PL223587B1 - Blok wyjściowy impulsowego zasilacza prądowego - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest blok wyjściowy impulsowego zasilacza prądowego przeznaczonego do sterowania pracą laserów kaskadowych np. AlGaAs/GaAs lub laserów złączowych, które często wymagają impulsów zasilających o czasach krótszych niż 200 ns i których prądy progowe przekraczają dziesięć amperów w impulsie, przy napięciu przewodzenia rzędu 20V.

W technice zasilanie impulsowe przyrządów jest powszechnie znane od wielu lat. Na przestrzeni tego czasu konstruowano coraz to nowe zasilacze impulsowe i poprawiano ich parametry. Zasadniczo można podzielić je na dwie podstawowe grupy. Zasilacze napięciowe, w których sterowanie impulsem ograniczone jest do kontroli wartości napięcia wyjściowego, oraz zasilacze prądowe stabilizujące zadany prąd niezależnie od obciążenia. Do sterowania półprzewodnikowych przyrządów optycznych takich jak diody laserowe, a szczególnie lasery kaskadowe będące nową klasą przyrządów, zastosowanie impulsowych zasilaczy prądowych wydaje się być korzystniejsze, gdyż od natężenia prądu zależą najważniejsze parametry laserów. Z tego powodu wykres mocy optycznej zazwyczaj podawany jest w zależności od natężenia prądu płynącego przez strukturę, którego wartości progowe mogą wynikać ze zróżnicowanych warunków procesów technologicznych, którym poddawana jest heterostruktura. Oprócz maksymalnej wartości prądu i dokładności jego ustawienia, zasilacz powinien charakteryzować się krótkimi czasami narastania i opadania impulsu. Jest to niezwykle istotne, gdyż do zain icjowania akcji laserowej konieczne jest przekroczenie prądu progowego. Powolne narastanie impulsu może sprawić, że struktura lasera zostanie ogrzana powyżej maksymalnej temperatury pracy, zanim wartość prądu osiągnie wartość progową. W wielu przypadkach lasery kaskadowe np. AlGaAs/GaAs wymagają prądów rzędu kilkunastu amperów w impulsie przy napięciu rzędu dwudziestu wolt. Dotyczy to szczególnie pracy w temperaturach zbliżonych do pokojowych. Tak duże wartości prądów, przy wymaganym czasie trwania impulsu poniżej 200 ns, stwarzają wysokie wymagania dla szybkości narastania i opadania impulsu zasilającego laser.

W znanych układach prądowych zasilaczy impulsowych stopnie końcowe mocy są realizowane w różny sposób.

W jednym ze znanych układów, zastosowano wzmacniacz operacyjny sterujący bramką wyjściowego tranzystora polowego. Układ ten posiada rezystor źródłowy włączony pomiędzy tranzystor polowy a masę, na którym płynący prąd wywołuje spadek napięcia. Jego wartość jest stabilizowana przez wzmacniacz operacyjny w układzie sumującym z dwoma rezystorami dołączonymi do wejścia odwracającego. Koniec pierwszego rezystora połączony jest w punkcie wspólnym tranzystora polowego i rezystora źródłowego, a koniec drugiego rezystora stanowi wejście dla napięciowych impulsów sterujących. Wejście nieodwracające wzmacniacza podłączone jest do masy. Obciążenie znajduje się natomiast między drenem tranzystora wyjściowego a dodatnim biegunem zasilania. W takim układzie niezbędny jest szybki wzmacniacz operacyjny. Dobór wzmacniacza i odpowiednia jego kompensacja są trudne ze względu na możliwość wystąpienia oscylacji, ponadto uzyskiwane szybkości impulsów w tym układzie nie są wysokie.

Innym znanym rozwiązaniem jest źródło prądowe o regulowanej wydajności, które podłączone jest szeregowo poprzez dławik i tranzystor kluczujący z masą układu. Obciążenie dołączone jest pomiędzy punktem wspólnym klucza i dławika oraz masą. Podczas pracy układu początkowo klucz jest włączony a stały prąd płynie poprzez dławik i klucz do masy. W momencie otwarcia klucza cały prąd płynie przez obciążenie, a dławik powoduje stabilizację prądu płynącego przez to obciążenie. Podstawową zaletą takiego układu jest jego prostota ale z kolei wadą jest rozmiar dławika, a właściwie w ymagana ilość zgromadzonej w nim energii. Ponadto wadą jest także konieczność stosowania takiego źródła prądu stałego, które jest w stanie dostarczyć moc równą maksymalnemu prądowi wyjścia pomnożoną przez maksymalne napięcie na wyjściu. Daje to moc rzędu kilkuset watów, chociaż w wielu zastosowaniach wymagana jest średnia moc impulsów rzędu 1W lub nawet mniej. Powoduje to, że w układach tego typu powstają duże straty mocy, a wymiary urządzenia są znaczne.

Znane jest także zastosowanie do sterowania pracą laserów źródła prądowego wykorzystującego tranzystor bipolarny. Źródło to posiada obciążenie włączone pomiędzy kolektor tranzystora a dodatni biegun zasilania. Emiter tranzystora połączony jest z masą za pomocą rezystora emiterowego. W rozwiązaniu tym napięciowy sygnał sterujący podawany jest na bazę, a wartość opornika emiterowego ustala prąd wyjściowy w obwodzie kolektora tranzystora, który płynie przez obciążenie. Zaletą układu jest jego prostota i możliwość uzyskania dużej szybkości impulsów. Układ nie posiada jednak termicznej kompensacji napięcia baza-emiter, którego zmiany wpływają na wartość prądu wyjPL 223 587 B1 ściowego. Znane zasilacze mają na ogół znaczne gabaryty co wynika przede wszystkim z konstrukcji bloków wyjściowych.

Celem wynalazku jest opracowanie urządzenia do sterowania laserów kaskadowych lub laserów złączowych, które miałoby niewielkie gabaryty a jednocześnie umożliwiało generowanie szybkich impulsów prądowych dużej mocy z niewielkim współczynnikiem wypełnienia. Urządzenia, które m ogłoby być wykorzystywane również w innych aplikacjach wymagających krótkiego czasu narastania impulsu prądowego.

Blok wyjściowy impulsowego zasilacza prądowego według wynalazku posiada płytkę bazową, która na jednej z powierzchni ma wyprowadzenia dodatniego i ujemnego bieguna zasilania, pomiędzy którymi znajdują się kondensatory blokujące zasilanie. Natomiast na drugiej powierzchni płytka bazowa ma wyprowadzenie sygnału wyjściowego. Płytka bazowa, korzystnie od strony wyprowadzenia sygnału wyjściowego, połączona jest z usytuowanymi prostopadle do niej płytkami nośnymi, na których znajdują się połączone równolegle moduły wyjściowe, z których każdy zawiera tranzystor i dołączony do niego rezystor emiterowy.

Zasilacz z blokiem wyjściowym według wynalazku jest znacznie mniejszy niż zasilacze o podobnym maksymalnym prądzie wyjściowym w impulsie.

Konstrukcja tego bloku pozwala na sterowanie i zasilanie laserów kaskadowych za pomocą t ypowego złącza USB. Zastosowana separacja galwaniczna pomiędzy złączem USB oraz wyjściem i trigerem (wyjściem synchronizacji) pozwala na wszechstronne wykorzystanie zasilacza, w tym łatwą zmianę polaryzacji impulsu. Kompaktowe rozwiązanie układu laser kaskadowy oraz dedykowany układ zasilacza impulsowego otwiera nowe możliwości do zastosowań aplikacyjnych tych przyrządów m.in. spektroskopii śladowych ilości gazów przy zminimalizowanych rozmiarach urządzenia.

Wynalazek zostanie bliżej objaśniony na przykładzie wykonania pokazanym na rysunku, który przedstawia fragment modułu pokazujący płytkę bazową w przekroju oraz widok na płytkę nośną (m odułową) usytuowaną pod kątem 90° w stosunku do płytki bazowej.

Przykładowy blok wyjściowy zasilacza składa się z poziomej płytki bazowej 1 oraz z trzech pionowych płytek nośnych 6 (modułowych). Płytka 1 na powierzchni dolnej ma wyprowadzenia dodatniego 2 i ujemnego 3 bieguna zasilania. Pomiędzy tymi biegunami znajdują się kondensatory 4 blokujące zasilanie. Na górnej powierzchni płytki 1 znajduje się wyprowadzenie sygnału wyjściowego 5. Płytka 1 połączona jest od strony wyprowadzenia sygnału wyjściowego z płytkami nośnymi 6, które usytuow ane są pod kątem prostym względem płytki bazowej. Na płytkach nośnych umieszczonych jest 21 m odułów rozmieszczonych równomiernie po 7 na każdej płytce i równolegle połączonych. Każdy modułów zawiera tranzystor 7 połączony z rezystorem emiterowym 8. Moduły te są połączone z blokiem sterowania za pośrednictwem dwójników znajdujących się w obwodzie dwóch kluczy włączanych z różnym opóźnieniem i połączonych ze źródłem napięciowym. Takie rozmieszczenie elementów bloku wyjściowego sprawia, że parametry pracy zasilacza są bardziej stabilne, co jest szczególnie istotne, gdyż długość fali emitowanej przez laser kaskadowy jest zależna od prądu i temperatury. Dlatego zachowanie tych samych parametrów zasilania w czasie jest kluczowe dla poprawnej pracy całego układu. Odpowiednie rozmieszczenie na trzech płytkach nośnych bloku wyjściowego wielu połączonych równolegle modułów składających się z tranzystora i rezystora emiterowego zmniejsza indukcyjności, skraca drogę sygnałów i umożliwia korzystne umieszczenie kondensat orów blokujących zasilanie.

Claims (1)

1. Zastrzeżenie patentowe

   Blok wyjściowy impulsowego zasilacza prądowego, znamienny tym, że posiada płytkę bazową (1), która na jednej z powierzchni ma wyprowadzenia dodatniego (2) i ujemnego (3) bieguna zasilania, pomiędzy którymi znajdują się kondensatory (4) blokujące zasilanie, natomiast na drugiej powierzchni płytka (1) ma wyprowadzenie sygnału wyjściowego (5), płytka (1) połączona jest, korzystnie od strony wyprowadzenia (5), z usytuowanymi prostopadle do niej płytkami nośnymi (6), na których znajdują się połączone równolegle moduły wyjściowe, z których każdy zawiera co najmniej jeden tranzystor (7) z dołączonym do niego rezystorem emiterowym (8).