книги / Малогабаритные генераторы накачки полупроводниковых лазеров

Рис.2.70 Схема магнитно-транзисторного генератора с управляемым ключом

во входной цепи

Рис.2.71. Схемы магнитных звеньев типа А (с) и типа Б (б,в,г,)

отношением продолжительностей процессов заряда и разряда накопительного конденсатора При этом на вход звена подается периодическое напряжение в форме синусоиды или меандра

Магнитные генераторы коротких импульсов с большой скважностью, а также генераторы, питаемые от источника постоянного напряжения, имеют в своем составе управляемый ключ, например, транзистор или тиристор. При этом можно реализовать режим работы с внешней синхронизацией. В магнитно-транзистор­ ном генераторе (рис.2.70) происходят процессы, аналогичные рассмотренным выше, за исключением того, что на входе звена действует не переменное на­ пряжение, а однополярные импульсы, получаемые в результате открывания транзистора во время действия управляющего сигнала. Эффективность примене­ ния в магнитных генераторах полупроводниковых ключей ббусловлена тем, что | длительность импульса тока, протекающего через транзистор или тиристор, во много раз больше длительности формируемого импульса накачки. Поэтому амплитуда тока открытого ключа приблизительно во столько же раз меньше амплитуды тока в нагрузке, т.е. сочетание полупроводниковых приборов с маг­ нитными звеньями позволяет реализовать большую среднюю разность транзис­ торов без превышения предельного импульсного тока

/ Практически коэффициент сжатия звена составляет 20-40, т.е. для получения мощных наносекундных импульсов используют многозвенные схемы. Сущест­ вует два типа звеньев: звено типа А (рис.2.71,а) звено типа Б (рис.2.71,6, в, г). Трансформаторное и автотрансформаторное звенья типа Б (рис.2.71, в, г) дают возможность повысить импульсное напряжение без дополнительного транс­ форматора Однако из конструктивных соображений применение импульсного трансформатора в большинстве случаев целесообразно, так как он позволяет выбрать наиболее удобную номинальную величину емкости и рабочего напря­ жения конденсаторов: Это упрощает конструкцию и уменьшает габариты гене­ ратора Для сердечников импульсных трансформаторов целесообразно исполь­ зовать те же материалы, что и в переключающих дросселях. При этом за счет высокой магнитной проницаемости обеспечивается плоская вершина импуль­ сов, а прямоугольная петля гистерезиса позволяет уменьшить обратный выброс напряжения после импульса Выбор типа и числа звеньев производится с уче­ том параметров ключа и конструктивных требований.

|9* '

131

Рис.2.72. Схемы магнитных генераторов с регулировкой амплитуды вы­ ходных импульсов: а — тиристорный ключ во входной цепи; б —тиристорный ключ в первом звене

Схема входной части генератора выбирается из следующих соображений. Схема с тиристорным ключом VDX, во входном контуре (рис.2.72, а) обеспечивает наиболее высокую мощность. Применение схемы с ключом VD2 в первом звене

(рис.2.72,6) позволяет уменьшить объем магнитных звеньев, снизить время задержки генератора и повысить частоту повторения импульсоа

Управление амплитудой импульсов накачки осуществляется в первой

сжатия. Тип управляемого ключа и его режим работы должны обеспечивать минимальное время Ti, в течение которого ключ открыт. Это позволяет сокра­ тить время задержки импульса и ее нестабильность, а также уменьшить объем переключаемых дросселей. Сравнение величины т у с периодом повторения Г показывает целесообразный режим работы генератора Если выполняется соотношение Т1 < 0,2 Г, то используют режим с обратным насыщением. Регу­

лировка амплитуды импульсов накачки осуществляется путем изменения

В выходном звене магнитного генератора может применяться схема формированил, обеспечивающая заданную форму импульса накачки инжекционного излучателя. Чаще всего стоит задача сокращения длительности фронта иля

Тф= Р + Я „ . ‘ ' n r ' * ’ с

132

Рис.2.73. Формирующая линия лест­ ничного типа (а) и схема выходного звена магнитного генератора с кор­ ректирующейLR-цепыо (б)

где L - эквивалентная индуктивность нагрузочного контура при насыщенном

'импульсного трансформатора (наклон вершины), так и количеством контуров линии (число периодов колебаний на вершине равно числу контуров, а амплитуда колебаний убывает с увеличением числа контуров).

Для уменьшения длительности среза импульса накачки, обусловленной быстродействием выходного звена магнитного генератора или ограниченным количеством контуров в реальной формирующей линии, параллельно первичной

выбирается таким образом, чтобы его сердечник насыщался при завершении формирования вершины, для чего подают постоянный ток подмагничивания 1п. Если требуется уменьшить длительность среза импульса накачки без плоской

вершины (например, гауссовой или рэлеевской формы), то число витков кор­ ректирующего дросселя должно обеспечивать насыщение его. сердечника при амплитудном значении тока нагрузки. Корректирующая цепь, включенная на входе импульсного согласующего трансформатора с числом витков Nx и N2

при насыщении эффективно шунтирует приведенное к первичной обмотке сопротивление нагрузки

HL R

Ыприв Щ R " ‘

133

- <

♦27В

Рис.2.74. Принципиальная схема мощного магнитно-транзисторного генера­ тора: VT.-VT, - 1НТ251А, VT4 - КТ935А, VTS-VT7 - ТК152-100, VDj-VD, - 2Д103А, VD4 - 2Д213А

В связи с взаимной зависимостью электрических параметров схем и ко* струкции элементов звеньев сжатия магнитных генераторов их расчет прои: водится в несколько этапов путем последовательных приближений [72]. Н первом этапе выбираются число и виды звеньев, номинальные рабочие напр жения и типы накопительных конденсатороа Затем, задавшись ориентирово ными значениями коэффициентов передачи и проницаемости насыщенных се| дечников, производится предварительный расчет объемов сердечников и чисе витков. Используя полученные данные, выполняют конструктивный рас* дросселей и импульсных трансформаторов, после чего можно определи*

134

параметры, взятые в качестве исходных данных (КПД, проницаемости сердеч­ ников и т.д.). После этого, повторяя расчет на основе найденных коэффициентов, можно найти уточненные данные объемов сердечников, напряжений, чисел витков и вновь уточнить исходные данные. Последующее изготовление дрооселей или трансформаторов осуществляется поочередно, когда каждый сле­ дующий дроссель выполняется с учетом измеренных параметров предыдущего элемента.

Один из вариантов мощного магнитно-транзисторного генератора для на­ качки полупроводниковых излучателей приведен на рис.2.74. Для поддержания ВТ в открытом состоянии (в отличие от тиристоров) ток базы должен иметь достаточную величину в течение всего управляющего импульса. Поэтому в генераторе используются два блокинг-генератора, первый из которых VTt ,

Необходимая для транзисторов ТК152-100 амплитуда управляющих импульсов обеспечивается за счет повторителя напряжения у т4. Магнитно-транзисторный генератор содержит ключ VT5-VT7 и двухзвенную формирующую схему типа ВТ Т3С4, Tt Ct . Для выравнивания режимов работы включенных параллельно тран­

зисторов y iy v r , можно рекомендовать включить в их эмиттерные цепи про­ волочные резисторы сопротивлением примерно 0,1 Ом.

Диоды VD,-VD4 предотвращают колебательные процессы, обусловленные

импульсами обратной полярности.

В блокинг-генераторах используются серийные импульсные трансформаторы ТИМ157 0V ) и ТИМ220 (Тг ).

Трансформатор Тэ имеет тороидальный магнитопровод 50 МП-0,05 разме­ ром 65x40x14, на который сначала наматывается обмотка II (125 витков про­ вода ПЭВ-0,51), затем обмотка III (65 витков провода ПЭВ-0,35) и в последнюю очередь - обмотка I, содержащая 4 витка провода ПЭВ-1,4. Трансформатор Т4 выполнен на сердечнике того же размера из материала 79НМ-0Д2, обмотка I содержит 30 витков провода ПЗВ-0,68, обмотка II - 150 витков провода ПЭВ-0,35

Резистором Ry обепечивается оптимальный ток подмагничивания сердечника трансформатора Т3. Магнитный генератор обеспечивает на нагрузке Дн = 100 Ом

импульсы длительностью т = 1 мкс с амплитудой более 40 А.

На рис.2.75 показана схема другого варианта магнитного генератора на­ качки. Симметричный мультивибратор на транзисторной сборке VTa-VTs и мощных транзисторах VTt , VTt обеспечивает на выходе трансформатора Г, меандр

амплитудой 60 В и частотой 3 кГц, который подается на формирующие звенья С, тгСг , С3Ь2, C4L3. В результате последовательного "сжатия” по длительности

меандр преобразуется в мощные токовые импульсы амплитудой до 60 А и дли­ тельностью 150-500 н а Диод VDt ослабляет отрицательный выброс тока, про­

ходящий через нагрузку VD, в обратном направлении. Подбирая точку подклю­ чения нагрузки к дросселю 14, можно корректировать форму импульса накачкй. Трансформатор Г2 намотан на ферритовом магнитопроводе марки 1500 НМ типоразмером 45x30x8 и содержит в обмотке I 100 витков, а в обмотке II - 150 витков провода ПЭВ-2-0,33. Намоточные данные дросселей 12-£ 4 и импульс­ ного трансформатора Т2, определяемые требуемой длительностью импульсов накачки т = 200 на приведены в табл.2.15. Слои обмоток следует изолировать между собой пленкой <М .

135

Рис.2.75. Принципиальная схема четырехзвенного магнитно-транзисторного генератора накачки: VTX-V T 6 - КТ8Й7А, VT2-V T 5 - 1НТ251А

На рис.2.76 представлена схема магнитотиристорного генератора импуль­ сов, предназначенного для накачки лазеров на парах металлов [74], который при снижении мощности может работать и с мощными режимами инжекционных излучателей. Симметричный режим работы при Минимальных потерях энергии на перемагничивание сердечников обеспечивает выскоий КПД генератора.

Емкости Cl t C2, подключенные к выходу выпрямителя, являются буферными,

в качестве рабочей емкости используется конденсатор Сэ. Линейные индук­ тивности Ll t L2 составляют 10 мкГн каждая. Тиристоры VD1—VD4 типа ТЧИ-100

шестого класса включены попарно с целью защиты их от перенапряжений при

136

емкости С3.

На вторичной обмотке высоковольтного трансформатора Тх генерируются импульсы длительностью 15 мкс с амплитудой около 4,5 кВ с переменной по­ лярностью, подаваемые на звенья сжатия. Частота повторения импульсов регу­ лируется от 1 до 10 кГц при вдвое меньшей частоте включения каждого тирис­ тора (не более 5 кГц). Трансформатор Т2 повышает амплитуду импульсов до 15 кВ, что необходимо для накачки лазеров на парах меди. По мере форми­ рования импульсов при прохождении дросселей L3-L 6 их длительность по

уровню 0,1 равна соответственно 5,1,7, 0,5 и 0,25 мкс. Все нелинейные дроссели и оба трансформатора выполнены на пермаллоевых сердечниках из материала 50НП с прямоугольной петлей гистерезиса размером 150x100x10 мм, причем в трансформаторе Т* Использовано 5 сердечников. Количество витков дросселей L3- I 6 и трансформаторов Т1Э Та равно соответственно 200, 50, 50, 11, 12/112, 35/145. При максимальной мощности необходимо предусмотреть охлаждение дросселей L3-£ 6

Индуктивность нагрузки ухудшает согласование генератора с излучателем. В результате этого на конденсаторе последнего звена С7 возникает остаточное напряжение обратной полярности, которое приводит к неопределенному переиагничиванию сердечников дросселей Ls, L6 и нарушает устойчивую работу

енератора. Емкость Q обеспечивает нулевое остаточное напряжение на кон­ денсаторе С7 после его разряда на нагрузку. Остаточная энергия поглощается юлластным резистором Rt быстрее, чем успевает перемагнититься сердечник

|>фективны решения, использующие линию ударной волны [75]. Однако амплигдное значение тока, получаемое с помощью названных тиристоров, не доста- >чно для создания ударной волны в таких линиях, а значительная длительность

агнитных звеньев предварительного сжатия (Lx + 14, С5 + С7). Импульс длитель-

ютью 40 мкс с блокинг-генератора на транзисторе VTXзаряжает накопительный

137

Рис.2.77. Принципиальная схема генератора накачки с формирующей линией ударной волны

в насыщение, и конденсатор С5 быстро разряжается, заряжая емкость С6. Затем насыщается сердечник дросселя L2f и происходит разряд конденсатора

Сб . Импульсный трансформатор повышает амплитуду сформированного им­ пульса в 5 раз. Звено 1ЭС7 работает аналогично ранее рассмотренным, обес­ печивая на нагрузке 10 Ом амплитуду ~500 В при длительности 30 нс. После прохождения линии ударной волны импульс имеет амплитуду ~80 А, фронт -1 нс и длительность 5 нс.

138

Линия с волновым сопротивлением в режиме насыщения 10 Ом выполнена в виде полосковой конструкции на основе двустороннего фольгированного стеклотекстолита марки СФ-2Н-50Г толщиной 0,5 мм, площадь конденсаторов Св-Сп составляет 2 см3. Данные намоточных узлов приведены в табл.2.16.

Рассмотренный вариант генератора накачки позволяет формировать импульсы тока с амплитудой 80 А по длительности существенно меньше инерционности используемого токового ключа при относительно небольших габаритных харак­ теристиках (У** 1500 см3).

2.4. Генераторы накачки на лавинных диодах

Перспективными ключевыми элементами для малогабаритных наносекундных и субнаносекундных генераторов накачки инжекционных лазеров и светодиодов являются арсенид-галлиевые импульсные лавинные диоды (ДИЛ). ДИЛ имеют при обратном смещении ^образную вольт-амперную характеристику, поэтому их часто называют 5-диодами. Работа импульсных лавинных диодов основана на способности примесных центров с глубокими энергетическими уровнями сильно локализовать электроны, которые при высокой напряженности электрического поля в полупроводнике переходят в зону проводимости за доли наносекунды [76]. Таким образом, достигается высокое быстродействие при коммутации тока 20А и более. Арсенид-галлиевые структуры с высоким удельным сопротивлением и стабильностью параметров получают главным образом методом диффузного легирования [77]. В змюструктуру ДИЛ входит переход, содержащий специально введенные примеси с глубокими уровнями (знмпереход). Лавинный пробой ука­ занного перехода определяет наличие участка отрицательного сопротивления на обратной ветви вольт-амперной характеристики. В настоящее время получены

Время переключения ДИЛ t n = 10~1° - 10-*с состоит из времени образования

лавины, времени пролета носителей через высокоомную область и времени перезаряда емкости кдоерехода. Принципиальной особенностью импульсных лавинных диодов является значительное время задержки переключения ;3, которое определяется главным образом временем релаксации t ^ , обусловленным

процессами перезаряда глубоких уровней. При напряжении смещения, несколько большем пробивного напряжения, задержка переключения арсенид-галлиевых структур, легированных железом, составляет десятки микросекунд. По мере увеличения подаваемого напряжения до U = (2 -3 ) и в величина t 3 уменьшается примерно до времени переключения t n[77,78].

При разработке генераторов накачки с высокой частотой повторения необходимо учитывать, что после прохождения импульса тока ДИЛ в течение некоторого времени, определяемого процессами обратного перезаряда глубоких примесных центров, имеет низкое сопротивление. Высокое обратное сопротив­ ление дйода (>109 Ом) восстанавливается за время = 0,3-30 мкс, что опре­

деляет минимальный период следования импульсов.

Параметры серийно выпускаемых ДИЛ даны в табл. 2.17. Наиболее отра­ ботанные из них - диоды АА732 выпускаются в металлокерамическом корпусе КД-Ю4, предназначенном для установки в полосковые конструкции. На примере этого типа прибора на рис.2.78-2.81 представлены типовые зависимости ос-

139

Т а б л и ц а 2.17

Рис.2.78. Типовая вольт-амперная характеристика ДИЛ в области малых токов

Рис.2.79, Зависимость отношения UB/UBm^ от частоты повторения импуль­ сов с 95 % разбросом при £окр = 25 ±10 °С

Рис.2.80. Зависимость напряжения включения ДИЛ от температуры с 95% разбросом

Рис.2.81. Типовые зависимости величины остаточного напряжения от тока через диод АА732 при f0icp= 25 ±10 X

140