[go: up one dir, main page]

RU230329U1 - Pump current source - Google Patents

Pump current source Download PDF

Info

Publication number
RU230329U1
RU230329U1 RU2024125235U RU2024125235U RU230329U1 RU 230329 U1 RU230329 U1 RU 230329U1 RU 2024125235 U RU2024125235 U RU 2024125235U RU 2024125235 U RU2024125235 U RU 2024125235U RU 230329 U1 RU230329 U1 RU 230329U1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
current
choke
diode
voltage
transistor switch
Prior art date
Application number
RU2024125235U
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Валерий Григорьевич Вильнер
Михаил Михайлович Землянов
Евгений Викторович Кузнецов
Александр Ефремович Сафутин
Надежда Валентиновна Седова
Ирина Александровна Кузнецова
Original Assignee
Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха"
Filing date
Publication date
Application filed by Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" filed Critical Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха"
Application granted granted Critical
Publication of RU230329U1 publication Critical patent/RU230329U1/en

Links

Images

Abstract

Полезная модель относится к технике формирования импульсов тока, в частности к устройствам питания матриц лазерных диодов для накачки твердотельных лазеров. Источник тока накачки, выполненный в виде замкнутого контура, состоящего из последовательно включенных накопительного конденсатора, дросселя, источника излучения накачки, транзисторного ключа со схемой управления и датчика тока, а также демпферного диода, включенного параллельно дросселю и источнику излучения накачки, дроссель и источник излучения накачки с демпферным диодом включены между выводом транзисторного ключа и высоковольтным электродом накопительного конденсатора, другой выход транзисторного ключа соединен с контактом датчика тока, второй контакт которого соединен со вторым электродом накопительного конденсатора и нулевой шиной, а схема управления включает пороговое устройство, подключенное к датчику тока, и формирователь управляющего импульса, подключенный к управляющему входу транзисторного ключа, между низковольтным выводом источника излучения накачки и шиной нулевого потенциала введен конденсатор фильтра емкостью где tвкл - время включения диода; I - ток в индуктивном контуре; UСф - допустимое напряжение на конденсаторе фильтра по окончании времени tвкл. Демпферный диод может быть выполнен на основе транзистора в диодном включении. Технический результат полезной модели состоит в снижении выбросов напряжения и сокращении массогабаритных параметров генератора импульсов тока. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

Figure 00000008
The utility model relates to current pulse generation technology, in particular to power supply devices for laser diode matrices for pumping solid-state lasers. A pump current source made in the form of a closed circuit consisting of a series-connected storage capacitor, a choke, a pump radiation source, a transistor switch with a control circuit and a current sensor, as well as a damper diode connected in parallel to the choke and the pump radiation source, the choke and the pump radiation source with a damper diode are connected between the terminal of the transistor switch and the high-voltage electrode of the storage capacitor, the other output of the transistor switch is connected to the contact of the current sensor, the second contact of which is connected to the second electrode of the storage capacitor and the zero bus, and the control circuit includes a threshold device connected to the current sensor, and a control pulse former connected to the control input of the transistor switch, a filter capacitor with a capacity of is introduced between the low-voltage terminal of the pump radiation source and the zero potential bus where t on is the diode turn-on time; I is the current in the inductive circuit; U Cf is the permissible voltage on the filter capacitor at the end of the time t on . The damper diode can be implemented on the basis of a transistor in diode connection. The technical result of the utility model consists in reducing voltage surges and reducing the weight and size parameters of the current pulse generator. 2 clauses, 4 fig.
Figure 00000008

Description

Полезная модель относится к технике формирования импульсов тока, в частности к устройствам питания источников накачки твердотельных лазеров.The utility model relates to the technology of generating current pulses, in particular to power supply devices for pumping sources of solid-state lasers.

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 Т, 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.A device for pumping a solid-state laser using a pulsed pump lamp is known [1], through which a discharge of a storage capacitor is produced by breaking down the discharge gap of the lamp and passing a discharge current pulse of a given duration T through the lamp, determined by the capacity of the storage capacitor and the inductance of the choke in the discharge circuit. Such circuits have large energy losses in the circuit, since the current through the lamp during the discharge process varies within wide limits and differs for a significant part of the time from the optimal value, at which the useful light output of the lamp is maximum. This is especially noticeable when forming current pulses of 1 ms or more duration, required, for example, for pumping erbium glass lasers operating in a safe wavelength range. In addition, such circuits have significant dimensions due to the large inductance of the choke.

Данные недостатки отчасти устранены в генераторе импульсного тока, выполненном в виде замкнутого контура, состоящего из последовательно включенных накопительного конденсатора, транзисторного ключа со схемой управления, дросселя и источника излучения накачки (газонаполненной лампы), а также образующего второй контур демпферного диода, включенного параллельно дросселю и источнику накачки [2].These shortcomings are partly eliminated in a pulse current generator, made in the form of a closed circuit consisting of a series-connected storage capacitor, a transistor switch with a control circuit, a choke and a pump radiation source (a gas-filled lamp), as well as a damper diode forming a second circuit, connected in parallel to the choke and the pump radiation source [2].

В указанном генераторе управляющий вход ключа со схемой управления находятся под высоким напряжением накопительного конденсатора. Это приводит к необходимости использования высоковольтных элементов, и, 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.In the specified generator, the control input of the key with the control circuit is under high voltage of the storage capacitor. This leads to the need to use high-voltage elements, and, consequently, to an increase in the cost of the device and an increase in its dimensions. In addition, the speed of the circuit and current consumption deteriorate, since additional energy and time are spent on recharging the circuit capacities to switch high-voltage voltages.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является генератор импульсов тока, выполненный в виде замкнутого контура, состоящего из последовательно включенных накопительного конденсатора, дросселя, источника излучения накачки, транзисторного ключа со схемой управления и датчика тока, а также демпферного диода, включенного параллельно дросселю и источнику излучения накачки, причем дроссель и источник излучения накачки с демпферным диодом включены между выводом транзисторного ключа и высоковольтным электродом накопительного конденсатора, второй выход транзисторного ключа соединен с датчиком тока, другой выход которого соединен с шиной нулевого потенциала, связанной со вторым выходом 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 к входу транзисторного ключа [3].The closest in technical essence to the proposed utility model is a current pulse generator, implemented in the form of a closed circuit consisting of a series-connected storage capacitor, a choke, a pump radiation source, a transistor switch with a control circuit and a current sensor, as well as a damper diode connected in parallel to the choke and the pump radiation source, wherein the choke and the pump radiation source with the damper diode are connected between the terminal of the transistor switch and the high-voltage electrode of the storage capacitor, the second output of the transistor switch is connected to the current sensor, the other output of which is connected to the zero potential bus connected to the second output of the storage capacitor, and the control circuit is implemented in the form of a former of a control pulse of fixed duration and contains a threshold device connected via its signal input to the current sensor, and via its output to the pulse former connected to the input of the transistor switch [3].

Недостаток этого технического решения - перенапряжения при размыкании транзисторного ключа вследствие ЭДС самоиндукции дросселя Е [4].The disadvantage of this technical solution is overvoltage when the transistor switch is opened due to the self-induction EMF of the choke E [4].

Е=L ΔI/Δt, (1)E=L ΔI/Δt, (1)

где L - индуктивность дросселя;where L is the inductance of the choke;

ΔI/Δt - скорость нарастания тока в цепи дросселя.ΔI/Δt - rate of current increase in the choke circuit.

После открывания демпферного диода схема входит в нормальный режим, но в течение переходного процесса на демпферный диод и ключ действует избыточное напряжение Е. Это заставляет применять более высоковольтные диоды, что ведет к удорожанию устройства и увеличению его массы и габаритов.After the damper diode opens, the circuit enters the normal mode, but during the transient process, excess voltage E acts on the damper diode and the key. This forces the use of higher-voltage diodes, which leads to an increase in the cost of the device and an increase in its weight and dimensions.

Пример 1Example 1

Номинальный ток в индуктивном контуре ΔI=40 А нарастает за Δt=2 мкс. При индуктивности дросселя L=100 мкГн ЭДС самоиндукции Е=L ΔI/Δt=2000 В.The nominal current in the inductive circuit ΔI=40 A increases in Δt=2 μs. With the choke inductance L=100 μH, the self-induction EMF E=L ΔI/Δt=2000 V.

Задачей полезной модели является снижение выбросов напряжения и сокращение массогабаритных параметров генератора импульсов тока.The objective of the utility model is to reduce voltage surges and reduce the weight and size parameters of the current pulse generator.

Эта задача решается за счет того, что в известном источнике тока накачки, выполненном в виде замкнутого контура, состоящего из последовательно включенных накопительного конденсатора, дросселя, источника излучения накачки, транзисторного ключа со схемой управления и датчика тока, а также демпферного диода, включенного параллельно дросселю и источнику излучения накачки, дроссель и источник излучения накачки с демпферным диодом включены между выводом транзисторного ключа и высоковольтным электродом накопительного конденсатора, другой выход транзисторного ключа соединен с контактом датчика тока, второй контакт которого соединен со вторым электродом накопительного конденсатора и нулевой шиной, а схема управления включает пороговое устройство, подключенное к датчику тока, и формирователь управляющего импульса, подключенным к управляющему входу транзисторного ключа, между низковольтным выводом источника излучения накачки и нулевой шиной введен конденсатор фильтра емкостью где tвкл - время включения диода; I - ток в индуктивном контуре; UСф - допустимое напряжение на конденсаторе фильтра по окончании времени tвкл.This problem is solved due to the fact that in the known pump current source, implemented in the form of a closed circuit consisting of a series-connected storage capacitor, a choke, a pump radiation source, a transistor switch with a control circuit and a current sensor, as well as a damper diode connected in parallel to the choke and the pump radiation source, the choke and the pump radiation source with the damper diode are connected between the terminal of the transistor switch and the high-voltage electrode of the storage capacitor, the other output of the transistor switch is connected to the contact of the current sensor, the second contact of which is connected to the second electrode of the storage capacitor and the zero bus, and the control circuit includes a threshold device connected to the current sensor, and a control pulse generator connected to the control input of the transistor switch, a filter capacitor with a capacity of is introduced between the low-voltage terminal of the pump radiation source and the zero bus where t on is the diode turn-on time; I is the current in the inductive circuit; U Cf is the permissible voltage on the filter capacitor at the end of the time t on .

Демпферный диод может быть выполнен на основе транзистора в диодном включении.The damper diode can be made on the basis of a transistor in diode connection.

На фиг. 1 приведена схема генератора импульсного тока. Фиг. 2а) и фиг. 2б) представляют принципиальные варианты исполнения демпферного диода на основе биполярного (фиг. 2а) и полевого (фиг. 2б) транзистора. На фиг. 3а) показана эпюра напряжения Ub в точке b и тока I в разрядном контуре, а на фиг. 3б) - график изменения вершины импульса напряжения Uab на демпферном диоде 7 после закрытия в момент Т0 транзисторного ключа. Кривые А, Б и В соответствуют отсутствию шунтирующего конденсатора (кривая А), его номинальной емкости (кривая Б) и апериодическому режиму (кривая В). Моменты времени ТА, ТБ и ТВ соответствуют времени включения демпферного диода в этих режимах.Fig. 1 shows the circuit diagram of the pulse current generator. Fig. 2a) and Fig. 2b) represent the basic versions of the damper diode design based on a bipolar (Fig. 2a) and a field-effect (Fig. 2b) transistor. Fig. 3a) shows the voltage diagram U b at point b and the current I in the discharge circuit, and Fig. 3b) shows the graph of the change in the voltage pulse peak U ab on the damper diode 7 after the transistor switch is closed at the moment T 0. Curves A, B and C correspond to the absence of the shunt capacitor (curve A), its nominal capacity (curve B) and the aperiodic mode (curve C). The moments of time TA , TB and TB correspond to the time of switching on the damper diode in these modes.

Устройство фиг. 1 состоит из последовательно включенных накопительного конденсатора 1, дросселя 2, источника накачки 3, транзисторного ключа 4 со схемой управления 5 и датчика тока - сопротивления 6, образующих емкостный контур питания источника накачки. Цепь дроссель - источник накачки зашунтирована демпферным диодом 7, замыкающим индуктивный контур питания источника накачки при разомкнутом ключе. Емкостный разрядный контур замкнут подключением на нулевую шину нижних выводов накопительного конденсатора и датчика тока. Схема управления состоит из порогового устройства и импульсного формирователя. Выход импульсного формирователя подключен к управляющему входу транзисторного ключа 4. Заряд накопительного конденсатора осуществляется от внешнего источника 9. Излучение источника накачки поступает на внешний активный элемент твердотельного лазера 10. Между низковольтным выводом источника накачки 3 и нулевой шиной включен конденсатор фильтра 8. Демпферный диод 7 может быть выполнен на биполярном (фиг. 2а) или полевом (фиг. 2б) транзисторе.The device in Fig. 1 consists of a series-connected storage capacitor 1, choke 2, pump source 3, transistor switch 4 with control circuit 5 and current sensor - resistance 6, forming a capacitive circuit for supplying the pump source. The choke - pump source circuit is shunted by a damper diode 7, closing the inductive circuit for supplying the pump source when the switch is open. The capacitive discharge circuit is closed by connecting the lower terminals of the storage capacitor and current sensor to the zero bus. The control circuit consists of a threshold device and a pulse former. The output of the pulse shaper is connected to the control input of the transistor switch 4. The storage capacitor is charged from an external source 9. The radiation of the pump source is fed to the external active element of the solid-state laser 10. The filter capacitor 8 is connected between the low-voltage terminal of the pump source 3 and the zero bus. The damper diode 7 can be made on a bipolar (Fig. 2a) or field-effect (Fig. 2b) transistor.

Генератор импульсного тока работает следующим образом.The pulse current generator operates as follows.

В исходном состоянии накопительный конденсатор 1 заряжен до номинального напряжения. Транзисторный ключ 4 закрыт. После его открывания импульсом от схемы управления 5 конденсатор 1 начинает разряжаться в разрядном контуре, через дроссель 2, источник накачки 3, ключ 4 и датчик тока 6. Ток разряда нарастает со скоростью, определяемой емкостью накопительного конденсатора 1 и индуктивностью дросселя 2. Падение напряжения на датчике тока 6 пропорционально протекающему через него току I (фиг. 3а). Как только ток достигнет верхней границы Imax заданного номинального интервала, падение напряжения на датчике 6 вызывает срабатывание схемы управления 5, формирующей управляющий импульс, подаваемый на вход транзисторного ключа 4 и запирающий ключ. При закрытом ключе 4 ток через источник накачки поддерживается по индуктивному контуру дроссель 2 - источник накачки 3 - демпферный диод 7 за счет энергии, накопленной в дросселе. Этот ток убывает экспоненциально с постоянной времени τL=L/RL, где RL - суммарное сопротивление источника накачки и демпфирующего диода. В момент τL (фиг. 3а) размыкания ключа 4 ток в емкостном контуре прерывается, и пока не открылся демпферный диод 7, возникает импульс самоиндукции дросселя. В отсутствие предлагаемых отличий этот импульс может достигать недопустимой величины (пунктир на фиг. 3а). При наличии конденсатора 8 при размыкании ключа 4 ток самоиндукции замыкается через источник накачки на нулевую шину в течение времени включения демпферного диода Твкл, определяемого перезарядом емкостей разрядного контура и временем рассасывания носителей [5]. Этим временем определяется необходимая емкость Сф конденсатора 8 [6]: Сф≥Твкл/πL. Тем самым при поддержании режимного тока через источник накачки устраняется выброс напряжения самоиндукции дросселя, и в схеме не возникают опасные перенапряжения на низковольтных элементах схемы.In the initial state, the storage capacitor 1 is charged to the nominal voltage. The transistor switch 4 is closed. After it is opened by a pulse from the control circuit 5, the capacitor 1 begins to discharge in the discharge circuit, through the choke 2, the pump source 3, the switch 4 and the current sensor 6. The discharge current increases at a rate determined by the capacitance of the storage capacitor 1 and the inductance of the choke 2. The voltage drop on the current sensor 6 is proportional to the current I flowing through it (Fig. 3a). As soon as the current reaches the upper limit I max of the specified nominal interval, the voltage drop on the sensor 6 causes the control circuit 5 to operate, forming a control pulse supplied to the input of the transistor switch 4 and the locking switch. When the switch 4 is closed, the current through the pump source is maintained along the inductive circuit choke 2 - pump source 3 - damper diode 7 due to the energy accumulated in the choke. This current decreases exponentially with a time constant τ L = L / R L , where R L is the total resistance of the pump source and the damping diode. At the moment τ L (Fig. 3a) when switch 4 opens, the current in the capacitive circuit is interrupted, and until damping diode 7 opens, a self-induction pulse of the choke arises. In the absence of the proposed differences, this pulse can reach an unacceptable value (dashed line in Fig. 3a). In the presence of capacitor 8, when switch 4 opens, the self-induction current is closed through the pump source to the zero bus during the damping diode turn-on time T on , determined by the recharge of the discharge circuit capacitances and the carrier absorption time [5]. This time determines the required capacitance C f of capacitor 8 [6]: C fT on / πL. Thus, when maintaining the operating current through the pump source, the surge in the choke self-induction voltage is eliminated, and dangerous overvoltages do not occur in the circuit on the low-voltage elements of the circuit.

В течение управляющего импульса ток через источник накачки, поддерживаемый за счет энергии, накопленной в дросселе, снижается до нижней границы Imin заданного номинального интервала (фиг. 3а). По окончании управляющего импульса схема управления снова открывает ключ 4. После этого питание источника накачки осуществляется за счет энергии, содержащейся в накопительном конденсаторе, и ток через источник накачки растет, пока не достигнет верхней границы. Описанный процесс повторяется до тех пор, пока не будет исчерпан заряд накопительного конденсатора. После этого импульс тока через источник накачки прекращается.During the control pulse, the current through the pump source, maintained by the energy accumulated in the choke, decreases to the lower limit I min of the specified nominal interval (Fig. 3a). At the end of the control pulse, the control circuit opens switch 4 again. After this, the pump source is powered by the energy contained in the storage capacitor, and the current through the pump source increases until it reaches the upper limit. The described process is repeated until the charge of the storage capacitor is exhausted. After this, the current pulse through the pump source stops.

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 источнике накачки при замыкании и размыкании ключа. Это позволяет значительно уменьшить индуктивность и, соответственно, массу и габариты дросселя и всего генератора тока в целом.With this design of the current generator, the current of optimal intensity is constantly maintained in the circuit, and the inductance value of the choke does not have to meet the requirements for the formation of the pump current pulse duration and the times of its rise and fall, as in other analogs [1]. In the proposed circuit, the choke serves only to maintain the rates of rise and fall of the current in the pump source when the switch is closed and opened. This allows for a significant reduction in inductance and, accordingly, the mass and dimensions of the choke and the entire current generator as a whole.

Пример 2Example 2

Необходимая для накачки активного элемента энергия импульса тока через источник накачки Е=1 Дж. При емкости накопительного конденсатора С=100 мкФ необходимое напряжение U на нем определяется по известной формуле Е=CU2/2 и составляет U=141 В.The energy of the current pulse through the pump source required to pump the active element is E=1 J. With the capacity of the storage capacitor C=100 μF, the required voltage U on it is determined by the well-known formula E=CU 2 /2 and is U=141 V.

Пример 3Example 3

Если по режиму возбуждения лазерного активного элемента длительность импульса тока накачки должна быть 2 мс, что соответствует одному полупериоду Т0/2 тока в LC-контуре то величина индуктивности при известном построении генератора тока [1] должна составлять L=Т0 2/4π2С=1 мГн.If, according to the excitation mode of the laser active element, the duration of the pump current pulse should be 2 ms, which corresponds to one half-period T 0 /2 of the current in the LC circuit then the value of the inductance with the known design of the current generator [1] should be L = T 0 2 /4π 2 C = 1 mH.

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 определено, что оптимальная по коэффициенту полезного действия схемы частота должна быть около 100 кГц. При этом предполагается, что периоды нарастания и убывания тока через источник накачки составляют примерно 5 мкс. Imax ~ 50 A. Imin=0,9Imax=45 А. Таким образом, скорость нарастания-убывания тока через источник накачки равна (50-45)/5=1 А/мкс.According to the proposed solution, the switching frequency of the transistor key should be as high as possible - while the required inductance of the choke decreases. The maximum switching frequency is limited by the speed of the existing elements. It has been experimentally determined that the frequency optimal in terms of the circuit efficiency should be about 100 kHz. It is assumed that the periods of increase and decrease of the current through the pump source are approximately 5 μs. I max ~ 50 A. I min = 0.9I max = 45 A. Thus, the rate of increase-decrease of the current through the pump source is (50 - 45) / 5 = 1 A / μs.

Экспериментально обоснованная величина индуктивности L составляет L=100-150 мкГн. Эта величина значительно меньше, чем у аналога [1], и обеспечивает при этом заданную стабильность поддержания тока в источнике накачки при открытом и закрытом ключе 4.The experimentally substantiated value of the inductance L is L=100-150 μH. This value is significantly less than that of the analogue [1], and at the same time ensures the specified stability of maintaining the current in the pump source with the open and closed switch 4.

Привязка управляющих цепей транзисторного ключа и схемы управления к нулевому потенциалу корпуса 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, на что в известном устройстве [2] приходится затрачивать дополнительную энергию.Binding the control circuits of the transistor switch and the control circuit to the zero potential of the case allows, firstly, to simplify the circuit design of the switch and the control circuit. Secondly, this makes it possible to use low-voltage, relatively inexpensive elements in them, which increases reliability and reduces the cost of the device. Thirdly, control of the switch using a low-voltage circuit eliminates the need to recharge the circuit and parasitic capacitances during the switching process, which in the known device [2] requires additional energy.

Применение в качестве источника накачки матрицы полупроводниковых лазеров дает еще ряд преимуществ. Этот источник обладает значительно более высоким коэффициентом полезного действия по сравнению с газоразрядной лампой, а выбор длины волны излучения в узкой спектральной полосе позволяет наилучшим образом согласовать излучение накачки с полосой поглощения активного элемента, что еще более способствует повышению эффективности. Относительно низкое падение напряжение на источнике накачки упрощает схемное решение источника тока и повышает его надежность.The use of a semiconductor laser matrix as a pump source offers a number of other advantages. This source has a significantly higher efficiency factor compared to a gas-discharge lamp, and the choice of the radiation wavelength in a narrow spectral band allows the pump radiation to be best matched to the absorption band of the active element, which further enhances efficiency. The relatively low voltage drop on the pump source simplifies the circuit design of the current source and increases its reliability.

Применение в качестве демпферного диода транзистора в диодном включении сокращает потери в этом элементе схемы и способствует сокращению массы и габаритов устройства в целом.The use of a transistor in a diode connection as a damper diode reduces losses in this element of the circuit and helps to reduce the weight and dimensions of the device as a whole.

Известно, что падение напряжения на открытом диоде при токах 20-100 А достигает 1,5-2,0 В. Это соизмеримо с падением напряжения на лазерной диодной матрице и ведет к существенному снижению коэффициента полезного действия накачки.It is known that the voltage drop on an open diode at currents of 20-100 A reaches 1.5-2.0 V. This is comparable with the voltage drop on the laser diode matrix and leads to a significant decrease in the pump efficiency.

Известно также, что МОП-транзисторы с изолированным затвором обладают низким сопротивлением канала [5, 7], достигающим 3-4 мОм. При токе 40 А падение напряжения на таком транзисторе не превышает 0,2 В, что практически устраняет потери во время индуктивного цикла накачки, особенно при параллельном включении транзисторов. Кроме того транзисторные ключи имеют малую задержку включения Твкл [7] - это важно в плане снижения потерь при коммутации контуров и предотвращения грубых ошибок в случае одновременного открывания ключей 4 и 7, приводящего к короткому замыканию и выводу схемы из строя.It is also known that MOSFETs with an isolated gate have a low channel resistance [5, 7], reaching 3-4 mOhm. At a current of 40 A, the voltage drop on such a transistor does not exceed 0.2 V, which practically eliminates losses during the inductive pumping cycle, especially when transistors are connected in parallel. In addition, transistor keys have a short turn-on delay T on [7] - this is important in terms of reducing losses during circuit switching and preventing gross errors in the case of simultaneous opening of keys 4 and 7, leading to a short circuit and putting the circuit out of order.

При выключении транзисторного ключа 4 и отсутствии конденсатора 8 на демпферном диоде 7 выделяется выброс Uдд ЭДС самоиндукции дросселя 2 (фиг. 4, кривая А). Шунтирование диода 7 конденсатором 8 устраняет этот выброс. Апериодический переходный процесс напряжения Uab(t) на демпферном диоде (фиг. 3б) обеспечивается при условии [6].When the transistor switch 4 is switched off and there is no capacitor 8 on the damper diode 7, a surge of U dd EMF of self-induction of the choke 2 is released (Fig. 4, curve A). Shunting the diode 7 with the capacitor 8 eliminates this surge. The aperiodic transient process of voltage U ab (t) on the damper diode (Fig. 3b) is ensured under the condition [6].

где L - индуктивность дросселя 2; where L is the inductance of choke 2;

Сф - емкость конденсатора фильтра 8;С ф - capacitance of filter capacitor 8;

R - сопротивление источника накачки 3.R - resistance of pump source 3.

Из (2) следует условие апериодического процесса (фиг. 3 кривая В).From (2) follows the condition of an aperiodic process (Fig. 3 curve B).

Пример 4Example 4

L=100 мкГн; R=2 Ом.L=100 μH; R=2 Ohm.

Сфап=100 МКф.With fap = 100 MKf.

Такое решение представляется избыточным по существу и нежелательным конструктивно, поскольку конденсатор в цепи 100 В и 50 А при такой емкости имеет большие габариты.This solution seems to be redundant in essence and undesirable in design, since the capacitor in the 100 V and 50 A circuit with such a capacity has large dimensions.

Условие (2) не учитывает возникновение высокой проводимости демпферного диода 7 при его прямом смещении напряжением Uab (фиг. 3, 4), после чего ток дросселя 2 замыкается через диод 7, и конденсатор 8 в дальнейшем процессе не участвует. Поэтому достаточно погасить выброс самоиндукции дросселя в течение времени Твкл демпферного диода.Condition (2) does not take into account the occurrence of high conductivity of the damper diode 7 when it is forward biased by voltage U ab (Fig. 3, 4), after which the current of the choke 2 closes through the diode 7, and the capacitor 8 does not participate in the further process. Therefore, it is sufficient to suppress the surge of self-induction of the choke during the time T on the damper diode.

При малых временах t≤tвкл справедлива формула [4] для напряжения Ub (фиг. 3а) на конденсаторе емкостью Сф при текущем через него токе I.For short times t≤t on, the formula [4] is valid for the voltage U b (Fig. 3a) on a capacitor with a capacitance C f with a current I flowing through it.

откуда where

(5) (5)

Пример 5Example 5

I=50 A; tвкл=10-7 с; UC=50B.I=50 A; t on =10 -7 s; U C =50B.

Сф=0,1 мкФ.With f = 0.1 μF.

На фиг. 4 показан характер переходного процесса при таком значении конденсатора 12 (кривая Б), а также при отсутствии конденсатора (кривая А) и при емкости конденсатора, обеспечивающей апериодический переходный процесс согласно примеру 4 (кривая В).Fig. 4 shows the nature of the transient process with such a value of the capacitor 12 (curve B), as well as in the absence of a capacitor (curve A) and with a capacitor capacitance that ensures an aperiodic transient process according to example 4 (curve B).

На фиг. 3б) приведен график напряжения Uаб между точками а) и б) схемы фиг. 1. Fig. 3b) shows a graph of voltage U ab between points a) and b) of the circuit in Fig. 1.

В соответствии с предлагаемой полезной моделью был разработан макетный образец генератора импульсов тока, испытанный в составе лазерного дальномера.In accordance with the proposed utility model, a prototype of a current pulse generator was developed and tested as part of a laser rangefinder.

Транзисторный ключ 4 построен на базе транзистора APT 8024, а схема управления - на микросхеме MAX 4420 [3]. По сравнению с аналогом [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. Демпферный диод 7 выполнен на базе транзистора IRFB4110PbF с изолированным затвором и индуцированным каналом каналом n-типа, имеющего сопротивление канала 4 мОм при токе 75 А. В закрытом состоянии транзистора напряжение на нем не превышает 100 В с учетом выброса при включении индуктивного контура. Емкость конденсатора фильтра Сф=0,1 мкФ.The transistor switch 4 is based on the APT 8024 transistor, and the control circuit is based on the MAX 4420 microcircuit [3]. Compared with the analog [2] (the IRG4SPC71UD transistor and the IR2125 microcircuit), the specified elements and their circuit binding provide a more compact design of the current generator, they have an order of magnitude higher reliability and a significantly lower cost. The damper diode 7 is based on the IRFB4110PbF transistor with an insulated gate and an n-type channel induced by the channel, having a channel resistance of 4 mOhm at a current of 75 A. In the closed state of the transistor, the voltage on it does not exceed 100 V, taking into account the surge when the inductive circuit is turned on. The capacitance of the filter capacitor C f = 0.1 μF.

Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает решение поставленной задачи, а именно снижение выбросов напряжения и сокращение массогабаритных параметров генератора импульсов тока.Thus, the proposed device provides a solution to the set problem, namely, a reduction in voltage surges and a reduction in the weight and size parameters of the current pulse generator.

Источники информацииSources of information

1. Лазерный прибор разведки ЛПР-1. Техническое описание и инструкция по эксплуатации.1. Laser reconnaissance device LPR-1. Technical description and operating instructions.

2. В.В. Тогатов, П.А. Гнатюк. Высокочастотный разрядный модуль для питания ламп накачки твердотельных лазеров. «Приборы и техника эксперимента». № 5, 2003 г. - с. 89-95.2. V.V. Togatov, P.A. Gnatyuk. High-frequency discharge module for power supply of pump lamps of solid-state lasers. "Instruments and experimental equipment". No. 5, 2003. - pp. 89-95.

3. Генератор импульсов тока. Патент РФ на изобретение № 2494532 по заявке № 2012147412 от 08.11.2012 г. - прототип.3. Current pulse generator. Russian Federation patent for invention No. 2494532 based on application No. 2012147412 of 08.11.2012 - prototype.

4. Л.А. Бессонов. Теоретические основы электротехники. М., Высшая школа, 1996 г. -344 с.4. L.A. Bessonov. Theoretical foundations of electrical engineering. Moscow, Higher School, 1996, 344 p.

5. В.Г. Гусев. Электроника и микропроцессорная техника: учебник. М., КНОРУС, 2016 г. -798 с.5. V.G. Gusev. Electronics and microprocessor technology: textbook. M., KNORUS, 2016. - 798 p.

6. Переходные процессы в RLC-цепях. Практические формулы. https://gorchilin.com/articles/math/transition_process_RLC.6. Transient processes in RLC circuits. Practical formulas. https://gorchilin.com/articles/math/transition_process_RLC.

7. Полевые транзисторы с изолированным затвором и индуцированным каналом каналом n-типа IRFB4110PbF. Технические характеристики.7. Field-effect transistors with insulated gate and induced channel n-type IRFB4110PbF. Technical characteristics.

Claims (2)

1. Источник тока накачки, выполненный в виде замкнутого контура, состоящего из последовательно включенных накопительного конденсатора, дросселя, источника излучения накачки, транзисторного ключа со схемой управления и датчика тока, а также демпферного диода, включенного параллельно дросселю и источнику излучения накачки, дроссель и источник излучения накачки с демпферным диодом включены между выводом транзисторного ключа и высоковольтным электродом накопительного конденсатора, другой выход транзисторного ключа соединен с контактом датчика тока, второй контакт которого соединен со вторым электродом накопительного конденсатора и нулевой шиной, а схема управления включает пороговое устройство, подключенное к датчику тока, и формирователь управляющего импульса, подключенный к управляющему входу транзисторного ключа, отличающийся тем, что между низковольтным выводом источника излучения накачки и нулевой шиной введен конденсатор фильтра емкостью где tвкл - время включения диода; I - ток в индуктивном контуре; UСф - допустимое напряжение на конденсаторе фильтра по окончании времени tвкл.1. A pump current source made in the form of a closed circuit consisting of a series-connected storage capacitor, a choke, a pump radiation source, a transistor switch with a control circuit and a current sensor, as well as a damper diode connected in parallel to the choke and the pump radiation source, the choke and the pump radiation source with the damper diode are connected between the terminal of the transistor switch and the high-voltage electrode of the storage capacitor, the other output of the transistor switch is connected to the contact of the current sensor, the second contact of which is connected to the second electrode of the storage capacitor and the zero bus, and the control circuit includes a threshold device connected to the current sensor, and a control pulse generator connected to the control input of the transistor switch, characterized in that a filter capacitor with a capacity of is introduced between the low-voltage terminal of the pump radiation source and the zero bus where t on is the diode turn-on time; I is the current in the inductive circuit; U Cf is the permissible voltage on the filter capacitor at the end of the time t on . 2. Источник тока по п. 1, отличающийся тем, что демпферный диод выполнен на основе транзистора в диодном включении.2. A current source according to paragraph 1, characterized in that the damper diode is made on the basis of a transistor in a diode connection.
RU2024125235U 2024-08-28 Pump current source RU230329U1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU230329U1 true RU230329U1 (en) 2024-11-28

Family

ID=

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2110382C1 (en) * 1997-03-12 1998-05-10 Акционерное общество открытого типа "Туламашзавод" Method for pumping lamp of solid-body radiator under pulse-periodic conditions and device for its embodiment
RU98637U1 (en) * 2010-05-25 2010-10-20 Открытое Акционерное Общество "Пеленг" LASER
US20110220625A1 (en) * 2010-03-15 2011-09-15 Christoph Pluss Laser machining apparatus and method for the manufacture of a rotationally symmetrical tool
RU2494533C1 (en) * 2012-11-08 2013-09-27 Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" Method for optical injection of laser
RU2494532C1 (en) * 2012-11-08 2013-09-27 Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" Current pulse generator

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2110382C1 (en) * 1997-03-12 1998-05-10 Акционерное общество открытого типа "Туламашзавод" Method for pumping lamp of solid-body radiator under pulse-periodic conditions and device for its embodiment
US20110220625A1 (en) * 2010-03-15 2011-09-15 Christoph Pluss Laser machining apparatus and method for the manufacture of a rotationally symmetrical tool
RU98637U1 (en) * 2010-05-25 2010-10-20 Открытое Акционерное Общество "Пеленг" LASER
RU2494533C1 (en) * 2012-11-08 2013-09-27 Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" Method for optical injection of laser
RU2494532C1 (en) * 2012-11-08 2013-09-27 Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" Current pulse generator

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7208882B2 (en) Lighting device for discharge lamp
CN101180781A (en) Protection circuit device for solar modules
JP2684601B2 (en) Switching control circuit and controller for low pressure fluorescent lamp
EP0248843B1 (en) Simplified gaseous discharge device simmering circuit
RU230329U1 (en) Pump current source
RU233431U1 (en) Pulse current generator
US4591761A (en) Relaxation oscillator synchronizer for pulsed laser operation
RU230655U1 (en) Pulse current generator
RU234784U1 (en) Pulsed laser pump source
RU230326U1 (en) Laser pump source
RU2838639C1 (en) Current generator
RU233658U1 (en) Power supply for semiconductor laser
RU234785U1 (en) Pump source
RU2825742C1 (en) Pulse current generator
RU2494532C1 (en) Current pulse generator
RU2825774C1 (en) Pulse laser pumping source
RU2825773C1 (en) Pulsed laser pumping source
KR100458423B1 (en) Gas-discharge lamp lighting apparatus with optimized circuit configuration
RU2825775C1 (en) Laser pumping device
HUP0204233A2 (en) Electronic ballast circuit and method for operating a high intensity discharge lamp
RU143351U1 (en) POWER SUPPLY WITH LASER PUMP PUMP ENERGY CONTROL DEVICE
RU218574U1 (en) Avalanche pulsed S-diode electrical switching device
RU2825865C1 (en) Pulsed semiconductor laser pumping source
RU2265935C1 (en) Laser pumping device
RU2772728C2 (en) Apparatus for controlling an electromagnet