Генератор импульсного тока Российский патент 2024 года по МПК H03K3/02 H01S3/09 

Изобретение относится к технике формирования импульсов тока, в частности к устройствам питания источников накачки твердотельных лазеров.

Известно [1] устройство накачки твердотельного лазера с помощью импульсной лампы накачки, через которую производится разряд накопительного конденсатора путем пробоя разрядного промежутка лампы и пропускания через лампу разрядного импульса тока заданной длительности Т, определяемой емкостью накопительного конденсатора и индуктивностью дросселя в разрядном контуре. Подобные схемы обладают большими потерями энергии в контуре, поскольку ток через лампу в процессе разряда меняется в широких пределах и значительную часть времени отличается от оптимального значения, при котором полезная светоотдача лампы максимальна. Это особенно заметно при формировании импульсов тока длительностью 1 мс и более, требуемой, например, для накачки лазеров на стекле с эрбием, работающих в безопасном диапазоне длин волн. Кроме того, такие схемы обладают значительными габаритами из-за большой индуктивности дросселя.

Данные недостатки отчасти устранены в генераторе импульсов тока, выполненном в виде замкнутого контура, состоящего из последовательно включенных накопительного конденсатора, транзисторного ключа со схемой управления, дросселя и источника излучения накачки (газонаполненной лампы) [2]. При таком построении генератора накопительный конденсатор разряжается через источник излучения до тех пор, пока ток не достигнет верхнего порогового значения. В этот момент схема управления открывает ключ, и разрядный ток поддерживается за счет энергии, запасенной в индуктивности дросселя. Через заданное время, соответствующее снижению тока до нижнего порогового значения, ключ закрывается, и возобновляется разряд накопительного конденсатора.

В указанном генераторе управляющий вход ключа и схема управления находятся под высоким напряжением накопительного конденсатора. Это приводит к необходимости использования высоковольтных элементов, а следовательно, удорожанию устройства и увеличению его габаритов. Кроме того, ухудшаются быстродействие схемы и токопотребление, так как для переключения высоковольтных напряжений затрачивается дополнительная энергия и время на перезаряд емкостей схемы.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является генератор импульсов тока, выполненный в виде замкнутого контура, состоящего из последовательно включенных накопительного конденсатора, дросселя, источника излучения накачки, транзисторного ключа со схемой управления и датчика тока, а также демпфирующего диода, включенного параллельно дросселю и источнику излучения накачки, причем дроссель и источник излучения накачки с демпфирующим диодом включены между выводом транзисторного ключа и высоковольтным электродом накопительного конденсатора, второй выход транзисторного ключа соединен с датчиком тока, другой выход которого соединен с шиной нулевого потенциала, связанной с вторым выходом накопительного конденсатора, а схема управления выполнена в виде формирователя управляющего импульса фиксированной длительности и содержит пороговое устройство, связанное по своему сигнальному входу с датчиком тока, а по выходу с импульсным формирователем, подключенным ко входу транзисторного ключа [3].

При исполнении источника излучения накачки в виде матрицы полупроводниковых лазеров существенно повышается эффективность накачки, что позволяет расширить область применения аппаратуры с лазерами, основанными на таком решении. По сравнению с ламповыми устройствами накачки ЛД обеспечивают максимальный к.п.д. накачки, высокие эксплуатационные характеристики и значительный срок службы. Большая мощность излучения ЛД позволяет их использовать для создания лазерных приборов, широко применяемых в системах обеспечения безопасности, связи, технологии, медицине, и др. Малое тело свечения ЛД позволяет эффективно вводить его излучение в оптическое волокно. Это открывает широкие возможности создания мощных волоконных лазеров и усилителей лазерного излучения. Мощность таких ЛД колеблется от нескольких ватт до нескольких тысяч ватт. Все это определяет эффективность создания твердотельных лазеров с диодной накачкой и их применения в системах обеспечения безопасности» [4].

Диодная накачка позволяет также расширить спектральный диапазон лазерного излучения лазеров традиционной конструкции, что расширяет возможности таких унифицированных систем [5].

Положительная особенность полупроводниковых источников излучения накачки -их низкое рабочее напряжение [4] при такой же энергии излучения, как у газоразрядных источников. Например, рабочее напряжение U некоторых лазерных источников [4] составляет всего около 2 В при рабочем токе I в пределах (100 - 300) А (Таблица 1).

Однако при этом использование технического решения [3] может быть затруднено тем, что рабочее напряжение источника излучения накачки становится соизмеримым с остаточным напряжением открытого демпферного диода, достигающим 0,7 В и более для кремниевых диодов [6, 7]. Это приводит к заметным энергетическим потерям во время индуктивного хода накачки.

Задачей изобретения является снижение энергопотребления и сокращение массогабаритных параметров генератора импульсов тока при более высоком коэффициенте полезного действия накачки.

Эта задача решается за счет того, что в известном генераторе импульсного тока, выполненном в виде замкнутого контура, состоящего из последовательно включенных накопительного конденсатора, дросселя, источника излучения накачки, транзисторного ключа со схемой управления и датчика тока, а также демпфирующего диода, включенного параллельно дросселю и источнику излучения накачки, дроссель и источник излучения накачки с демпфирующим диодом включены между выводом транзисторного ключа и высоковольтным электродом накопительного конденсатора, другой выход транзисторного ключа соединен с контактом датчика тока, второй контакт которого соединен с вторым электродом накопительного конденсатора, а схема управления включает формирователь управляющего импульса и пороговое устройство, связанное по своему сигнальному входу с датчиком тока, а по выходу с формирователем управляющего импульса, подключенным ко входу транзисторного ключа, введен второй транзисторный ключ, включенный параллельно демпфирующему диоду, в состав формирователя управляющего импульса введены первая и вторая схема задержки, связанные соответственно с первым и вторым транзисторным ключом, причем, задержка отпирания второго ключа соответствует времени отпирания демпфирующего диода при закрывании первого ключа, задержка запирания второго ключа соответствует времени снижения тока в индуктивном контуре до заданного нижнего уровня, а задержка отпирания первого ключа после выключения второго соответствует времени восстановления запертого состояния второго ключа.

На фиг. 1 представлена схема генератора импульсного тока. На фиг 2 - состав схемы управления. На фиг 3 показана циклограмма тока накачки. На фиг. 4а) -циклограмма управляющих импульсов в течение одного цикла индуктивного контура. На фиг. 46) - эпюра напряжения между точками А и Б (фиг. 1) в течение этого цикла.

Устройство фиг. 1 состоит из последовательно включенных накопительного конденсатора 1, дросселя 2, источника излучения накачки 3, транзисторного ключа 4 со схемой управления 5 и датчика тока - сопротивления 6. Цепь дроссель - источник излучения накачки зашунтирована демпфирующим диодом 7. Разрядный контур замкнут подключением на корпус нижних выводов накопительного конденсатора 1 и датчика тока 6. Выход схемы управления подключен к управляющему входу транзисторного ключа 4 непосредственно (выход а) и через схему задержки 8 (выход г*). Выход схемы управления 5 подключен также ко входу б*) (через схему задержки 9) и входу в) второго транзисторного ключа 10, шунтирующего демпферный диод 7. Схема управления 5 содержит последовательно включенные пороговое устройство 11 и формирователь управляющих импульсов 12 (фиг. 2). Заряд накопительного конденсатора осуществляется от внешнего источника 13 (фиг. 1).

Генератор импульсного тока работает следующим образом.

В исходном состоянии накопительный конденсатор 1 заряжен до номинального напряжения. Транзисторные ключи 4 и 10 закрыты.

По команде «Пуск» (фиг. 3) схема управления 5 открывает ключ 4 и начинается разряд конденсатора 1 через дроссель 2, источник излучения накачки 3, ключ 4, датчик тока 6. Ток разряда нарастает со скоростью, определяемой емкостью накопительного конденсатора 1 и индуктивностью дросселя 2. Падение напряжения на датчике тока 6 пропорционально протекающему через него току. Как только ток достигнет верхней границы I_max заданного номинального интервала, падение напряжения на датчике 6 вызывает срабатывание схемы управления 5, которая формирует управляющий импульс, подаваемый на вход транзисторного ключа 4 и запирающий ключ. При закрытом (разомкнутом) ключе 4 напряжение между узлами А и Б (фиг. 1) меняется на противоположное, открывается демпфирующий диод 7, ток через источник излучения накачки поддерживается по индуктивному контуру дроссель 2 - источник накачки 3 -демпфирующий диод 7 за счет энергии, накопленной в дросселе. Этот ток убывает экспоненциально с постоянной времени τ_L=L/R_L, где R_L - суммарное сопротивление источника накачки и демпфирующего диода.

Фиг. 4 иллюстрирует процессы, происходящие во время индуктивного хода накачки.

t₁ - Ток течет по большому (емкостному) контуру. Дроссель 2 накапливает энергию тока. Напряжение в цепи АБ равно U₀. По команде схемы управления закрывается ключ 4. Питание источника излучения накачки 3 переключается на индуктивный контур.

t₂ - Завершается переходный процесс переключения контуров питания источника излучения накачки. При разрыве емкостного контура ЭДС самоиндукции дросселя 2 отпирает демпферный диод 7, и сопротивление R_АБ становится равным прямому сопротивлению R_Д открытого диодного ключа 7. Падение напряжения на нем составляет величину U_ДК.

t₃ - Схема управления 5 по входу б*) подает разрешение на отпирание транзисторного ключа 10. Сопротивление ключа 10 становится равным остаточному сопротивлению R_T открытого транзистора. Сопротивление R_АБ=l/(l/R_Д+1/R_Т), а падение напряжения на нем U=U_ТДК.

t₄ - Схема управления отменяет разрешение на отпирание ключа. Транзисторный ключ 10 закрывается.

t₅ - Диодный ключ 7 остается открытым на время, необходимое для корректного переключения контуров.

t₆ - Схема управления подает команду на отпирание ключа 4. Напряжение в точке А падает.Диодный ключ запирается обратным напряжением.

t₇ - Переходный процесс завершается, и ток накачки протекает по емкостному контуру за счет разряда накопительного конденсатора 1.

При закрытом (разомкнутом) ключе 4 ток через источник излучения накачки поддерживается по малому контуру дроссель 2 - источник накачки 3 - демпфирующий диод 7 за счет энергии, накопленной в дросселе. Этот ток убывает экспоненциально с постоянной времени τ_L=L/R_L, где R_L - суммарное сопротивление источника накачки и демпфирующего диода. Через время, минимально превышающее время включения ключа 4, и задаваемое схемой управления 5, управляющий импульс с выхода схемы управления поступает на вход ключа 8 и отпирает его. Благодаря этому снижается падение напряжения на демпфирующем диоде вследствие малого сопротивления шунтирующего его ключа 8, поскольку транзисторные ключи обладают значительно меньшим сопротивлением по сравнению с диодными. Например, МОП-транзистор с изолированным затвором IPD100N04S402ATMA1 имеет сопротивление открытого канала не более 2 мОм [8], благодаря чему остаточное напряжение на открытом ключе не превышает 0,2 В при токе 100 А. Небольшая задержка t₃ - t₁ (фиг. 4) на время включения ключа 8 нужна для предотвращения состояния неопределенности при одновременно открытых ключах 4 и 8, когда конденсатор 1 может разряжаться накоротко через открытые ключи и датчик тока 6, выводя схему из строя. Задержка t₆ - t₄ служит этой же цели.

При таком построении генератора тока в контуре постоянно поддерживается ток оптимальной интенсивности, а к величине индуктивности дросселя не предъявляются требования формирования длительности импульса тока накачки и времен его нарастания и спада, как в других аналогах [1]. В предлагаемой схеме дроссель служит лишь для поддержания скоростей нарастания и спада тока в источнике накачки при замыкании и размыкании ключа 4. Это позволяет значительно уменьшить индуктивность и, соответственно, массу и габариты дросселя и всего генератора тока в целом.

Пример.

Необходимая для накачки активного элемента энергия импульса тока через источник накачки Е=1 Дж. При емкости накопительного конденсатора С=100 мкФ необходимое напряжение U на нем определяется по известной формуле E=CU²/2 и составляет U=140В.

Если по режиму возбуждения лазерного активного элемента длительность импульса тока накачки должна быть 2 мс, что соответствует одному полупериоду Т₀/2

тока в LC-контуре Т₀/2=π $$\sqrt{LC}$$, то величина индуктивности при известном построении генератора тока [1] должна составлять L=Т₀²/4π²С=10 мГн.

Согласно предлагаемому решению, частота переключения транзисторного ключа должна быть как можно выше - при этом необходимая индуктивность дросселя уменьшается. Предельная частота переключений ограничена быстродействием существующих элементов. Исследованиями установлено, что оптимальная по коэффициенту полезного действия схемы частота должна быть около 100 кГц. При этом предполагается, что периоды нарастания и убывания тока через источник накачки составляют примерно 5 мкс. I_max ~ 50 A. I_min=0,9 I_max =45А. Таким образом, скорость нарастания - убывания тока через источник накачки равна (50 - 45)/5=1 А/мкс.

При таких условиях необходимая величина индуктивности L=145 мкГн. Эта величина почти на два порядка меньше, чем у аналога [1] и обеспечивает при этом заданную стабильность поддержания тока в источнике накачки при открытом и закрытом ключе 4.

В соответствии с предлагаемым изобретением был разработан макетный образец генератора импульсов тока, испытанный в составе лазерного дальномера. Транзисторный ключ построен на базе транзистора IPD100N04S402ATMA1 [8], а схема управления -на микросхеме МАХ 4420. По сравнению с аналогом [2] (транзистор IRG4PSC71UD и микросхема IR2125) указанные элементы и их схемная обвязка обеспечивают более компактное построение генератора тока, они обладают на порядок более высокой надежностью и значительно меньшей стоимостью.

Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает решение поставленной задачи, а именно, снижение энергопотребления и сокращение массогабаритных параметров генератора импульсов тока при более высоком коэффициенте полезного действия накачки.

Источники информации

1 Лазерный прибор разведки ЛПР-1. Техническое описание и инструкция по эксплуатации.

2 В.В. Тогатов, П.А. Гнатюк. Высокочастотный разрядный модуль для питания ламп накачки твердотельных лазеров. «Приборы и техника эксперимента». №5, 2003 г. -с. 89-95.

3 Генератор импульсов тока. Патент РФ на изобретение №2494532 по заявке №2012147412 от 08.11.2012 г. - прототип.

4 В.Г. Волков. Твердотельные лазеры с накачкой мощными лазерными диодами, используемые в системах обеспечения безопасности. «Системы управления, связи и безопасности». №2, 2014 г. - с. 142-181.

5 М.О. Искандаров и др. Твердотельные лазеры ближнего ИК-диапазона с диодной накачкой. «Научное приборостроение». Том 25, №4, 2015 г. - с. 67-70.

6 Ю.А. Браммер, И.И. Пащук Импульсные и цифровые устройства: Учеб. для студентов электрорадиоприборостроительвых сред. спец. учеб. заведений. 7-е изд., перераб. и доп.-М.: Высш. шк., 2003. - 351 с:

7 Карлащук В.И., Карлащук СВ. Электронная лаборатория на IBM PC. Инструментальные средства и моделирование элементов практических схем. Солон-Пресс, 2008 г. 726 с.

8 Характеристики транзистора IPD100N04S402ATMA1. https://www.infineon.coni/cms/en/

Изобретение относится к области техники формирования импульсов тока, в частности к устройствам питания источников накачки импульсных твердотельных лазеров с разрядом накопительного конденсатора. Технический результат заключается в снижении энергопотребления и сокращении массогабаритных параметров генератора импульсов тока при более высоком коэффициенте полезного действия накачки и более высокой надежности. Для этого генератор импульсного тока выполнен в виде замкнутого контура, состоящего из последовательно включенных накопительного конденсатора, дросселя, источника излучения накачки, транзисторного ключа со схемой управления и датчика тока, а также демпфирующего диода, включенного параллельно дросселю и источнику излучения накачки. Дроссель и источник излучения накачки с демпфирующим диодом включены между выводом транзисторного ключа и высоковольтным электродом накопительного конденсатора, другой выход транзисторного ключа соединен с контактом датчика тока, второй контакт которого соединен с вторым электродом накопительного конденсатора, а схема управления включает формирователь управляющего импульса и пороговое устройство, связанное по своему сигнальному входу с датчиком тока, а по выходу с формирователем управляющего импульса, подключенным ко входу транзисторного ключа. При этом в устройство введен второй транзисторный ключ, включенный параллельно демпфирующему диоду, в состав формирователя управляющего импульса введены первая и вторая схема задержки, связанные соответственно с первым и вторым транзисторным ключом, причем, задержка отпирания второго ключа соответствует времени отпирания демпфирующего диода при закрывании первого ключа, задержка запирания второго ключа соответствует времени снижения тока в индуктивном контуре до заданного нижнего уровня, а задержка отпирания первого ключа после выключения второго соответствует времени восстановления запертого состояния второго ключа. 4 ил., 1 табл.

Генератор импульсного тока, выполненный в виде замкнутого контура, состоящего из последовательно включенных накопительного конденсатора, дросселя, источника излучения накачки, транзисторного ключа со схемой управления и датчика тока, а также демпфирующего диода, включенного параллельно дросселю и источнику излучения накачки, дроссель и источник излучения накачки с демпфирующим диодом включены между выводом транзисторного ключа и высоковольтным электродом накопительного конденсатора, другой выход транзисторного ключа соединен с контактом датчика тока, второй контакт которого соединен с вторым электродом накопительного конденсатора, а схема управления включает формирователь управляющего импульса и пороговое устройство, связанное по своему сигнальному входу с датчиком тока, а по выходу с формирователем управляющего импульса, подключенным ко входу транзисторного ключа, отличающийся тем, что введен второй транзисторный ключ, включенный параллельно демпфирующему диоду, в состав формирователя управляющего импульса введены первая и вторая схема задержки, связанные соответственно с первым и вторым транзисторным ключом, причем, задержка отпирания второго ключа соответствует времени отпирания демпфирующего диода при закрывании первого ключа, задержка запирания второго ключа соответствует времени снижения тока в индуктивном контуре до заданного нижнего уровня, а задержка отпирания первого ключа после выключения второго соответствует времени восстановления запертого состояния второго ключа.