Схема диодной накачки на основе высокочастотного разрядного модуля

Силовая схема диодной накачки на основе модулятора с частичным разрядом накопительной емкости

На рис. 13 приведена силовая схема диодной накачки, управляемая аналоговым (а) и цифровым (б) сигналами.

А

Б

Рис.13

Схема включает неуправляемый источник питания ИП с напряжением , накопительный конденсатор , заряжаемый в паузе между импульсами до напряжения , коммутирующий транзистор , датчик тока и лазерную линейку . Схема управления построена на базе операционного усилителя ОУ, на неинвертирующий вход которого подается управляющее напряжение . Если управляющий сигнал является аналоговым, то напряжение подключается ко входу ОУ через полупроводниковый коммутатор . В случае цифрового сигнала, поступающего с микроконтроллера , используется цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП). Высокоомный резистор заземляет неинвертирующий вход операционного усилителя ОУ при отсутствии сигнала управления.

Рассматриваемая схема представляет собой модулятор с частичным разрядом накопительной емкости, в котором коммутирующим элементом является управляемый источник тока. Последний состоит из коммутирующего транзистора с датчиком тока в цепи истока и управляющего усилителя ОУ.

В исходном состоянии (в паузе между импульсами накачки) конденсатор заряжен до напряжения . На сигнальном входе 1 полупроводникового коммутатора установлено управляющее напряжение . Однако, до тех пор, пока на управляющий вход 2 коммутатора не подан импульс напряжения, на выходе 3 коммутатора напряжение равно нулю. Транзистор выключен и блокирует напряжение , поступающее в контур накачки с конденсатора . При управлении цифровым сигналом в паузе между импульсами с цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) на неинвертирующий вход ОУ подается нулевой сигнал, поддерживающий транзистор в выключенном состоянии. Ток в контуре накачки отсутствует.

Проанализируем процесс формирования тока накачки при управлении аналоговым сигналом. На управляющий вход 2 коммутатора подается импульс напряжения, длительность которого равна длительности импульса накачки. Коммутатор на время импульса передает напряжение на выход 3, т.е. на неинвертирующий вход операционного усилителя ОУ. На инвертирующий вход ОУ подается напряжение обратной связи пропорциональное току накачки . Операционный усилитель выставляет на выходе такое напряжение, чтобы . При этом ток накачки оказывается равным

. (47)

Этот ток поддерживается неизменным вплоть до конца импульса и не зависит от разряда конденсатора . В отличие от предшествующих схем в рассматриваемой схеме коммутирующий транзистор работает в активном режиме, а не в режиме насыщения. Поэтому емкость накопительного конденсатора выбирается из условия сохранения активного режима работы транзистора в течение всего импульса накачки. Это означает, что напряжение на конденсаторе в конце импульса () должно превосходить минимальное напряжение на источнике тока плюс напряжение на лазерной линейке .

. (48)

В этом неравенстве - сопротивление канала транзистора. При разряде конденсатора постоянным током напряжение на нем линейно падает

. (49)

Согласно сказанному величина , определяемая из (49) должна превосходить правую часть (48)

.

Отсюда

. (50)

При проектировании схем заданными величинами будем считать амплитуду импульса тока накачки , длительность импульса накачки и напряжение на лазерной линейке при заданном токе накачки. По величине тока накачки выбираем коммутирующий транзистор. При этом исходим из того, что напряжение на лазерной линейке примерно равно , так что схема накачки является заведомо низковольтной. Выбираем мощный полевой транзистор с напряжением сток – исток и сопротивлением канала в единицы или десятки (в зависимости от тока накачки). Задаемся управляющим напряжением , которое не должно превосходить допустимого напряжения на входах операционного усилителя ОУ (обычно не более ). По выбранному значению и току накачки находим сопротивление датчика тока

.

Выбираем напряжение источника питания , которое на должно быть больше суммы . Здесь - сопротивление канала транзистора. Если накачка осуществляется двумя последовательно включенными лазерными линейками, то в указанной сумме вместо , берется . Наконец, по неравенству (50) рассчитывается емкость накопительного конденсатора.

Пример. Рассчитать параметры схемы накачки, формирующей импульсы тока с амплитудой и длительностью . Напряжение на лазерной линейке при токе равно .

В качестве коммутирующего транзистора выбираем - канальный полевой транзистор IR1404 с максимальным импульсным током и сопротивлением канала . Ориентируясь на операционный усилитель с напряжением питания , зададимся управляющим напряжением . Рассчитаем сопротивление шунта

.

Найдем сумму напряжений

.

Напряжение источника питания выбираем на больше этой суммы .

Определим емкость накопительного конденсатора

Схема диодной накачки на основе высокочастотного разрядного модуля

На рис. 14 приведена схема высокочастотного разрядного модуля для накачки мощных лазерных линеек.

Рис. 14

Силовая часть схемы включает нерегулируемый источник питания ИП с напряжением , накопительный конденсатор , заряжаемый в паузе между импульсами до напряжения , дроссель , датчик тока , коммутирующий транзистор , вспомогательный транзистор , выполняющий функцию обратного диода, и лазерную линейку , являющуюся нагрузкой схемы. Схема управления содержит источник питания с напряжением , компаратор с элементами , , , обеспечивающими гистерезис порога переключения, и драйвер , который усиливает сигнал с компаратора, а также осуществляет потенциальную развязку цепи затвора со входом драйвера. Элементы , необходимы для организации питания верхнего выходного каскада драйвера, а диод блокирует напряжение, которое появляется на выходе драйвера после включения . Резисторы и ограничивают емкостные токи в цепях затворов транзисторов и , а стабилитроны и ограничивают напряжение на затворах транзисторов и исключают появление напряжения обратной полярности на выходах драйвера.

В исходном состоянии (в паузе между импульсами) конденсатор заряжен до напряжения . Управляющее напряжение равно нулю, поэтому напряжение на неинвертирующем выходе компаратора также равно нулю. Согласно алгоритму работы драйвера при нулевом сигнале на входе на верхнем выходе низкий уровень напряжения (близкий к нулю), а на нижнем – высокий. Транзистор выключен и блокирует напряжение , поступающее в контур накачки с накопительного конденсатора . Ток в контуре накачки отсутствует. Так как на нижнем выходе высокий уровень напряжения, то вспомогательный транзистор в этот период включен. Поэтому конденсатор , выполняющий функцию источника питания верхнего выходного каскада, заряжен по контуру до напряжения .

Рассмотрим процесс формирования импульса тока накачки. На неинвертирующий вход компаратора подается импульс управляющего напряжения , определяющий амплитуду и длительность импульса тока накачки. На инвертирующий вход компаратора подается напряжение обратной связи по току , снимаемое с шунта . Так как в начальный момент времени () напряжение , а , то на неинвертирующем выходе компаратора установится высокий уровень напряжения, а на инвертирующем – низкий. Транзистор выключается, а включается сигналом с неинвертирующего выхода компаратора, усиленным драйвером . Через включенный транзистор в контуре протекает линейно возрастающий ток накачки. Скорость роста тока

. (51)

В этом выражении и соответственно напряжения на лазерной линейке и коммутирующем транзисторе. В период включенного состояния происходит разряд накопительного конденсатора током накачки, вследствие чего напряжение на нем уменьшается.

По мере роста тока накачки увеличивается напряжение . Как только достигнет , происходит переключение компаратора . Ток накачки в момент переключения

. (22)

После переключения компаратора его неинвертирующий выход обнуляется, что приводит к выключению коммутирующего транзистора и включению дополнительного транзистора . На инвертирующем выходе компаратора устанавливается высокий уровень, включающий транзистор . При этом напряжение на неинвертирующем входе компаратора за счет делителя , снижается с до . После выключения и включения ток накачки коммутирует в цепь . Последний включен по схеме синхронного выпрямителя, в котором ток через замыкается от истока к стоку, а не наоборот, как обычно. При этом напряжение на , как и при обычном включении, составляет . Таким образом, в период выключенного состояния коммутирующего транзистора ток накачки замыкается по контуру . По мере уменьшения энергии магнитного поля, запасенной в дросселе , ток накачки падает со скоростью

, (51а)

где – напряжение на вспомогательном транзисторе . Как только напряжение обратной связи снизится до величины , компаратор вновь переключится. Ток накачки в момент повторного переключения

, (23)

а напряжение на неинвертирующем входе после выключения , снова становится равным . В дальнейшем процесс повторяется, и компаратор поочередно подключает и отключает коммутирующий транзистор , обеспечивая изменение тока накачки в пределах вплоть до конца управляющего импульса. Временные диаграммы тока накачки и напряжения на накопительном конденсаторе в схеме диодной накачки имеют тот же вид, что и в схеме ламповой накачки (рис. 10).

Начальное напряжение на конденсаторе и величина емкости конденсатора должны быть выбраны таким образом, чтобы напряжение на конденсаторе в конце импульса было бы не ниже суммы напряжений на лазерной линейке, шунте и коммутирующем транзисторе. В этом случае величина среднего тока накачки остается неизменной до конца импульса и определяется выражением (24а). Абсолютная и относительная величины пульсаций тока, как и в схеме ламповой накачки, рассчитываются по формулам (24) и (25) соответственно.

Длительности включенного и выключенного состояний транзистора находятся из выражения (26)

. (26)

В период включенного состояния за время ток изменяется на , а . При этом (26) принимает вид

. (52)

Здесь , – сопротивление канала коммутирующего транзистора.

В процессе разряда конденсатора напряжение на нем уменьшается, а значения , и практически постоянны. Поэтому согласно (52) от импульса к импульсу растет.

В период выключенного состояния транзистора за время ток изменяется на , а . В этом случае (25) принимает вид

. (53)

Как уже отмечалось, , и в течении всего импульса накачки практически постоянны. Это означает, что и остается постоянным вплоть до окончания импульса. Очевидно, что период коммутации в процессе формирования импульса растет, а частота коммутации падает.

Проанализируем работу схемы, полагая, что в лазерной линейке формируется прямоугольный импульс среднего тока . Как и ранее в случае ламповой накачки нестационарный процесс в схеме будем рассматривать в квазистационарном приближении. Найдем закон изменения напряжения на конденсаторе , приравнивая энергию, теряемую конденсатором за время , энергии, рассеиваемой в контуре накачки за тот же период,

. (54)

Первое слагаемое в правой части (54) отражает потери в лазерной линейке, а второе – суммарные потери в шунте и транзисторе. Отметим, что коммутационные потери в транзисторе здесь не учитываются. Выразим из (54) величину , учтя КПД разрядного модуля

(55)

Определим закон изменения частоты коммутации транзистора в процессе формирования импульса накачки

.

С учетом (52) и (53) это выражение приводится к виду аналогичному (33)

. (56)

Подставляя в (56) из (55), получим

. (57)

Напомним, что в уравнениях (55) и (57) – суммарное напряжение на элементах разрядного контура, в которых происходит рассеяние энергии.

Расчет схемы управления данного разрядного модуля ничем не отличается от соответствующего расчета, выполненного для схемы с ламповой накачкой. Справедливы и выражения (35)-(40), полученные ранее для расчета параметров схемы управления.

При проектировании схемы будем считать заданными следующие параметры: среднее значение тока накачки , длительность импульса накачки , напряжение на лазерной линейке , соответствующее току . Дополнительно зададимся относительной величиной пульсаций тока . По величине тока накачки выбираем коммутирующий транзистор из числа мощных полевых транзисторов с напряжением сток-исток и сопротивлением канала в единицы или десятки . Задаемся величиной и рассчитываем сопротивление шунта

.

Исходя из величины суммарного напряжения на элементах разрядного контура , задаемся напряжением источника питания в несколько раз большим значения . Величину емкости накопительного конденсатора находим из условия, чтобы напряжение на конденсаторе в конце импульса накачки () превышало значение . Полагая в (55) и придем к следующему неравенству

, откуда

. (58)

При нахождении величины индуктивности зададимся значением частоты коммутации в начале импульса накачки . Чтобы коммутационные потери в транзисторе не были чрезмерно большими, величина не должна превышать 100 килогерц. Выразим индуктивность из выражения (56), полагая и

. (59)

Параметры схемы управления рассчитываются так же, как в схеме ламповой накачки. Задаемся величиной , которое не должно превосходить допустимого напряжения на входах компаратора. По выбранной величине находим сопротивление шунта . Из неравенства (40) рассчитывается величина , определяющая гистерезис напряжения переключения компаратора. По выбранной величине и рассчитанному значению из выражения (39) находится величина управляющего напряжения .

Пример. Рассчитать параметры высокочастотного разрядного модуля для диодной накачки, если величина среднего тока накачки , длительность импульса , напряжение на лазерной линейке, при , . Относительную величину пульсаций тока принять равной .

В качестве коммутирующего и вспомогательного транзисторов выбираем -канальный полевой транзистор с максимальным импульсным током и сопротивлением канала . Ориентируясь на компаратор с напряжением, питания , зададимся напряжением обратной связи . Рассчитаем сопротивление шунта

.

Найдем суммы напряжений на элементах разрядного контура

.

Выберем стандартное напряжение источника питания .

Из неравенства (58) определим емкость накопительного конденсатора, полагая

.

Выберем .

Задаваясь частотой коммутации в начале импульса накачки , по выражению (59) рассчитаем индуктивность дросселя

.

Найдем напряжение на конденсаторе и частоту коммутации в конце импульса накачки, полагая в (55) и , а в (56) и

, .

Зададимся величиной .

Определим сопротивление шунта

.

Из неравенства (40) определим отношения

.

Выберем .

Найдем величину напряжения управления

.

Дата добавления: 2015-10-24