CN1023169C

CN1023169C - 脉冲激光器快速连通保护器

Info

Publication number: CN1023169C
Application number: CN 91107497
Authority: CN
Inventors: 姜阅清; 毛伟民; 柳月英; 李安民
Original assignee: Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS; Shanghai Micro Electronics Equipment Co Ltd
Priority date: 1991-09-25
Filing date: 1991-09-25
Publication date: 1993-12-15
Anticipated expiration: 2006-09-25
Also published as: CN1071284A

Abstract

一种脉冲激光器快速连通保护器，由慢速保护电路、取样电路、逻辑电路和快速保护电路构成；它主要用于脉冲激光电源，通过对电源充、放电过程的监测，当电源发生连通故障时，在11微秒左右即停止对激光器放电，同时实施切断外电网与激光电源的联系。具有对激光器保护响应速度快，抗干扰能力强，保护可靠，耗电小等特点。它也可用于需要快速保护且充、放电过程有一定时序要求的电源设备中。

Description

本发明属激光电源，特别是脉冲激光器电源发生故障，产生突发性连续导通即将造成激光器炸灯、炸棒等时，实施快速保护激光器的装置。

目前，在各种脉冲激光器中，当激光电源发生故障时，通常采用以下几种措施切断电源：

1.快速熔断器;

2.接触器分闸;

3.快速断路器分闸。

这些装置的全分断时间在0.5～0.05秒之间，这些保护都属慢速保护。最近用晶闸管制做的交流电子开关，在切断50赫兹交流时，全分断时间在10毫秒左右，但它只能用作切断激光电源与外电网之间的分离保护，不能作切断激光电源与激光器之间的分离保护。因而对脉冲激光器还不能提供足够的有效保护。

本发明的目的是提供一种脉冲激光器快速连通保护器，以便激光电源发生连通故障时，在10微秒左右即可把激光电源流向激光器的电流旁路，保证脉冲激光器的安全可靠。

本发明的脉冲激光器快速连通保护器，除有慢速保护电路外，特点是还有取样电路、逻辑电路和快速保护电路。

所说的取样电路，由M（M＝k+n）个取样单元构成，M为被监测的回路数，k为充电回路数，n为放电回路数，每个取样单元由被监测回路中串接的取样线圈、放在该线圈中的霍尔传感器和连接在该霍尔传感器的输出端和正端之间的负载电阻构成。

所说的逻辑电路，它是与非门负逻辑电路，或由与非门和合门形成的负逻辑电路，它的作用是对各个被监测回路的取样单元的取样信号进行逻辑判断，并输出逻辑信号。

所说的快速保护电路的构成是：由高频开关管和发散极电阻构成射极跟随器，对逻辑电路输入该高频开关管基极的信号进行放大，信号通过与高频开关管发射极和发射极电阻节点连接的限流电阻输入高频功放管的基极放大，该高频功放管的发射极接地，集电极接脉冲变压器原线圈，原线圈的两端并连续流二极管后接低压直流电源，脉冲变压器的次级两端接削波二极管、检波二极管、平滑电容形成的削波检波网络，该网络的一端与晶闸管的阴极相连，另一端接晶闸管的门极，晶闸管的阳极串连放电电阻形成快放电电路，该快放电电路并接在激光电源整流器的正负两端。

所说的取样单元中霍尔传感器对逻辑电路采用“0”电平输出有效。

本发明的优点在于：

1.响应快。取样器的取样时间为0.1微秒，逻辑电路和快放电保护电路的响应时间≤0.4微秒，晶闸管的响应时间为10微秒，通态电流临界上升率为50～100安培/微秒。故电源一旦出现故障，本保护器的快速保护电路即可在10.5微秒内把流入激光器的电流旁路，保证激光器绝对安全。

2.抗干扰能力强。脉冲激光器工作时有很强的冲击电流，容易对其他电路引起干扰，本保护器由于应用霍尔传感器取样，要干扰取样器必须有200高斯以上的强磁场，这样的磁场必须有几十安培电流通过20匝的线圈时才能达到，冲击电流在线圈周围产生的干扰磁场远小于此值，其他的高频空间干扰更难达到此值。同时由于取样器霍尔传感器的输出采用“0”电平有效，这样在后继的线路中抗干扰能力亦强，因为干扰信号都是非零信号。

3.通用性强。它可以用在谐振充放电型激光电源，亦可用在大功率恒流充放电和开关变换型激光电源中，还可用于一些电子开关元件组成的网络设备中，即这网络中各回路的电流需按一定的时序，一定的流向或一定的逻辑关系流通或截止，否则，将造成事故的设备中。

4.可靠性好。本发明的快速保护电路不仅响应快，而且把外电网流入的电能及储存在滤波电容内的电能一并旁路掉，这样就避免了因滤波电容中电能在外电网输入切断后造成毁坏设备的可能性。另外本保护器还有慢速保护电路，在事故发生后10毫秒～0.5秒及时切断外电网与激光电源的联系，防止激光电源中电子元件损坏及对外电网的不良影响。

5.本保护器当电源正常工作时不消耗电能，确切地说，耗电极少，不发热，安全性好。

下面结合附图对本发明作详细说明。

图1是本发明保护器与外电网、激光电源和激光器之间的关系框图。

图2是本发明的原理电路图。

图3是本发明的逻辑电路的逻辑图

图4是本发明在激光电源（k＝1，n＝1）上的一个应用实例。

图1中1是外电网，2是激光电源，3是激光器，虚线框内表示本发明保护器，它由取样电路4、逻辑电路5、快速保护电路6和慢速保护电路7四部分组成。

图2中取样电路4包含两个并列的取样单元，取样线圈401，置于该线圈内的霍尔传感器402和在该传感器402的输出端和正端之间的负载电阻403构成一个取样单元，其正端接次低压直流电源（+12伏），地端接地，输出端构成逻辑电路的一个信号输入端。另一取样单元由线圈404，霍尔传感器405和负载电阻406构成。连接方式同前。取样单元的数量取决于所需监测的充、放电回路数M。

所说的霍尔传感器可用开关型霍尔传感器或锁键型霍尔传感器，也可用双输出集成霍尔传感器。取样线圈401、404的选材和绕制决定于激光电源正常工作时流过电流而不发热，线圈匝数保证回路中有10安培以上电流时其内部磁场足以使霍尔传感器翻转，输出“0”电平信号。

我们知道，脉冲激光电源中通常有二种回路，即充电回路和放电回路。激光电源正常工作时，当充电回路充电时，放电回路必须截止，即I充≠0，则I放＝0，当放电回路对激光器放电时，充电回路必须截止，即I放≠0，则I充＝0。充电回路和放电回路同时有电流时，即I充≠0，I放≠0时，则称激光电源出现了连通事故，这种现象必须立即抑制，否则激光器就将发生炸灯、炸棒等破坏性事故。逻辑电路5的作用就是对取样电路4的各取样单元输出的“0”电平信号进行判断，当充电回路和放电回路同时输出“0”电平时，逻辑电路输出高电平信号，触发快速保护电路6和慢速保护电路7工作，立即把激光电源2流向激光器3的电流旁路，切断外电网1与激光电源2的联系，抑制连通事故的发展，以保护激光器和激光电源的安全。

图3是逻辑电路4的三种逻辑图，图中K₁、K₂、K₃表示充电回路取样单元输出，N₁、N₂、N₃表示放电回路取样单元输出。图3-a表示所监测的激光电源只有一个充电回路和一个放电回路的情况，是与非门负逻辑电路。图3-b表示激光电源有一个充电回路、三个放电回路的情况。三个放电回路取样单元输出组成合门，该合门输出与充电回路取样单元输出组成与非门负逻辑电路。图3-c表示激光电源有三个充电回路和三个放电回路的情况，即三个充电回路取样单元输出和三个放电回路取样单元输出分别组成合门，该两合门组成与非门负逻辑电路。其他情况也可类似地组成合门和与非门的负逻辑电路。

图2中快速保护电路6的构成是：由一高频开关管601和发射极电阻602构成射极跟随器，对逻辑电路5输入该高频开关管基极的信号进行放大，集电极接次低压直流电源（+12伏），该管601放大的信号通过与管601发射极和发射电阻602的节点连接的限流电阻603输入高频功放管604的基极进行功放，高频功放管604的发射极接地，集电极接脉冲变压器606的原线圈，原线圈的两端并连续流二极管605后接低压直流电源（+24伏），脉冲变压器606的次级两端接削波二极管607、检波二极管608、平滑电容609形成的削波检波网络，该网络的一端接晶闸管611的阴极并接地，另一端接晶闸管611的门极，晶闸管611的阴极串连放电电阻610形成快放电电路并接在激光电源2整流器的正负两端。

图4是本发明保护器在单灯谐振充放电激光电源中应用实例的电路图。激光电源的主回路由熔断器201、电源变压器202、整流晶闸管203、整流二极管204、滤波电容205、谐振电感206、充电晶闸管207、贮能电容208、放电晶闸管209、激光器氙灯210、动合按钮211、J₁的动合触点212、动开按钮213组成。取样线圈401串接在充电回路中，取样线圈404串接在放电回路中。401～406是两个取样单元组成的取样电路4，他们的电连接关系如前所述。601～611是快速保护电路，其连接关系如前所述。逻辑电路5是由二极管501，502、三极管505、三极管505的限流电阻503、基极接地电阻504和集电极负载电阻506构成的一与非门负逻辑电路。

图中有慢速保护电路7，用于切断外电网与激光电源的联系。

慢速保护电路7由高频开关管701、发射极电阻702组成射极跟随器，对逻辑电路输入高频开关管701的基极的信号进行电流放大，信号通过该高频开关管发射极和发射极电阻702的节点连接的限流电阻703输入到晶闸管704的门极，该晶闸管的阴极接地，阳极通过继电器J₂705接次低压直流电源，J₂的一个动开触点J_2-1串联在电磁开关J₁的线包回路内，J₁的三个主触点j_1-1，j_1-2，j_1-3分别串接在外电网与激光电源之间。

本发明保护器的工作情况如下：

激光电源正常工作时，电磁开关J₁的三个主触点j_1-1、j_1-2、j_1-3闭合，外电网与激光电源接通，激光电源在控制器（图中未画出）指令下，先触发充电晶闸管207导通，充电回路充电，当贮能电容208充电到峰值后，回路中电流为“0”，晶闸管207截止，然后控制器触发放电晶闸管209导通，贮能电容208通过放电回路放电，当放电回路电流为“0”时，晶闸管209自然截止，充电回路又重新工作，如此充放电循环往复。串接在充电回路和放电回路的取样线圈交替感应磁场，霍尔传感器的输出端也交替输出“0”电平。这时逻辑电路输出为“0”电平。

当激光电源被干扰而同时使充电回路和放电回路都有电流时，即发生连通事故时，两个取样单元均输出“0”电平，逻辑电路4即输出高电平信号，同时加在高频开关管601、701的基极上，快速保护电路将信号由高频开关管的发射极通过限流电阻603输入高频功放管604进行放大，经脉冲变压器606耦合，经过削波二极管607、检波二极管608和平滑电容609整形后，触发晶闸管611，晶闸管611和放电电阻610形成的快放电回路快速放电，将整流器和滤波电容205输出的电流旁路，由于快速保护电路的响应在10.5微秒，所以激光器的炸灯，炸棒等恶性事故即可避免。与此同时逻辑电路信号也加在高频开关701的基极，放大后触发晶闸管704导通，继电器J₂吸动，串联在电磁开关J₁线包回路内的J₂的动开触点J_2-1断开，电磁开关J₁线包内电流截止，J₁的三个主触点断开，即切断了外电网与激光电源的联系。

Claims

1、一种脉冲激光器快速连通保护器，有慢速保护电路，其特征在于还有：

1)取样电路，它由M(M=k+n)个取样单元构成，M为被监测的回路数，其中k为充电回路数，n为放电回路数，每个取样单元由被监测回路中串接的取样线圈，放在该线圈中的霍尔传感器和连接在该传感器的输出端和正端之间的负载电阻构成；

2)逻辑电路，它是与非门负逻辑电路，或由与非门和合门形成的负逻辑电路，对各个被监测回路的取样单元的取样信号进行逻辑判断；

3)快速保护电路，由高频开关管和发射极电阻构成射极跟随器，对逻辑电路输入该高频开关管的基极的信号进行放大，信号通过与高频开关管发射极和发射极电阻节点连接的限流电阻输入高频功放管的基极，该高频功放管的发射极接地，集电极接脉冲变压器原线圈，原线圈的两端并连续流二极管后接低压直流电源，脉冲变压器的次级两端接削波二极管、检波二极管、平滑电容形成削波检波网络，该网络的一端接晶闸管的阴极，连地，另一端接晶闸管的门极，晶闸管的阳极串连放电电阻形成快放电电路并接在激光电源整流器的正、负两端。

2、按照权利要求1的保护器，其特征在于当k＝1，n＝1时，所说的逻辑电路采用与非门负逻辑电路。

3、按照权利要求1的保护器，其特征在于当k＝1，n≥2时，所说的逻辑电路为：由放电回路取样单元输出组成合门，该合门输出与充电回路取样单元输出组成与非门负逻辑电路。

4、按照权利要求1的保护器，其特征在于当k≥2，n≥2时，所说的逻辑电路为：充电回路取样单元输出和放电回路取样单元输出分别组成合门，该两合门组成与非门负逻辑电路。

5、按照权利要求1，2，3，4的保护器，其特征在于所说的慢速保护电路的其构成如下：由高频开关管701，发射极电阻702组成射极跟随器，对逻辑电路输入高频开关管701的基极的信号进行电流放大，信号通过与高频开关管发射极和发射极中电阻702的节点连接的限流电阻703输入到晶闸管704的门极，该晶闸管的阴极接地，阳极通过继电器J₂705接次低压直流电源，J₂的一个动开触点J_2-1串联在电磁开关J₁的线包回路内，J₁的三个主触点分别串接在外电网与激光电源之间。