ГЕНЕРАТОР ИМПУЛЬСОВ ТОКА
CURRENT PULSE GENERATOR

Изобретение относится к технике формирования импульсов тока, в частности к устройствам питания импульсных газонаполненных ламп накачки твердотельных лазеров с разрядом через лампу накопительного конденсатора.
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.
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].
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.
Задачей изобретения является повышение надежности и сокращение массо-габаритных параметров и стоимости генератора импульсов тока.
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.
На чертеже представлена схема генератора импульсов тока.
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.
Генератор импульсов тока работает следующим образом.
max
L
L
L
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 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=LR, где R - суммарное сопротивление лампы и демпфирующего диода.
min
В течение управляющего импульса ток через лампу, поддерживаемый за счет энергии, накопленной в дросселе, снижается до нижней границы I 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.
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.
Пример.
2
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=CU/2 и составляет U=1400 В.
0
<mrow><msub><mi>T</mi><mn>0</mn></msub><mo>/</mo><mn>2</mn><mo>=</mo><mi>π</mi><msqrt><mrow><mi>L</mi><mi>C</mi></mrow></msqrt></mrow>
<mrow><mi>L</mi><mo>=</mo><msubsup><mi>T</mi><mn>0</mn><mn>2</mn></msubsup><mo>/</mo><mn>4</mn><msup><mi>π</mi><mn>2</mn></msup><mi>C</mi><mo>=</mo><mn>1</mn><mn>0</mn><mtext> </mtext><mi>м</mi><mi>Г</mi><mi>н</mi></mrow>
Если по режиму возбуждения лазерного активного элемента длительность импульса тока накачки должна быть 2 мс, что соответствует одному полупериоду T/2 тока в LC-контуре
, то величина индуктивности при известном построении генератора тока [1] должна составлять
.
max
min
max
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 ~ 50 A. I=0,9I=45 А. Таким образом, скорость нарастания-убывания тока через лампу равна (50-45)/5=1 А/мкс.
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.
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.
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.
Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает решение поставленной задачи, а именно, повышение надежности и сокращение массо-габаритных параметров и стоимости генератора импульсов тока.
Источники информации
1. Лазерный прибор разведки ЛПР-1. Техническое описание и инструкция по эксплуатации Г 36. 48.069 ТО. - с.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.