SU1277358A1 - Источник питани электроразр дных импульсных лазеров - Google Patents

Abstract

1. ИСТОЧНЖ ПИТАНИЯ ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНЫХ ИМПУЛЬСНЫХ ЛАЗЕРОВ, содержащий основной источник посто нного напр жени , подсоединенный к нему параллельно буферный конденсатор, узел управл емого колебательного зар да, вход которого соединен с положительной клеммой основного источника посто нного напр жени , элемент задержки , например накопительный конденсатор , соединенный одной обкладкой с общей шиной, а другой - с выходом узла управл емого колебательного зар да , делитель напр жени , включенный параллельно элементу задержки, выходной т пупъсньщ трансформатор, соединенный одним концом первичной обмотки с выходом узла управл емого колебательного зар да, а другим концом с запускающим ключом, другой вьшод .которого соединен с общей шиной, источник опорного напр жени , отрицательной клеммой соединенный с общей 1Ш1НОЙ- триггерный пороговый элемент. например компаратор, неинвертирующий вход которого соединен со средней точкой делител  напр жени , инвертирующий вход - с положительной клеммой источника опорного напр жени , а выход через формирователь импульсов - с управл ющим входом узла управл емого колебательного зар да, заземл юща  клемма которого соединена с общей шишэй, и нагрузку, например , лазер, отличающийс  тем, что, с целью повышени  КПД источника питани , а также обеспечени  работы в режиме одиночных импульсов и упрощени  регулировки амплитуды выходных импульсов с помощью ЭВМ, в ю него дополнительно введены источник (Л компенсационного напр жени , управл ющий ключ и токоограничитель, например резистор, соединенные между собой последовательно и подключенные параллельно элементу задержки, причем вход управлени  управл ющего го ключа соединен с выходом триггерного порогового элемента. 2. Источник питани  по п. 1, о т со ел личающийс  тем, что управл ющий ключ выполнен на симисторе и 00 содержит цепь гальванической разв зки , а источник компенсационного напр жени  содержит трансформатор с выпр мителем, при этом вход трансформатора соединен через симистор с сетью переменного напр жени , а выход подключен через токоограничительный элемент параллельно элементу задержки , вход управлени  симистором через цепь гальванической разв зки соединен с вьрсодом триггерного порогового элемента.

Description

3. Источник питани  по п. 1, о тличающийс  тем, что,, с целью разв зки слаботочных цепей схемы от общей ширины, делитель напр жени  выполнен на оптоэлектронном элементе гальванической разв зки, содержа1цем последовательно соединенные резистор и оптрон, например диодньсн, и согласующий усилитель, причем катод входного светодиода соединен с общей щиной , анод - с резистором, а выход оптрона, например выходной фотодиод , - с входом согласующего усилитшьЯ , выход которого соединен с неинвертирующнм входом триггерного порогового элемента.

1

Изобретение относитс  к импульсной технике, преимущественно к устройствам питани  электроразр дных импульсных лазеров, и может найти применение в радиолокационной технике.

Известно устройство генерации импульсов стабильной ампгштуды, предназначенное дл  питани  радиолокационных устройств, содерлссЦдее, элемен задержки (в простейшем случае накопительньм конденсатор), которьш зар жаетс  от однополупериодного выпр мител  и разр жаетс  через запуска1ощий ключ, (например, тиратрон 1ши тиристор ) „ Стаби-пьность амплитуды выходных импульсов в этом устройстве достигаетс  за счет стабилизиации напр жени  на элементе за,цержки. Схема стабилизащш представл ет собой управл емый шунт, состо ищй из последовательно соединенных балластного резистора и регулирующей вакуумной лампы . Шунт подключен параллельно к выходу выпр мител . Управл юща  сетка лампы подсоединена с одной стороны через резистор к источнику стабилизированного отрицательного напр жени , а с другой стороны через потенциометр обратной св зи - к положительной клемме выпр мител  ij .

Устройство обеспечивает работу в imipoKOM диапазоне частот повторени  выходных импульсов, в том числе и в режиме одиночных импульсов, однако стабилизаци  в этой схеме обеспечиваетс  за счет рассеивани  части . энергии на регулируемом пгунте,, что существенно ухудшает КПД источника питани . Это обсто тельство ограничивает возможности использовани  данного В1зда источншса питани  дл  мощных электроразруодных лазеров.

Наиболее близким к изобретению  вл етс  источник питани  лазеров разработки фирмы Тесла, который представл ет собой источник питани  элек5 троразр дных импульсных лазеров, содержащий основной источник посто нного напр жени , подсоединенный к нему параллельно буферный конденсатор , узел управл емого колебательноO го зар да, вход которого соединен с пололсительной клеммой основного источника посто нного напр жени , элемент задержки, например накопительный ковденсатор, соединенный одной

S обкладкой с общей шиной, а другой с выходом узла управл емого колебательного зар да, делитель напр жени , вкхпочённый параллельно элементу задержки , выходной импульсный транс0 форматор, соединенный одним концом первичной обмотки с выходом узла управл емого колебательного зар да, а другим концом -,.с запускающим ключом , другой вывод которого соединен

5 с общей шиной, источник опорного напр жени , отрицательной клеммой соединенньш с общей шиной, триггерный пороговьй элемент, например компараj тор, неинвертирующий вход которого

0 соедгшен со средней точкой делител  напр лсени , инвертирующий вход - сположительной клеммой источника опорного напр жени , а выход через формирователь импульсов - с управл ю , щим входом узла управл емого колебательного зар да, заземл юща  клемма которого соединена с общей шиной, и нагрузку, например лазер 2 ,

Упом нутьй узел управл емого коп лебательного зар да обеспечивает зар д элемента задержки (накопительного конденсатора) через последовательно соединенные дроссель и зар дный диод и регулирова}1ие напр жени  зар да элемента задержки по принципу отвода лишней энергии из дроссел  в промежуточный накопитель или в основной источник посто нного питани  с ее последующим использованием. Момент начала отвода энергии определ етс  поступлением импульса на вход управлени  схемы.

Источник питани  по прототипу обеспечивает стабилизированньй и управл емьй зар д элемента задержки (накопительного конденсатора), притом регулирование напр жени  на элемент задержки, а следовательно, и регулирование амплитуды выходных импульсов осуществл ютс  регулированием напр жени  на входе источника опорного напр жени , что удобно с точки зрени  управлени  источником питани  от ЭВМ. Возможность регулировки и стабилизации напр жени  на элементе задержки достигаетс  в данном устройстве за счет отвода лишней энергии, запасенной в первичной обмотке дроссель-трансформатора при колебательном зар де, обратно в буферньш конденсатор путем включени  регулирующего ключа в нужный момент времени, определ емьй триггерной схемой (компаратором), и подсоединением тем самым вторичной обмотки дроссельтрансформатора параллельно к буферному конденсатору. По сравнению с другими известными устройствами эта схема обеспечивает регулирование напр жени  при низких потер х и как результат - высокий КПД источника питани .

Однако в данном устройстве при низких частотах повторени  выходных импульсов наблюдаетс  заметна  зависимость напр жени  на элементе задержки от частоты, так как при значительных паузах между импульсами элемент задержки успевает разр дитьс  за счет токов утечки в схемных элементах. Это затрудн ет использование источника питани  при низких частотах следовани  или при одиночных выходных импульсах.

Цель изобретени  - повьшение КПД источника питани , а также обеспечение работы в режиме одиночньк импульсов и упрощение регулировки амплитуды выходных импульсов с помощью ЭВМ

и, кроме того, разв зка слаботочных цепей схемы от общей шиш,.

Поставленна  цель достигаетс  тем, что в источник питани  электроразр дных импульсных лазеров, содержащий основной источник посто нного напр жени , подсоединенный к нему параллельно буферный конденсатор, узел управл емого колебательного зар да,вход которого соединен с положительной клеммой основного источника посто нного напр жени , элемент задержки, например накопительный конденсатор, соединенный одной обкладкой с общей шиной, а другой - с выходом узла управл емого колебательного зар да, делитель напр жени , включенньш параллельно элементу задержки, выходной .импульсный трансформатор, соединенньй одним концом первичнбй обмотки с выходом узла управл емого колебательного зар да, а другим концом - с запускающим ключом, другой вывод которого соединен с общей шиной, источник опорного напр жени , отрицательной клеммой соединенный с общей шиной, триггерный пороговьй элемент, например компаратор, неинвертирующий вход которого соединен со средней точкой делител  напр жени , инвертирующий вход - с положительной клеммой источника опорного напр жени , а выход через формирователь импульсов - с управл ющим входом узла управл емого колебательного зар да, заземл юща  клемма которого соединена с общей шиной, и нагрузку, например лазер, дополнительно введены источник компенсационного напр жени , управл ющий ключ и токоограничитель, например резистор, соединенные между собой последовательно и подключенные параллельно элементу задержки, причем вход управлени  управл ющего ключа соединен с выходом триггерного порогового элемента.

Управл ющий ключ выполнен на симисторе и содержит цепь гальваничес50 кой разв зки, а источник компенсационного напр жени  содержит трансформатор с выпр мителем, при этом вход трансформатора соединен через симистор с сетью переменного напр 55 жени , а выход подключен через токоограничительный элемент параллельно элементу задержки, вход управлени  симистором через цепь гальванической

разв зки соединен с выходом триггерного порогового элемента.

Делитель напр хсени  выполнен на оптоэлектронном элементе гальванической разв зки, 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 фртЪдиод, - с входом согласующего усилител , выход которого соединен с неинвертирующим входом триггерного порогового элемента .

На фиг. I изображена блок-схема источника питани  электроразр дных импульсных лазеров; на фиг. 2 - принципиальна  схема источника питани ; на фиг. 3 - схема компенсации, вариант выполз ени ; на фиг. 4 - схема оптоэлектронной гальванической разв зки; на фиг. 5 - временные диаграммы работы устройства.

Источншс питани  лазера (фиг. 1) содержит основной источник I посто нного напр жени  с подключенным к нему параллельно буферным конденсатором 2, узел 3 управл емого колебательного зар да, подсоединенньй со стороны входа к пололштельной клемме основного источника посто нного напр  лсени , а со стороны выхода - к элементу 4 задержки (накопительному конденсатору), при этом второй конец элемента задержки соединен с общей шиной, делитель 5 напр жени , одним концом соединенньи с выходом узла 3 управл емого колебательного зар да , а другим концом с общей шиной , выходной импульсньпЧ трансформатор 6) соединенньи с выходом узла 3 управл емого колебательного зар да , запускающий ключ 7, соединенньи с выходным импульсным трансформатором 6 и общей шиной, ИСТОЧН1Ш 8 йпорного напр лсени , отрицательна  клемма которого соединена с общей щиной , пороговьш элемент (компаратор) 9 неинвертирующий вход которого соединен со средней точкой делител  5 напр жени , инвертирующий вход - с положительной клеммой источника 8 опорного напр жени , формирователь 10 импульсов , вход которого соединен с выходом порогового элемента 9, а выход с управл ющим входом узла 3 управл емого колебательного зар да, управЛЯ10ЩИЙ ключ 1 1 , вход управлени  которого соединенс выходом порогового элемента 9, токоограничитёль 12 (например , резистор), соединеиньш с одной стороны с управл ющим ключом 11, а с другой стороны - с выходом узла 3 управл емого колебательного зар да , источник 13 компенсационного напр жени , отрицательной клеммой соединенный с общей шиной, а положительной клеммой - с управл ющим ключом П, и нагрузку 14 (например, лазер ) , соединенную с вторичной обмоткой выходного импульсного трансформатора 6.

На фиг. 2 показан пример конкретного выполнени  схемы источника питани  дл  лазера. В этой схеме обведенный пунктирным контуром узел 3 управл емого колебательного зар да включает в себ  дроссель-трансформатор 15 с двум  встречно включенными обмотками, причем начало первичной и конец вторичной обмоток соединены в общую точку и образуют вход узла 3 управл емого колебательного зар да, зар дньй диод 16, анод которого соединен с концом первичной обмотки дроссель-трансформатора 15, регулирующий ключ 17, выполненный на тиристоре, соединенном со стороны катода с началом вторичной обмотки дроссель-, трансформатора 15, со стороны анода с общей шиной, а со стороны управл ющего входа - с формирователем 10 импульсов . Делитель 5 напр жени  выполнен на резисторах 18 и 19. Элемент 4 задержки вьшолнен в виде накопительного конденсатора, запускающий ключ 7 выполнен на тиристоре, токоограничи- тель 12 - на резисторе.

Управл ющий ключ 1 может быть выполнен на cи fficтope, как показано на фиг. 3. При этом в состав схемы дополнительно введены трансформатор с вьшр мителем 20 и схема 21 гальванической разв зки, вход трансформатора с выпр мителем 20 через симистор 22 соединен с сетью переменного напр жени , выход через токоограничитёль 12 - параллельно накопительному конденсатору 4, а вход управлени  симистора 22 через схему 21 гальванической разв зки - с выходом компаратора . 9. Эта схема обеспечивает компенсацию токов утечки от сети переменного напр жени .

Дл  уменьшени .габаритов и веса устройства основной источник носто нного питани  выполнен по бестрансформаторной схеме с непосредственным выпр млением напр жени  сети переменного тока (трехфазна  мостова  схема Ларлонова). Однако при этом обща  шина оказываетс  под потенциалом относительно нулевого привода сети. С целью разв зки слаботочных цепей (компаратор, формирователь импульсов источник опорного напр жени ) от общей шины делитель 5 напр жени  заменен оптоэлектронной схемой гальванической разв зки (фиг. 4), котора  включает резистор 23, оптрон 24 (например , диодный), согласующий усилитель 25, где катод входного светодиода соединен с общей шиной, анод через резистор 23 - с выходом узла 3 управл емого колебательного зар да, а выход оптрона (например, выходной фотодиод) - с входом согласующего усилител  25, выход которого соедине с неинвертирующим входом компаратора 9.

Источник питани  работает следующим образом.

Зар д накопительного конденсатора 4 осуществл етс  через первичную обмотку дроссель-трансформатора 15 и зар дный диод 16. Напр жение U, (фиг. 5) на накопительном конденсаторе 4 начинает увеличиватьс  по кривой 26. Напр жение на неинвертирующем входе компаратора повтор ет по форме эту кривую. В момент времени, когда напр жение U. достигнет значени , равного напр жению Е, на клеммах основного источника 1 посто нного напр жени , ток I в первичной обмотке дроссель-трансформатора 15 имеет свое максимальное значение (крива  27). Дальнейший рост U, продолжаетс  за счет энергии в первичной обмотке дроссель-трансформатора 15 и теоретически может достичь значени  2Ед (крива  28). Однако, когда напр жение Uj.. достигнет значени 

и к,

где Ugj, - напр жение на клеммах источника опорного напр жени ;

Кд - коэффициент передачи делител  5 напр жени , напр жени  на входах компаратора выравниваютс , и выходное напр же1ше компаратора U переходит с низкого уровн  на высокий (крива  29), а с положительного фронта U,, на выходе

формировател  10 формируетс  импульс запуска Up (крива  30) регулирующего ключа 17, который открываетс  и подключает вторичную обмотку дроссельтрансформатора 15 параллельно буферному конденсатору 2. Направление включени  обмоток и коэффициент передачи дроссель-траЯсформатора подобраны таким образом, чтобы ток, протекающий во вторичной обмотке после включени  регулирующего ключа 17, обеспечил отвод энергии в буферньй конденсатор 2. При этом ток в первичной обмотке стремитс  к нулю, и зар дный диод 16 закрьтаетс , преп тству  разр ду накопительного конденсатора 4. Однако j(. не остаетс  посто нным . Из-за токов утечки схемных элементов и, преимущественно, тока через делитель 5 напр жени  накопительный конденсатор 4 начинает разр жатьс , и напр жение U. стремитс  к значению Е (крива  31). Это приводит к неравенству

°с г;и выходное напр жение U компаратора 9 переходит с высокого уровн  на низкий. Управл ющий ключ 11 управл етс  с выхода компаратора 9 таким образом, что низкий уровень на выходе компаратора соответствует включенному состо нию ключа, а высокий уровень - выключенному состо нию.Это значит, что после перехода выхода - компаратора 9 на низкий уровень через токоограничитель 12 потечет ток. Уровень и пол рность источника 13 компенсирующего напр жени  выбираютс  таким образом, чтобы ток через токоограничитель 12 бьш больше суммарного тока, вызьшающего разр д накопительного конденсатора 4, и противодействовал этому разр ду. Данное условие должно выполн тьс  во всем

диапазоне изменени  U, т.е. при Ьд Uj,- 2Ед, откуда следует, что напр жение источника 13 компенсационного напр жени  должно быть больше 2Ео, 55 При указанных услови х и при закрытом управл ющем ключе 11 напр жение U(, начинает снова увеличиватьс  (крива  32) до выполнени  услови  Ti H что приводит к новому пе (- V с Кд pвходу и, с низкого уровн  на высокий и -к выключению управл ющего ключа 11. Теперь напр жение U вновь по нижаетс . Таким образом, напр жение U колеблетс  около значени  - . Ам-плитуда колебаний, определ ема  в осно ном гистерезисом компаратора, невели ка и вполне приемлема в данной области применени  устройства. Описанный процесс автоматической компенсации токов утечки продолжает с  до очередного включени  запускаю щего ключа 7, при котором осуществл етс  разр д ншсопительного конденса тора через первичную обмотку вьптодно го импульсного трансформатора 6 (кри ва  33) и генераци  импульса на нагрузке 14 (лазер). Очевидно, что ком пенсаци  обеспечиваетс  сколь угодно долго, а это значит, что исключе на зависимость U от частоты повторени  выходных импульсов источника питани  на низких частотах и в режиме одиночных импульсов. При регулировке напр жени  U, одновременно мен етс  и напр лсение УС - 2Е„ , U- в пределах Е„с пропорцио нально чему мен етс  также и амплитуда выходных импульсов, однако., как видно из графиков, при любых значени х Uj, обеспечиваетс  точна  комленсаци  токов утечки. Во врем  зар да накопительного конденсатора 4 (крива  2G) выходное напр жение компаратора U имеет низкий уровень. Это значит, что через . токоограничитель 12 течет ток. Однако значение этого тока мало и не вли ет на процесс колебательного-зар да . Формирователь 10 формирует импульсы запуска регулирующего ключа 1 при каждом положительном фронте U(, однако с точки зрени  регулировани  имеет значение лишь первый импульс, следующий непосредственно после процесса колебательного зар да, так как к по влению следующих импульсов ток 8° в первичной обмотке дроссель-трансформатора 15 уже имеет нулевое значение (крива  27), т.е. следующие импульсы не вли ют на работу устройства . Последние два обсто тельства дают возможность осуществл ть компенсацию токов утечки накопительного ко1оденсатора при помощи описанной схемы компенсации. Благодар  новой совокупности признаков данное изобретение по сравне1шю с прототипом 2 обладает следующими преиму1цествами: устройство позвол ет работать в щироком диапазоне частот повторени  выходных импульсов, в том числе низких и инфранизких, а также в режиме одиночных импульсов без каких-либо дополнительных операций (дополнитель ар д, переключение и т.д.); .- высока  стабильность амплитуды выходных импульсов, что дл  данного объецста особенно валдао, так как величина выходной энергии лазера пропорциональна квадрату амплитуды выходных импульсов источника питани , тогда как у базового объекта стабилизаци  отсутствует; простота регулировани  амплитуды выходных импульсов источника питани  простым изменением величины опорного напр жени  , тогда как у базового объекта зто регулирование осуществл етс  путем вращени  ручки автотрансформатора; в конечном счете, это позвол ет ввести управление источником от ЭВМ; повышенна  надежность и безопасность эксплуатации благодар  тому что под высоким напр жением в данной схеме находитс  только вторична  обмотка выходного импульсного трансформатора; безопасность эксплуатации обеспечиваетс  тшсже тем, что быстрый разр д накопительного конденсатора лазера обеспечиваетс  при выключении источншса питани ; уменьшены габариты благодар  использованию только одного (выходного импульсного) трансформатора.

к

22

CSJ .3

Z5

(D

72

tfTUffA

28

L.

27 /

cpus.5

Claims (3)

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, 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 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 5 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 π. 1, о т личающийся 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 порого

SU „„1277358 вого элемента.

3. Источник питания по π. 1, о тли чающийся 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 диодный, и согла сующий усилитель, причем катод вход· ного 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.