УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПИТАНИЯ ИМПУЛЬСНЫХ НАГРУЗОК
DEVICE FOR SUPPLY TO PULSE LOADS

Изобретение относится к импульсной технике, а именно к устройствам, работающим на повышенной частоте и предназначенным для возбуждения лазеров на самоограниченных переходах атомов металлов, в частности лазеров на парах меди, а также для питания озонаторов, электрофильтров и других нелинейных импульсных нагрузок.
Известно устройство для заряда накопительного конденсатора, содержащее трансформатор, однотактный транзисторный генератор, накопительный конденсатор, выпрямитель. Зарядка накопительного конденсатора осуществляется через выпрямитель импульсами тока с вторичной обмотки трансформатора. После достижения на накопительном конденсаторе номинального значения напряжения начинает открываться стабилитрон, установленный в цепи базы однотактного транзисторного генератора. Транзистор запирается, отодвигая по времени начало следующего цикла [Описание изобретения к авторскому свидетельству №1714792 А1, кл. H03K 3/53, опубл. 23.02.92, бюл. №7].
Недостатком устройства является нестабильность амплитуды импульсов тока разряда накопительного конденсатора через нагрузку при колебаниях уровня питающего напряжения в сети.
Известно устройство для заряда накопительного конденсатора, содержащее низковольтный источник питания постоянного тока, к выходу которого подключен транзисторный однотактный преобразователь с возвратными диодами и повышающим трансформатором. Последовательно с первичной обмоткой трансформатора включен добавочный резонансный дроссель. К вторичной обмотке трансформатора подключен накопительный конденсатор, параллельно которому включены соединенные последовательно высоковольтный коммутатор и нагрузка (лазер), а также делитель напряжения. Выходы делителя напряжения и источника опорного напряжения соединены с первым и вторым входами компаратора. Выход компаратора соединен с управляющим входом коммутатора. Вход элемента задержки соединен с выходом задающего генератора, другие выходы которого соединены с управляющими входами транзисторов однотактного преобразователя. Для исключения аварийных выбросов напряжения преобразователь содержит диоды [Описание изобретения к патенту №1812615 А1, кл. H03K 3/53, опубл. 30.04.93, бюл. №16].
Недостатком устройства является нестабильность амплитуды импульсов тока разряда накопительного конденсатора через нагрузку при колебаниях уровня питающего напряжения в сети.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство, содержащее низковольтный источник питания постоянного напряжения, к выходу которого подсоединен квазирезонансный транзисторный однотактный преобразователь, выход которого, в свою очередь, через дроссель подключен к высоковольтному трансформатору с обмоткой обратной связи. Выход высоковольтного трансформатора соединен через высоковольтный разрядный диод с анодом тиратронного коммутатора. Общая точка соединения катода высоковольтного зарядного диода и анода тиратронного коммутатора подключена к емкостному накопителю, соединенному последовательно с нагрузкой (лазером) и общей шиной устройства. Катод тиратронного коммутатора также соединен с общей шиной устройства. Выход обмотки обратной связи соединен через амплитудный детектор с входом разностного усилителя, на второй вход которого подается сигнал с источника опорного напряжения. Выход разностного усилителя соединен с первым входом компаратора, второй вход компаратора соединен с выходом задающего генератора пилообразного напряжения. Выход компаратора соединен через формирователь импульсов управления с входом управляющих импульсов квазирезонансного транзисторного однотактного преобразователя. Кроме того, выход компаратора соединен с первым входом подмодулятора, второй выход формирователя импульсов управления соединен через линию задержки со вторым входом подмодулятора. Подмодулятор соединен с сеткой тиратронного коммутатора [Описание изобретения к патенту №2226740 С2, кл. H03K 3/53, опубл. 10.04.2004].
Недостатком устройства является амплитудная нестабильность тока разряда емкостного накопителя, обусловленная колебаниями уровня питающего напряжения в сети.
Задачей изобретения является стабилизация тока разряда емкостного накопителя, а также повышение эффективности работы устройства.
Задача изобретения решается тем, что в устройстве для питания импульсных нагрузок, содержащем низковольтный источник питания постоянного напряжения, к выходу которого подсоединен квазирезонансный транзисторный однотактный преобразователь, выход которого через дроссель подключен к высоковольтному трансформатору, выход которого, в свою очередь, через высоковольтный зарядный диод соединен с анодом тиратронного коммутатора, а общая точка соединения катода высоковольтного зарядного диода и анода тиратронного коммутатора подключена к емкостному накопителю, соединенному последовательно с нагрузкой (лазером) и общей шиной устройства, к которой присоединен также и катод тиратронного коммутатора, причем вход управляющих импульсов квазирезонансного транзисторного однотактного преобразователя соединен через формирователь импульсов управления с выходом компаратора и выходом первой линии задержки, а первый вход компаратора соединен с выходом задающего генератора пилообразного напряжения, второй вход компаратора через первый вход разностного усилителя соединен с источником опорного напряжения, а сетка тиратронного коммутатора соединена с выходом подмодулятора, дополнительно введены высоковольтный делитель напряжения, устройство выборки-хранения, а также вторая линия задержки, причем высоковольтное плечо делителя напряжения присоединено к аноду тиратронного коммутатора, низковольтное плечо делителя напряжения - к общей нулевой шине устройства, а общая средняя точка делителя напряжения - к первому входу устройства выборки-хранения, при этом второй вход устройства выборки-хранения соединен с общей точкой соединения входов первой линии задержки и второй линии задержки, которые соединены между собой последовательно, выход устройства выборки-хранения присоединен ко второму входу разностного усилителя, а вход подмодулятора соединен с выходом второй линии задержки.
Средняя мощность излучения лазеров на самоограниченных переходах атомов металлов в значительной степени определяется параметрами импульса накачки, а именно напряженностью электрического поля на газоразрядной трубке, амплитудой тока возбуждения, его длительностью, крутизной фронта и частотой следования.
Средняя мощность излучения лазера резко уменьшается как при снижении, так и при увеличении амплитуды тока возбуждения лазера, т.к. снижение амплитуды тока возбуждения вызывает уменьшение инверсионной заселенности в разрядном канале, а увеличение тока возбуждения приводит к перегреву газоразрядной плазмы. Таким образом, стабилизация уровня зарядного напряжения на емкостном накопителе повышает эффективность работы устройства в целом.
При работе устройства уровень зарядного напряжения на емкостном накопителе в момент окончания процесса зарядки и в момент срабатывания (включения) тиратронного коммутатора заметно отличается по величине, что обусловлено как нестабильностью параметров самой нагрузки (лазера), так и нестабильностью токов утечки и смещения.
В предлагаемом устройстве для питания импульсных нагрузок введение высоковольтного делителя напряжения, устройства выборки-хранения и второй линии задержки обеспечивает стабилизацию тока разряда емкостного накопителя в нагрузке (лазере), т.к. при этом исключается возможность некорректного измерения уровня зарядного напряжения на емкостном накопителе потому, что в устройстве выборки-хранения запись уровня напряжения на емкостном накопителе выполняется синфазно с моментом включения тиратронного коммутатора.
При этом момент включения тиратронного коммутатора запаздывает по отношению к моменту записи уровня напряжения на емкостном накопителе только на время срабатывания второй линии задержки, которое может быть выбрано достаточно малым.
На чертеже представлено устройство для питания импульсных нагрузок. Устройство содержит низковольтный источник 1 питания постоянного напряжения, к выходу источника 1 питания подсоединен квазирезонансный транзисторный однотактный преобразователь 2, выход которого через дроссель 3 подключен к высоковольтному трансформатору 4. Выход высоковольтного трансформатора 4 соединен через высоковольтный зарядный диод 5 с анодом тиратронного коммутатора 6. Общая точка соединения катода высоковольтного зарядного диода 5 и анода тиратронного коммутатора 6 подключена к емкостному накопителю 7, соединенному последовательно с нагрузкой (лазером) 8 и общей шиной устройства. Катод тиратронного коммутатора 6 также соединен с общей шиной устройства. Вход 9 управляющих импульсов квазирезонансного транзисторного однотактного преобразователя 2 соединен через формирователь 10 импульсов управления с выходом компаратора 11 и выходом первой линии 12 задержки. Первый вход компаратора 11 соединен с выходом задающего генератора 13 пилообразного напряжения. Второй вход компаратора 11 через первый вход разностного усилителя 14 соединен с источником 15 опорного напряжения. Сетка тиратронного коммутатора 6 соединена с выходом подмодулятора 16. Высоковольтное плечо делителя 17 напряжения присоединено к аноду тиратронного коммутатора 6. Низковольтное плечо делителя 17 напряжения присоединено к общей нулевой шине устройства. Общая средняя точка делителя 17 напряжения присоединена к первому входу устройства 18 выборки-хранения. Второй вход устройства 18 выборки-хранения соединен с общей точкой соединения входов первой линии 12 задержки и второй линии 19 задержки. Первая линия 12 задержки и вторая линия 19 задержки соединены между собой последовательно. Выход устройства 18 выборки-хранения присоединен ко второму входу разностного усилителя 14. Вход подмодулятора 16 соединен с выходом второй линии 19 задержки.
Устройство для питания импульсных нагрузок работает следующим образом.
В установившемся режиме, при отсутствии колебаний уровня питающего напряжения в сети, с задающего генератора 13 пилообразного напряжения на первый вход компаратора 11 подается пилообразный сигнал, а на второй вход компаратора 11 поступает сигнал с разностного усилителя 14, определяемый усиленной разницей между уставкой источника 15 опорного напряжения и напряжением на выходе устройства 18 выборки-хранения. В устройстве 18 выборки-хранения первый вход выполняет запись значения уровня напряжения на емкостном накопителе 7, которое пропорционально сигналу, формируемому делителем 17 напряжения, непосредственно перед включением тиратронного коммутатора 6, а именно в момент поступления на второй вход устройства 18 выборки-хранения команды с общей точки соединения первой линии 12 задержки и второй линии 19 задержки. При этом время срабатывания первой линии 12 задержки значительно больше времени срабатывания второй линии 19 задержки. На выходе компаратора 11 формируются импульсы, длительность которых пропорциональна величине напряжения с выхода разностного усилителя 14. Импульсы с выхода компаратора 11 поступают через формирователь 10 импульсов на вход 9 управляющих импульсов квазирезонансного транзисторного преобразователя 2. Таким образом регулируется длительность открытого состояния транзисторов квазирезонансного транзисторного преобразователя 2 и в силовом колебательном контуре, состоящем из дросселя 3, высоковольтного зарядного диода 5, индуктивности рассеяния трансформатора 4, диода 5, емкости емкостного накопителя 7, формируется положительная полуволна (или только ее часть) синусоидального тока. Протекающий синусоидальный ток осуществляет заряд емкостного накопителя 7 до некоторого значения напряжения, определяемого длительностью протекающего тока, которая, в свою очередь, зависит от длительности импульса на выходе компаратора 11. Тиратронный коммутатор 6 переводится во включенное (замкнутое) состояние с выхода подмодулятора 16 передним фронтом импульса, поступающего с формирователя 10 импульсов, через первую линию 12 задержки и вторую линию 19 задержки. При этом сумма времени задержки первой линии 12 задержки и второй линии 19 задержки равна половине периода собственных колебаний силового колебательного контура, состоящего из дросселя 3, индуктивности рассеяния трансформатора 4 и емкости емкостного накопителя 7. Напряжение обратной связи, т.е. сигнал с выхода устройства 18 выборки-хранения, записывается и сохраняется без изменения до следующего момента считывания. Таким образом, уровень зарядного напряжения на емкостном накопителе 7, а также амплитуда импульсов тока разряда емкостного накопителя не меняется от импульса к импульсу.
При колебаниях уровня питающего напряжения в сети и изменениях уровня зарядного напряжения на емкостном накопителе 7 изменяется измеренное напряжение на выходе высоковольтного делителя 17 напряжения. Если уровень зарядного напряжения на емкостном накопителе 7 уменьшается, то в момент записи новое значение уровня напряжения на выходе устройства 18 выборки-хранения изменяется в сторону уменьшения. На входах разностного усилителя 14 начинает преобладать уровень напряжения уставки источника опорного напряжения 15, что, в свою очередь, увеличивает напряжение на выходе разностного усилителя 14, которое, воздействуя на компаратор 11, увеличивает длительность импульсов управления на выходе компаратора 11. Длительность полуволны синусоидального тока силового контура также увеличивается, что приводит к росту уровня зарядного напряжения на емкостном накопителе 7. Если же уровень зарядного напряжения на емкостном накопителе 7 увеличивается, то в момент записи новое значение уровня напряжения на выходе устройства 18 выборки-хранения изменяется в сторону увеличения. На входах разностного усилителя 14 начинает преобладать сигнал напряжения с выхода устройства 18 выборки-хранения, что, в свою очередь, уменьшает напряжение на выходе разностного усилителя 14, которое, воздействуя на компаратор 11, уменьшает длительность импульсов управления на выходе компаратора 11. Длительность полуволны синусоидального тока силового контура также уменьшается, что приводит к снижению уровня зарядного напряжения на емкостном накопителе 7. Таким образом, при колебаниях уровня зарядного напряжения на емкостном накопителе 7 при колебаниях напряжения в сети система регулирования поддерживает напряжение на емкостном накопителе 7 в момент, предшествующий разряду емкостного накопителя 7 на нагрузку (лазер) 8, пропорционально уровню уставки источника опорного напряжения 15, что и стабилизирует разрядный ток через нагрузку (лазер) 8.
Практическая реализация устройства для питания импульсных нагрузок выполнена по схеме, изображенной на чертеже, и содержит низковольтный источник питания постоянного напряжения - мостовой выпрямитель с фильтрующим конденсатором, квазирезонансный транзисторный однотактный преобразователь, выполненный на мощных биполярных транзисторах с изолированным затвором, мощностью около 3,0 кВА, дроссель, выполненный на кольцевом альсиферовом сердечнике, высоковольтный трансформатор, изготовленный на сердечнике из аморфного магнитомягкого сплава, высоковольтный зарядный диод, содержащий цепочку из 30 последовательно соединенных диодов, а также тиратронный коммутатор, емкостной накопитель, выполненный в виде нелинейной искусственной формирующей линии с использованием высоковольтных керамических конденсаторов и ферритовых звеньев сжатия, а также активный лазерный элемент - отпаянную саморазогревную газоразрядную трубку серии «KULON».
При работе устройства на частоте следования импульсов генерации лазера 14,2 кГц и колебаниях уровня питающего напряжения в сети в диапазоне 220 В ±10% максимальный ток разряда, формируемый на газоразрядной лазерной трубке LT-10Cu, зафиксирован на уровне 350 А. Максимальное амплитудное отклонение тока разряда емкостного накопителя (тока возбуждения лазера) при этом не превысило 3%. Максимальная средняя мощность генерации лазера с неустойчивым телескопическим резонатором (коэффициент увеличения М=200) при этом равнялась 13 Вт.
Таким образом, применение предлагаемого устройства позволяет стабилизировать амплитуду импульсов тока разряда емкостного накопителя при колебаниях уровня питающего напряжения в сети, а также стабилизировать среднюю мощность излучения лазера, т.е. повысить эффективность работы устройства в целом.