книги / Малогабаритные генераторы накачки полупроводниковых лазеров

Рис.2.35. Зависимость времени нарастания тока тиристора 2У205Г от тем­ пературы среды: 1 - 1пр* 20 А;2 - 1Щ= 60А; 3 - /щ,= 100А

Рис.2.36. Зависимость времени установления полной проводимости тиристора 2У205Г от прямого тока при t/™ зкр = 200 В, тупр * 3 мкс, /упр - 1 А, / * ! 1000Гц, т*17 мкс: 1 -Гокр* 20 *С;2 -Т1окр,

Таблица 2.9

боковых импульсов и возрастает с повышением температуры окружающей зреды (рис.2.36).

Таким образом, внутреннее сопротивление тиристора непосредственно после окончания регенеративного процесса (интервала гнар) в десятки раз превы­ шает его сопротивление в установившемся режиме, а затем снижается сравни­ тельно медленно. Это приводит, во-первых, к росту потерь энергии в ключе и его дополнительному разогреву, во-вторых, к ограничению амплитуды коротких Импульсов накачки, т.е. рассмотренная особенность, заключающаяся в конечном

101

значении крутизны нарастания тока через тиристор, обусловлена также наличием интервала установления полной проводимости, особенно при низкоомной наг­ рузке генератора. Справочные данные импульсных тиристоров даны в табл.2.10.

Таблица 2.1(

* Допустимое импульсное прямое напряжение

При создании импульсных генераторов накачки инжекционных излучателей важным параметром тиристора как ключевого элемента является время выклю­ чения, т.е. время перехода из открытого состояния в закрытое. Выключение тиристора может осуществляться вследствие внешнего воздействия в цепи управляющего электрода или в анодной цепи. Первый вариант применяется редко - только для маломощных приборов, когда эффективное выключение происходит при управляющем токе, превышающем ток открытого тиристора Процесс выключения тиристора по аноду осуществляется при подаче запираю­ щего напряжения между анодом и катодом. В этом случае время выключения определяется скоростью рекомбинации избыточных носителей (дырок) в л-базе, которая характеризуется уменьшением заряда по экспоненциальному закону [54].

Q = елехр(-(Лр),

дырочную часть полного тока через переход рп. Тиристор запирается, когда ток.

проходящий через него, уменьшается до значения статического тока выключения

бвы кл = * р ( 1 “ А )^ в ы к л ^ т р^выкл»

где £ х - количество дырок общего тока, доходящих до перехода р2-п1. Отсюда

время выключения равно

102

^выкл “ t р In

т.е. не зависит от толщины n-базы, а определяется формой вольт-амперной характеристики (I током тиристора перед выключением.

t

Рис.2.37. Зависимость времени выключения тиристора 2У205Г от величины прямого тока при Гокр « +60 °С: 1,2,3 - образцы с максимальным средним и минимальным значениями tBbIKJI

Рис.2.38. Изменение времени выключения тиристора 2У205Г в температурном дипазоне при /пр = 100 А: 1,2,3 - образцы с максимальным средним и ми­ нимальным значениями £выкл

Экспериментальные исследования процессов выключения при подаче на анод импульса напряжения обратной полярности проводились на тиристорах 2У203И и 2У205Г при максимально допустимых значениях прямого тока, величины

проходящий через тиристор, / пр= 0 до момента подачи положительного напряжения

на анод тиристора, т.е. фактически изменялась необходимая длительность выключающего импульса отрицательной полярности. Экспериментально полу­ ченные зависимости времени выключения тиристоров 2У205Г от прямого тока и температуры окружающей среды, полученные для режима работы и прзкр= 800 В, /повТ= 10 0 0 Гц,ТуПр= 5 м кс ,/упр = 2 А, т = 2 мкс, U ^ = 100 В, приведены на рис.2.37,

2.38 соответственно. С увеличением прямого тока интервал времени возрастает, так как процесс рекомбинации избыточных носителей в л-базе затягивается. Повышение температуры, в свою очередь, приводит к увеличению времени жизни дырок, т.е. тоже ухудшает быстродействие тиристора при запи­ рании. Аналогичный характер указанных зависимостей получен для тиристора 2У203И, но при времени выключения в 5 раз меньшем. Таким образом, протя­ женность времени выключения тиристоров при формировании импульсов дли­ тельностью т < 2 мкс практически не отличается от значений ^ 1КП, приводимых

в справочной литературе для более длительных токовых импульсов.

103

Повышение частоты повторения импульсов генераторов накачки

Время выключения тиристора вместе с максимально допустимой рассеи­ ваемой мощностью определяет предельную частоту повторения импульсов накачки. Рассмотрим эту связь на примере схемы рис.2.39, в которой для сокра­ щения длительности импульса используется практически полный разряд нако­ пительной емкости Сн, т.е. для выключения тиристора не требуется подавать обратный импульс в анодную цепь. Происходит запирание тиристора, если ток заряда накопителя меньше статического тока выключения E/R ^ соот­

ветственно значение периода повторения импульсов ограничено соотношением

Во втором случае скоращаются как время выключения тиристора, так и время заряда накопительной емкости.

Максимальная частота повторения импульсов накачки не должна приводить к перегреву тиристора, т.е. средняя рассеиваемая на нем мощность не должна превышать максимально допустимую величину РСр< ЧертахДля оценки средней рассеиваемой мощности на тиристоре нужно учитывать различный его нагрев в закрытом состоянии и во время формирования фронта, вершины и спада токового импульса, форма которого определяется выражением

мощность, рассеиваемая тиристором на стадиях формирования фронта, вершины

104

Рис.2.39, простейшая схема тиристор­ ного генератора коротких токовых импульсов

Средняя мощность, рассеиваемая на закрытом тиристоре, равна

Р(2,3 ('ИЕ/1дь1КЯ— т ) .

Если для запирания тиристора на него подается обратный импульс, это приводит к дополнительной мощности рассеяния

Условием надежной работы тиристора на максимальной частоте с точки зрения температурного режима является

Максимальная частота повторения импульсов тиристорных генераторов накачки может быть повышена за счет импульсного питания тиристора, когда импульс питающего напряжения заканчивается сразу же после формирования импульса накачки. В результате этого сокращается время выключения тиристора, юторый при отсутствии анодного напряжения быстрее восстанавливает свое ^противление. Кроме того, уменьшается мощность Редо, рассеиваемая закрыым тиристором в интервале между токовыми импульсами, т.е. снижается ззогрев тиристорного ключа

В многоканальных измерительных системах, устройствах автоматики и нлеуправленил интервалы работы оптических передатчиков могут разделяться эавнительно длительными паузами. Такой импульсно-пакетированный режим )зволяет повысить частоту повторения импульсов накачки внутри генеригемого пакета (серии). Принципиальная схема цифрового устройства запуска

105

Рис.2.40. Цифровая схема управления для импульсно-пакетированных

106

' Для формирования периодической последовательности серий на него подается v напряжение единичного уровня, а одиночная серия генерируется при запуске однократным импульсом. Количество импульсов может задаваться оператором. Для этого элементы DD3, HD4, DD5.1, а также DD7, DD8, DD52 заменяются двумя

интегральными схемами 564ИД1 в сочетании с переключателями на десять положений.

Устройство запуска работает по принципу подсчета количества импульсов. При совпадении двоично-десятичного числа на выходе счетчиков DD3, DD7 с двоично-десятичным кодом на входах управления "Единицы”, "Десятки” формирование серии прекращается (триггеры DD6.1, Ш 6.2 возвращаются в исходное положение). Максимальное число импульсов в серии составляет 9,9, длительность импульсов 10 мкс, частота посторения - до 50 кГц. Импульснопакетированный режим накачки позволяет уменьшить среднюю мощность,

импульсное и периода повторения серий. Так, при периоде повторения серий

Сокращение длительности фронта и среза импульсов в тиристорных генераторах накачки

Как было показано в гл.1, короткие импульсы накачки позволяют повысить надежность работы полупроводниковых лазеров и улучшить основные харак­ теристики оптических измерительных систем (точность, дальность действия, помехоустойчивость и т.д.). Поэтому вопрос создания тиристорных генераторов накачки наносекундного диапазона длительностей представляет значительный

нтерес. Простейший путь сокращения длительности токового импульса - меньшение накопительной емкости Сн. На рис.2.41 представлена схема

107

тиристорного формирователя коротких импульсов, особенностью которого^ являются импульсное питание и автоматический запуск. Генератор накачки содержит эмиттерный повторитель на транзисторах VTX, VT2 и мощный токовый ключ на транзисторах VT3, VT4. В данной схеме управления работой тиристора

осуществляется без запускающих импульсов следующим образом. После начала импульса питания на коллекторе транзистора VT3, VT4 высокое напряжение

(400-800 В) со вторичной обмотки повышающего импульсного трансформатора Тх через зарядный резистор R начинает заряжать накопительный конденсатор

Сн. При этом величина отрицательного напряжения на управляющем электроде,

Таким образом, на управляющем электроде поддреживается отрицательное напряжение относительно катода, т.е. тиристор находится в закрытом состоянии. После достижения амплитудного значения отрицательное напряжение на управляющем электроде тиристора начинает уменьшаться быстрее, чем напря­ жение на емкости Сн. То есть знак напряжения между катодом и электродом управления изменяется на противоположный, в результате чего тиристор открывается, а конденсатор Сн разряжается через лазер AD1. Жесткая привязка

пульсов на входе генератора Применение накопительного конденсатора с малой емкостью позволяет существенно сократить время нарастания и, дли­ тельность импульсов накачки (рис.2.42). Так, при Сн = 680 пФ достигается дли­ тельность токового импульса т = 20 нс. Определенное снижение амплитуды - до / н = 40 А обусловлено предельным быстродействием примененного ключа КУ221В. Трансформатор Тх выполнен ,на двух кольцевых ферритовых сердеч­

ников марки 200НМС 30x7,5x5, обмотки I и II (рис.2.42) содержат соответственно 20 витков провода ПЭВ2-0,35 и 700 витков провода ПЭЛШО-0,1. Генератор обес­ печивает частоту повторения импульсов тока до 30 КГц, а в сочетании с цифровым

Рис.2.42. Зависимость амплитуды (кривая 2), времени фронта (3) и дли­ тельности (2) токового импульса от емкости накопительного конденсатора при Ян« 2 0м

100,5 1,5 2J5 3,5Сн,нФ

Сокращение длительности токовых импульсов с одновременным увели чением амплитуды достигается в многокаскадных тиристорных формирователя? с бегущей волной напряжения и тока. Применение в таких генераторах совре менных быстродействующих тиристоров (КУ216, КУ221, КУ111) позволяет по лучить импульсы накачки с наносекундной длительностью фронта и среза Принцип работы многокаскадного генератора (рис.2.43) состоит в следующей

108

Рис.2.43. Принципиальная схеш тиристорного генератора бегущей волны: VTt - КТ630А, VT2, VT7 - КТ807А, VTd-V?6 - 1HT251A, VDX - КД103А, VD2 ~VDn - КУ221В, VD12-VDl3 - МД218, Cx -C10 - 4700пФ,

Cn -Cl9 -220пФ

Блокинг-генератор на транзисторе VTX вырабатывает импульсы с длитель­

ностью примерно 1 мкс, периодом повторения больше 20 мс и амплитудой 24 В. После поступления этого запускающего импульса на управляющий электрод первого тиристора VT2 он открывается, накопительный конденсатор Сх' раз­ ряжается, в результате к следующему тиристору VD3 прикладывается двойное напряжение питания. По мере продвижения волны напряжения1 к последнему

каскаду с нагрузкой # н происходит увеличение его амплитуды, а также сокра­ щение длительности фронта и импульса по сравнению со случаем генератора на одном тиристоре.

Основое отличие разработанного формирователя от классической схемы состоит в подключении к управляющим электродам всех тиристоров (кроме первого) форсирующих конденсаторов Сп -С 19. В результате этого возрастает

гок управляющего электрода и соответственно снижается сопротивление Скрытого тиристора, что позволяет увеличить коммутируемый ток и сократить зремя его нарастания.

Для питания формирователя от источника +27 В в генераторе (рис.2.43) ]Редусмотрен преобразователь напряжения на транзисторах VT2-V T 7, обеспе­

чивающий выходное напряжение с амплитудой 600 В при КПД = 50% . Частота

а сердечнике 1500 НМ типоразмера 7x4x6 мм и содержит 30, 18 и 110 витков

109

провода ПЭЛЩО-0,1. Трансформатор Т2 содержит 50+50 и 1200 витков провода*

ПЭЛШО-0,3 на кольцевом магнитопроводе 1500 45x30x8 мм. В формирователе' используются конденсаторы типа СГМ-4 (Cj-Сю ) и КТ-2 (Сп -С 19). Мощность

потребляемая от источника питания, составляет 50 Вт при частоте повторения импульсов 50 Гц.

Генератор формирует на нагрузке Ян = 10 Ом импульсы с амплитудой 5 -6 кВ при длительности по полувысоте 10 нс и времени нарастания менее 10 нс. Частоту повторения импульсов можно увеличить до 50 Гц, уменьшив сопротив­ ление зарядных резисторов с 2 МОм до 200 кОм и заменив транзисторы преоб­ разователя VT2, VT7 на более мощные - КТ908А.

При необходимости снижения габаритно-весовых характеристик генератора 'В формирователе целесообразно применять токовые ключи меньшей мощности. Так, например, малогабаритный формирователь на шести тиристорах КУ111 при напряжении питания 1000 В позволяет получить на нагрузке R H = 50 Ом

импульсы с амплитудой 1400 В, длительностью по полувысоте 80 нс, временем нарастания 15 нс. Влияние количества тиристоров и напряжения питания формирователя на мощность выходных импульсов показано на рис. 2.44.

В этом случае нагрузку к описанному генератору необходимо подключать через согласующий трансформатор с объемным витком в качестве вторичной обмотки. Использование трансформатора, входящего в состав излучателя

до 150 В, длительностью 30 нс и временем нарастания 20 нс. Характерно, что при увеличении тока первичной обмотки с 20 до 160 А коэффициент трансфор­ мации К тр снижается до 2,5. Это обусловлено недостаточной площадью сечения

сердечника трансформатора.

Если емкость нагрузки имеет значительную величину, то для обеспечения эффективного излучения импульсов длительностью менее 15 нс может оказаться полезным введение предпорогового импульсного смещения [79].

В качестве элементов, сокращающих длительность импульсов тиристорны* генераторов, можно использовать дроссели с насыщающимся сердечником. При этом удается уменьшить длительность фронта и спада токовых импульсов, приб­ лизить их форму к прямоугольной.

На рис.2.45,а дана схема тиристорного генератора импульсов накачки с длительностью фронта меньше, чем время нарастания тока тиристора Дроссель U

с нелинейной кривой намагничивания сердечника включен в цепь разряда накопи-

110