Блок питания с устройством управления энергией накачки лазерного излучателя

Авторы патента:


 

Полезная модель относится к радиотехнике, в частности, к устройствам питания и регулировки энергии накачки лазерных излучателей, работающих в режиме пассивной модуляции добротности. Техническим результатом полезной модели является обеспечение возможности автоматического регулирования энергии накачки, соответствующей порогу возникновения генерации, независимо от условий эксплуатации и старения основных элементов лазерного излучателя. Достижение указанного технического результата обеспечивается в предлагаемом блоке питания с устройством управления энергией накачки лазерного излучателя, включающего лампу накачки, активную среду, резонатор, образованный «глухим» и выходным зеркалами, активный элемент (АЭ), пассивный лазерный затвор и фотоприемник, содержащем преобразователь напряжения, имеющий выходы низкого и высокого напряжений, при этом к низковольтному выходу подключен основной накопительный конденсатор, через диод связанный с конденсатором предварительного разряда лампы накачки, а к высоковольтному выходу подключен второй накопительный конденсатор, токоограничивающее сопротивление, также соединенное с конденсатором предварительного разряда лампы накачки, блок поджига лампы накачки, связанный с коммутатором, причем блок поджига соединен с лампой накачки и содержит диод для защиты коммутатора от выброса напряжения в момент включения, трансформатор поджига, к первому концу первичной обмотки которого подключен конденсатор поджига, а к первому концу вторичной обмотки - токоограничивающее сопротивление, отличающемся тем, что блок поджига дополнительно содержит токоограничивающее сопротивление, включенное между низковольтным выходом преобразователя напряжения и первым концом первичной обмотки трансформатора поджига, другой конец которой соединен с катодом лампы накачки, анодом диода для защиты коммутатора от выброса напряжения в момент включения и эмиттером транзисторного ключа, входящего в коммутатор, база транзисторного ключа соединена с мощным драйвером, включенным на выходе одновибратора, также входящего в коммутатор, один вход одновибратора связан с фотоприемником лазерного излучателя, формирующим сигнал «старт», на другой вход одновибратора подан управляющий сигнал «поджиг», а второй конец вторичной обмотки трансформатора поджига соединен с анодом лампы накачки.

Полезная модель относится к радиотехнике, в частности, к устройствам питания и регулировки энергии накачки лазерных излучателей, работающих в режиме пассивной модуляции добротности, и может быть использовано в малогабаритных лазерных дальномерах, работающих в широком диапазоне механических и климатических воздействий.

Известно устройство накачки импульсных твердотельных оптических квантовых генераторов (см. Scientific Technology Center Cobra-Optics http://www.scitc.ru/ry/blog/151-lampi-nackachki-chast-5.html, содержащее источник питания (высоковольтный преобразователь), накопительный конденсатор, положительная обкладка которого подключена через последовательно соединенные демпфирующий диод, первичную обмотку трансформатора, лампу накачки к коллектору мощного высоковольтного npn транзистора (например, IGBT), эмиттер которого соединен с отрицательной обкладкой накопительного конденсатора. Так как транзистор типа IGBT управляет длительностью импульса, отпадает надобность в дросселе, формирующем форму разрядного импульса.

Данное устройство имеет невысокий КПД, а ввиду отсутствия дросселя в разрядном контуре при быстром разряде накопителя создаются помехи, затрудняющие работу сопрягаемой с лазером аппаратуры.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является устройство питания лазерного дальномера (см. патент на изобретение РФ 2135954, М. кл. G01C 3/00, G01S 17/08, G02B 23/08, опубл. 27.08.1999 г.), содержащее блок питания, выполненный в виде высоковольтного преобразователя, тиристорный коммутатор с управляющим входом, блок поджига лампы накачки со входом запуска, и накопительный конденсатор, подключенный к выходу высокого напряжения преобразователя и ко входу тиристорного коммутатора, при этом в устройстве питания имеется дополнительный накопительный конденсатор, предназначенный для предварительного разряда лампы накачки, и устройство развязки, при этом преобразователь напряжения имеет также выход низкого напряжения, причем последний подключен к дополнительному накопительному конденсатору, который связан через устройство развязки с выходом тиристорного коммутатора, выход которого подключен через резистор к основному накопительному конденсатору, вход запуска блока поджига лампы накачки подключен ко входу блока задержки, выход которого соединен с управляющим входом тиристорного коммутатора, а вход преобразователя напряжения связан со входом логического элемента И. При этом блок поджига лампы накачки выполнен в виде шунтирующего конденсатора и дополнительного тиристорного коммутатора, включенного в разрядный C, L контур, образованный вторым дополнительным накопительным конденсатором с зарядной цепочкой и первичной обмоткой повышающего трансформатора (трансформатора поджига), вторичная обмотка которого образует последовательную цепь с лампой накачки, причем параллельно этой цепи включен шунтирующий конденсатор, при этом второй дополнительный накопительный конденсатор подключен через зарядную цепочку к выходу низкого напряжения преобразователя напряжения, а управляющий вход дополнительного тиристорного коммутатора блока поджига лампы накачки связан со входом запуска последнего.

В данном устройстве, несмотря на повышение КПД преобразования электрической энергии разряда накопительного конденсатора в световую энергию излучения лампы накачки, невозможно осуществлять автоматическое регулирование энергии накачки, соответствующее порогу возникновения генерации, из-за недостаточной продолжительности цикла излучения лазера при сохранении моноимпульсного режима генерации, т.е. из-за снижения ресурса работы оптических элементов квантового генератора.

Техническим результатом полезной модели является обеспечение возможности автоматического регулирования энергии накачки, соответствующей порогу возникновения генерации, независимо от условий эксплуатации и старения основных элементов лазерного излучателя.

Достижение указанного технического результата обеспечивается в предлагаемом блоке питания с устройством управления энергией накачки лазерного излучателя, включающего лампу накачки, активную среду, резонатор, образованный «глухим» и выходным зеркалами, активный элемент (АЭ), пассивный лазерный затвор и фотоприемник, содержащем преобразователь напряжения, имеющий выходы низкого и высокого напряжений, при этом к низковольтному выходу подключен основной накопительный конденсатор, через диод связанный с конденсатором предварительного разряда лампы накачки, а к высоковольтному выходу подключен второй накопительный конденсатор, токоограничивающее сопротивление, также соединенное с конденсатором предварительного разряда лампы накачки, блок поджига лампы накачки, связанный с коммутатором, причем блок поджига соединен с лампой накачки и содержит диод для защиты коммутатора от выброса напряжения в момент включения, трансформатор поджига, к первому концу первичной обмотки которого подключен конденсатор поджига, а к первому концу вторичной обмотки - токоограничивающее сопротивление, отличающемся тем, что блок поджига дополнительно содержит токоограничивающее сопротивление, включенное между низковольтным выходом преобразователя напряжения и первым концом первичной обмотки трансформатора поджига, другой конец которой соединен с катодом лампы накачки, анодом диода для защиты коммутатора от выброса напряжения в момент включения и эмиттером транзисторного ключа, входящего в коммутатор, база транзисторного ключа соединена с мощным драйвером, включенным на выходе одновибратора, также входящего в коммутатор, один вход одновибратора связан с фотоприемником лазерного излучателя, формирующим сигнал «старт», на другой вход одновибратора подан управляющий сигнал «поджиг», а второй конец вторичной обмотки трансформатора поджига соединен с анодом лампы накачки.

Прекращение разряда основного накопительного конденсатора в момент появления лазерного излучения путем подачи электрического сигнала с фотоприемника на вход одновибратора с последующим закрытием транзисторного ключа обеспечивает автоматическую регулировку энергии накачки на уровне порога независимо от условий эксплуатации и старения основных элементов лазерного излучателя.

Включение между низковольтным выходом преобразователя напряжения и первым концом первичной обмотки трансформатора поджига токоограничивающего сопротивления позволяет при предложенной автоматической регулировке энергии накачки уменьшить уровень электромагнитной помехи при резком обрыве тока транзисторным ключом.

Предлагаемая полезная модель поясняется чертежом, где показана функциональная схема предлагаемого блока питания с устройством управления энергией накачки лазерного излучателя.

На чертеже показаны: блок 1 питания, лазерный излучатель 2, преобразователь 3 напряжения, основной накопительный конденсатор 4, диод 5, дополнительный накопительный конденсатор 6, токоограничивающее сопротивление 7, конденсатор 8 предварительного разряда, токоограничивающее сопротивление 9 блока поджига, диод 10 для защиты от выброса напряжения в момент включения, конденсатор 11 поджига, одновибратор 12 с мощным драйвером на его выходе, трансформатор 13 поджига, транзисторный ключ 14, лампа 15 накачки (поджига), входящая в лазерный излучатель 2, в котором также имеются активный элемент (АЭ) 16, пассивный лазерный затвор 17, выходное зеркало 18, «глухое» зеркало 19 и фотоприемник 20. При этом преобразователь 3 напряжения имеет выходы высокого и низкого напряжений, причем к низковольтному выходу положительной обкладкой подключен основной накопительный конденсатор 4, через диод 5 связанный с конденсатором 8 предварительного разряда лампы 15 накачки, а к высоковольтному выходу подключен второй накопительный конденсатор 6, токоограничивающее сопротивление 7, также соединенное с конденсатором 8 предварительного разряда лампы 15 накачки, в блок поджига входят одновибратор 12 с мощным драйвером на его выходе, на один вход которого подан сигнал «поджиг», а его второй вход соединен с выходом « старт» фотоприемника 20, а выход одновибратора 12 подключен к базе транзисторного ключа 14, также входящего в блок поджига, эмиттер которого подключен к одному концу первичной обмотки трансформатора 13 поджига, к которой также подключены катод лампы 15 поджига и анод диода 10 для защиты транзисторного ключа 14 от выброса напряжения в момент включения, катод которого соединен с положительной обкладкой накопительного конденсатора 4 и один конец токоограничивающего сопротивления 9, второй конец которого соединен с другим концом первичной обмотки трансформатора 13 поджига, к одному концу вторичной обмотки трансформатора 13 поджига подключен второй конец токоограничивающего сопротивления 7, а к другому концу вторичной обмотки трансформатора 13 поджига подключен анод лампы 15 накачки.

Работа предлагаемого устройства осуществляется следующим образом. По внешнему управляющему сигналу «запуск» в момент времени t0 преобразователь 3 напряжения формирует два выходных напряжения - низковольтное и высоковольтное. Низковольтное заряжает основной накопительный конденсатор 4 через токоограничивающее сопротивление 9 - конденсатор 11 поджига. Высоковольтное заряжает накопительный конденсатор 6 через токоограничивающее сопротивление 7 - конденсатор 8 предварительного разряда. Через вторичную обмотку трансформатора 13 поджига напряжение с конденсатора 8 предварительного разряда поступает на анод лампы 15 накачки. По окончании заряда, в момент времени t1 внешний управляющий сигнал «поджиг» поступает на один из входов одновибратора 12, при этом открывается транзисторный ключ 14, и напряжение с конденсатора 11 поджига подается на первичную обмотку трансформатора 13 поджига, что приводит к формированию в его вторичной обмотке импульса высокого напряжения, который инициирует пробой межэлектродного промежутка лампы 15 накачки. Конденсатор 8 предварительного разряда обеспечивает устойчивый предварительный разряд вплоть до уровня напряжения основного накопительного конденсатора 4. Закрытый до этого момента диод 5 открывается, и начинается разряд основного накопительного конденсатора 4 на лампу 15 накачки через вторичную обмотку трансформатора 13 поджига, индуктивность которой, в том числе, ограничивает скорость нарастания разрядного тока. Форма разрядного тока близка к прямоугольной, что обеспечивает КПД преобразования электрической энергии разряда основного накопительного конденсатора 4 в световую энергию излучения лампы 15 накачки. При этом величина емкости основного накопительного конденсатора 4 выбрана таким образом, чтобы значение запасенной в нем электрической энергии превышало значение энергии накачки с учетом условий эксплуатации и старения основных элементов лазерного излучателя 2.

Под действием импульса световой накачки в условиях низкой добротности резонатора (т.е. отсутствия усиления, возникающего из активной среды излучения) в АЭ 16 происходит накопление энергии накачки до тех пор, пока не произойдет просветление пассивного лазерного затвора 17. Этот процесс имеет пороговый характер. При достижении порога, когда запасенная в АЭ 16 энергия превысит потери в резонаторе, скачкообразно повышается прозрачность пассивного лазерного затвора 17, резко нарастает добротность резонатора, и генерируется интенсивный импульс лазерного излучения. Очень малая часть этого излучения через «глухое» зеркало 19 попадает на фотоприемник 20, который формирует сигнал «старт», поступающий на второй вход одновибратора 12. При поступлении этого сигнала одновибратор 12 закрывает транзисторный ключ 14, разряд основного накопительного конденсатора 4 прекращается. Соответственно, прекращается и световая накачка. Энергия, запасенная во вторичной обмотке трансформатора 13 поджига, через диоды 10 и 5 также уходит в лампу 15 накачки. Поэтому выброс напряжения на коллекторе транзисторного ключа 14 не превысит напряжении основного накопительного конденсатора 4, что позволяет в качестве ключевых элементов использовать относительно недорогие IGBT - транзисторы с максимальным напряжением коллектор эмиттер - 600 В. В результате происходит автоматическое регулирование энергии накачки, соответствующей порогу возникновения генерации.

В режиме свободной генерации (без пассивного затвора 17) или активной модуляции добротности при настройке фотоприемника 20 на определенный энергетический порог, устройство будет автоматически поддерживать установленную энергию излучения независимо от условий эксплуатации и старения основных элементов лазерного излучателя.

В режиме ручной регулировки энергия накачки выставляется изменением длительности импульса «поджиг».

В примере конкретного выполнения в качестве твердотельного лазера использовался активная среда 16 из кристалла КГВ: Nd3 + диаметром 4 и длиной 50 мм, установленным в лейкосапфировую трубку для обеспечения оптимального режима термостабилизации при работе в режиме с частотами следования импульсов излучения до 20 Гц.

В качестве пассивного лазерного затвора 17 может быть использован кристалл иттрий алюминиевого граната, активированный ионами хрома, а в качестве лампы 15 накачки может быть использована лампа ИНП2-35А. Трансформатор поджига 13 выполнен на ферритовом кольце типа МН2000 размерами 45×27×16, количество витков первичной обмотки - 3, количество витков вторичной обмотки - 100. В качестве транзисторного ключа 14 использовались транзисторы типа IRG4PC40U, в качестве одновибратора 12 - микросхема типа IR2110S.

Блок питания с устройством управления энергией накачки лазерного излучателя, включающего лампу накачки, активную среду, резонатор, образованный "глухим" и выходным зеркалами, активный элемент (АЭ), пассивный лазерный затвор и фотоприемник, содержащий преобразователь напряжения, имеющий выходы низкого и высокого напряжений, при этом к низковольтному выходу подключен основной накопительный конденсатор, через диод связанный с конденсатором предварительного разряда лампы накачки, а к высоковольтному выходу подключен второй накопительный конденсатор, токоограничивающее сопротивление, также соединенное с конденсатором предварительного разряда лампы накачки, блок поджига лампы накачки, связанный с коммутатором, причем блок поджига соединен с лампой накачки и содержит диод для защиты коммутатора от выброса напряжения в момент включения, трансформатор поджига, к первому концу первичной обмотки которого подключен конденсатор поджига, а к первому концу вторичной обмотки - токоограничивающее сопротивление, отличающийся тем, что блок поджига дополнительно содержит токоограничивающее сопротивление, включенное между низковольтным выходом преобразователя напряжения и первым концом первичной обмотки трансформатора поджига, другой конец которой соединен с одним из электродов лампы накачки, анодом диода для защиты коммутатора от выброса напряжения в момент включения и эмиттером транзисторного ключа, входящего в коммутатор, база транзисторного ключа соединена с мощным драйвером, включенным на выходе одновибратора, также входящего в коммутатор, один вход одновибратора связан с фотоприемником лазерного излучателя, формирующим сигнал "старт", на другой вход одновибратора подан управляющий сигнал "поджиг", а второй конец вторичной обмотки трансформатора поджига соединен со вторым электродом лампы накачки.

РИСУНКИ



 

Похожие патенты:
Наверх