книги / Малогабаритные генераторы накачки полупроводниковых лазеров

Рис.2.45. Тиристорный формирователь импульсов с корректирующей нелинейной индуктивностью (а), полная (б) и упрощенная (в) эквивалент­ ные схемы

Рис.2.46. Предельная петля гистерезиса ферромагнитного сердечника

тельного конденсатора Сн. На начальном этапе открывания тиристорё, когда разрядный ток, являющийся током намагничивания, имеет малую величину, нап­ ряженность магнитного поля не достигает значения/^ (рис.2.46). При этом за счёт большой магнитной проницаемостисердечника дроссель характеризуется большой индуктивностью. Таким образом, практически все напряжение питания ключа оказывается приложено к тиристору и ненасыщенному дросселю.

По мере открывания тиристора VD], падение напряжения на нем снижается, а напряжение на обмотке дросселя идр возрастает. Как только магнитный по­ ток, определяемый величиной и др, достигнет значения Ф5, сердечник переходит в состояние насыщения, т.е. индуктивность Lx резко уменьшается. Процесс

увеличения тока через насыщающийся дроссель происходит значительно быстрее, чем время нарастания тока тиристора tHap. Трансформатор Т с объемным витком во вторичной обмотке предназначен для согласования тиристорного формиро­ вателя с полупроводниковым лазером.

Эквивалентная схема (рис.2.45,б) содержит тиристор как идеальный ключ К ;

гтиР - внутреннее сопротивление тиристора во включенном состоянии; гдр - актив­ ное сопротивление дросселя ; Стр, гтр - емкость и активное сопротивление первичной обмотки трансформатора; Ls - индуктивность рассеяния магнитного потока трансформатора; 1 ц - индуктивность намагничивания трансформатора; Г1 - сопротивление вторичной обмотки трансформатора и контактов лазера, пе­ ресчитанные к первичной обмотке; г', Сп - сопротивление и емкость перехода

яазера, приведенные ко входу трансформатора Элементы и практически не оказывают влияния на форму импульса накачки, т.е. могут быть исключены из эквивалентной схемы. Все активные сопротивления разрядного контура дают

111

результирующее сопротивление # 2 *rTMp+ гдр+ r Tp+ r£ + г'п, а индуктивности L иХ^

образуют суммарную индуктивность Х£ = Х + Х5. Постоянная времени Стр , как правило, значительно меньше длительности фронта импульса накачки, поэтому емкость первичной обмотки трансформатора также можно не включать в упро­ щенную эквивалентную схему рис.2.45,в. Второе уравнение Кирхгофа для такого разрядного контура дает выражение

напряжения С7£ (У и точка перегиба функции ipft) имеют место в один и тот же момент времени t2. С ростом индуктивности дросселя (в интервале о - f,)

Рассмотрим процессы в разрядном контуре при сопротивлении Я2 , равном удвоенному характеристическому сопротивлению

112

* ^ 2 = 2 р = 2 т.е. при£ = сор.

Разрядный ток и напряжение на элементах контура определяются в этом случае выражениями

i/cft) = 1/( 0) (1 + x t) exp ( - x t ) .

Кривые изменения ip(f), UL(t), Uc(t) аналогичны кривым, построенным по общим формулам. Протяженность интервала 0 - tlf определяющая по существу длитель­ ность фронта токового импульса, составляет в этом случае *фр=* = 1 /X , а ампли­

туда разрядного тока равна

Процесс нарастания тока через дроссель L после включения тиристора

(рис.2.47) можно разделить на две стадии.* Сначала дроссель с ненасыщенным сердечником имеет большую индуктивность,из-за чего ток намагничивания lp(t) увеличивается медленно. В это время основная часть напряжения u c(t)

приложена к обмотке дросселя. Когда магнитный поток достигнет значения Ф5, сердечник дросселя насыщается, индуктивность L резко уменьшается до ве-

Рис.2.47. Нарастание тока в нагрузке тиристорного формирователя (кри­ вая 1) и тока через корректирующий дроссель N - 5 (кривая2)

личины 1 нас, ток разряда быстро возрастает. Время задержки, в течение которого сердечник дросселя L находится в ненасыщенном состоянии д *др, зависит

от схемы формирователя, параметров дросселя и напряжения на его обмотке. Задержка резкого увеличения тока в дросселе дтдр должна превышать время нарастания тока тиристора fHap. Для этого должно выполняться обусловленное законом электромагнитной индукции равенство

магниченность состояния сердечника. Разрядный ток должен быть достаточным для насыщения сердечника

8 Легкий

113

'*р

Я.- Л(^ср

где Я5 - напряженность магнитного поля насыщения сердечника; с?ср - средний

диаметр сердечника дросселя. Тогда время задержки определяется размером сердечника и числом битков дросселя

Согласно работе [72] время релаксации намагниченности никель-цинковых (НИ), марганец-цинковых (НМ) и магний-марганцевых (ВТ) сердечников достаточно точно определяется экспериментально полученным соотношением для поля Я0 = 2М0: *дрЯ ^ 2,4-10~5 Ас/м. При этом время релаксации составляет доли нано­ секунды Тдр = 0,5-10" 10 с, следовательно, длительность фронта импульса накачки

определяется не инерционностью сердечника, а индуктивностью насыщенного корректирующего дросселя и индуктивностью рассеивания магнитного потока согласующего импульсного трансформатора. При использовании сердечников из магнитных сплавов (пермаллоев) величина £др* 2 -1 0 - 9 с, т.е. инерционность

сердечника тоже довольно мала. Индуктивность дросселя в насыщенном состоянии определяется выражением

НоW S ^нас — л dp.

Потери энергии на активных сопротивлениях дросселя и трансформатора пре­ небрежимо малы, т.е. для оценки длительности фронта токового импульса на практике можно применять формулу

2 ( ^ о + ^ )

^ФР ~

ГТИр + Г2 + Г П

Экспериментально полученные зависимости длительности фронта импульса на выходе тиристорного генератора с корректирующим нелинеййым дросселем от напряженности магнитного поля насыщающегося сердечника и от темпера­ туры окружающей среды представлены на рис.2.48 и рис.2.49. Характер кривых рис.2.48 свидетельствует, что для ферритов резкое снижение величины £фр замед­ ляется при напряженности Я = 3-104 А /м , а дальнейшее её повышение дает

незначительное ускорение нарастания тока в разрядном контуре, так как кор­ ректирующий дроссель входит в состояние насыщения и его индуктивность приближается к минимальной величине LHac. В этом случае наилучшее быстро­ действие *фР = 1 2 нс достигается при использовании магний-марганцевого коль­

цевого сердечника марки 0,16 рТ. Сердечник из пермаллоя 79 НМ насыщается

Зависимости, показанные на рис.2.49, имеют плавный характер, а. для материала 79 НМ время *др = c o n st, что говорит о высокой термостабильности работы насы­

щающихся дросселей в широком диапазоне изменения температуры. Тфким об­ разом, последовательное включение корректирующего дросселя в разрядный контур тиристорного генератора накачки позволяет сократить фронт выходного импульса от fHap = 50-200 до *фр = 8 -25 нс.

114

Рис.2.48. Экспериментальные зависимости длительности фронта импульса тока через корректирующий дроссель N = 5 от напряженности магнитного

Для уменьшения длительности среза импульса накачки корректирующий дроссель включают параллельно первичной обмотке согласующего трансфор­ матора При этом сопротивление лазера, пересчитанное ко входу трансформа­ тора, имеет достаточную величину и может эффективно шунтироваться на­ сыщающимся дросселем. Параметры дросселя для коррекции спада генерируе­ мых импульсов выбираются таким образом, чтобы на стадии формирования

ответствуют магний-марганцевые материалы и магнитные сплавы, обеспе­ чивающие сокращение среза токовых импульсов до т.ср= 20-30 нс.

Схема тиристорного генератора накачки с повышенной частотой повторения импульсов и КПД до 90% приведена на рис.2.50 [57]. Для расширения диапазона частоты повторения в ней применен резонансный заряд накопительной емкости Сн с последующим отключением источника питания, а для сокращения длительности Ампульса тока - динистор. При включении питания конденсатор Сн заряжается через открытый транзистор VT1} дроссель Ь5 и диод VD2 до напряжения 2Еп. Уп­ равляющий импульс подается на тиристор VD3, который открывается, формируя

в нагрузке Ян = 1 Ом мощный импульс тока амплитудой 80 А. Одновременно /правляющим импульсом открывается транзистор VT2, в результате чего запирается транзистор VTX, индуктивность L t расширяет управляющий импульс уш поддержания ключа VTX в закрытом состоянии на время выключения тирисора VD3, отключая источник питания. Резонансный заряд емкости Сн и отклю-

ение питания позволяют существенно сократить время нарастания напряжения ia накопительном элементе

3*

115

Рис.2.50. Схема генератора накачки с повышенной частотой повторения импульсов: VT, - КТ809А; VT2-V T 5 - КТ604А; VDt - Д220;

VD3-V D 6 - КУ203И; VD3 - МД218

При этом обеспечивается частота повторения импульсов / п до 3 кГц. Даль­ нейшее повышение частоты / п требует параллельного включения п тиристоров с поочередным запуском (на схеме показано 4 тиристора VD3- V D 6). Время

нарастания тока через тиристор КУ203И, измеренное на эквиваленте нагрузки Ян= 1 Ом, равно 100 нс. Для сокращения длительности спада импульса накачки с целью обеспечения допустимого температурного режима полупроводникового лазера AD1 параллельно последнему включен динистор VDn, напряжение пробоя

которого меньше амплитуды напряжения на лазере. За счет задержки включения динистора форма импульса накачки становится трапецеидальной. На эквиваленте

При создании мощных генераторов накачки наносекундного диапазона для сокращения постоянной времени разрядного контура, обусловленной его паразитной индуктивностью тп = 1 П/Я Н, целесообразно использовать высоко­

вольтные ключи и более высокоомную нагрузку. Кроме того, необходимая

токовых импульсов. При этом быстродействующие тиристоры с меньшим до­ пустимым рабочим напряжением соединяют последовательно, что требует применения соответствующего способа управления. В работе [58] описан генератор мощных импульсов тока, в котором в качестве ключа используется

116

^тиристорный столб из шести приборов КУ108А (рио2.51). Дроссели L x - L6

шунтируют управляющие электроды для повышения предельно допустимой скорости нарастания анодного напряжения dU /dt и улучшения помехоустой­

чивости. Индуктивность дросселей выбирается из двух условий - эффективное шунтирование управляющего электрода при нарастании анодного напряжения (при dU /dt = 30 В/мкс индуктивное сопротивление не.превышает 1 Ом) и бес­ препятственное прохождение импульсов управления длительностью тупр: L /R > > 20 тупр, где L = 10 мкГн - индуктивность дросселей Lx - L6; R = 20 кОм - соп­ ротивление резисторов Rt - R6. Запуск генератора осуществляется по управ­ ляющему электроду тиристора VD6, при открывании которого повышается анодное напряжение приборов VDX - VDS, а за счет конденсаторов Сх-С 6

создаются токи управления соответствующих тиристоров. Таким образом, достигается практически одновременное включение всех ключевых приборов. Емкости конденсаторов Сх-С 6 составляют 3 нФ и выбираются исходя из величины

тока управления / у, необходимой для минимизации времени задержки и пре­ дотвращения локализации тока управления при переходном процессе : Сх = = С2 = ~ = Сб = I ytcn6 (л -1 )л /£ п, где fcn6 - время спада напряжения на ведущем тиристоре VD6; п - число приборов в столбе. Сопротивление Я7, ограничивающее ток при включении тиристора VD6t берется из условия

*СПб

с* < Rf < Сб ’

где tx - время нарастания напряжения на накопительной емкости Сн, собранной

из шести конденсаторов КВИ-3 6800 пФ, 12 кВ. Длительность генерируемых им­ пульсов-100 нс и время нарастания-50 нс. Параметры генератора при двух ре­ жимах работы даны в табл.2.11. Тиристоры КУ108А выпускаются в корпусе таблеточного типа, что упрощает их последовательное соединение и обес­ печивает малые паразитные емкости. Сопротивление согласующего резистора R6

равно выходному сопротивлению генератора управляющих импульсов, дли­ тельность фронта которых составляет 10 нс. Большая амплитуда управляющего

Последовательное соединение тиристоров несколько усложняет обес­ печение достаточной стойкости к воздействию возрастающего напряжения на аноде, особенно в генераторах накачки с высокой частотой повторения импульсов. Это связано с тем, что при последовательном соединении на управ­ ляющие электроды тиристоров через паразитные емкости поступают помеховые сигналы, а через базовые области проходит также емкостный ток смещения Центральных р-л-переходов. Кроме того , емкости переходов тиристоров имеют значительный разброс от образца к образцу даже для приборов одного типа, что

117

+WOB ftfSSOK

Рис.2.51. Генератор мощных импульсов с последовательным включением тиристоров

Рис.2.52. Формирователи мощных импульсов с параллельным включением трех тиристоров (а) и со сложением токов трех релаксаторов (б):

V D i-Г О з-К У Ю З В

приводит к неравномерному распределению между тиристорами растущей напряжения на накопительном элементе и пробою отдельных тиристоров. В ра боте [73] приведена схема импульсного модулятора, аналогичная рис.2.51 и методика численного расчета условий стойкости тиристорных ключей, учить* вающая вышеназванные факторы. Так, дифференциальные и алгебраические уравнения, составляемые для эквивалентной схемы, отражают нелинейнук зависимость емкости перехода от приложенного напряжения, которое рассчи тывается для тиристора с минимальной емкостью. Ток управления вычисляете/ для наиболее легковключаемого тиристора

Увеличение мощности тиристорных формирователей наносекундны> импульсов накачки может достигаться путем параллельного включения ключей или релаксаторов. Чтобы устранить влияние временного разброса срабатывание тиристоров, целесообразно использовать индуктивные делители тока с распре деленными параметрами [59]. Схема формирователей с суммированием токов трех параллельно включенных тиристоров приведена на рис.2.52,а. Во врем; формирования фронта импульса ключи VDi - VD3 включены последовательно Разрядный ток конденсатора Сх протекает по цепи ГО3, С/2, VD2£ п , VDlt # н где сх- распределенные емкости линий 1г и /2. При этом регенеративный процесс включения тиристора VZ>2 начинается с некоторой задержкой относительн*

тиристора V D j. Аналогично открывается третий ключ. По окончании переходной

118

материалы: цинконат титаната свинца (ЦТС-19, ЦТС-24), (КНБС-47), характе­ ризующиеся большим значением температуры Кюри (более 250 °С) и обеспе­ чивающие высокий коэффициент траснформации. Максимальная величина коэф­ фициента трансформации соответствует колебаниям механического резонанса по длине пьезокерамйки, частота которых определяется скоростью распрост­ ранения акустической волны в пьезокерамике и длиной пластины, / рп = nv3a/ 2 /nj]i где п = 1 ,2 ,3 _ - номера резонанса. Частота возбуждения, равная резонансной,

обычно составляет десятки килогерц. Выходное напряжение ПКТН значительно снижается с уменьшением сопротивления нагрузки (рис.2.54). Максимум наб­ людается при Я н=* 50 кОм.

Таким образом, выходной ток, составляющий доли единицы миллиампер, ограничивает применение пьеёокерамических трансформаторов генераторами

Преимуществом ПКТН по сравнению с намоточными трансформаторами является примерно на порядок меньшая удельная масса (1,5-3 г/В т) при простоте получения высокого напряжения (0,1—2,0 кВ) [60], что приобретает важное зна­ чение при создании малогабаритных лазерных передатчиков с тиристорными генераторами накачки. Серийно выпускаемые пьезокерамические трансфор­ маторы имеют обозначение ТПЭ2-2 - ТПЭ2-7.

Схема генератора накачки (ри&2.55) содержит 1C - генератор возбуждения на транзисторе , выпрямитель V D ,, VDa с токоограничивающим резистором R,

и тиристорный ключ с накопительной емкостью Сн; ПКТН обеспечивает рабочее напряжение тиристора VD3, которое устанавливается и поддерживается пос­ тоянным за счет делителя R3R4.

120