БЛОК ПИТАНИЯ ЛАЗЕРА

Полезная модель относится к силовой электронике, в частности к источникам питания, и может быть использована для создания источников питания лазеров.
Известен блок питания лазера (БП) [1], включающий источник питания, устройство управления, выход которого электрически связан с входом источника питания, термодатчик.
Источник питания содержит стабилизатор постоянного напряжения, устройство управления выполнено на резистивном делителе напряжения, в качестве термодатчика используется термосопротивление, находящееся в цепи резистивного делителя напряжения устройства управления.
При увеличении температуры окружающей среды сопротивление термодатчика увеличивается, коэффициент деления резистивного делителя напряжения увеличивается, что вызывает увеличение напряжения, поступающего на вход устройства управления, с которого поступает увеличенный сигнал на вход источника питания, вызывающий соответственное увеличение его выходного напряжения и мощности накачки лазера.
В связи с применением в устройстве управления резистивного делителя напряжения и одного термосопротивления описанный БП имеет суженный линейный температурный диапазон регулирования напряжения питания, и соответственно, мощности накачки лазера.
Более широкий температурный диапазон регулирования напряжения питания, и соответственно, мощности накачки лазера имеет БП, описанный в [2], являющийся наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату и выбранный в качестве прототипа.
БП [2] включает источник питания, термодатчик, устройство управления, выход которого электрически связан с входом источника питания, а вход электрически связан с выходом термодатчика.
Устройство управления выполнено на резистивном делителе напряжения, в составе термодатчика используются два термосопротивления, находящиеся в цепи резистивного делителя напряжения устройства управления.
При увеличении температуры окружающей среды сопротивление термодатчиков увеличивается, коэффициент деления резистивного делителя напряжения увеличивается, что вызывает увеличение напряжения, поступающего на вход устройства управления, с которого поступает увеличенный сигнал на вход источника питания, вызывающий соответственное увеличение его выходного напряжения и мощности накачки лазера.
В связи с применением в устройстве управления резистивного делителя напряжения с двумя термосопротивлениями, имеющими существенно отличающиеся зависимости от температуры, описанный БП имеет более широкий температурный диапазон регулирования напряжения питания, и соответственно, мощности накачки лазера.
Однако, указанный БП [2] не позволяет включать электрическое питание нагревателя активного элемента лазера (ЭПНАЛ) при температуре ниже фиксированной.
Задачей настоящей полезной модели является расширение функциональных возможностей блока питания лазера путем обеспечения режима нагревания активного элемента лазера при снижении температуры активного элемента ниже фиксированной.
Сущность полезной модели заключается в том, что блок питания лазера, содержащий источник питания, первый термодатчик, устройство управления, вход которого электрически связан с выходом первого термодатчика, а выход электрически связан с входом источника питания, снабжен вторым термодатчиком и блоком электрического питания нагревателя активного элемента лазера, вход которого электрически связан с выходом второго термодатчика.
Возможно выполнение блока электрического питания нагревателя активного элемента лазера, включающим устройство сравнения и ключ, при этом выход второго термодатчика электрически связан с входом устройства сравнения, выход которого электрически связан с управляющим выводом ключа.
Введение в БП второго термодатчика и блока включения электрического питания нагревателя активного элемента лазера, вход которого электрически связан с выходом второго термодатчика, позволяет расширить функциональные возможности блока питания лазера путем обеспечения режима нагревания активного элемента лазера при снижении температуры активного элемента ниже фиксированной.
Выполнение блока электрического питания нагревателя активного элемента лазера, включающим устройство сравнения и ключ, где при этом выход второго термодатчика электрически связан с входом устройства сравнения, выход которого электрически связан с управляющим выводом ключа, позволяет создать простую схему блока электрического питания нагревателя активного элемента лазера.
Сущность полезной модели поясняется чертежом.
На фигуре представлена функциональная схема БП с подключенным лазером, на которой не входящие в БП элементы выделены пунктиром.
БП содержит источник питания 1 лазера, первый 2 и второй 3 термодатчики, устройство управления 4, вход которого электрически связан с выходом первого термодатчика 2, а выход электрически связан с входом источника питания 1 лазера, блок 5 электрического питания нагревателя активного элемента лазера, вход которого электрически связан с выходом второго термодатчика 3.
Источник питания 1 представляет собой генератор тока на микросхеме IR2104SPBF, имеет регулировку тока в пределах от 0 до 7А. Источник питания 1 обеспечивает постоянный ток накачки лазера, в качестве излучающего элемента которого используется лазерный диод 6.
В качестве первого термодатчика 2 используется микросхема LM135AH, установленная на корпусе излучателя 7 лазера и находящаяся в цепи резистивного делителя постоянного напряжения.
В качестве второго термодатчика 3 используется микросхема LM135AH, установленная на плате источника питания 1 и находящаяся в цепи резистивного делителя постоянного напряжения.
Устройство управления 4, выход которого электрически связан с входом источника питания 1, выдает управляющий сигнал на вход источника питания 1.
Функционально устройство управления 4 включает в себя устройство сравнения 8 на микросхемах LM397MF и LMC7101AIM5, резистивный делитель с резисторами 9 и 10, два устройства сравнения 11 и 12, каждое из которых выполнено на микросхеме LMC7101AIM5, и согласующее устройство 13 с "токовыми зеркалами" на двух микросхемах BCV62B. Устройство сравнения 11 предназначено для сравнения сигнала с термодатчика 2 с нижним опорным напряжением и функционирует при температурах ниже первой установленной величины. Устройство сравнения 12 предназначено для сравнения сигнала с термодатчика 2 с верхним опорным напряжением и функционирует при температурах выше второй установленной величины. Выходы устройств сравнения 11 и 12 связаны с соответствующими входами согласующего устройства 13, с выхода которого суммарный токовый сигнал поступает на переменный резистор 9 устройства управления 4.
оп1
На резистивный делитель с резисторами 9 и 10 подается опорное напряжение U, при этом сигнал с переменного резистора 9 подается на вход устройства сравнения 8.
0
0
Блок 5 электрического питания нагревателя активного элемента лазера, вход которого электрически связан с выходом второго термодатчика 3, включает в себя устройство сравнения 14 на микросхеме LMC7101AIM5, вход которого электрически связан с выходом второго термодатчика 3, а выход электрически связан с управляющим выводом ключа 15 на транзисторе IRLR024NPBF. Первый силовой вывод ключа 15 электрически связан с выводом отрицательного постоянного напряжения U источника постоянного напряжения (не показан), второй силовой вывод ключа 15 электрически связан с первым выводом нагревателя 16 (в качестве него используется резистор RT020F100R 5%) активного элемента лазера, второй вывод которого электрически связан с выводом положительного постоянного напряжения U источника постоянного напряжения.
Возможно и другое выполнение блока 5 электрического питания нагревателя 16 активного элемента лазера.
БП работает следующим образом.
оп1
Пока корпус излучателя 7 лазера имеет температуру, находящуюся в определенных пределах выше первой установленной и ниже второй установленной, сигнал с выхода термодатчика 2 тоже находится в определенном диапазоне выше нижнего порогового и ниже верхнего порогового значения. В этом случае выключены устройства сравнения 11 и 12 устройства управления 4. Токи устройств сравнения 11 и 12, поступающие на вход согласующего устройства 13 равны нулю, суммарный ток с выхода согласующего устройства 13, поступающий на переменный резистор 9, равен нулю. На вход устройства сравнения 8 поступает постоянный сигнал с переменного резистора 9, определяемый протекающим через резистивный делитель с резисторами 9 и 10 током источника опорного напряжения U
Устройство сравнения 8 вырабатывает постоянный сигнал управления, не зависящий от температуры и поступающий с выхода устройства управления 4 на вход источника питания 1. Источник питания 1 обеспечивает постоянную мощность накачки лазера, в нашем случае постоянный ток накачки лазерного диода 6.
Как только температура корпуса излучателя 7 лазера становится ниже первой установленной, сигнал термодатчика 2, поступающий на вход устройства управления 4, будет меньше нижнего порогового значения.
оп1
При меньшем нижнего порогового значения сигнале термодатчика 2 срабатывает устройство сравнения 11, которое при этом увеличивает выходной ток, поступающий через согласующее устройство 13 на переменный резистор 9. Устройство сравнения 12 при этом выключено и выходной ток его равен нулю. Суммарный ток с выхода согласующего устройства 13, поступающий на переменный резистор 9, больше нуля. На вход устройства сравнения 8 поступает увеличенный постоянный сигнал с переменного резистора 9, определяемый суммарным протекающим через резистивный делитель с резисторами 9 и 10 током источника опорного напряжения U и выходным током согласующего устройства 13, протекающим через переменный резистор 9. Устройство сравнения 8 сравнивает этот сигнал с опорным и увеличивает сигнал с выхода устройства управления 4, поступающий на вход источника питания 1.
Источник питания 1 при этом увеличивает мощность накачки лазера, в нашем случае постоянный ток накачки лазерного диода 6.
Как только температура корпуса излучателя 7 лазера становится выше второй установленной, сигнал термодатчика 2, поступающий на вход устройства управления 4, будет больше верхнего порогового значения.
оп1
При большем верхнего порогового значения сигнале термодатчика 2 срабатывает устройство сравнения 12, которое при этом увеличивает выходной ток, поступающий через согласующее устройство 13 на переменный резистор 9. Устройство сравнения 9 при этом выключено и выходной ток его равен нулю. Суммарный ток с выхода согласующего устройства 13, поступающий на переменный резистор 9, больше нуля. На вход устройства сравнения 8 поступает увеличенный постоянный сигнал с переменного резистора 9, определяемый суммарным протекающим через резистивный делитель с резисторами 9 и 10 током источника опорного напряжения U и выходным током согласующего устройства 13, протекающим через переменный резистор 9. Устройство сравнения 8 сравнивает этот сигнал с опорным и увеличивает сигнал с выхода устройства управления 4, поступающий на вход источника питания 1.
Источник питания 1 при этом увеличивает мощность накачки лазера, в нашем случае постоянный ток накачки лазерного диода 6.
Как только температура окружающей среды активного элемента лазера становится ниже или равной определенной, сигнал термодатчика 3, поступающий на вход блока 5 электрического питания нагревателя активного элемента лазера, будет меньше установленного минимального значения. Устройство сравнения 14, сравнивающее этот сигнал с опорным, срабатывает и с выхода его на управляющий вывод ключа 15 подается сигнал, открывающий ключ 15. Ключ 15 замыкает цепь питания нагревателя 16 (резистора) активного элемента лазера, который нагревается и нагревает активный элемент лазера.
Таким образом, обеспечивается расширение функциональных возможностей блока питания лазера путем обеспечения режима нагревания активного элемента лазера при снижении температуры активного элемента ниже фиксированной.
Использованные источники информации:
1. Шмелев К.Д., Королев Г.В. Источники электропитания лазеров. - М. Энергоиздат, 1981. - С. 91-92.
2. Шмелев К.Д., Королев Г.В. Источники электропитания лазеров. - М. Энергоиздат, 1981. - С. 96-98 (прототип).