RU2494532C1

RU2494532C1 - Current pulse generator

Info

Publication number: RU2494532C1
Application number: RU2012147412/08A
Authority: RU
Inventors: Валерий Григорьевич Вильнер; Ирэна Вениаминовна Вильнер; Алексей Владимирович Волобуев; Владимир Георгиевич Волобуев; Сергей Александрович Подставкин; Борис Кириллович Рябокуль
Original assignee: Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха"
Priority date: 2012-11-08
Filing date: 2012-11-08
Publication date: 2013-09-27

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: current pulse generator is made in the form of a closed circuit comprising the following serially connected components: an accumulating capacitor, a throttle, a gas-filled lamp, a transistor key with a control circuit and a current sensor, and also a damping diode, connected in parallel to the throttle and the lamp, the throttle and the lamp with the damping diode are connected between the transistor key collector and high-voltage electrode of the accumulating capacitor, and the control circuit is made in the form of a shaper of a control pulse of fixed duration, and comprises a threshold device connected along its signal input with a current sensor, and along the output - to a pulse shaper connected to the input of the transistor key. A feedback circuit is introduced between the output of the pulse shaper and a control input of the threshold device.

EFFECT: increased reliability and reduction of weight and dimensional characteristics.

1 dwg

Description

Изобретение относится к технике формирования импульсов тока, в частности к устройствам питания импульсных газонаполненных ламп накачки твердотельных лазеров с разрядом через лампу накопительного конденсатора.The invention relates to techniques for generating current pulses, in particular to power supply devices for pulsed gas-filled pump lamps of solid-state lasers with a discharge through a storage capacitor lamp.

Известно [1] устройство накачки твердотельного лазера с помощью импульсной лампы накачки, через которую производится разряд накопительного конденсатора путем пробоя разрядного промежутка лампы и пропускания через лампу разрядного импульса тока заданной длительности T, определяемой емкостью накопительного конденсатора и индуктивностью дросселя в разрядном контуре. Подобные схемы обладают большими потерями энергии в контуре, поскольку ток через лампу в процессе разряда меняется в широких пределах и значительную часть времени отличается от оптимального значения, при котором полезная светоотдача лампы максимальна. Это особенно заметно при формировании импульсов тока длительностью 1 мс и более, требуемой, например, для накачки лазеров на стекле с эрбием, работающих в безопасном диапазоне длин волн. Кроме того, такие схемы обладают значительными габаритами из-за большой индуктивности дросселя.It is known [1] a solid-state laser pumping device using a pulsed pump lamp through which the storage capacitor is discharged by breaking the lamp discharge gap and passing a current of a given duration T determined by the storage capacitor capacity and the inductor inductance in the discharge circuit through the discharge lamp. Such schemes have large losses of energy in the circuit, since the current through the lamp during the discharge process varies widely and a significant part of the time differs from the optimal value at which the useful light output of the lamp is maximum. This is especially noticeable when current pulses with a duration of 1 ms or more are generated, which is required, for example, for pumping Erbium-based glass lasers operating in a safe wavelength range. In addition, such circuits have significant dimensions due to the large inductance of the inductor.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является генератор импульсов тока, выполненный в виде замкнутого контура, состоящего из последовательно включенных накопительного конденсатора, транзисторного ключа со схемой управления, дросселя и газонаполненной лампы [2].The closest in technical essence to the present invention is a current pulse generator made in the form of a closed loop, consisting of a series-connected storage capacitor, a transistor switch with a control circuit, a choke and a gas-filled lamp [2].

В указанном источнике управляющий вход ключа со схемой управления находятся под высоким напряжением накопительного конденсатора. Это приводит к необходимости использования высоковольтных элементов, а следовательно, удорожанию устройства и увеличению его габаритов. Кроме того, ухудшаются быстродействие схемы и токопотребление, так как для переключения высоковольтных напряжений затрачивается дополнительная энергия и время на перезаряд емкостей схемы.In the specified source, the control input of the key with the control circuit are at a high voltage of the storage capacitor. This leads to the need to use high-voltage elements, and consequently, the cost of the device and increase its size. In addition, the performance of the circuit and current consumption are deteriorating, since additional energy and time are needed to recharge the circuit capacities to switch high-voltage voltages.

Задачей изобретения является повышение надежности и сокращение массо-габаритных параметров и стоимости генератора импульсов тока.The objective of the invention is to increase reliability and reduce the overall dimensions and cost of the current pulse generator.

Эта задача решается за счет того, что в известном генераторе импульсов тока, выполненном в виде замкнутого контура, состоящего из последовательно включенных накопительного конденсатора, дросселя, газонаполненной лампы, транзисторного ключа со схемой управления и датчика тока, а также демпфирующего диода, включенного параллельно дросселю и лампе, дроссель и лампа с демпфирующим диодом включены между коллектором транзисторного ключа и высоковольтным электродом накопительного конденсатора, а схема управления выполнена в виде формирователя управляющего импульса фиксированной длительности и содержит пороговое устройство, связанное по своему сигнальному входу с датчиком тока, а по выходу с импульсным формирователем, подключенным ко входу транзисторного ключа, при этом введена цепь обратной связи между выходом импульсного формирователя и управляющим входом порогового устройства.This problem is solved due to the fact that in the known current pulse generator, made in the form of a closed loop, consisting of a series-connected storage capacitor, inductor, gas-filled lamp, a transistor switch with a control circuit and a current sensor, as well as a damping diode connected in parallel with the inductor and lamp, a choke and a lamp with a damping diode are connected between the collector of the transistor switch and the high-voltage electrode of the storage capacitor, and the control circuit is made in the form ator control pulse of fixed duration and comprises a threshold device connected by its signal input to a current sensor and an output with a pulse generator connected to the input of the transistor switch, wherein the feedback circuit is introduced between the output of the pulse generator and the control input of the threshold device.

На чертеже представлена схема генератора импульсов тока.The drawing shows a diagram of a current pulse generator.

Устройство состоит из последовательно включенных накопительного конденсатора 1, дросселя 2, импульсной газонаполненной лампы 3, транзисторного ключа 4 со схемой управления 5 и датчика тока обратной связи - сопротивления 6. Цепь дроссель - лампа зашунтирована демпфирующим диодом 7. Разрядный контур замкнут подключением на корпус нижних выводов накопительного конденсатора и датчика тока. Схема управления состоит из порогового устройства 8, импульсного формирователя 9 и включенной между ними цепи обратной связи 10. Выход импульсного формирователя подключен к управляющему входу транзисторного ключа 4. Заряд накопительного конденсатора осуществляется от внешнего источника 11. Ионизация разрядного промежутка лампы (пробой) производится внешней схемой поджига 12.The device consists of a series-connected storage capacitor 1, inductor 2, a pulsed gas-filled lamp 3, a transistor switch 4 with a control circuit 5 and a feedback current sensor - resistance 6. The inductor-lamp circuit is shunted by a damping diode 7. The discharge circuit is closed by connecting the lower terminals to the housing storage capacitor and current sensor. The control circuit consists of a threshold device 8, a pulse shaper 9 and a feedback circuit 10 connected between them. The output of the pulse shaper is connected to the control input of the transistor switch 4. The storage capacitor is charged from an external source 11. The discharge gap of the lamp is ionized (breakdown) by an external circuit ignition 12.

Генератор импульсов тока работает следующим образом.The current pulse generator operates as follows.

В исходном состоянии накопительный конденсатор 1 заряжен до номинального напряжения. Транзисторный ключ 4 открыт, а лампа 3 закрыта. После ее пробоя с помощью внешней схемы поджига 12 конденсатор 1 начинает разряжаться в разрядном контуре. Поджиг может осуществляться через дополнительную обмотку дросселя [2], или подачей поджигающего высоковольтного импульса на основной или дополнительный электрод лампы [1]. После пробоя разрядного промежутка ток через лампу постепенно нарастает со скоростью, определяемой емкостью накопительного конденсатора 1 и индуктивностью дросселя 2. Падение напряжения на датчике тока 6 пропорционально протекающему через него току. Как только ток достигнет верхней границы I_max заданного номинального интервала, падение напряжения на датчике 6 вызывает срабатывание порогового устройства 8, и формирователь 9 формирует управляющий импульс заданной длительности, подаваемый на вход транзисторного ключа 4 и запирающий ключ. По цепи обратной связи 10 этот импульс увеличивает порог срабатывания порогового устройства на время действия управляющего импульса, не позволяя ему срабатывать от сопровождающих разряд электромагнитных наводок и процессов на паразитных элементах разрядного контура. При закрытом ключе 4 ток через лампу поддерживается по малому контуру дроссель - лампа - демпфирующий диод за счет энергии, накопленной в дросселе. Этот ток убывает экспоненциально с постоянной времени τ_L=LR_L, где R_L - суммарное сопротивление лампы и демпфирующего диода.In the initial state, the storage capacitor 1 is charged to the rated voltage. The transistor switch 4 is open, and the lamp 3 is closed. After its breakdown using an external ignition circuit 12, the capacitor 1 begins to discharge in the discharge circuit. Ignition can be carried out through an additional winding of the inductor [2], or by applying an ignition high-voltage pulse to the main or additional electrode of the lamp [1]. After the breakdown of the discharge gap, the current through the lamp gradually increases at a speed determined by the capacity of the storage capacitor 1 and the inductance of the inductor 2. The voltage drop across the current sensor 6 is proportional to the current flowing through it. As soon as the current reaches the upper limit I _{max of the} specified nominal interval, the voltage drop across the sensor 6 triggers the threshold device 8, and the driver 9 generates a control pulse of a given duration, supplied to the input of the transistor switch 4 and a locking key. In feedback circuit 10, this pulse increases the threshold of the threshold device for the duration of the control pulse, preventing it from being triggered by electromagnetic interference accompanying the discharge and processes on spurious elements of the discharge circuit. With the key 4 closed, the current through the lamp is maintained along the small circuit of the inductor - lamp - damping diode due to the energy stored in the inductor. This current decreases exponentially with the time constant τ _L = LR _L , where R _L is the total resistance of the lamp and damping diode.

В течение управляющего импульса ток через лампу, поддерживаемый за счет энергии, накопленной в дросселе, снижается до нижней границы I_min заданного номинального интервала. По окончании управляющего импульса схема управления снова открывает ключ 4 и восстанавливает рабочий уровень порога срабатывания порогового устройства 8. После этого питание лампы осуществляется за счет энергии, содержащейся в накопительном конденсаторе, и ток через лампу растет, пока не достигнет верхней границы. Описанный процесс повторяется до тех пор, когда будет исчерпан заряд накопительного конденсатора. После этого импульс тока через лампу прекращается.During the control pulse, the current through the lamp, supported by the energy stored in the inductor, decreases to the lower limit I _{min of the} specified nominal interval. At the end of the control pulse, the control circuit again opens the key 4 and restores the operating level of the threshold of the threshold device 8. After that, the lamp is powered by the energy contained in the storage capacitor, and the current through the lamp increases until it reaches the upper limit. The described process is repeated until the charge of the storage capacitor is exhausted. After that, the current pulse through the lamp stops.

При таком построении генератора тока в контуре постоянно поддерживается ток оптимальной интенсивности, а к величине индуктивности дросселя не предъявляются требования формирования длительности импульса тока накачки и времен его нарастания и спада, как в других аналогах [1]. В предлагаемой схеме дроссель служит лишь для поддержания скоростей нарастания и спада тока в лампе при замыкании и размыкании ключа. Это позволяет значительно уменьшить индуктивность и, соответственно, массу и габариты дросселя и всего генератора тока в целом.With such a construction of the current generator, the current of constant intensity is constantly maintained in the circuit, and the formation of the duration of the pump current pulse and its rise and fall times, as in other analogues, is not imposed on the inductance of the inductor [1]. In the proposed circuit, the inductor serves only to maintain the rate of rise and fall of the current in the lamp when the key is closed and opened. This can significantly reduce the inductance and, accordingly, the mass and dimensions of the inductor and the entire current generator as a whole.

Пример.Example.

Необходимая для накачки активного элемента энергия импульса тока через лампу накачки E=10 Дж. При емкости накопительного конденсатора C=10 мкФ необходимое напряжение U на нем определяется по известной формуле E=CU²/2 и составляет U=1400 В.The necessary pumping of the active element current pulse energy through the pump lamp E = 10 J. When the storage capacitor capacitance C = 10 uF required voltage U it is determined by the known formula E = CU ^2/2 and is U = 1 400 V.

Если по режиму возбуждения лазерного активного элемента длительность импульса тока накачки должна быть 2 мс, что соответствует одному полупериоду T₀/2 тока в LC-контуре $T_{0} / 2 = π \sqrt{L C}$

, то величина индуктивности при известном построении генератора тока [1] должна составлять

L = T_{0}^{2} / 4 π^{2} C = 10 м Г н

.If the mode of excitation of the laser active element current pulse duration of the pump must be 2 ms, which corresponds to one half period T _0/2 current in the LC-circuit

T_{0} / 2 = π \sqrt{L C}

, then the inductance value with the known construction of the current generator [1] should be

L = T_{0}^{2} / four π^{2} C = one 0 m G n

.

Согласно предлагаемому решению, частота переключения транзисторного ключа должна быть как можно выше - при этом необходимая индуктивность дросселя уменьшается. Предельная частота переключений ограничена быстродействием существующих элементов. Экспериментально установлено, что оптимальная по коэффициенту полезного действия схемы частота должна быть около 100 кГц. При этом предполагается, что периоды нарастания и убывания тока через лампу составляют примерно 5 мкс. I_max ~ 50 A. I_min=0,9I_max=45 А. Таким образом, скорость нарастания-убывания тока через лампу равна (50-45)/5=1 А/мкс.According to the proposed solution, the switching frequency of the transistor switch should be as high as possible - while the required inductor inductance is reduced. The maximum switching frequency is limited by the speed of existing elements. It was experimentally established that the optimal frequency in terms of the efficiency of the circuit should be about 100 kHz. It is assumed that the periods of rise and fall of the current through the lamp are approximately 5 μs. I _max ~ 50 A. I _min = 0.9I _max = 45 A. Thus, the rate of increase-decrease of the current through the lamp is (50-45) / 5 = 1 A / μs.

Экспериментально установлено, что необходимая величина индуктивности L=145 мкГн. Эта величина почти на два порядка меньше, чем у аналога [1] и обеспечивает при этом заданную стабильность поддержания тока в лампе при открытом и закрытом ключе 4.It was experimentally established that the required value of inductance is L = 145 μH. This value is almost two orders of magnitude smaller than that of the analogue [1] and at the same time provides the specified stability of maintaining the current in the lamp with open and closed key 4.

Существенное преимущество предлагаемого технического решения - привязка управляющих цепей транзисторного ключа и схемы управления к нулевому потенциалу корпуса. Это позволяет, во-первых, упростить схемное построение ключа и схемы управления. Во-вторых, это дает возможность применить в них низковольтные относительно недорогие элементы, что повышает надежность и снижает себестоимость устройства. В-третьих, управление ключом с помощью низковольтной схемы исключает необходимость в процессе переключения перезаряжать схемные и паразитные емкости, па что в известном устройстве [2] приходится затрачивать дополнительную энергию.A significant advantage of the proposed technical solution is the binding of the control circuits of the transistor switch and the control circuit to the zero potential of the housing. This allows, firstly, to simplify the circuit construction of the key and control circuit. Secondly, this makes it possible to use low-voltage relatively inexpensive elements in them, which increases reliability and reduces the cost of the device. Thirdly, key management using a low-voltage circuit eliminates the need for reloading circuit and parasitic capacities in the switching process, which requires additional energy to be consumed in the known device [2].

В соответствии с предлагаемым изобретением был разработан макетный образец генератора импульсов тока, испытанный в составе лазерного дальномера. Транзисторный ключ построен на базе транзистора APT 8024, а схема управления - на микросхеме МАХ 4420. По сравнению с прототипом [2] (транзистор IRG4SPC71UD и микросхема IR2125) указанные элементы и их схемная обвязка обеспечивают более компактное построение генератора тока, они обладают на порядок более высокой надежностью и значительно меньшей стоимостью.In accordance with the invention, a prototype current pulse generator was developed, tested as part of a laser rangefinder. The transistor switch is built on the basis of the APT 8024 transistor, and the control circuit is based on the MAX 4420 chip. Compared to the prototype [2] (IRG4SPC71UD transistor and IR2125 chip), these elements and their circuit design provide a more compact construction of the current generator, they have an order of magnitude more high reliability and significantly lower cost.

Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает решение поставленной задачи, а именно, повышение надежности и сокращение массо-габаритных параметров и стоимости генератора импульсов тока.Thus, the proposed device provides a solution to the problem, namely, increasing reliability and reducing the mass-dimensional parameters and the cost of the current pulse generator.

Источники информацииInformation sources

1. Лазерный прибор разведки ЛПР-1. Техническое описание и инструкция по эксплуатации Г 36. 48.069 ТО. - с.19-20.1. Laser reconnaissance device LPR-1. Technical description and operating instructions G 36. 48.069 TO. - p. 19-20.

2. В.В. Тогатов, П.А. Гнатюк. Высокочастотный разрядный модуль для питания ламп накачки твердотельных лазеров. «Приборы и техника эксперимента». №5, 2003 г. - с.89-95 - прототип.2. V.V. Togatov, P.A. Gnatyuk. High-frequency discharge module for supplying solid-state laser pump lamps. "Instruments and experimental techniques." No. 5, 2003 - p. 89-95 - prototype.

Claims

The current pulse generator, made in the form of a closed circuit, consisting of a series-connected storage capacitor, inductor, gas-filled lamp, a transistor switch with a control circuit and a current sensor, as well as a damping diode connected in parallel with the inductor and the lamp, characterized in that the inductor and the lamp are a damping diode is connected between the collector of the transistor switch and the high-voltage electrode of the storage capacitor, and the control circuit is designed as a control pulse driver of fixed duration and contains a threshold device connected in its signal input to a current sensor, and in output with a pulse shaper connected to the input of the transistor switch, and a feedback circuit between the output of the pulse shaper and the control input of the threshold device is introduced.