Стабилизатор импульсной мощности излучения диодного лазера

 

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано для запитки диодных лазеров в импульсном режиме. Задачей изобретения является упрощение устройства для стабилизации импульсной мощности, длительности и периода включения диодного лазера при воздействии дестабилизирующих факторов при питании от источника с минимальным напряжением. Стабилизатор импульсной мощности излучения диодного лазера содержит нагрузку в виде диодного лазера, состоящего из источника излучения - лазерного диода и приемника мощности его излучения - фотодиода, а также электронный ключ в виде транзистора, элемент обратной связи, первый диод, блок формирования порога, блок управления и компаратор, один вход которого соединен с выходом блока формирования порога, а другой вход соединен с первым выводом элемента обратной связи, второй вывод которого соединен с общей шиной питания. Новым является то, что в него введены интегрирующая RC-цепь и второй диод, при этом выход блока управления соединен через первый диод с базой транзистора, эмиттер которого соединен с общей шиной питания, а коллектор соединен с катодом лазерного диода, при этом анод фотодиода соединен с первым выводом элемента обратной связи, а анод лазерного диода, катод фотодиода и вход блока формирования порога соединены с шиной питания, а выход компаратора соединен со входом интегрирующей RC-цепи, выход которой через второй диод соединен с выходом блока управления, который запитан от выхода блока формирования порога. Блок управления выполнен в виде мультивибратора на двух вентилях 2ИЛИ-НЕ КМОП-структуры с дополнительным вентилем-буфером и токоограничивающим резистором на выходе, при этом выход первого вентиля соединен с первым входом второго вентиля и с первым выводом первого резистора, второй вывод которого соединен с точкой подключения конденсатора и второго резистора, соответственно второй вывод конденсатора соединен с выходом второго вентиля и с объединенными входами вентиля-буфера, а второй вывод второго резистора соединен с первым входом первого вентиля, при этом выход второго вентиля через последовательно включенные диод и третий резистор соединен с первым входом первого вентиля, а вторые входы первого и второго вентилей соединены с общей шиной питания. Компаратор выполнен на вентиле 2ИЛИ-НЕ КМОП-структуры, при этом одним входом компаратора являются объединенные входы вентиля, а другим входом является шина питания вентиля. Блок формирования порога выполнен на параметрическом стабилизаторе напряжения с RC-фильтром. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано для запитки диодных лазеров в импульсном режиме, обеспечивающем более высокий КПД лазера.

Известен транзисторный ключ [1], содержащий силовой и управляющий транзисторы разного типа проводимости, стабилитрон, диод, восемь резисторов, компаратор, времязадающий блок (например, одновибратор) и датчик тока; коллектор силового транзистора подключен к выходной шине, а эмиттер - к первому выводу первого резистора и одному выводу второго резистора, другой вывод которого соединен с базой силового транзистора и через третий резистор с коллектором управляющего транзистора, база которого подключена к первым выводам четвертого и пятого резисторов, второй вывод первого резистора соединен с первым выводом шестого резистора, первые выводы седьмого и восьмого резисторов соответственно подключены к общей шине и первой шине питания, неинвертирующий вход компаратора соединен со вторыми выводами седьмого и восьмого резисторов, а инвертирующий вход - с первым выводом шестого резистора, второй вывод которого подключен к первой шине питания, выход компаратора через диод соединен с входом времязадающего блока, выход которого подключен во второму выводу четвертого резистора, эмиттер управляющего транзистора соединен со второй шиной питания, база и эмиттер силового транзистора соответственно через стабилитрон и датчик тока подключены к общей шине, второй вывод пятого резистора соединен с входной шиной.

Известный транзисторный ключ обеспечивает стабильную амплитуду импульсов тока в нагрузке при подаче опорной частоты на его входную шину и с незначительными изменениями его можно использовать для запитки диодного лазера в импульсном режиме, но при этом остаются нерешенными вопросы по обеспечению требуемой формы импульса, например, прямоугольной, и его длительности при активном характере нагрузки.

Наиболее близким по составу признаков для предлагаемого технического решения является формирователь импульсов тока [2], содержащий электронный ключ, индуктивную нагрузку, элемент обратной связи, демпфирующий элемент, компаратор, блок формирования порога, задающий блок и блок управления, при этом первый вход электронного ключа соединен с источником питания, а выход - с первым выводом демпфирующего элемента и первым выводом индуктивной нагрузки, второй вывод которой соединен с входом элемента обратной связи, первый выход которого соединен с первым входом компаратора и аналоговым входом блока формирования порога, а второй вывод и второй вывод демпфирующего элемента соединен с общей шиной, второй вход компаратора соединен с информационным выходом блока формирования порога, цифровой вход которого соединен с выходом задающего блока, при этом выход компаратора соединен с первым входом блока управления, второй вход которого соединен с установочным выходом блока формирования порога, а третий вход - с управляющим входом блока формирования порога и входной шиной устройства, а выход - с управляющим входом электронного ключа.

Недостатками известного формирователя импульсов является его сложность, а также невозможность формирования импульса требуемой формы и длительности при активной нагрузке, какой является диодный лазер, критичный к изменениям тока, поскольку в нем очень высока крутизна зависимости мощности излучения от тока накачки, а с другой стороны область рабочих характеристик как правило близка к области предельно-допустимых значений и незначительное увеличение тока накачки может привести к выходу прибора из строя.

Задача изобретения заключается в том, чтобы с минимальными затратами стабилизировать импульсную мощность (P_им) излучения диодного лазера, а также стабилизировать требуемые длительность (t_вкл) и период (T_оп) его включения с тем, чтобы при воздействии дестабилизирующих факторов (изменение напряжения источника питания, изменение температуры окружающей среды) выполнялось условие: , где P_ср - средняя мощность излучения.

Кроме того, изобретение должно стабилизировать указанные выше параметры при минимальном напряжении источника питания (3-6 В), поскольку диодные лазеры широко применяются в автономных малогабаритных устройствах (лазерные целеуказатели, указки и т.п.).

Поставленную задачу решает предлагаемое изобретение, в котором в стабилизаторе импульсной мощности излучения диодного лазера, содержащем нагрузку в виде диодного лазера, состоящего из источника излучения - лазерного диода и приемника мощности его излучения - фотодиода, а также электронный ключ в виде транзистора, элемент обратной связи, первый диод, блок формирования порога, блок управления и компаратор, один вход которого соединен с выходом блока формирования порога, а другой вход соединен с первым выводом элемента обратной связи, второй вывод которого соединен с общей шиной питания.

Новым является то, что в него введены интегрирующая RC-цепь и второй диод, при этом выход блока управления соединен через первый диод с базой транзистора, эмиттер которого соединен с общей шиной питания, а коллектор соединен с катодом лазерного диода, при этом анод фотодиода соединен с первым выводом элемента обратной связи, а анод лазерного диода, катод фотодиода и вход блока формирования порога соединены с шиной питания, а выход компаратора соединен со входом интегрирующей RC-цепи, выход которой через второй диод соединен с выходом блока управления, который запитан от выхода блока формирования порога.

Блок управления выполнен в виде мультивибратора на двух вентилях 2ИЛИ-НЕ КМОП-структуры с дополнительным вентилем-буфером и токоограничивающим резистором на выходе, при этом выход первого вентиля соединен с первым входом второго вентиля и с первым выводом первого резистора, второй вывод которого соединен с точкой подключения конденсатора и второго резистора, соответственно второй вывод конденсатора соединен с выходом второго вентиля и с объединенными входами вентиля-буфера, а второй вывод второго резистора соединен с первым входом первого вентиля, при этом выход второго вентиля через последовательно включенные диод и третий резистор соединен с первым входом первого вентиля, а вторые входы первого и второго вентилей соединены с общей шиной питания.

Компаратор выполнен на вентиле 2ИЛИ-НЕ КМОП-структуры, при этом одним входом компаратора являются объединенные входы вентиля, а другим входом является шина питания вентиля.

Блок формирования порога выполнен на параметрическом стабилизаторе напряжения с RC-фильтром.

На чертеже представлена принципиальная электрическая схема стабилизатора импульсной мощности излучения диодного лазера.

Стабилизатор содержит блок управления 1, выполненный по схеме мультивибратора на двух логических элементах (вентилях) 2, 3 2ИЛИ-НЕ КМОП-структуры с дополнительным вентилем-буфером 7 и токоограничивающим резистором 10 на выходе [3, рис. 14-14], при этом выход вентиля 2 соединен с первым входом вентиля 3 и с первым выводом резистора 4, второй вывод которого соединен с точкой подключения конденсатора 5 и резистора 6, соответственно второй вывод конденсатора 5 соединен с выходом вентиля 3 и с объединенными входами вентиля-буфера 7, а второй вывод резистора 6 соединен с первым входом вентиля 2, при этом выход вентиля 3 через последовательно включенные диод 8 и резистор 9 соединен с первым входом вентиля 2, вторые входы вентилей 2 и 3 соединены с общей шиной питания, а выход вентиля-буфера 7 через последовательно включенные токоограничивающий резистор 10 и компенсирующий диод 11 подсоединен к базе транзистора 12, эмиттер которого соединен с общей шиной питания, а коллектор - с нагрузкой 13 - катодом лазерного диода, второй вывод нагрузки 13 - анод фотодиода соединен с первым выводом элемента обратной связи - резистором 14 и с первым входом компаратора 15 - объединенными входами вентиля 2ИЛИ-НЕ КМОП-структуры, вторым входом компаратора 15 является его шина питания, соответственно второй вывод резистора 14 соединен с общей шиной питания, а выход компаратора 15 через резистор 16 соединен с конденсатором 17 - элементами интегрирующей RC-цепи 18, при этом резистор 17 может быть зашунтирован диодом 19, первый вывод конденсатора 17 соединен с общей шиной питания, а его второй вывод через разделительный диод 20 соединен с точкой подключения токоограничивающего резистора 10 и компенсирующего диода 11, при этом аноды диодов 11 и 20 объединены в одной точке, шина питания вентилей 2, 3, 7, 15 подсоединена к выходу блока формирования порога 21 - параметрическому стабилизатору напряжения на стабилитроне 22 и токоограничивающем резисторе 23, при этом стабилитрон 22 зашунтирован относительно общей шины питания конденсатором 24, второй вывод токоограничивающего резистора 23, а также анод лазерного диода и катод фотодиода нагрузки 13 подсоединены к шине питания 25, между шинами питания установлен конденсатор 26.

Устройство работает следующим образом.

Мультивибратор 1 формирует импульсы управления требуемой частоты и длительности, которые через токоограничивающий резистор 10 и компенсирующий диод 11 поступают на базу транзистора 12, при этом скважность импульсов мультивибратора 1 задается резистором 9 и диодом 8.

Транзистор 12 обеспечивает импульсное питание диодного лазера 13 - источника когерентного излучения.

Сигнал, пропорциональный мощности импульса излучения, формируется на резисторе обратной связи 14 изменением сопротивления фотодиода нагрузки 13 и поступает на объединенные входы вентиля-компаратора 15, где сравнивается с внутренним порогом переключения вентиля. Порог переключения микросхемы КМОП-структуры равен примерно половине напряжения ее питания Un/2 и независим от изменений температуры окружающей среды [3, рис. 5-6].

Таким образом, если напряжение на резисторе обратной связи 14 меньше уровня Un/2, то на выходе вентиля компаратора 15 формируются логическая "1" согласно таблице истинности логического вентиля ИЛИ-НЕ и наоборот, если напряжение на резисторе 14 больше уровня Un/2, то на выходе вентиля-компаратора 15 формируется логический "0".

Импульсы напряжения с выхода вентиля-компаратора 15 преобразуются интегрирующей RC-цепью 18 в постоянное напряжение, уровень которого непрерывно отслеживает изменение импульсной мощности излучения диодного лазера 13 при воздействии дестабилизирующих факторов.

Для увеличения жесткости обратной связи при значительной скважности формируемых импульсов резистор 16 интегрирующей RC-цепи 18 может быть зашунтирован диодом 19.

Напряжение на конденсаторе 17 через разделительный диод 20 "подрезает" импульсы управления на базе транзисторного ключа 12, при этом компенсирующий диод 11 компенсирует падение напряжения на разделительном диоде 20, а транзисторный ключ 12 поддерживает в линейном режиме стабильность импульсной мощности излучения диодного лазера 13 при воздействии дестабилизирующих факторов.

Стабильность импульсов излучения по их длительности и частоте обеспечивается мультивибратором 1 за счет стабильности порога переключения микросхем КМОП-структуры и питания мультивибратора 1 от параметрического стабилизатора напряжения 21.

При подаче питания плавность переходной характеристики стабилизатора обеспечивается постоянной времени RC-фильтра параметрического стабилизатора напряжения 21 (токоограничивающий резистор 23 и конденсатор 24), которая гораздо больше постоянной времени интегрирующей RC-цепи 18.

Применение в предложенном стабилизаторе микросхем КМОП-структуры серий K561, 564, 1564 позволяет стабилизировать указанные выше параметры в диапазоне напряжений (3-6) В, что позволяет его применять в автономных малогабаритных устройствах.

Таким образом, предложенное техническое решение при его достаточной простоте позволяет стабилизировать импульсную мощность, длительность и период включения диодного лазера при воздействии дестабилизирующих факторов при минимальном напряжении источника питания.

Источники информации: 1. Авторское свидетельство СССР N 1422393, кл. H 03 K 17/60, 1988.

2. Авторское свидетельство СССР N 1287263, кл. H 03 K 5/08, 1987.

3. Зельдин Е.А. Цифровые интегральные микросхемы в информационно-измерительной аппаратуре. Л.: Энергоатомиздат, 1986.

Формула изобретения

1. Стабилизатор импульсной мощности излучения диодного лазера, содержащий нагрузку в виде диодного лазера, состоящего из источника излучения лазерного диода и приемника мощности его излучения фотодиода, а также электронный ключ в виде транзистора, элемент обратной связи, первый диод, блок формирования порога, блок управления и компаратор, один вход которого соединен с выходом блока формирования порога, а другой вход соединен с первым выводом элемента обратной связи, второй вывод которого соединен с общей шиной питания, отличающийся тем, что в него введены интегрирующая RC-цепь и второй диод, при этом выход блока управления соединен через первый диод с базой транзистора, эмиттер которого соединен с общей шиной питания, а коллектор соединен с катодом лазерного диода, при этом анод фотодиода соединен с первым выводом элемента обратной связи, а анод лазерного диода, катод фотодиода и вход блока формирования порога соединены с шиной питания, а выход компаратора соединен с входом интегрирующей RC-цепи, выход которой через второй диод соединен с выходом блока управления, который запитан от выхода блока формирования порога.

2. Стабилизатор по п.1, отличающийся тем, что блок управления выполнен в виде мультивибратора на двух вентилях 2ИЛИ НЕ КМОП-структуры с дополнительным вентилем-буфером и токоограничивающим резистором на выходе, при этом выход первого вентиля соединен с первым входом второго вентиля и с первым выводом первого резистора, второй вывод которого соединен с точкой подключения конденсатора и второго резистора, соответственно второй вывод конденсатора соединен с выходом второго вентиля и с объединенными входами вентиля-буфера, а второй вывод второго резистора соединен с первым входом первого вентиля, при этом выход второго вентиля через последовательно включенные диод и третий резистор соединен с первым входом первого вентиля, а вторые входы первого и второго вентилей соединены с общей шиной питания.

3. Стабилизатор по п.1, отличающийся тем, что компаратор выполнен на вентиле 2ИЛИ НЕ КМОП-структуры, при этом одним входом компаратора являются объединенные входы вентиля, а другим входом является шина питания вентиля.

4. Стабилизатор по п.1, отличающийся тем, что блок формирования порога выполнен на параметрическом стабилизаторе напряжения с RC-фильтром.

РИСУНКИ

Рисунок 1