Источник питания электроразрядных импульсных лазеров

(19 ОБ ВТОРС емен сов уз Ят ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ ССС ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫ У СВИДЕТЕЛЬСТ(71) Специальное конструкторское бюро АН ЭССР(56) 1. Патент Великобритании Р 1107127, кл. Н 03 К 1/02, опублик.1968.2, Н 1 пЬисеЕ Ч. Ьоюозв Сопго 1 апй БгаЬ 11 ь.гагдоп ой Нь.ф Чо 1 гаде Ри 1 зе Роюег Яопгсез аког Маяпеггопз апй Ьавегз. - Тез 1 а Е 1 есггопсв, 1979, У 1, р. 13-21.(54)(57) 1, ИСтОчНиК ПИтАНия электРо- РАЗРЯДНЫХ ИМПУЛЬСНЫХ ЛАЗЕРОВ, содержащий основной источник постоянногонапряжения, 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 ла управляемого колебательного зар да, делитель напряжения, включенн 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, исочник опорного напряжения, отрицательной клеммой соединенный с общей шиноР триггерный пороговый элемент,51) 1 Н ж К 3/53 Н 01 Я 3/О например компаратор, неинвертирующий вход которого соединен со средней точкой делителя напряжения, ин. - вертирующий 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, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения КПД источника питания, а также обеспечения работы в режиме одиночных импуль и упрощения регулировки амплитуды выходных импульсов с помощью ЭВМ, в него дополнительно введены источник компенсационного напряжения, управляющий ключ и токоограничитель, например резистор, соединенные между собой последовательно и подключенные параллельно элементу задержки, причем вход управления управляющегоключа соединен с выходом триггерного порогового элемента.2. Источник питания по и. 1, о т - л и ч а ю щ и й с я 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 порогового элемента.277358 3. Источник питания по и, 1, о тл и ч а ю щ и й с я 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 диодньй, и соглаИзобретение относится к импульсной технике, преимущественно к устройствам питания электроразрядных импульсных лазеров, и может найти применение в радиолокационной технике.Известно устройство генерации импульсов стабильной амплитуды, предназначенное для питания радиолокационных устройств, содержащее элементзадержки (в простейшем случае - накопительный конденсатор), который заряжается от однополупериодного выпрямителя и разряжается через запускающийключ (например, тиратрон или тиристор). Стабильность амплитуды выходных импульсов в этом устройстве достигается за счет стабилизиации напряжения на элементе задержки. Схемастабилизации представляет собой управляемый шунт, состоящий из последовательно соединенных балластного резистора и регулирующей вакуумной лампы. Шунт подключен параллельно к выходу выпрямителя. Управляющая сеткалампы подсоединена с одной стороны 25через резистор к источнику стабилизированного отрицательного напряжения, а с другой стороны через погенциометр обратной связи - к положительной клемме выпрямителя 1. ЗОУстройство обеспечивает работу вшироком диапазоне частот повторениявыходных импульсов, в том числе и в режиме одиночных импульсов, однако стабилизация в этой схеме обеспечивается за счет рассеивания части . энергии на регулируемом шунте что существенно ухудшает 1 СПД источника питания, Это обстоятельство ограничивает возможности использования дан ного вида источника питания для мощных электроразрядных лазеров. сующий усилитель, причем катод входного светодиода соединен с общей шиной, анод - с резистором, а выходоптрона, например выходной фотоди -од, - с входом согласующего усилите,я выход которого соединен с неинвертирующим входом триггерного порогового элемента. Наиболее близким к изобретению является источник питания лазеров разработки фирмы "Тесла, который представляет собой источник питания электроразрядных импульсных лазеров, содержащий основной источник постоянного напряжения, подсоединенный к нему параллельно буферный конденсатор, узел управляемого колебательного заря,ца, 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 2 .Упомянутый узел управляемого колебательного заряда обеспечивает за - ряд элемента задержки (накопительного конденсатора) через последова27 7358 510 5 5055 тельно соединенные дроссель и зарядный диод и регулирование напряжения заряда элемента задержки по принципу отвода лишней энергии из дросселя в промежуточный накопитель или в основной источник постоянного питания с ее последующим использованием. Момент начала отвода энергии определяется поступлением импульса на вход управления схемы.Источник питания по прототипу обеспечивает стабилизированный и управляемый заряд элемента задержки (накопительного конденсатора), притом регулирование напряжения на элемент задержки, а следовательно, и регулирование амплитуды выходных импульсов осуществляются регулированием напряжения на входе источника опорного напряжения, что удобно с точки зрения управления источником питания от ЭВМ. Возможность регулировки и стабилизации напряжения на элементе задержки достигается в данном устройстве за счет отвода лишней энергии, запасенной в первичной обмотке дроссель-трансформатора при колебательном заряде, обратно в буферный конденсатор путем включения регулирующего ключа в нужный момент времени, определяемый триггерной схемой (компаратором), и подсоединением тем самым вторичной обмотки дроссельтрансформатора параллельно к буферному конденсатору. По сравнению с другими известными устройствами эта схема обеспечивает регулирование напряжения при низких потерях и как результат - высокий КПД источника питания. Однако в данном устройстве при низких частотах повторения выходных импульсов наблюдается заметная зависимость напряжения на элементе задержки от частоты, так как при значительных паузах между импульсами элемент задержки успевает разрядиться за счет токов утечки в схемных элементах. Это затрудняет использование источника питания при низких частотах следования или при одиночных выходных импульсах.Цель изобретения - повышение КПД источника питания, а также обеспечение работы в режиме одиночных импульсов и упрощение регулировки амплитуды выходных импульсов с помощью ЭВМ и, кроме того, развязка слаботочных цепей схемы от общей шины.Поставленная цель достигается тем, что в источник питания электроразрядных импульсных лазеров, содержащий1основной 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 общейшиной, а другой - с выходом узла управляемого колебательного заряда, делитель напряжения, включенный параллельно элементу задержки, выходной импульсный трансформатор, соединенный одним концом первичнбй обмотки с выходом узла управляемого колебательного заряда, а другим концом - с запускающим ключом, другой вывод которого соединен с общей шиной, источник 25опорного напряжения, отрицательной клеммой соединенный с общей шиной, триггерный пороговый элемент, например компаратор, неинвертирующий вход которого соединен со средней точкой З 0 делителя напряжения, инвертирующийвход - с положительной клеммой источника опорного напряжения, а выход через формирователь импульсов - с управляющим входом узла управляемого 35 колебательного заряда, заземляющаяклемма которого соединена с общей шиной, и нагрузку, например лазер, дополнительно введены источник компенсационного напряжения, управляю щий ключ и токоограничитель, например резистор, соединенные между собой последовательно и подключенные параллельно элементу задержки, причем вход управления управляющего клю ча соединен с выходом триггерного порогового элемента. 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 токо- ограничительный элемент параллельно элементу задержки, вход управления симистором через цепь гальваническойразвязки соединен с выходом триггер- ного порогового элемента.Делитель напряжения выполнен на оптоэлектронном элементе гальванической развязки, 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 фотодиод, - с входом согласующего усилителя, выход которого соединен с неинвертирующим входом триггерного порогового элемента.На фиг, 1 изображена блок-схема источника питания электроразрядных импульсных лазеров; на фиг. 2 - принципиальная схема источника питания; на фиг. 3 - схема компенсации, вариант выполнения; на фиг. 4 - схема оптоэлектронной гальванической развязки; на. фиг, 5 - временные диаграммы работы устройства.Источник питания лазера (фиг, 1) содержит основной источник 1 постоянного напряжения с подключенным к нему параллельно буферным конденсатором 2, узел 3 управляемого колебательного заряда, подсоединенный со стороны входа к положителыгой клемме основного источника постоянного напряжения, а со стороны выхода - к элементу 4 задержки (накопительному конденсатору), при этом второй конец элемента задержки соединен с об- . щей шиной, делитель 5 напряжения, одним концом соединенньцг с выходом узла 3 управляемого колебательного заряда, а другим концом - с общей шиной, выходной импульсный трансформатор 6, соединенный с выходом узла 3 управляемого колебательного заряда, запускающий ключ 7, соединенный с выходным импульсным траггсформатором 6 и общей шиной, источник 8 Опорного напряжения, отрицательная клемма которого соединена с общей шиной, пороговйй элемент (компаратор) 9, неинвертирующий вход которого соединен со средней точкой делителя 5 напряжения, инвертирующий вход - с положительной клеммой источника 8 опорного напряжения, формирователь 10 импульсов, вход которого соединен с выходом порогового элемента 9, а выход - с управляющим входом узла 3 управляемого колебательного заряда, управ Управляющий ключ 1 может быть выполнен на симисторе, как показано на фиг, 3, При этом в состав схемы дополнительно введены трансформатор с выпрямителем 20 и схема 21 гальванической развязки, вход трансформатора с выпрямителем 20 через симистор 2250 соецинен с сетью переменного напряжения, выход через токоограничитель 12 - параллельно накопительномуконденсатору 4, а вход управления симистора 22 через схему 21 гальвани 55 ческой развязки - с выходом компаратора. 9. Эта схема обеспечивает компенсацию токов утечки от сети переменного напряжения. 5 О 15 20 25 ЗО 35 40 ляющий ключ 11, вход управления которого соединен с выходом пороговогоэлемента 9, токоограничитель 12 (например, резистор), соединенный с одной стороны с управляющим ключом 11,а с другой стороны - с выходом узла 3 управляемого колебательного заряда, источник 13 компенсационногонапряжения, отрицательной клеммой соединенный с общей шиной, а положительной клеммой - с управляющим ключом 11, и нагрузку 14 (например, лазер), соединенную с вторичной обмоткой выходного импульсного трансформатора 6.На фиг. 2 показан пример конкретного выполнения схемы источника питания для лазера. В этой схеме обведенный пунктирным контуром узел 3управляемого колебательного зарядавключает в себя дроссель-трансформатор 15 с двумя встречно включеннымиобмотками, причем начало первичной иконец вторичной обмоток соединены вобщую точку и образуют вход узла 3управляемого колебательного заряда,зарядный диод 16, анод которого соединен с концом первичной обмотки дроссель-трансформатора 15, регулирующийключ 17, выполненный на тиристоре,соединенном со стороны катода с началом вторичной обмотки дроссель-,трансформатора 15, со стороны анода -с общей шиной, а со стороны управляющего входа - с формирователем 10 импульсов, Делитель 5 напряжения выполнен на резисторах 18 и 19. Элемент 4задержки выполнен в виде накопительного конденсатора, запускающий ключ 7выполнен на тиристоре, токоограничитель 12 - на резисторе, 12773585 1 О 15 20 25 ЗО 35 40 45 50 55 Для уменьшения, габаритов и весаустройства основной источник постоянного питания выполнен по бестрансформаторной схеме с непосредственнымвыпрямлением напряжения сети переменного тока (трехфазная мостоваясхема Ларионова). Однако при этом общая шина оказывается под потенциаломотносительно нулевого привода сети.С целью развязки слаботочных цепей(компаратор, формирователь импульсов,источник опорного напряжения) от общей шины делитель 5 напряжения заме -нен оптоэлектронной схемой гальванической развязки (фиг. 4), котораявключает резистор 23, оптрон 24 (например, диодный), согласующий усилитель 25, где катод входного светодиода соединен с общей шиной, анодчерез резистор 23 - с выходом узла 3управляемого колебательного заряда,а выход оптрона (например, выходнойфотодиод) - с входом согласующегоусилителя 25, выход которого соединенс неинвертирующим входом компаратора 9,Источник питания работает следующим образом.Заряд накопительного конденсатора 4 осуществляется через первичнуюобмотку дроссель-трансформатора 15и зарядный диод 16. Напряжение Б(фиг. 5) на накопительном конденса -торе 4 начинает увеличиваться по кривой 26. Напряжение на неинвертирующем входе компаратора повторяет поформе эту кривую. В момент времени,когда напряжение Б достигнет значения, равного напряжению Е, на клеммах основного источника 1 постоянного напряжения, ток 1 в первичнойобмотке дроссель-трансформатора 15имеет свое максимальное значение(кривая 27). Дальнейший рост Б продолжается за счет энергии в первич-,ной обмотке дроссель-трансформатора 15 и теоретически может достичьзначения 2 ЕО (кривая 28). Однако,когда напряжение Ь достигнет значенияПапЦс 1;где Ы - напряжение на клеммах исоатоцпика опорного напряжения;Е - коэффициент передачи делиДтеля 5 напряжения,напряжения на входах компаратора выравниваются, и выходное напряжениекомпаратора П переходит с низкогоуровня на высокий (кривая 29), а сположительного фронта 11 на выходе=формирователя 10 формируется импульсзапуска П (кривая 30) регулирующегоключа 17, который открывается и подключает вторичную обмотку дроссельтрансформатора 15 параллельно буферному конденсатору 2. Направлениевключения обмоток и коэффициент передачи дроссель-трансформатора подобраны таким образом, чтобы ток, протекающий во вторичной обмотке послевключения регулирующего ключа 17,обеспечил отвод энергии в буферныйконденсатор 2. При этом ток в первичной обмотке стремится к нулю, изарядный диод 16 закрывается, препятствуя разряду накопительного конденсатора 4. Однако Ьс не остается постоянным, Из-за токов утечки схемныхэлементов и, преимущественно, токачерез делитель 5 напряжения накопительный конденсатор 4 начинает разряжаться, и напряжение П стремитсяк значению Е (кривая 31), Это приводит к неравенству 11 опскди выходное напряжение 11 компаратора 9 переходит с высокого уровня на низкий. Управляющий ключ 11 управляется с выхода компаратора 9 таким образом, что низкий уровень на выходе компаратора соответствует включенному состоянию ключа, а высокий уровень - выключенному состоянию.Это значит, что после перехода выхода -" компаратора 9 на низкий уровень через токоограничитель 12 потечет ток. Уровень и полярность источника 13 компенсирующего напряжения выбираются таким образом, чтобы ток через токоограничитель 12 был больше суммарного тока, вызывающего разряд накопительного конденсатора 4, и противодействовал этому разряду, Данное условие должно выполняться во всем диапазоне изменения Б , т.е. при 1, с П с 2 Е , откуда следует, что напряжение источника 13 компенсационного напряжения должно быть больше 2 Е,При указанных условиях и при закрытом управляющем ключе 11 напряжение Б начинает снова увеличиватьсясПопП ) - , что приводит к новому пес Креходу П с низкого уровня на высокий и к выключению управляющего ключа 11, Теперь напряжение 11 вновь поснижается,Таким образом, напряжение П колеблется около значения - . АмплиПсчКтуда колебаний, определяемая в основном гистереэисом компаратора, невелика и вполне приемлема в данной области применения устройства,Описанный процесс автоматическойкомпенсации токов утечки продолжается до очередного включения запускающего ключа 7, при котором осуществляется разряд накопительного конденсатора через первичную обмотку выходного импульсного трансФорматора 6 (кривая 33) и генерация импульса на нагрузке 14 (лазер). Очевидно, что компенсация обеспечивается сколь угодно долго, а это значит, что исключена зависимость П от частоты повторения выходных импульсов источникапитания на низких частотах и в режиме одиночных импульсов.При регулировке напрккения Поподновременно меняется и напряжениеП в пределах ЕоЦ с 2 Е , пропорционально чему меняется также и амплитуда выходных импульсов, однако., каквидно из граФиков, при любых значениях Б обеспечивается точная комс,пенсация токов утечки,Во время заряда накопительногоконденсатора 4 (кривая 26) выходноенапряжение компаратора П имеет низкий уровень. Это значит, что через, токоограничитель 12 течет ток. Однако значение этого тока мало и невлияет на процесс колебательного заряда,Формирователь 10 Формирует импульсы запуска регулирующего ключа 17при каждом положительном Фронте Пк,однако с точки зрения регулированияимеет значение лишь первый импульс,следующий непосредственно после процесса колебательного заряда, так какк появлению следующих импульсов ток40 ность эксплуатации благодаря тому;что под высоким напряжением в данной схеме находится только вторичная обмотка выходного импульсного трансФорматора;безопасность эксплуатации обеспечивается также тем, что быстрый разряд накопительного конденсатора лазера обеспечивается при выключении источника питания;уменьшены габариты благодаря использованию только одного (выходного импульсного) трансФорматора. 5 10 15 20 25 30 35 в первичной обмотке дроссель-трансформатора 15 уже имеет нулевое зна- чение (кривая 27), т.е, следующие импульсы не влияют на работу устройства.Последние два обстоятельства дают возможность осуществлять компенсацию токов утечки накопительного конденсатора при помощи описанной схемы компенсации.Благодаря новой совокупности признаков данное изобретение по сравнению с прототипом 21 обладает следующими преимуществами:устройство позволяет работать в широком диапазоне частот повторения выходных импульсов, в том числе низких и инфранизких, а также в режиме одиночных импульсов без каких-либо дополнительных операций (дополнительный заряд, переключение и т,д,);г высокая стабильность амплитуды выходных импульсов, что для данного ,объекта особенно важно, так как величина выходной энергии лазера пропорциональна квадрату амплитуды выходных импульсов источника питания, тогда как у базового объекта стабилизация отсутствует;простота регулирования амплитуды выходных импульсов источника питания простым изменением величины опорногс напряжения 11 , тогда как у базовсго объекта это регулирование осуществляется путем вращения ручки автотрансформатора; в конечном счете, это позволяет ввести управление источником от ЭВМ;повышенная надежность и безопас 177358ЛЛ 7 358Составитель С. Маценко Редактор М. Петрова Техред А,Кравчук Корректор М. Шароши Заказ 6758/55 Тираж 816 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий113035, Москва, Б, Раушская наб., д. 4/5 Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4