Источник питания электроразрядных импульсных лазеров Советский патент 1986 года по МПК H03K3/53 H01S3/97 

3. Источник питания по п. 1, о т- личающийся тем, что,, с целью развязки слаботочных цепей схемы от общей ширины, делитель напряжения выполнен на оптоэлектронном элементе гальванической развязки, содержа1цем последовательно соединенные резистор и оптрон, например диодньсн, и согла1

Изобретение относится к импульсной технике, преимущественно к устройствам питания электроразрядных импульсных лазеров, и может найти применение в радиолокационной технике.

Известно устройство генерации импульсов стабильной ампгштуды, предназначенное для питания радиолокационных устройств, содерлссЦдее, элемен задержки (в простейшем случае нако пительньм конденсатор), которьш заряжается от однополупериодного выпрямителя и разряжается через запуска1ощий ключ, (например, тиратрон 1ши тиристор) „ Стаби-пьность амплитуды выходных импульсов в этом устройстве достигается за счет стабилизиации напряжения на элементе за,цержки. Схема стабилизащш представляет собой управляемый шунт, состояищй из последовательно соединенных балластного резистора и регулирующей вакуумной лампы. Шунт подключен параллельно к выходу выпрямителя. Управляющая сетка лампы подсоединена с одной стороны через резистор к источнику стабилизированного отрицательного напряжения, а с другой стороны через потенциометр обратной связи - к положительной клемме выпрямителя ij .

Устройство обеспечивает работу в imipoKOM диапазоне частот повторения выходных импульсов, в том числе и в режиме одиночных импульсов, однако стабилизация в этой схеме обеспечивается за счет рассеивания части . энергии на регулируемом пгунте,, что существенно ухудшает КПД источника питания. Это обстоятельство ограничивает возможности использования данного В1зда источншса питания для мощных электроразруодных лазеров.

сующий усилитель, причем катод входного светодиода соединен с общей щи- ной, анод - с резистором, а выход оптрона, например выходной фотодиод, - с входом согласующего усили- тшьЯ, выход которого соединен с не- инвертирующнм входом триггерного порогового элемента.

Наиболее близким к изобретению является источник питания лазеров разработки фирмы Тесла, который представляет собой источник питания элек- 5 троразрядных импульсных лазеров, содержащий основной источник постоянного напряжения, подсоединенный к нему параллельно буферный конденсатор, узел управляемого колебательноO го заряда, вход которого соединен с пололсительной клеммой основного источника постоянного напряжения, элемент задержки, например накопительный ковденсатор, соединенный одной

S обкладкой с общей шиной, а другой - с выходом узла управляемого колебательного заряда, делитель напряжения, вкхпочённый параллельно элементу задержки, выходной импульсный транс0 форматор, соединенный одним концом первичной обмотки с выходом узла управляемого колебательного заряда, а другим концом -,.с запускающим ключом, другой вывод которого соединен

5 с общей шиной, источник опорного напряжения, отрицательной клеммой со- единенньш с общей шиной, триггерный пороговьй элемент, например компара- j тор, неинвертирующий вход которого

0 соедгшен со средней точкой делителя напрялсения, инвертирующий вход - с- положительной клеммой источника опорного напряжения, а выход через формирователь импульсов - с управляю, щим входом узла управляемого колебательного заряда, заземляющая клемма которого соединена с общей шиной, и нагрузку, например лазер 2 ,

Упомянутьй узел управляемого коп лебательного заряда обеспечивает заряд элемента задержки (накопительного конденсатора) через последовательно соединенные дроссель и зарядный диод и регулирова}1ие напряжения заряда элемента задержки по принципу отвода лишней энергии из дросселя в промежуточный накопитель или в основной источник постоянного питания с ее последующим использованием. Момент начала отвода энергии определяется поступлением импульса на вход управления схемы.

Источник питания по прототипу обеспечивает стабилизированньй и уп- равляемьй заряд элемента задержки (накопительного конденсатора), притом регулирование напряжения на элемент задержки, а следовательно, и регулирование амплитуды выходных импульсов осуществляются регулированием напряжения на входе источника опорного напряжения, что удобно с точки зрения управления источником питания от ЭВМ. Возможность регулировки и стабилизации напряжения на элементе задержки достигается в данном устройстве за счет отвода лишней энергии, запасенной в первичной обмотке дроссель-трансформатора при колебательном заряде, обратно в бу- ферньш конденсатор путем включения регулирующего ключа в нужный момент времени, определяемьй триггерной схемой (компаратором), и подсоединением тем самым вторичной обмотки дроссель трансформатора параллельно к буферному конденсатору. По сравнению с другими известными устройствами эта схема обеспечивает регулирование напряжения при низких потерях и как результат - высокий КПД источника питания.

Однако в данном устройстве при низких частотах повторения выходных импульсов наблюдается заметная зависимость напряжения на элементе задержки от частоты, так как при значительных паузах между импульсами элемент задержки успевает разрядиться за счет токов утечки в схемных элементах. Это затрудняет использование источника питания при низких частотах следования или при одиночных выходных импульсах.

Цель изобретения - повьшение КПД источника питания, а также обеспечение работы в режиме одиночньк импульсов и упрощение регулировки амплитуды выходных импульсов с помощью ЭВМ

и, кроме того, развязка слаботочных цепей схемы от общей шиш,.

Поставленная цель достигается тем, что в источник питания электроразрядных импульсных лазеров, содержащий основной источник постоянного напряжения, подсоединенный к нему параллельно буферный конденсатор, узел управляемого колебательного заряда,вход которого соединен с положительной клеммой основного источника постоянного напряжения, элемент задержки, например накопительный конденсатор, соединенный одной обкладкой с общей шиной, а другой - с выходом узла управляемого колебательного заряда, делитель напряжения, включенньш параллельно элементу задержки, выходной .- импульсный трансформатор, соединенньй одним концом первичнбй обмотки с выходом узла управляемого колебательного заряда, а другим концом - с запускающим ключом, другой вывод которого соединен с общей шиной, источник опорного напряжения, отрицательной клеммой соединенный с общей шиной, триггерный пороговьй элемент, например компаратор, неинвертирующий вход которого соединен со средней точкой делителя напряжения, инвертирующий вход - с положительной клеммой источника опорного напряжения, а выход через формирователь импульсов - с управляющим входом узла управляемого колебательного заряда, заземляющая клемма которого соединена с общей шиной, и нагрузку, например лазер, дополнительно введены источник компенсационного напряжения, управляющий ключ и токоограничитель, например резистор, соединенные между собой последовательно и подключенные параллельно элементу задержки, причем вход управления управляющего ключа соединен с выходом триггерного порогового элемента.

Управляющий ключ выполнен на си- мисторе и содержит цепь гальваничес50 кой развязки, а источник компенсационного напряжения содержит трансформатор с выпрямителем, при этом вход трансформатора соединен через симистор с сетью переменного напря55 жения, а выход подключен через токо- ограничительный элемент параллельно элементу задержки, вход управления симистором через цепь гальванической

развязки соединен с выходом триггер- ного порогового элемента.

Делитель напряхсения выполнен на оптоэлектронном элементе гальванической развязки, содержащем последовательно соединенные резистор и опт- рон, например диодный, и согласующий усилитель, причем катод входного светодиода соединен с общей шиной, анод - с резистором, а выход оптро- на, например выходной фртЪдиод, - с входом согласующего усилителя, выход которого соединен с неинвертирующим входом триггерного порогового элемента.

На фиг. I изображена блок-схема источника питания электроразрядных импульсных лазеров; на фиг. 2 - принципиальная схема источника питания; на фиг. 3 - схема компенсации, вариант выполз ения; на фиг. 4 - схема оп тоэлектронной гальванической развязки; на фиг. 5 - временные диаграммы работы устройства.

Источншс питания лазера (фиг. 1) содержит основной источник I постоянного напряжения с подключенным к нему параллельно буферным конденсатором 2, узел 3 управляемого колебательного заряда, подсоединенньй со стороны входа к пололштельной клемме основного источника постоянного напр ялсения, а со стороны выхода - к элементу 4 задержки (накопительному конденсатору), при этом второй конец элемента задержки соединен с об- щей шиной, делитель 5 напряжения, одним концом соединенньи с выходом узла 3 управляемого колебательного заряда, а другим концом с общей шиной, выходной импульсньпЧ трансформатор 6) соединенньи с выходом узла 3 управляемого колебательного заряда, запускающий ключ 7, соединенньи с выходным импульсным трансформатором 6 и общей шиной, ИСТОЧН1Ш 8 йпорного напрялсения, отрицательная клемма которого соединена с общей щи- ной, пороговьш элемент (компаратор) 9 неинвертирующий вход которого соединен со средней точкой делителя 5 напряжения, инвертирующий вход - с положительной клеммой источника 8 опорного напряжения, формирователь 10 импульсов, вход которого соединен с выходом порогового элемента 9, а выход с управляющим входом узла 3 управляемого колебательного заряда, управ

5

0

5

0

5

0

ЛЯ10ЩИЙ ключ 1 1 , вход управления которого соединен с выходом порогового элемента 9, токоограничитёль 12 (например, резистор), соединеиньш с одной стороны с управляющим ключом 11, а с другой стороны - с выходом узла 3 управляемого колебательного за- ряда, источник 13 компенсационного напряжения, отрицательной клеммой соединенный с общей шиной, а положительной клеммой - с управляющим ключом П, и нагрузку 14 (например, лазер) , соединенную с вторичной обмоткой выходного импульсного трансформатора 6.

На фиг. 2 показан пример конкретного выполнения схемы источника питания для лазера. В этой схеме обведенный пунктирным контуром узел 3 управляемого колебательного заряда включает в себя дроссель-трансформатор 15 с двумя встречно включенными обмотками, причем начало первичной и конец вторичной обмоток соединены в общую точку и образуют вход узла 3 управляемого колебательного заряда, зарядньй диод 16, анод которого соединен с концом первичной обмотки дроссель-трансформатора 15, регулирующий ключ 17, выполненный на тиристоре, соединенном со стороны катода с началом вторичной обмотки дроссель-, трансформатора 15, со стороны анода - с общей шиной, а со стороны управляющего входа - с формирователем 10 импульсов. Делитель 5 напряжения выполнен на резисторах 18 и 19. Элемент 4 задержки вьшолнен в виде накопительного конденсатора, запускающий ключ 7 выполнен на тиристоре, токоограничи- тель 12 - на резисторе.

45

50

Управляющий ключ 1 может быть выполнен на cи fficтope, как показано на фиг. 3. При этом в состав схемы дополнительно введены трансформатор с вьшрямителем 20 и схема 21 гальванической развязки, вход трансформатора с выпрямителем 20 через симистор 22 соединен с сетью переменного напряжения, выход через токоограничитёль 12 - параллельно накопительному конденсатору 4, а вход управления си- мистора 22 через схему 21 гальвани- 55 ческой развязки - с выходом компаратора. 9. Эта схема обеспечивает компенсацию токов утечки от сети переменного напряжения.

Для уменьшения.габаритов и веса устройства основной источник носто- янного питания выполнен по бестрансформаторной схеме с непосредственным выпрямлением напряжения сети переменного тока (трехфазная мостовая схема Ларлонова). Однако при этом общая шина оказывается под потенциалом относительно нулевого привода сети. С целью развязки слаботочных цепей (компаратор, формирователь импульсов источник опорного напряжения) от общей шины делитель 5 напряжения заменен оптоэлектронной схемой гальванической развязки (фиг. 4), которая включает резистор 23, оптрон 24 (например, диодный), согласующий усилитель 25, где катод входного свето- диода соединен с общей шиной, анод через резистор 23 - с выходом узла 3 управляемого колебательного заряда, а выход оптрона (например, выходной фотодиод) - с входом согласующего усилителя 25, выход которого соедине с неинвертирующим входом компаратора 9.

Источник питания работает следующим образом.

Заряд накопительного конденсатора 4 осуществляется через первичную обмотку дроссель-трансформатора 15 и зарядный диод 16. Напряжение U, (фиг. 5) на накопительном конденсаторе 4 начинает увеличиваться по кривой 26. Напряжение на неинвертирующем входе компаратора повторяет по форме эту кривую. В момент времени, когда напряжение U. достигнет значения, равного напряжению Е, на клеммах основного источника 1 постоянного напряжения, ток I в первичной обмотке дроссель-трансформатора 15 имеет свое максимальное значение (кривая 27). Дальнейший рост U, продолжается за счет энергии в первич- ной обмотке дроссель-трансформатора 15 и теоретически может достичь значения 2Ед (кривая 28). Однако, когда напряжение Uj.. достигнет значения

и к,

где Ugj, - напряжение на клеммах источника опорного напряжения;

Кд - коэффициент передачи делителя 5 напряжения, напряжения на входах компаратора выравниваются, и выходное напряже1ше компаратора U переходит с низкого уровня на высокий (кривая 29), а с положительного фронта U,, на выходе

формирователя 10 формируется импульс запуска Up (кривая 30) регулирующего ключа 17, который открывается и подключает вторичную обмотку дроссель- трансформатора 15 параллельно буферному конденсатору 2. Направление включения обмоток и коэффициент передачи дроссель-траЯсформатора подобраны таким образом, чтобы ток, протекающий во вторичной обмотке после включения регулирующего ключа 17, обеспечил отвод энергии в буферньй конденсатор 2. При этом ток в первичной обмотке стремится к нулю, и зарядный диод 16 закрьтается, препятствуя разряду накопительного конденсатора 4. Однако j(. не остается постоянным. Из-за токов утечки схемных элементов и, преимущественно, тока через делитель 5 напряжения накопительный конденсатор 4 начинает разряжаться, и напряжение U. стремится к значению Е (кривая 31). Это приводит к неравенству

30

°с г;

и выходное напряжение U компаратора 9 переходит с высокого уровня на низкий. Управляющий ключ 11 управля- ется с выхода компаратора 9 таким образом, что низкий уровень на выходе компаратора соответствует включенному состоянию ключа, а высокий уровень - выключенному состоянию.Это значит, что после перехода выхода - компаратора 9 на низкий уровень через токоограничитель 12 потечет ток. Уровень и полярность источника 13 компенсирующего напряжения выбирают

ся таким образом, чтобы ток через токоограничитель 12 бьш больше суммарного тока, вызьшающего разряд накопительного конденсатора 4, и противодействовал этому разряду. Данное условие должно выполняться во всем

диапазоне изменения U, т.е. при Ьд Uj,- 2Ед, откуда следует, что напряжение источника 13 компенсационного напряжения должно быть больше 2Ео, 55 При указанных условиях и при закрытом управляющем ключе 11 напряжение U(, начинает снова увеличиваться (кривая 32) до выполнения условия

что приводит к новому пе- с низкого уровня на высокий и -к выключению управляющего ключа 11. Теперь напряжение U вновь понижается.

Таким образом, напряжение U колеблется около значения - . Ам-плиЧ

туда колебаний, определяемая в основном гистерезисом компаратора, невелика и вполне приемлема в данной области применения устройства.

Описанный процесс автоматической компенсации токов утечки продолжается до очередного включения запускающего ключа 7, при котором осуществляется разряд ншсопительного конденсаустройство позволяет работать в щироком диапазоне частот повторения выходных импульсов, в том числе низких и инфранизких, а также в режиме одиночных импульсов без каких-либо

тора через первичную обмотку вьптодно- 20 дополнительных операций (дополнитель- го импульсного трансформатора 6 (кри- аряд, переключение и т.д.); вая 33) и генерация импульса на нагрузке 14 (лазер). Очевидно, что компенсация обеспечивается сколь угодно долго, а это значит, что исключе25

.- высокая стабильность амплитуды выходных импульсов, что для данного объецста особенно валдао, так как величина выходной энергии лазера пропорциональна квадрату амплитуды выходных импульсов источника питания, тогда как у базового объекта стабилизация отсутствует;

на зависимость U от частоты повторения выходных импульсов источника питания на низких частотах и в режиме одиночных импульсов.

При регулировке напряжения U, одновременно меняется и напрялсение

U- в пределах Е„с

УС - 2Е„ ,

пропорционально чему меняется также и амплитуда выходных импульсов, однако., как видно из графиков, при любых значениях Uj, обеспечивается точная ком- енсация токов утечки.

Во время заряда накопительного конденсатора 4 (кривая 2G) выходное напряжение компаратора U имеет низкий уровень. Это значит, что через токоограничитель 12 течет ток. Однако значение этого тока мало и не влияет на процесс колебательного-заряда .

Формирователь 10 формирует импульсы запуска регулирующего ключа 17 при каждом положительном фронте U(, однако с точки зрения регулирования имеет значение лишь первый импульс, следующий непосредственно после процесса колебательного заряда, так как к появлению следующих импульсов ток

7358 °

в первичной обмотке дроссель-трансформатора 15 уж е имеет нулевое значение (кривая 27), т.е. следующие импульсы не влияют на работу устройства.

Последние два обстоятельства дают возможность осуществлять компенсацию токов утечки накопительного ко1оден- сатора при помощи описанной схемы компенсации.

Благодаря новой совокупности признаков данное изобретение по сравне- 1шю с прототипом 2 обладает следующими преиму1цествами:

устройство позволяет работать в щироком диапазоне частот повторения выходных импульсов, в том числе низких и инфранизких, а также в режиме одиночных импульсов без каких-либо

5

10

15

20 дополнительных операций (дополнитель- аряд, переключение и т.д.); 0 дополнительных операций (дополнитель- аряд, переключение и т.д.);

5

0

.- высокая стабильность амплитуды выходных импульсов, что для данного объецста особенно валдао, так как величина выходной энергии лазера пропорциональна квадрату амплитуды выходных импульсов источника питания, тогда как у базового объекта стабилизация отсутствует;

простота регулирования амплитуды выходных импульсов источника питания простым изменением величины опорного напряжения , тогда как у базового объекта зто регулирование осу5 ществляется путем вращения ручки автотрансформатора; в конечном счете, это позволяет ввести управление источником от ЭВМ;

повышенная надежность и безопас0 ность эксплуатации благодаря тому что под высоким напряжением в данной схеме находится только вторичная обмотка выходного импульсного трансформатора;

5

безопасность эксплуатации обеспечивается тшсже тем, что быстрый разряд накопительного конденсатора лазера обеспечивается при выключении источншса питания;

уменьшены габариты благодаря использованию только одного (выходного импульсного) трансформатора.

50

фив9.

-h

CSJ Ок

22

.3

Z5

(D

72

2О

tfTUffA

28

L.

27 /

cpus.5

Составитель С. Маценко Редактор М. Петрова Техред А.Кравчук Корректор М. Шароши

Заказ 6758/55 Тираж 816Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4