Генератор тока Российский патент 2025 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 тока, выполненном в виде замкнутого контура, состоящего из последовательно включенных накопительного конденсатора, транзисторного ключа со схемой управления, дросселя и источника излучения накачки (газонаполненной лампы), а также демпферного диода, включенного между низковольтным выводом источника накачки и высоковольтным выводом накопительного конденсатора [2]. Попеременное замыкание и размыкание ключа образует емкостный и индуктивный циклы - при замкнутом ключе происходит разряд накопительного конденсатора через дроссель, источник накачки, ключ и датчик тока, а при разомкнутом ключе за счет энергии, накопленной в дросселе, ток проходит по контуру дроссель, источник накачки, демпферный диод.

В указанном генераторе управляющий вход ключа со схемой управления находятся под высоким напряжением накопительного конденсатора. Это приводит к необходимости использования высоковольтных элементов, а следовательно, к снижению надежности, 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 источник накачки лазера, 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 демпферного диода, включенного параллельно дросселю и источнику излучения накачки, причем дроссель и источник излучения накачки с демпферным 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 со 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 использовании в качестве источника излучения накачки матрицы полупроводниковых лазеров существенно повышается коэффициент полезного действия системы, во-первых, вследствие более высокой эффективности полупроводниковых лазеров, а, во-вторых, благодаря лучшему согласованию полосы излучения полупроводникового лазера и полосы поглощения активного элемента. Кроме этого такое техническое решение характеризуется низким падением напряжения на источнике накачки, что упрощает схему питания и делает ее более надежной. Однако падение напряжения на демпферном диоде имеет тот же порядок, вследствие чего он вносит потери во время индуктивного цикла генератора тока, когда через демпферный диод протекает ток накачки.

Задачей изобретения является повышение коэффициента полезного действия генератора тока.

Эта задача решается за счет того, что в генераторе тока для питания источника накачки твердотельного лазера, состоящем из емкостного и индуктивного контуров, в котором емкостный контур содержит последовательно включенные накопительный конденсатор, дроссель, транзисторный ключ со схемой управления, содержащей схему синхронизации и пороговое устройство с источником опорного напряжения, а также датчик тока, подключенный к пороговому устройству, а индуктивный контур включает дроссель и демпферный диод, источник накачки выполнен в виде матрицы полупроводниковых лазеров с требуемой рабочей длиной волны, а дроссель снабжен вторичной обмоткой, к выводам которой подключен источник накачки, причем отношение K количества N₁ витков первичной и N₂ вторичной обмоток дросселя где U_ист - рабочее напряжение источника накачки, U_д - прямое падение напряжения на демпферном диоде, ξ_K=1-10 - заданный коэффициент эффективности, а индуктивность первичной обмотки дросселя где t_и - длительность импульса накачки; - приведенное к первичной обмотке сопротивление источника накачки; R₂ - сопротивление источника накачки; Δ - допустимый относительный спад вершины импульса накачки; 0,1<α<1 - коэффициент, определяемый конструкцией генератора тока.

Источник опорного напряжения может быть выполнен в виде генератора нарастающего напряжения с относительным нарастанием, компенсирующим спад Δ.

На фиг. 1 показана схема генератора тока. На фиг. 2 - эквивалентная схема индуктивного контура. На фиг. 3 - эпюра напряжений в процессе генерации тока. На фиг. 4 - схема управления с транзисторным ключом и датчиком тока.

Устройство фиг. 1 состоит из последовательно включенных накопительного конденсатора 1, дросселя 2, источника накачки 3, связанного с дросселем индуктивно, транзисторного ключа 4 со схемой управления 5 и датчика тока - сопротивления 6. Дроссель зашунтирован демпферным диодом 7, включенным между точками а) и б). Емкостный контур замкнут подключением на нулевую шину нижних выводов накопительного конденсатора и датчика тока. Заряд накопительного конденсатора осуществляется от внешнего источника 8. Индуктивный контур, включает дроссель 2, источник накачки 3 и демпферный диод 7. Схема управления 5 содержит пороговое устройство 9 с источником опорного напряжения 10 (схемой ВАРП). Пороговое устройство через схему синхронизации 11 связано с управляющим входом транзисторного ключа 4. Схема синхронизации подключена также к управляющему входу источника опорного напряжения 10.

Генератор импульсов тока работает следующим образом.

В исходном состоянии накопительный конденсатор 1 заряжен до номинального напряжения. Транзисторный ключ 4 и демпферный диод 7 закрыты. После открывания ключа 4 с помощью схемы управления 5 конденсатор 1 начинает разряжаться в емкостном разрядном контуре через дроссель 2, ключ 4 и датчик тока 6. Во вторичной обмотке дросселя 2 возникает ток взаимоиндукции, замыкающийся через источник накачки 3. Ток разряда накопительного конденсатора нарастает со скоростью, определяемой емкостью С накопительного конденсатора 1 и индуктивностью L 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 порогового устройства 9, которое через схему синхронизации 10 подает на вход транзисторного ключа 4 управляющий импульс, запирающий ключ. При закрытом ключе 4 ток течет через дроссель и связанный с ним источник накачки 3 за счет энергии, накопленной в дросселе, по индуктивному контуру дроссель 2 - индуктивно связанный с ним источник накачки 3 - открывшийся демпферный диод 7. Известно [4-6], что этот ток убывает экспоненциально с постоянной времени где L - индуктивность первичной обмотки дросселя; - приведенное к первичной обмотке дросселя сопротивление источника накачки R₂ (фиг. 2).

где K - отношение количества N₁ витков первичной и N₂ вторичной обмоток дросселя.

В течение управляющего импульса ток через источник накачки, поддерживаемый за счет энергии, накопленной в дросселе 2, снижается до нижней границы I_min заданного номинального интервала. При этом схема синхронизации 10 снова открывает ключ 4 и восстанавливает рабочий уровень источника опорного напряжения 11 (фиг. 4). После этого питание источника накачки осуществляется за счет энергии, содержащейся в накопительном конденсаторе, и ток через источник накачки растет, пока не достигнет верхней границы I_max. Описанный процесс повторяется до исчерпания заряда накопительного конденсатора. После этого импульс тока через источник накачки прекращается.

Введение в дроссель вторичной обмотки обусловлено необходимостью уменьшения влияния потерь энергии индуктивного разряда на прямом сопротивлении демпферного диода.

Известно [7], что рабочее напряжение U диодных лазерных источников [4] составляет всего около 2 В при рабочем токе I в пределах 100-300 А (таблица 1).

При этом рабочее напряжение источника излучения накачки становится соизмеримым с остаточным напряжением открытого демпферного диода, достигающим 1,5 В и выше для кремниевых диодов [8]. Это приводит к заметным энергетическим потерям во время индуктивного хода накачки.

Благодаря предлагаемому решению эквивалентное приведенное к первичной обмотке дросселя падение напряжения на источнике накачки U'=KU может существенно превышать напряжение U_пр на открытом демпферном диоде, благодаря чему снижаются относительные потери во время индуктивного хода.

Пример 1

При K=5 для источника LDB-808-170-QSW-012 (таблица 1) эквивалентное напряжение

При таком соотношении относительные потери мощности за счет падения напряжения на демпферном диоде составят (1,5/10,5)²=0,02 (2%), что представляется достаточным для решаемой задачи.

Трансформаторное подключение источника накачки накладывает ограничения на параметры дросселя.

Известно [4-6], что при таком включении имеют место искажения импульса на вторичной обмотке. Предлагаемое схемное решение не содержит элементов, оказывающих заметное влияние на фронты переходного процесса, однако спад вершины сформированного импульса тока зависит от длительности импульса тока t_и, индуктивности L первичной обмотки дросселя 2, величины сопротивления R₂ нагрузки (источника накачки 3) и коэффициента передачи , где N₁ и N₂ - число витков первичной и вторичной обмоток дросселя.

Характер искажений вершины определяется эквивалентной схемой фиг. 2, где u₁ - напряжение входного прямоугольного импульса; L - индуктивность первичной обмотки дросселя; R₂' - R₂/K² - приведенное к первичной обмотке сопротивление нагрузки; R₂ - сопротивление нагрузки (источника накачки); u₂ - напряжение на нагрузке.

Для такой структуры [4]

где

t - текущее время от начала импульса (фиг. 3);

τ=L/R₂' - постоянная времени.

Относительный спад вершины за время t_и=t₂-t₁ импульса

Откуда, с учетом технологической поправки 0,1<α<1, зависящей от соотношения параметров источника тока [4],

Пример 2

K=5; R₂=2,1/190~0,01 Ом (см. табл. 1); α=0,5; Δ=0,1; t_и=10^-4 c.

Схема ВАРП, связанная с пороговым устройством, позволяет компенсировать спад вершины импульса тока за счет создаваемого этим блоком предыскажения вершины противоположной полярности и, тем самым, снизить требования к величине индуктивности L.

На фиг. 4 показана структура схемы управления с ВАРП, которая может быть введена для снижения требований к величине индуктивности дросселя при большой длительности импульса тока. Она содержит пороговое устройство 9, связанное с датчиком тока 6 и со схемой синхронизации 11, управляющей схемой ВАРП 10 и ключом 4. При первом срабатывании порогового устройства при достижении напряжения u_max на датчике 6 схема синхронизации запускает схему ВАРП, формирующую нарастающее опорное напряжение для порогового устройства. Тем самым в форму импульса на первичной обмотке дросселя вносится предыскажение обратного знака с зависимостью (3), что приводит к спрямлению вершины импульса тока на выходе устройства (фиг. 3).

Пример 3

В условиях примера 2 благодаря компенсации ВАРП возможно увеличение относительного спада вершины, например, в пять раз до Δ=0,5. С учетом компенсации порога фактический спад вершины будет скомпенсирован до заданного уровня Δ*≤0,1. При этом индуктивность первичной обмотки дросселя может быть снижена до L*=L/5=25 мкГн.

При таком построении генератора тока в разрядном 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. Это позволяет значительно уменьшить индуктивность и, соответственно, массу и габариты дросселя и всего генератора тока в целом.

Пример 4

Необходимая для накачки активного элемента энергия импульса тока через источник накачки Е=5 Дж. При емкости накопительного конденсатора С=1000 мкФ необходимое напряжение U на нем определяется по известной формуле Е=CU²/2 и составляет U=100 В.

Если по режиму возбуждения лазерного активного элемента длительность импульса тока накачки должна быть 5 мс, что соответствует одному полупериоду Т₀/2 тока в LC-контуре , то величина индуктивности при известном построении генератора тока [1] должна составлять мГн, то есть на один-два порядка больше, чем требует предлагаемое решение (примеры 2, 3).

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. Экспериментально определено, 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~10 A. I_min=0,9I_max=9 А. Таким образом, скорость нарастания-убывания тока через источник накачки равна (10-9)/5=0,2 А/мкс.

Необходимая для поддержания оптимального режима величина индуктивности L не превышает 100-150 мкГн. Эта величина значительно меньше, чем у аналога [1] и обеспечивает при этом заданную стабильность поддержания тока в источнике накачки при открытом и закрытом ключе 4.

Привязка управляющих цепей транзисторного ключа и схемы управления к нулевому потенциалу корпуса позволяет, во-первых, упростить схемное построение ключа и схемы управления. Во-вторых, это дает возможность применить в них низковольтные относительно недорогие элементы, что повышает надежность и снижает себестоимость устройства. В-третьих, управление ключом с помощью низковольтной схемы исключает необходимость в процессе переключения перезаряжать схемные и паразитные емкости, на что в известном устройстве [2] приходится затрачивать дополнительную энергию.

Применение в качестве источника накачки матрицы полупроводниковых лазеров [7] дает еще ряд преимуществ. Этот источник обладает значительно более высоким коэффициентом полезного действия по сравнению с газоразрядной лампой, а согласование длины волны излучения в узкой спектральной полосе позволяет наилучшим образом согласовать излучение накачки с полосой поглощения активного элемента, что еще более способствует повышению эффективности. Относительно низкое падение напряжения на источнике накачки упрощает схемное решение источника тока и повышает его надежность.

Применение в качестве демпферного диода транзистора в диодном включении [9-10] вместо стандартных диодов [8] существенно сокращает потери в этом элементе схемы и способствует сокращению массы и габаритов устройства в целом.

Применение в источнике опорного напряжения схемы временной автоматической регулировки порога позволяет уменьшить искажения вершины формируемого импульса накачки и существенно уменьшить индуктивность первичной обмотки дросселя.

Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает решение поставленной задачи, а именно, повышение коэффициента полезного действия генератора тока.

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. С.С. Вдовин. Проектирование импульсных трансформаторов. Л.: Энергоатомиздат, 1991 - 208 с.

5. МИФИ. Кафедра электрофизических установок. Лабораторная работа №2. Исследование импульсных трансформаторов. Методические указания. 2016-2021.

6. Л.М. Капитонова. Исследование влияния параметров импульсного трансформатора на его переходную характеристику. Методические указания к лабораторной работе. КуАИ. Куйбышев 1988.

7. 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.

8. Диоды 2Д2997А, 2Д2997Б, 2Д2997В, КД529. Технические характеристики.

9. Полевые транзисторы с изолированным затвором и индуцированным каналом n-типа IRFB4110PbF. Технические характеристики.

10. Г.Г. Шишкин, А.Г. Шишкин. Электроника: учебник для вузов. - М., Дрофа, 2009 г. - 703 с.

Изобретение относится к электротехнике, к технике формирования импульсов тока, в частности к устройствам питания матриц лазерных диодов для накачки твердотельных лазеров. Технический результат изобретения состоит в повышении коэффициента полезного действия генератора тока. Технический результат достигается за счет того, что генератор тока состоит из емкостного и индуктивного контуров. Емкостный контур содержит последовательно включенные накопительный конденсатор, дроссель, транзисторный ключ со схемой управления, содержащей схему синхронизации и пороговое устройство с источником опорного напряжения, а также датчик тока, подключенный к пороговому устройству. Индуктивный контур включает дроссель, демпферный диод и источник накачки. Источник накачки включен параллельно дросселю и выполнен в виде матрицы полупроводниковых лазеров с требуемой рабочей длиной волны. Дроссель снабжен вторичной обмоткой, к выводам которой подключен источник накачки. Отношение K количества N₁ витков первичной и N₂ вторичной обмоток дросселя , где U_ист - рабочее напряжение источника накачки, U_д - прямое падение напряжения на демпферном диоде, ξ_K=1-10 - заданный коэффициент эффективности, а индуктивность первичной обмотки дросселя где t_и - длительность импульса накачки; - приведенное к первичной обмотке сопротивление источника накачки; R₂ - сопротивление источника накачки; Δ - допустимый относительный спад вершины импульса накачки; 0,1<α<1 - коэффициент, определяемый конструкцией генератора тока. Источник опорного напряжения может быть выполнен в виде генератора нарастающего напряжения с относительным нарастанием, компенсирующим спад Δ. 1 з.п. ф-лы, 1 табл., 4 ил.

1. Генератор тока для питания источника накачки твердотельного лазера, состоящий из емкостного и индуктивного контуров, в котором емкостный контур содержит последовательно включенные накопительный конденсатор, дроссель, транзисторный ключ со схемой управления, содержащей схему синхронизации и пороговое устройство с источником опорного напряжения, а также датчик тока, подключенный к пороговому устройству, а индуктивный контур включает дроссель и демпферный диод, отличающийся тем, что источник накачки выполнен в виде матрицы полупроводниковых лазеров с требуемой рабочей длиной волны, а дроссель снабжен вторичной обмоткой, к выводам которой подключен источник накачки, причем отношение K количества N₁ витков первичной и N₂ вторичной обмоток дросселя где U_ист - рабочее напряжение источника накачки, U_д - прямое падение напряжения на демпферном диоде, ξ_K=1-10 - заданный коэффициент эффективности, а индуктивность первичной обмотки дросселя где t_и - длительность импульса накачки; - приведенное к первичной обмотке сопротивление источника накачки; R₂ - сопротивление источника накачки; Δ - допустимый относительный спад вершины импульса накачки; 0,1<α<1 - коэффициент, определяемый конструкцией генератора тока.

2. Генератор тока по п. 1, отличающийся тем, что источник опорного напряжения выполнен в виде генератора нарастающего напряжения с относительным нарастанием, компенсирующим спад Δ.