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] позволяет получить только плавно нелинейно увеличивающееся или уменьшающееся с изменением температуры напряжение питания, и соответственно, только плавно нелинейно увеличивающуюся или уменьшающуюся с температурой мощность накачки лазера. В то же время для приборов управления по лазерному лучу необходимо обеспечить постоянную мощность накачки лазера в определенном температурном диапазоне.
Задачей настоящей полезной модели является создание блока питания лазера, обеспечивающего постоянную мощность накачки лазера в определенном диапазоне температур и увеличенную мощность накачки лазера вне упомянутого диапазона температур.
Сущность полезной модели заключается в том, что в блок питания лазера, содержащий источник питания, устройство управления, выход которого электрически связан с входом источника питания, и термодатчик, введены датчик тока лазера и блок формирования термозависимого управляющего сигнала, вход которого электрически связан с выходом термодатчика, а выход блока формирования термозависимого управляющего сигнала электрически связан с первым входом устройства управления, со вторым входом которого электрически связан выход датчика тока лазера.
В одном из возможных вариантов выполнения в качестве датчика тока лазера может быть использован резистор.
Введение в БП датчика тока лазера и блока формирования термозависимого управляющего сигнала, вход которого электрически связан с выходом термодатчика, выход которого электрически связан с первым входом устройства управления, со вторым входом которого электрически связан выход датчика тока лазера, позволяет получить на выходе БП мощность накачки лазера, постоянную в определенном диапазоне температур и увеличенную вне упомянутого диапазона температур.
Возможное использование резистора в качестве датчика тока лазера позволяет упростить электрическую схему БП.
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, устройство управления 2, блок 3 формирования термозависимого управляющего сигнала, термодатчик 4, датчик 5 тока лазера.
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.
Устройство управления 2, выход которого электрически связан с входом источника питания 1, выдает управляющий сигнал на вход источника питания 1.
оп
Функционально устройство управления 2 включает в себя устройство сравнения 7 на микросхемах LM397MF и LMC7101AIM5, резистивный делитель с резисторами 8 и 9. На резистивный делитель с резисторами 8 и 9 подается опорное напряжение U, при этом сигнал с переменного резистора 9 подается на первый вход устройства сравнения 7, на второй вход которого подается сигнал с выхода датчика 5 тока лазера.
Блок 3 формирования термозависимого управляющего сигнала, выход которого электрически связан с первым входом устройства управления 2, вырабатывает токовый сигнал управления, постоянный в определенном диапазоне температур и увеличенный вне упомянутого диапазона температур, поступающий на резистор 9 устройства управления 2. Блок 3 формирования термозависимого управляющего сигнала включает в себя два устройства сравнения 10 и 11, каждое из которых выполнено на микросхеме LMC7101AIM5, и согласующее устройство 12 с "токовыми зеркалами" на двух микросхемах BCV62B. Устройство сравнения 10 предназначено для сравнения сигнала с термодатчика 4 с нижним опорным напряжением и функционирует при температурах ниже установленной определенной величины. Устройство сравнения 11 предназначено для сравнения сигнала с термодатчика 4 с верхним опорным напряжением и функционирует при температурах выше установленной определенной величины. Выходы устройств сравнения 10 и 11 связаны с соответствующими входами согласующего устройства 12, с выхода которого суммарный токовый сигнал поступает на резистор 9 устройства управления 2.
Термодатчик 4 на микросхеме LM135AH, выход которого электрически связан с входом блока 3 формирования термозависимого управляющего сигнала, постоянного в определенном диапазоне температур и увеличенного вне упомянутого диапазона температур, вырабатывает сигнал, зависящий от температуры. Термодатчик 4 установлен в корпусе лазера.
В качестве датчика 5 тока лазера используется постоянный резистор OAR1-R010FI, через который течет ток накачки лазерного диода 6. Выход датчика 5 тока лазера электрически связан с вторым входом устройства сравнения 7.
БП работает следующим образом.
оп
Пока корпус лазера 6 имеет температуру, находящуюся в определенных пределах выше нижней пороговой и ниже верхней пороговой, сигнал с выхода термодатчика 4 также находится в определенном диапазоне выше нижнего порогового и ниже верхнего порогового значения. В этом случае выключены устройства сравнения 10 и 11 блока 3 формирования термозависимого управляющего сигнала. Токи устройств сравнения 10 и 11, поступающие на вход согласующего устройства 12 равны нулю, суммарный ток с выхода согласующего устройства 12 указанного блока 3, поступающий на резистор 9 блока управления 2, равен нулю. На первый вход устройства сравнения 7 блока управления 2 поступает постоянный сигнал с переменного резистора 9, определяемый протекающим через резистивный делитель с резисторами 8 и 9 током источника опорного напряжения U.
Устройство сравнения 7 блока управления 2 вырабатывает постоянный сигнал управления, не зависящий от температуры и поступающий с выхода устройства управления 2 на вход источника питания 1. Источник питания 1 обеспечивает постоянную мощность накачки лазера, в нашем случае постоянный ток накачки лазерного диода 6.
При этом сигнал с выхода датчика 5 тока лазера поступает на второй вход блока управления 2 и внутри него на второй вход устройства сравнения 7 блока управления 2. До тех пор, пока ток накачки лазера 6 меньше определенного установленного значения, сигнал с выхода датчика 5 тока лазера меньше определенного значения, соответствующего определенному значению постоянного сигнала с переменного резистора 9, поступающего на первый вход устройства сравнения 7 блока управления 2.
В этом случае устройство сравнения 7 блока управления 2 увеличивает сигнал управления, поступающий с выхода устройства управления 2 на вход источника питания 1. Источник питания 1 увеличивает мощность накачки лазера, в нашем случае постоянный ток накачки лазерного диода 6.
Таким образом, ток накачки лазерного диода 6 будет увеличиваться до определенного установленного значения, когда сигнал с выхода датчика 5 тока лазера будет равен определенному установленному значению, соответствующему определенному значению постоянного сигнала с переменного резистора 9, поступающего на первый вход устройства сравнения 7 блока управления 2.
Как только температура корпуса лазера становится ниже определенной нижней пороговой температуры, сигнал с выхода термодатчика 4, поступающий на вход блока 3 формирования термозависимого управляющего сигнала, будет меньше установленного определенного нижнего порогового значения.
оп
При этом значении сигнала с выхода термодатчика 4 срабатывает устройство сравнения 10, которое при этом увеличивает выходной ток, поступающий через согласующее устройство 12 на резистор 9 в блоке управления 2. Устройство сравнения 11 при этом выключено и выходной ток его равен нулю. Суммарный ток с выхода согласующего устройства 12 блока 3, поступающий на резистор 9 блока управления 2, больше нуля. На вход устройства сравнения 7 блока управления 2 поступает увеличенный постоянный сигнал с переменного резистора 9, определяемый суммарным током, образованным током протекающим через резистивный делитель с резисторами 8 и 9 от источника опорного напряжения U блока управления 2 и выходным током согласующего устройства 12 блока управления 3, протекающим через резистор 9. Устройство сравнения 7 увеличивает сигнал с выхода устройства управления 2, поступающий на вход источника питания 1.
Источник питания 1 при этом увеличивает постоянный ток накачки лазерного диода 6, и соответственно, мощность накачки лазера.
При этом сигнал с выхода датчика 5 тока лазера поступает на второй вход блока управления 2 и внутри него на второй вход устройства сравнения 7 блока управления 2. До тех пор, пока ток накачки лазера меньше определенного установленного значения (для температуры корпуса лазера, ниже определенной нижней пороговой температуры) сигнал с выхода датчика 5 тока лазера меньше определенного значения, соответствующего определенному значению постоянного сигнала с переменного резистора 9, поступающего на первый вход устройства сравнения 7 блока управления 2.
В этом случае устройство сравнения 7 блока управления 2 увеличивает сигнал управления, поступающий с выхода устройства управления 2 на вход источника питания 1. Источник питания 1 увеличивает мощность накачки лазера, в нашем случае постоянный ток накачки лазерного диода 6.
Таким образом, ток накачки лазерного диода 6 будет увеличиваться до определенного установленного значения (для температуры корпуса лазера, ниже определенной нижней пороговой температуры), когда сигнал с выхода датчика 5 тока лазера будет равен определенному установленному значению, соответствующему определенному значению постоянного сигнала с переменного резистора 9, поступающего на первый вход устройства сравнения 7 блока управления 2.
Как только температура корпуса лазера становится выше определенной верхней пороговой температуры, сигнал с выхода термодатчика 4, поступающий на вход блока 3 формирования термозависимого управляющего сигнала, будет больше установленного определенного верхнего порогового значения.
оп
При этом значении сигнала с выхода термодатчика 4 срабатывает устройство сравнения 11, которое при этом увеличивает выходной ток, поступающий через согласующее устройство 12 на резистор 9 в блоке управления 2. Устройство сравнения 10 при этом выключено и выходной ток его равен нулю. Суммарный ток с выхода согласующего устройства 12 блока 3, поступающий на резистор 9 блока управления 2, больше нуля. На вход устройства сравнения 7 блока управления 2 поступает увеличенный постоянный сигнал с переменного резистора 9, определяемый суммарным током, образованным током, протекающим через резистивный делитель с резисторами 8 и 9 от источника опорного напряжения U блока управления 2 и выходным током согласующего устройства 12 блока управления 3, протекающим через резистор 9. Устройство сравнения 7 увеличивает сигнал с выхода устройства управления 2, поступающий на вход источника питания 1.
При этом сигнал с выхода датчика 5 тока лазера поступает на второй вход блока управления 2 и внутри него на второй вход устройства сравнения 7 блока управления 2. До тех пор, пока ток накачки лазера меньше определенного установленного значения (для температуры корпуса лазера, выше определенной верхней пороговой температуры) сигнал с выхода датчика 5 тока лазера меньше определенного значения, соответствующего определенному значению постоянного сигнала с переменного резистора 9, поступающего на первый вход устройства сравнения 7 блока управления 2.
В этом случае устройство сравнения 7 блока управления 2 увеличивает сигнал управления, поступающий с выхода устройства управления 2 на вход источника питания 1. Источник питания 1 увеличивает мощность накачки лазера, в нашем случае постоянный ток накачки лазерного диода 6.
Таким образом, ток накачки лазерного диода будет увеличиваться до определенного установленного значения (для температуры корпуса лазера, выше определенной верхней пороговой температуры), когда сигнал с выхода датчика 5 тока лазера будет равен определенному установленному значению, соответствующему определенному значению постоянного сигнала с переменного резистора 9, поступающего на первый вход устройства сравнения 7 блока управления 2.
Источник питания 1 при этом увеличивает постоянный ток накачки лазерного диода 6, и соответственно, мощность накачки лазера.
Таким образом, обеспечивается создание блока питания лазера с мощностью накачки лазера, постоянной в определенном диапазоне температур и увеличенной вне упомянутого диапазона температур.
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).