Источник питания электроразрядных импульсных лазеров

 

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

H ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3633251/24-21 (22) 12.08.83 (46) 15.12.86. Бюл. У 46 (71) Специальное конструкторское бюро АН ЭССР (72) IO,Б. Райк, Т.И. Клементи, Э.Х. Родес и У. ° IO. Усай (53) 621.343(088.8) (56) 1. Патент Великобритании

Р 1107127, кл. Н 03 К 1/02, опублик.

1968.

2. Hlubucek V. Low-loss Control

Ч

and Stabilization of High Voltage

Pulse Power Sources for Magnetrons and

Lasers. — Tesla Electronics, 1979, Р 1, р. 13-21. (54)(57) 1. 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, включенный параллельно элементу задержки, выходной импульсный трансформатор, соединенный одним концом первичной 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 пороговый элемент, „„SU„„127? 58 А1 (51) 1 Н ж К 3/53 Н 01 S 3/097 например компаратор, неинвертирующий вход которого соединен со средней точкой делителя напряжения, ин= вертирующий 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, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД источника питания, а также обеспечения работы в режиме одиночных импульсов и упрощения регулировки амплитуды выходных импульсов с помощью ЭВМ, в него 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.

2. Источник питания по п. 1, о т— л и ч а ю шийся тем, что управляющий ключ выполнен на симисторе и содержит цепь гальванической развязки, а источник компенсационного напряжения содержит трансформатор с выпрямителем, при этом вход трансформатора соединен через симистор с сетью переменного напряжения, а выход подключен через токоограничительный элемент параллельно элементу задержки, вход управления симистором через цепь гальванической развязки соединен с выходом триггерного порогового элемента.

1277358

3. Источник питания по и. 1, о тл и ч а ю шийся тем, что., с целью развязки слаботочных цепей схемы от общей ширины, делитель напряжения выполнен на оптоэлектронном элементе гальванической развязки, содержащем последовательно соединенные резистор и оптрон, например диодньй, и соглаИзобретение относится к импульсной технике, преимущественно к устройствам питания электроразрядных импульсных лазеров, и может найти применение в радиолокационной технике.

Известно устройство генерации импульсов стабильной амплитуды, предназначенное для питания радиолокационных устройств, содержащее элемент задержки (в простейшем случае — нако- 10 пительный конденсатор), который заряжается от однополупериодного выпрямителя и разряжается через запускающий ключ (например, тиратрон или тиристор). Стабильность амплитуды выход- 15 ных импульсов в этом устройстве достигается за счет стабилизиации напряжения на элементе задержки. Схема стабипизации представляет собой управляемый шунт, состоящий из последо- 20 вательно 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 погенциометр обратной связи — к положительной клемме выпрямителя (1 . ЗО

Устройство обеспечивает работу в широком 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 шунте,, что существенно ухудшает 1(ПД источника питания. Это обстоятельство ограниI чивает возможности использования дан- 10 ного вида источника питания для мощных электроразрядных лазеров. сующий усилитель, причем катод входного светодиода соединен с общей шиной, анод — с резистором, а выход оптрона, например выходной фотоди— од, — с входом согласующего усилите,я„ выход которого соединен с неинвертирующим входом триггерного порогового элемента.

Наиболее близким к изобретению является источник питания лазеров разработки фирмы "Тесла, который представляет собой источник питания электроразрядных импульсных лазеров, содержащий основной источник постоянного напряжения, подсоединенный к нему параллельно буферный конденсатор, узел управляемого колебательного заря,ца, 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, включенный параллельно элементу задержки, выходной импульсный трансформатор, соединенный одним концом первичной обмотки с выходом узла управляемого колебательного заряда,l а другим концом — с запускающим ключом, другой вывод которого соединен с общей шиной, источник опорного напряжения, отрицательной клеммой соединенный с общей шиной, триггерный пороговый 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 управляющюс входом узла управляемого колебательного заряда, заземляющая клемма которого соединена с общей шиной, и нагрузку, например лазер f2) .

Упомянутый узел управляемого колебательного заряда обеспечивает за— ряд элемента задержки (накопительного конденсатора) через последоваI 277358 тельно соединенные дроссель и зарядный диод и регулирование 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 стабилизированный и управляемый 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 буферный конденсатор путем включения регулирующего ключа в нужный момент времени, определяемый триггерной схемой (компаратором), и подсоединением тем самым вторичной обмотки дроссельтрансформатора 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 использова— ние источника питания при низких частотах следования или при одиночных выходных импульсах.

Цель изобретения — повышение КПД источника питания, а также обеспечение работы в режиме одиночных импульсов и упрощение регулировки амплитуды выходных импульсов с помощью ЭВМ и, кроме того, развязка слаботочных цепей схемы от общей шины.

Поставленная цель достигается тем, что в источник питания электроразрядных импульсных лазеров, содержащий

1 основной источник постоянного напряжения, подсоединенный к нему параллельно буферный конденсатор, узел управляемого колебательного заряда, вход которого соединен с положительной клеммой основного источника постоян5

I0 ного напряжения, элемент задержки, например накопительный конденсатор, соединенный одной обкладкой с общей шиной, а другой — с выходом узла управляемого колебательного заряда, делитель напряжения, включенный парал!

5 лельно элементу задержки, выходной

Управляющий ключ выполнен на симисторе и содержит цепь гальванической развязки, а источник компенсационного напряжения содержит трансформатор с выпрямителем, при этом вход трансформатора соединен через симистор с сетью переменного напряжения, а выход подключен через токоограничительный элемент параллельно элементу задержки, вход управления симистором через цепь гальванической

55 импульсный трансформатор, соединенный одним концом первичнбй обмотки с выходом узла управляемого колебательного заряда, а другим концом — с запускающим ключом, другой вывод которого соединен с общей шиной, источник

25 опорного напряжения, отрицательной клеммой соединенный с общей шиной, триггерный пороговый элемент, например компаратор, неинвертирующий вход которого соединен со средней точкой

З0 делителя напряжения, инвертирующий вход — с положительной клеммой источника опорного напряжения, а выход через формирователь импульсов — с управляющим входом узла управляемого

35 колебательного заряда, заземляющая клемма которого соединена с общей шиной, и нагрузку, например лазер, дополнительно введены источник компенсационного напряжения, управляю40 щий ключ и токоограничитель, например резистор, соединенные между собой последовательно и подключенные параллельно элементу задержки, причем вход управления управляющего клю45 ча соединен с выходом триггерного порогового элемента.

1277358 развязки соединен с выходом триггерного порогового элемента.

Делитель напряжения выполнен на оптоэлектронном элементе гальванической развязки, содержащем последовательно соединенные резистор и оптрон, например диодный, и согласующий усилитель, причем катод входного светодиода соединен с общей шиной, анод — с резистором, а выход оптрона, например выходной фотодиод, — с входом согласующего усилителя, выход которого соединен с неинвертирующим входом триггерного порогового элемента.

На фиг. 1 изображена блок-схема источника питания электроразрядных импульсных лазеров; на фиг. 2 — принципиальная схема источника питания; на фиг. 3 — схема компенсации, вариант выполнения; на фиг. 4 — схема оптоэлектронной гальванической развязки; на. фиг. 5 — временные диаграммы работы устройства.

Источник питания лазера (фиг. 1) содержит основной источник 1 постоянного напряжения с подключенным к нему параллельно буферным конденсатором 2, узел 3 управляемого колебательного заряда, подсоединенный со стороны входа к положительной клемме основного источника постоянного напряжения, 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 соедиггенньи с выходом узла 3 управляемого колебательного заряда, а другим концом — с общей шиной, выходной импульсный трансформатор 6, соединенный с выходом узла 3 управляемого колебательного заряда, запускающий ключ 7, соединенный с выходным импульсным трансформатором 6 и общей шиной, источник 8

Опорного напряжения, отрицательная клемма которого соединена с общей шиной, пороговйй 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, управУправляющий ключ 1! может быть выполнен на симисторе, как показано на фиг. 3. При этом в состав схемы дополнительно введены трансформатор с выпрямителем 20 и схема 21 гальванической развязки, вход трансформатора с выпрямителем 20 через симистор 22

50 соецинен с сетью переменного напряжения, выход через токоограничитель 12 — параллельно накопительному конденсатору 4, а вход управления симистора 22 через схему 21 гальвани55ческой развязки — с выходом компаратора..9. Эта схема обеспечивает компенсацию токов утечки от сети переменного напряжения.

5 !

О

40 ляющий ключ 11, вход управления которого соединен с выходом порогового элемента 9, токоограничитель 12 (например, резистор), соединенный с одной стороны с управляющим ключом ll а с,цругой стороны — с выходом узла 3 управляемого колебательного заряда, источник 13 компенсационного напряжения, отрицательной клеммой соединенный с общей шиной, а положительной клеммой — с управляющим ключом 11, 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, зарядный диод 1 6, анод которого соединен с концом первичной обмотки дроссель-трансформатора 15, регулирующий ключ 17, выполненный на тиристоре, соединенном rо 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 выполнен в виде накопительного конденсатора, запускающий ключ 7 выполнен на тиристоре, токоограничитель 12 — на резисторе.

1277358

Для уменьшения, габаритов и веса устройства основной источник постоянного питания выполнен по бестрансформаторной схеме с непосредственным выпрямлением напряжения сети переменного тока (трехфазная мостовая схема Ларионова). 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 заме— нен 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 соединен 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 конденса— торе 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 Б продолжается за счет энергии в первич-, ной обмотке дроссель-трансформатора 15 и теоретически может достичь значения 2ЕО (кривая 28). Однако, когда напряжение Ь достигнет значения

Uîï

U с у, где U — напряжение на клеммах исоа точпика опорного напряжения;

K — коэффициент передачи делиД теля 5 напряжения, напряжения на входах компаратора вы— равниваются, и выходное напряжение компаратора П переходит с низкого уровня на высокий (кривая 29), а с положительного фронта U на выходе= формирователя 10 формируется импульс запуска П (кривая 30) регулирующего ключа 17, который открывается и подключает вторичную обмотку дроссельтрансформатора 15 параллельно буферному конденсатору 2. Направление включения обмоток и коэффициент передачи дроссель-трансформатора подобраны таким образом, чтобы ток, протекающий во вторичной обмотке после включения регулирующего ключа 17, обеспечил отвод энергии в буферный конденсатор 2. При этом ток в первичной обмотке стремится к нулю, и зарядный диод 16 закрывается, препятствуя разряду накопительного конденсатора 4. Однако Ьс 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

11оп ( кд и выходное напряжение U компаратора 9 переходит с высокого уровня на низкий. Управляющий ключ ll управляется 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 выбираются таким образом, чтобы ток через токоограничитель 12 был больше суммарного тока, вызывающего разряд накопительного конденсатора 4, и противодействовал этому разряду. Данное условие должно выполняться во всем диапазоне изменения U, т.е. при

l. « U .2Е, откуда следует, что напряжение источника 13 компенсационного напряжения должно быть больше 2Е„.

При указанных условиях и при закрытом управляющем ключе 11 напряжение U начинает снова увеличиваться с (кривая 32) до выполнения условия

)277358

1О

Поп

U ) —, что приводит к новому пес К реходу U с низкого уровня на высокий и к выключению управляющего ключа 11. Теперь напряжение U вновь пос нижается.

Таким образом, напряжение П ко— леблется около значения — . Ампли 4ч

К туда колебаний, определяемая в основном гистереэисом 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 накопительного конденсатора через первичную обмотку выходного импульсного трансформатора 6 (кривая 33) и генерация импульса на нагрузке 14 (лазер). Очевидно, что компенсация обеспечивается сколь угодно долго, а это значит, что исключена зависимость U от частоты повторения выходных импульсов источника питания на низких частотах и в режиме одиночных импульсов.

При регулировке напрккения U„

Оfl одновременно меняется и напряжение

U в пределах Е U а 2Е, пропорционально чему меняется также и амплитуда выходных импульсов, однако., как видно из графиков, при любых значениях Б обеспечивается точная комс ,пенсация токов утечки.

Во время заряда накопительного конденсатора 4 (кривая 26) выходное напряжение компаратора U имеет низкий уровень. Это значит, что через . токоограничитель 12 течет ток. Од— нако 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

40 ность эксплуатации благодаря тому; что под высоким напряжением в данной схеме находится только вторичная обмотка выходного импульсного трансформатора; безопасность эксплуатации обеспечивается также тем, что быстрый разряд накопительного конденсатора лазера обеспечивается при выключении источника питания; уменьшены габариты благодаря использованию только одного (выходного импульсного) трансформатора.

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

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

Благодаря новой совокупности признаков данное изобретение по сравнению с прототипом (2) обладает следующими преимуществами: устройство позволяет работать в широком диапазоне частот повторения выходных импульсов, в том числе низких и инфранизких, а также в режиме одиночных импульсов без каких-либо дополнительных операций (дополнительный заряд, переключение и т.д.); г высокая стабильность амплитуды выходных импульсов, что для данного ,объекта особенно важно, 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 опорногс напряжения Upg, тогда как у базовсго объекта это регулирование осуществляется путем вращения ручки автотрансформатора; в конечном счете. это позволяет ввести управление источником от ЭВМ; повышенная надежность и безопас1?77358

1277358

>77358

Составитель С. Маценко

Редактор M. Петрова Техред А.Кравчук Корректор М. Шароши

Заказ 6758/55 Тираж 816 Подписное

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