Генератор импульсов ионизации
IONIZATION PULSE GENERATOR

Изобретение относится к области лазерной техники и может быть использовано при создании мощных технологических электроразрядных лазеров импульсно-периодического действия на углекислом газе и окиси углерода с несамостоятельным тлеющим разрядом с импульсной емкостной ионизацией, например ([1] с. 165-169).
Известна схема управления мощностью излучения газового лазера, содержащая блок управления мощностью с резонатором. Управление производится  путем изменения оптической среды резонатора. Это устройство не позволяет управлять мощностью излучения лазера пропорционально частоте импульсов ионизации (Способ управления мощностью излучения газового лазера, SU 1806475 A3, H01S3/104, 1995).
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является генератор периодических импульсов, содержащий лазер и генератор частоты ионизации. Он вырабатывает импульсы ионизации частотой 0,5-5 кГц ([2], рис. 2, стр. 200). Мощность излучения лазера пропорциональна частоте импульсов ионизации.
Недостатком указанного решения является то, что такой генератор обеспечивает работу лазера только в непрерывном режиме. Это ограничивает технологические возможности, снижает надежность работы и помехозащищенность лазера. С точки зрения практической реализации генератора импульсов ионизации необходимо дополнительно обеспечить работу лазера в импульсно-периодическом режиме, ограничить максимальную мощность излучения, максимальное значение сигнала управления генератором частоты ионизации, обеспечить пороговое включение мощности излучения и автоматическую стабилизацию мощности излучения в непрерывном режиме, а также формирование двух серий коротких импульсов для управления тиратронами источника ионизации лазера.
Задачей изобретения является расширение технологических возможностей лазера, а также  повышение надежности и помехозащищенности его работы.
Поставленная задача достигается тем что в генератор импульсов ионизации, содержащем генератор частоты ионизации, последовательно соединенный с источником ионизации лазера, имеющим приемник излучения,  введены шесть резисторов, ограничитель мощности излучения, ограничитель сигнала управления, пороговая схема, генератор низкой частоты, четыре повторителя, усилитель, тумблер, измеритель мощности излучения, два формирователя, компаратор, ключ и преобразователь напряжение-частота, причем первый резистор соединен с входом первого повторителя напряжения, второй резистор соединен с первым входом компаратора, третий резистор связан с входом второго повторителя напряжения, первый повторитель напряжения последовательно соединен с преобразователем напряжение-частота, выход которого связан со вторым входом компаратора, выход которого соединен с управляющим входом ключа, выход которого соединен с выходом второго повторителя, который последовательно соединен с входом третьего повторителя, при этом четвертый резистор, соединен с входом ограничителя мощности излучения, пятый резистор связан с входом ограничителя сигнала управления, шестой резистор соединен с входом пороговой схемы, при этом выход ограничителя мощности излучения соединен с входом третьего повторителя, выход которого соединен с первым контактом тумблера и первым входом усилителя, второй вход которого соединен с выходом измерителя мощности излучения, а выход связан с входом четвертого повторителя напряжения, выход которого соединен  с выходом ограничителя сигнала  управления и вторым контактом тумблера, третий контакт которого связан с выходом пороговой схемы и входом генератора частоты ионизации, выход которого соединен с входами первого и второго формирователей, выходы которых соединены с источником ионизации лазера, выход приемника излучения которого соединен с входом измерителя мощности излучения.
На фигуре изображена схема предложенного устройства, где 1 - первый повторитель напряжения, 2 - преобразователь напряжение-частота, 3 - компаратор, 4 - генератор низкой частоты, 5 - второй повторитель напряжения, 6 - ключ, 7 - ограничитель мощности излучения, 8 - третий повторитель напряжения, 9 - измеритель мощности излучения, 10 - усилитель, 11 - четвертый повторитель напряжения, 12 - ограничитель сигнала управления, 13 - пороговая схема, 14 - генератор частоты ионизации, 15 - первый формирователь импульсов, 16 - второй формирователь импульсов, 17 - лазер с источником ионизации, R1, R2, R3, R4, R5, R6 - переменные резисторы, SA1 - тумблер.
Осуществление изобретения. Конструкция устройства в статическом состоянии содержит генератор частоты ионизации, последовательно соединенный с источником ионизации лазера, имеющим приемник излучения, а также шесть резисторов, ограничитель мощности излучения, ограничитель сигнала управления, пороговую схему, генератор низкой частоты, четыре повторителя, усилитель, тумблер, измеритель мощности излучения, два формирователя, компаратор, ключ и преобразователь напряжение-частота, причем первый резистор соединен с входом первого повторителя напряжения, второй резистор соединен с первым входом компаратора, третий резистор связан с входом второго повторителя напряжения, первый повторитель напряжения последовательно соединен с преобразователем напряжение-частота, выход которого связан со вторым входом компаратора, выход которого соединен с управляющим входом ключа, выход которого соединен с выходом второго повторителя, который последовательно соединен с входом третьего повторителя, при этом четвертый резистор, соединен с входом ограничителя мощности излучения, пятый резистор связан с входом ограничителя сигнала управления, шестой резистор соединен с входом пороговой схемы, при этом выход ограничителя мощности излучения соединен с входом третьего повторителя, выход которого соединен с первым контактом тумблера и первым входом усилителя, второй вход которого соединен с выходом измерителя мощности излучения, а выход связан с входом четвертого повторителя напряжения, выход которого соединен  с выходом ограничителя сигнала  управления и вторым контактом тумблера, третий контакт которого связан с выходом пороговой схемы и входом генератора частоты ионизации, выход которого соединен с входами первого и второго формирователей, выходы которых соединены с источником ионизации лазера, выход приемника излучения которого соединен с входом измерителя мощности излучения.
Генератор низкой частоты 4 включает первый повторитель напряжения 1, второй повторитель напряжения 5, преобразователь напряжение-частота 2, компаратор 3, ключ 6 и переменные резисторы R1, R2, R3. Переменные резисторы R1, R2, R3 представляют собой регулировочные резисторы  СП5-35Б ([3] с. 263-265). Повторители напряжения 1, 5, 8, 11 используются в качестве буфера (преобразователя сопротивления), обладая большим входным и малым выходным сопротивлениями. Повторители напряжения 1, 5, 8, 11 реализованы на базе операционного усилителя КР140УД708  ([4] с. 160).  Преобразователь напряжение-частота реализован на базе операционных усилителей КР140УД608, К553УД2 и транзистора КП302АМ ([5] с. 119 схема 4).  Компаратор 3 представляет собой однопороговую схему сравнения, реализованную на базе операционного усилителя К553УД2 ([4] с.213-214). Ключ 6, представляет собой транзисторный ключ, реализованный на транзисторе КТ3102БМ ([4] с. 90-92). Переменные резисторы R4, R5, R6 представляют собой регулировочные резисторы  СП3-30к ([3] с. 217-222). Ограничители 7, 12 представляет собой диодный ограничитель на  диоде КД 521А, управляемый компаратором, реализованным на операционном усилителе КР140УД708 ([4] с. 74, с 213-214).  Измеритель мощности излучения 9 представляет собой дифференциальный усилитель сигнала приемника излучения лазера 17, реализованный на операционном усилителе 153УД5 ([4] с. 166).
Усилитель 10 представляет собой инвертирующий усилитель, реализованный на операционном усилителе КР140УД608 ([4] с. 157-159). Тумблер SA1 реализован на тумблере МТ1. Пороговая схема 13 представляет собой транзисторный ключ на транзисторе КТ3102БМ, управляемый компаратором на операционном усилителе К553УД2 ([4] с. 90-92, 213-214). Генератор частоты ионизации 14 реализован по схеме аналогичной генератору низкой частоты 4 и настроен на генерацию импульсов с изменяемой частотой 500-5000 Гц и скважностью 50%. Формирователи импульсов 15, 16 представляют собой компараторы, реализованные на операционных усилителях К553 УД2 ([4] с.  213-214). Лазер 17 представляет собой лазер комбинированного действия «Лантан-3» ([1] с. 165-169).
Действие устройства основано на том, что генератор низкой частоты 4 формирует импульсы частотой 10-500 Гц с регулируемым коэффициентом заполнения и амплитудой 0-10 В. При коэффициенте заполнения 100% генератор вырабатывает постоянное напряжение регулируемой амплитуды, и режим работы лазера становится непрерывным. Амплитуда импульсов задает мощность излучения лазера. Работа в импульсно-периодическом режиме расширяет технологические возможности лазера.
Переменный резистор R1 через буфер на первом повторителе 1 задает напряжение, определяющее частоту импульсного режима, которое поступает на вход преобразователя напряжение-частота 2. На выходе преобразователя напряжение-частота 2 формируется пилообразное напряжение амплитудой 0-10 В, которое поступает на вход 2 компаратора 3. Переменный резистор R2 задает напряжение определяющее коэффициент заполнения, которое поступает на вход 1 компаратора 3. На выходе компаратора 3 формируются прямоугольные импульсы с частотой и коэффициентом заполнения определяемыми резисторами R1 и R2 соответственно, которые поступают на управляющий вход ключа 6. Переменный резистор R3 через буфер на втором повторителе напряжения 5 задает напряжение, определяющее мощность излучение лазера, которое шунтируется на землю ключом 6 с частотой и коэффициентом заполнения определяемыми резисторами R1 и R2. Таким образом, на выходе второго повторителя 5 формируется импульсный сигнал с частотой коэффициентом заполнения и амплитудой заданными резисторами R1, R2 и R3 соответственно.
макс
макс
Ограничитель мощности излучения 7 ограничивает максимальную мощность излучения W, определяемую амплитудой импульсов, при проведении наладочных работ и возникновении аварийных ситуаций, повышая надежность работы лазера. Переменный резистор R4 задает напряжение, определяющее максимальное значение мощности излучения лазера W.  Ограничитель мощности излучения 7 ограничивает напряжение на входе третьего повторителя 8 на уровне W< W. Выходной сигнал Уст W  с выхода третьего повторителя напряжения 8, задающий мощность лазерного излучения и параметры импульсно-периодического режима, поступает на  неинвертирующий вход 1 усилителя 10 и контакт 1 тумблера SA1. Положение тумблера SA1 определяется режимом работы лазера.
При работе лазера в импульсно-периодическом режиме тумблер SA1 устанавливается  в положение  1. В этом случае выходной сигнал Уст W  с выхода третьего повторителя напряжения 8 поступает непосредственно на вход генератора частоты ионизации 14, задавая мощность лазерного излучения и параметры импульсно-периодического режима. Автоматическая регулировка мощности излучения в импульсно-периодическом режиме отсутствует.
При работе лазера в непрерывном режиме тумблер SA1 может быть установлен в положение 1 или 2. В положении 1 выходной сигнал Уст W  с выхода третьего повторителя напряжения 8 поступает на вход генератора частоты ионизации 14, задавая мощность лазерного излучения. Автоматическая регулировка мощности излучения отсутствует. Если тумблер SA1 установлен в положение 2, то на вход генератора частоты ионизации 14 поступает сигнал с выхода четвертого повторителя напряжения 11. Сигнал Уст W с выхода третьего повторителя напряжения 8 подается на неинвертирующий вход 1 усилителя 10. На инвертирующий вход 2 усилителя 10 подается сигнал с измерителя мощности лазерного излучения 9. На вход измерителя мощности лазерного излучения 9 подается сигнал с приемника излучения лазера 17. Усилитель 10, включенный по схеме инвертирующего усилителя, усиливает разность этих сигналов и через четвертый повторитель напряжения 11 выдает управляющий сигнал Упр F, задающий частоту импульсов ионизации, на вход генератора частоты ионизации 14. Таким образом, осуществляется автоматическая регулировка мощности излучения в непрерывном режиме работы лазера, что расширяет его технологические возможности.
мах
мах
Ограничитель сигнала управления 12 ограничивает максимальную частоту импульсов ионизации при возникновении аварийных ситуаций, повышая надежность работы лазера. Переменный резистор R5 задает напряжение, определяющее максимальное значение частоты ионизации лазера F.  Ограничитель сигнала управления 12 ограничивает напряжение на входе повторителя 11 на уровне F< F.
пор
пор
мах
Пороговая схема 13 предназначена  для включения-выключения генератора частоты ионизации 14 с порогового значения сигнала управления Упр F. Это повышает помехозащищенность лазера, исключая срабатывание генератора частоты ионизации 14 от помех. Переменный резистор R6 задает напряжение, определяющее пороговое значение частоты ионизации лазера F пор.  Пороговая схема 13 обеспечивает надежное включение-выключение генератора с частоты F>F. Управляемый напряжением генератор частоты ионизации 14 вырабатывает импульсы ионизации F<F< F частотой 500-5000 Гц и скважностью 50%.
Первый формирователь импульсов 15 и второй формирователь импульсов 16 формируют импульсы Вых F1 и Вых F2 по фронту и спаду импульсов ионизации соответственно. Эти импульсы поступают на тиратроны источника ионизации лазера 17, которые формируют высоковольтные импульсы ионизации. Формирователи импульсов 15, 16 обеспечивают подачу только импульсов определенной длины на тиратрон, повышая надежность его работы. Формирование двух серий импульсов ионизации Вых F1 и Вых F2 позволяет повысить частоту следования импульсов ионизации, применяя два тиратрона в источнике ионизации, что расширяет технологические возможности лазера.
Таким образом, предложенное устройство расширяет технологические возможности лазера, повышает надежность его работы и помехозащищенность.
Список литературы
1. Технологические лазеры. Справочник. В 2 т. / под общ. ред. Г.А. Абильситова. – М.: Машиностроение, 1991. – Т. 1. – 432 с.
2. Andrey N. Shemyakin, Michael Yu. Rachkov, Nikolay G. Solovyov, Mikhail Yu. Yakimov. Radiation power control of the industrial CO2 lasers excited by a nonself-sustained glow discharge with regard to dissociation in a working gas mixture. // Optics&Laser Technology. – 2018. – Vol. 98. – 1 January 2018 – P. 198-204.
3. Резисторы. Справочник. / под общ. ред. И.И. Четверткова и В.М. Терехова. – М.: Радио и связь, 1987. – 352 с.
4. Искусство схемотехники. В 2 т. / П. Хоровиц, У. Хилл. – М.: Мир, 1984. – Т.1. – 598 с.
5. Применение прецизионных аналоговых ИС. / А.Г. Алексенко и др. – М.: Радио и связь, 1981. – 224 с.