Способ регулирования напряжения на емкостном накопителе генератора наносекундных импульсов

 

Изобретение относится к импульсной технике для возбуждения лазеров на самоограниченных переходах атомов металлов. Технический результат заключается в повышении быстродействия регулирования уровня напряжения на емкостном накопителе (ЕН). Достигается тем, что в способе регулирования напряжения на ЕН генератора наносекундных импульсов, заключающемся в том, что ЕН моноимпульсно заряжают от источника питания (ИП) через квазирезонансный колебательный контур (ККК) и разряжают его при напряжении, равном Uн, где Uн - напряжение на нагрузке, ЕН заряжают от ИП до величины напряжения, равного Uн, в течение протекания только части полуволны зарядного тока (ЗТ), длительность которой регулируется за счет изменения длительности открытого колебательного процесса ККК, а момент разряда ЕН определяют временем перехода через нулевое значение этой же полуволны ЗТ, длительность которой равна полупериоду собственной частоты зарядного контура. 2 ил.

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в мощных высоковольтных генераторах наносекундных импульсов для возбуждения лазеров на самоограниченных переходах атомов металлов.

Известен способ регулирования напряжения на накопительном конденсаторе, заключающийся в том, что емкостной накопитель заряжают от источника питания через однотактный транзисторный преобразователь серией импульсов до тех пор, пока напряжение на накопительном конденсаторе не достигнет номинального значения [Описание изобретения к авторскому свидетельству №1714792 А1, Кл. Н 03 К 3/53, опубл. 23.02.92. Бюл. №7].

Недостатком известного способа является низкое быстродействие.

Известен способ регулирования напряжения на конденсаторе, заключающийся в том, что конденсатор заряжают от источника питания через дозирующий дроссель и однотактный транзисторный преобразователь с помощью серии зарядных импульсов, частота следования которых изменяется в процессе зарядки от максимального значения до минимального [Описание изобретения к патенту Российской Федерации №2018203 С1, Кл. Н 03 К 3/53, опубл. 15.08.94. Бюл. №15].

Недостатком известного способа является низкое быстродействие.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ регулирования напряжения на накопительном конденсаторе. Сущность известного способа регулирования напряжения заключается в том, что емкостной накопитель заряжают от источника питания постоянного тока за полуволну зарядного тока до максимального амплитудного значения. В течение второй полуволны тока накопитель разряжают до заданного уровня напряжения, а затем, подавая управляющий импульс на коммутатор, разряжают накопитель на нагрузку (лазер) [Описание изобретения к патенту №1812615 А1, Кл. Н 03 К 3/53, опубл. 30.04.93. Бюл. №16].

Недостатком известного способа являются его низкое быстродействие, а также ограниченный диапазон регулирования, т.к. возможны режимы работы, когда уровень напряжения накачки составляет половину выходного напряжения инвертора, кроме того, из-за необходимости перемагничивания сердечника трансформатора ограничивается максимальная частота генерации импульсов возбуждения газоразрядной лазерной трубки.

Задачей изобретения является повышение быстродействия регулирования уровня напряжения накачки газоразрядной лазерной трубки.

Задача решается тем, что емкостной накопитель моноимпульсно заряжают от источника питания через квазирезонансный колебательный контур и разряжают его при требуемом уровне напряжения возбуждающих импульсов. Причем емкостной накопитель заряжают в течение протекания не всей полуволны зарядного тока, а только ее части, длительность которой регулируется за счет изменения длительности открытого колебательного процесса квазирезонансного колебательного контура. При этом момент разряда емкостного накопителя определяют временем перехода через нулевое значение этой же полуволны зарядного тока, длительность которой равна полупериоду собственной частоты зарядного контура.

Таким образом, регулирование уровня напряжения на нагрузке и срабатывание коммутатора осуществляется в течение только одной полуволны прямого зарядного тока, что и позволяет повысить быстродействие регулирования уровня напряжения накачки лазера.

На фиг.1 изображена схема устройства, позволяющего осуществить предлагаемый способ; на фиг.2 - временные диаграммы, поясняющие реализацию способа.

Устройство содержит низковольтный источник 1 питания постоянного напряжения, к выходу источника 1 питания подсоединен квазирезонансный транзисторный однотактный преобразователь 2, выход которого через дроссель 3 подключен к высоковольтному трансформатору 4 с обмоткой 5 обратной связи. Выход высоковольтного трансформатора 4 соединен через высоковольтный зарядный диод 6 с анодом тиратронного коммутатора 7. Общая точка соединения катода высоковольтного зарядного диода 6 и анода тиратронного коммутатора 7 соединена через емкостной накопитель 8 с газоразрядной лазерной трубкой 9 и катодом тиратронного коммутатора 7. Выход 10 обмотки 5 обратной связи соединен через амплитудный детектор 11 с входом разностного усилителя 12, на второй вход которого подается сигнал с источника 13 опорного напряжения. Выход разностного усилителя 12 соединен с первым входом компаратора 14, второй вход компаратора 14 соединен с выходом задающего генератора 15 пилообразного напряжения. Выход компаратора 14 соединен через формирователь 16 импульсов управления с входом 17 управляющих импульсов квазирезонансного транзисторного однотактного преобразователя 2. Кроме того, выход компаратора 14 соединен с первым входом подмодулятора 18. Второй выход 19 формирователя 16 импульсов управления соединен через линию 20 задержки со вторым входом подмодулятора 18. Подмодулятор 18 соединен с сеткой тиратронного коммутатора 7.

Согласно предлагаемому способу емкостной накопитель 8 моноимпульсно заряжают от низковольтного источника 1 постоянного напряжения через однотактный квазирезонансный транзисторный преобразователь 2 в течение протекания только части прямой полуволны зарядного тока до требуемого напряжения на емкостном накопителе. Затем емкостной накопитель 8 разряжают с постоянной частотой следования разрядных импульсов через тиратронный коммутатор 7 на газоразрядную лазерную трубку 9 в момент времени, определяемый временем перехода через нулевое значение этой же полуволны прямого зарядного тока, длительность которой равна полупериоду собственной частоты зарядного контура. В результате на газоразрядной лазерной трубке 9 формируется импульс тока с требуемой амплитудой, фронтом и длительностью. Частота следования разрядных импульсов определяется при этом как необходимой температурой газоразрядного канала, так и технологическими параметрами лазерного комплекса.

Работа устройства происходит следующим образом. На вход 17 управляющих импульсов квазирезонансного транзисторного однотактного преобразователя 2 поступают управляющие импульсы с формирователя 16 импульсов управления (моменты времени t₁, t₅ фиг.2, а). Через зарядный дроссель 3 и первичную обмотку высоковольтного трансформатора 4 при этом начинает протекать прямая полуволна синусоидального зарядного тока (фиг.2, б). Время открытого квазирезонансного колебательного процесса заканчивается при срабатывании компаратора 14, т.е. когда напряжение на выходе задающего генератора 15 пилообразных импульсов сравнивается с напряжением на выходе разностного усилителя 12, которое, в свою очередь, пропорционально разности напряжений источника 13 опорного напряжения и напряжения, снимаемого с обмотки 5 обратной связи с помощью амплитудного детектора 11 (момент времени t₂ - фиг.2, в). Напряжение на емкостном накопителе 8, изменяющееся по косинусоидальному закону, в этот момент времени достигает требуемого значения U_н1, определяемого технологическим процессом лазерного комплекса (фиг.2, г). Срабатывание компаратора 14 (фиг.2, д) вызывает срез импульса управления на выходе формирователя 16 импульсов управления преобразователя 2 (фиг.2а). Транзисторные ключи преобразователя 2 закрываются, напряжение, прикладываемое к первичной обмотке импульсного трансформатора 4, изменяется на противоположное, также на противоположное изменится напряжение на вторичной обмотке импульсного трансформатора 4. Поэтому прекратится протекание зарядного тока в цепи емкостного накопителя 8 из-за наличия отсекающего зарядного диода 6, а напряжение на емкостном накопителе 8 останется постоянным до момента срабатывания тиратронного коммутатора 7. При этом зарядный ток в первичной обмотке высоковольтного трансформатора 4, примерно по линейному закону, снизится до нулевого уровня за счет рекуперации части магнитной энергии дросселя 3 и высоковольтного трансформатора 4 в источник питания 1 (фиг.2, б).

В момент окончания импульса с выхода задающего генератора 15 пилообразного напряжения срабатывает компаратор 14 (момент времени t₃ - фиг.2в, д). Отпирающий импульс управления подмодулятора 18 на сетке тиратронного коммутатора 7 формируется только после срабатывания компаратора 14 импульсом с выхода 19 формирователя 16 импульсов управления, задержанным линией 20 задержки (фиг.2, е) на время протекания всей полуволны зарядного тока (момент времени t₄ - фиг.2, ж). При формировании импульса на сетке тиратронного коммутатора 7 емкостной накопитель 8 разряжается на газоразрядную лазерную трубку 9 (фиг.2, г) и формируется импульс тока накачки с требуемой амплитудой, фронтом и длительностью (фиг.2, з).

При работе устройства сердечник высоковольтного трансформатора 4 не насыщается, поэтому максимальная частота генерации импульсов возбуждения газоразрядной лазерной трубки не ограничивается режимом работы элементов устройства.

Меняя уровень уставки источника 13 опорного напряжения, можно менять уровень зарядного напряжения емкостного накопителя 8 от максимального значения до, практически, нулевого (фиг.2, г).

Таким образом, регулирование уровня зарядного напряжения емкостного накопителя, в зависимости от длительности протекания прямой полуволны зарядного тока, и его разрядка в момент перехода через нулевое значение этой же полуволны зарядного тока, длительность которой равна полупериоду собственной частоты зарядного контура, повышает быстродействие регулирования уровня накачки газоразрядного лазера.

Практическая реализация устройства выполнена по схеме, изображенной на фиг.1. Устройство включает в себя источник питания постоянного напряжения - мостовой выпрямитель с фильтрующим конденсатором, квазирезонансный транзисторный однотактный преобразователь, выполненный на мощных биполярных транзисторах с изолированным затвором, мощностью около 2,5 кВт, дроссель, выполненный на кольцевом альсиферовом сердечнике, высоковольтный трансформатор, изготовленный на сердечнике из аморфного магнитомягкого сплава, высоковольтный зарядный диод, содержащий цепочку из 30 последовательно соединенных диодов. В качестве тиратронного коммутатора использовался водородный тиратрон типа ТГИ2-1000/25К тетродной конструкции в металлокерамическом корпусе. Емкостной накопитель выполнен с использованием высоковольтных керамических конденсаторов. В качестве нагрузки использовалась отпаянная саморазогревная газоразрядная трубка промышленного изготовления серии “KULON”.

При работе устройства регулирование уровня напряжения накачки выполнялось от нулевого уровня до 10 кВ, частота следования импульсов возбуждения - в диапазоне от 8 до 16 кГц. Максимальный ток разряда, формируемый на газоразрядной лазерной трубке типа “KULON” LT - 10CU, зафиксирован на уровне около 500 А, максимальная средняя мощность генерации получена равной 16 Вт, практический КПД - 0,64%.

Формула изобретения

Способ регулирования напряжения на емкостном накопителе генератора наносекундных импульсов, заключающийся в том, что емкостной накопитель моноимпульсно заряжают от источника питания через квазирезонансный колебательный контур и разряжают его при напряжении, равном Uн, где Uн - напряжение, равное напряжению на нагрузке, отличающийся тем, что емкостной накопитель заряжают от источника питания до величины напряжения, равного Uн, в течение протекания только части полуволны зарядного тока, длительность которой регулируется за счет изменения длительности открытого колебательного процесса квазирезонансного колебательного контура, а момент разряда емкостного накопителя определяют временем перехода через нулевое значение этой же полуволны зарядного тока, длительность которой равна полупериоду собственной частоты зарядного контура.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2