые были перемещены на старую страницу, чтобы они больше не действовали
  • Обновить указатели ссылок на существующие страницы, чтобы они указывали на новую страницу

И да, это много работы.Он генерирует записи журнала и вызывает дополнительный ввод-вывод. И да, если это происходит часто, вы можете немного снизить коэффициент заполнения в этом индексе, чтобы это происходило реже.

Где люди портят фактор заполнения?

Вот что: наличие кучи пустого места на страницах данных ТАКЖЕ плохо сказывается на производительности. Ваши данные более разбросаны, поэтому вам, вероятно, придется читать больше страниц в памяти. Вы тратите место в кеше, который просто остается пустым. Это не только не круто, но и во многих случаях может быть УЖАСНЫМ.

Это особенно расточительно, потому что не все индексы подвержены «плохому» разделению страниц. Допустим, у меня есть кластерный индекс по возрастающему значению идентичности INT или BIGINT. Я вставляю множество новых строк, и значения редко обновляются или удаляются. В этом случае я могу заполнить свои страницы очень заполненными, потому что я всегда помещаю новые строки в «конец» индекса. Добавление этих новых страниц — неплохое разделение страниц — хотя, к сожалению, они учитываются в счетчике производительности «количество разделений страниц / сек», что затрудняет поиск только «плохих» разделений.

Я часто замечаю, что люди устанавливают коэффициент заполнения 80 или ниже для всех индексов в базе данных. Это может привести к потере большого количества ГБ места на диске и в памяти. Это потраченное впустую пространство вызывает дополнительные обращения к хранилищу, и все это снижает производительность ваших запросов.

Лучшие практики для установки коэффициента заполнения

Вот несколько простых советов о том, как безопасно установить fillfactor:

  1. Не задавайте общесистемное значение для fillfactor. Маловероятно, что это поможет вашей работе больше, чем повредит.
  2. Получите хорошее решение для обслуживания индексов, которое проверяет фрагментацию индексов и действует только с индексами, которые достаточно сильно фрагментированы. Сохраните журнал решения в таблице. Ищите индексы, которые часто фрагментированы. Рассмотрите возможность постепенного понижения коэффициента заполнения для этих отдельных индексов с использованием запланированного изменения для восстановления индекса. Когда вы впервые понижаете коэффициент заполнения, подумайте о том, чтобы просто перейти к 95 и повторно оценить индекс через неделю или две повторного технического обслуживания. (В зависимости от вашей версии и выпуска SQL Server восстановление может потребоваться в автономном режиме.Реорганизацию нельзя использовать для установки нового коэффициента заполнения.)

Этот второй вариант может показаться придирчивым, но в большинстве случаев требуется всего несколько минут, чтобы выяснить, где нужно внести изменения. Делать это можно раз в месяц. И это того стоит — потому что никто не хочет, чтобы производительность их баз данных снижалась, и не понимал, что они вызывают дополнительный ввод-вывод, оставляя много гигабайт пространства в памяти напрасно пустым.

Теперь, когда мы рассмотрели основы, как насчет этих пяти вещей? Вот мелкий шрифт того, как реализован fillfactor, и на что он влияет, а на что нет.

1) Книги в Интернете предупредили вас

Самым болезненным при поиске неверных настроек коэффициента заполнения является то, что команда Microsoft пыталась предупредить людей о том, как плохие настройки коэффициента заполнения могут повлиять на производительность. К сожалению, большинство людей не замечают предупреждения.

Посмотрите эту цитату в электронной документации: «Например, значение коэффициента заполнения 50 может привести к снижению производительности чтения базы данных в два раза. «

Это довольно ясно, правда? Поэтому, если я установлю коэффициент заполнения 70 (когда он мне не нужен), я рискую снизить производительность на 30%.Это тоже не очень хорошо. Из-за этого хрупкого баланса следуйте приведенным выше рекомендациям.

2) Коэффициент заполнения не распространяется на отвалы

Параметр fillfactor применяется только к индексам, а не ко всем таблицам. Если у вас есть таблица без кластерного индекса, в SQL Server она называется «кучей». Кучи странны по-разному. Один из таких способов заключается в том, что fillfactor не применяется — даже тот, который вы установили на уровне экземпляра. (Разделение страниц тоже не работает, но это не повод для создания кучи.)

3) Fillfactor не влияет на новые страницы, вставленные в конце индекса.

SQL Server использует фактор заполнения только при создании, перестроении или реорганизации индекса. Он не использует fillfactor, если размещает новую страницу в конце индекса.

Давайте посмотрим на пример кластерного индекса, где ключом снова является возрастающее значение идентификатора INT. Мы просто вставляем строки, а новые страницы добавляются в конец индекса. Индекс был создан с коэффициентом заполнения 70% (что, возможно, было не очень хорошей идеей).По мере того, как вставки добавляют новые страницы, эти страницы заполняются в максимально возможной степени — вероятно, более чем на 70%. (Это зависит от размера строки и того, сколько строк может поместиться на странице.)

4) Коэффициент заполнения не применяется к страницам больших объектов

Fillfactor применяется к внутренним страницам данных. Когда вы создаете таблицу, в зависимости от типов данных у вас есть варианты того, когда некоторые большие типы хранятся в строке или вне строки. Если данные не хранятся в строках, настройки коэффициента заполнения не применяются к этим специальным страницам.

Общее практическое правило заключается в том, что если вы нечасто читаете столбцы с большими объектами, лучше оставить эти столбцы вне строк.Вы будете нести дополнительный ввод-вывод каждый раз, когда вам нужно будет получить данные вне строки. но он позволяет более эффективно использовать часто используемые строковые столбцы вашего индекса.

5) Кто-то мог изменить коэффициент заполнения без вашего ведома

Когда для индекса установлен коэффициент заполнения, он остается там. При дальнейшем перестроении или реорганизации индекса этот коэффициент заполнения сохраняется, если вы не укажете другое значение. Изменить коэффициент заполнения легко незаметно. Если вы не проверите индексы с заданным коэффициентом заполнения, вы можете не понять, что происходит в вашей базе данных.

Как и все остальное, существуют странные исключения, когда в очень редких случаях установка сверхнизкого коэффициента заполнения для очень сильно обновленной таблицы (которая, вероятно, небольшая) может помочь уменьшить конкуренцию. Эти случаи очень редки. Часто есть более долгосрочное изменение на уровне приложения, которое могло бы решить эту проблему.

Итог: если вы обнаружите, что используете низкий коэффициент заполнения и не знаете, зачем он нужен, всегда внимательно смотрите, не ухудшаете ли вы производительность больше, чем помогаете ей.И если вы используете один и тот же коэффициент заполнения для всех своих индексов, вы, вероятно, тратите много ценной памяти.

Как проверить свой коэффициент заполнения сегодня

Наш бесплатный инструмент sp_BlitzIndex® ищет все виды безумия в ваших индексах на уровне базы данных. Он будет отслеживать ваши метаданные и предупреждать вас о низких значениях fillfactor, а также сообщать вам, насколько выросли эти индексы. Проверьте это сегодня.

‘Высокий коэффициент заполнения’ — Grafiati

Аннотация:

Эта диссертация представляет собой разработку, изготовление и определение характеристик неохлаждаемых резистивных инфракрасных микроболометрических детекторов с высокой производительностью и высоким коэффициентом заполнения поверхности, которые могут использоваться в решетках фокальной плоскости большого формата (FPA).Пиксели детектора, которые имеют шаг пикселя 25 & mu
мкм, спроектированы и изготовлены как двухуровневые структуры с использованием улучшенного многослойного резистора, в то время как в качестве активного материала выбран оксид иттрия-бария-меди (YBCO). Первый уровень структуры пикселей выделен для формирования опорных рычагов, чтобы получить более длинные опорные рычаги, следовательно, более низкие значения теплопроводности для получения желаемых высоких уровней производительности. Тело пикселя построено на втором уровне, так что коэффициент заполнения и поглощение детектора максимальны.Толщина структурного и расходуемого слоев также оптимизирована для увеличения коэффициента поглощения пикселя в диапазоне длин волн 8-12 мкм и
мкм. Тепловое моделирование проводится с использованием метода конечных элементов (МКЭ) с помощью программного обеспечения CoventorWare. Спроектированный пиксель имеет коэффициент заполнения 92% вместе со значениями теплопроводности и тепловой постоянной времени, рассчитанными как 16,8 нВт / К и 19,3 мс соответственно. Пиксели производятся на предприятиях METU MEMS после разработки совместимой с CMOS технологической схемы.Все этапы процесса оптимизируются индивидуально для получения ожидаемой высокой производительности. Этап характеризации пикселей включает измерения температурного коэффициента сопротивления (TCR), шума и значения теплопроводности вместе с тепловой постоянной времени. Эффективное TCR пикселя измеряется как -2,81% / K для пикселя с сопротивлением опорного рычага 8 кОм и Омега
и общим сопротивлением 55 кОм и Омега
. Угловая частота шума 1 / f в пикселе составляет 9,5 кГц и 1.4 кГц при токе смещения 20 & mu
A и 10 & mu
A соответственно. Суммарный среднеквадратичный шум составляет 192 пА в полосе пропускания 8,4 кГц при токе смещения 20 мк
А. Теплопроводность, Gth, пикселя измеряется как 17,4 нВт / К с постоянной времени 17,5 мс. Результаты измерений показывают, что отдельные пиксели, разработанные и изготовленные в рамках данной диссертации, применимы к широкоформатным FPA для получения высокопроизводительного формирователя изображений.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.