脈沖激光電源的設(shè)計(jì)與研制

摘要：介紹了一種新型脈沖激光電源的設(shè)計(jì)與研制，給出了這種電源的電路原理圖和調(diào)試過(guò)程中應(yīng)注意的問(wèn)題及一些重要元器件的選擇和加工方法。

關(guān)鍵詞：脈沖激光電源；設(shè)計(jì)；調(diào)試

Design and Development of Power Supply for Pulse Laser

WANG Shui-ping, WANG Jia-rong 

Abstract:A design method of the novel power supply for the pulse laser is introduced. The schematic circuit diagram and the ways how to select and process key components and devices for the power supply are provided. Some of the problems to be considered during debugging is also proposed. 

Keywords:Pulse laser power supply; Design; Debugging 

1  引言

    傳統(tǒng)的脈沖激光電源雖然實(shí)現(xiàn)了非線性化，取代了老式的線性倍壓整流技術(shù)，使得整體的轉(zhuǎn)換效率、體積、重量及充放電時(shí)間等重要參數(shù)均有了較大的改善。另外，非線性激光電源可靠性的不斷提高和產(chǎn)品化，使得激光技術(shù)的應(yīng)用又上了一個(gè)新的臺(tái)階。但是這種非線性激光電源仍然存在著工作頻率一直是在20kHz以下，不能進(jìn)一步提高的缺點(diǎn)，這樣，就導(dǎo)致了傳統(tǒng)的非線性激光電源的轉(zhuǎn)換效率、體積、重量以及充放電時(shí)間等不能改善到理想的狀況。同時(shí)存在著令人十分煩噪的聲頻噪聲。為了解決這些問(wèn)題，我們?cè)O(shè)計(jì)和研制成功了一種工作頻率在100kHz的非線性脈沖激光電源。

2  電路的組成

    脈沖激光電源的原理方框圖如圖1所示。它由觸發(fā)電路、主變換器電路和高壓充放電電路等三大部分組成。其電路原理圖如圖2所示。

圖1  脈 沖 激 光 電 源 的 原 理 方 框 圖

圖2  脈 沖 激 光 電 源 電 路 原 理 圖

3  電路的工作原理

3.1  觸發(fā)電路的工作原理

    從圖2可以看出，觸發(fā)電路部分主要是由觸發(fā)指示電路和觸發(fā)電路組成，具體由IC1的LBI和LBO端，V1、LED、VD1以及K1和K2來(lái)完成，當(dāng)變換器通過(guò)變壓器T1、二極管VD2和VD3向電容器充電時(shí)，取樣電路（由R10、R9、W1、W2、W3、R1組成）將其充電電壓值反饋給IC1的LBI與VFB端，一旦電壓充到所需的電壓值時(shí)（大約為1kV左右），這時(shí)LBI端的電壓值將大于1.3V，LBO端就會(huì)變?yōu)楦唠娖剑琕1導(dǎo)通，LED變亮，指示出電壓已充到可以觸發(fā)的狀態(tài)。另外取樣電路將反饋信號(hào)還送入IC1的VFB端，若反饋信號(hào)的電壓值≥1.3V時(shí)，即刻關(guān)斷變換器，使高壓維持到所需的值上，觸發(fā)器件由高耐壓、大電流的汽車(chē)級(jí)的晶閘管BT151/800R來(lái)?yè)?dān)任。

3.2  主變換器的工作原理

    主變換器電路主要是由IC1（MAX641/642/643）、變壓器T1以及V2等元器件組成的單端反激式升壓電路。其電路的核心部分為MAX641/642/643，所以這部分電路的工作原理分析以及MAX641/642/643的技術(shù)參數(shù)及其應(yīng)用請(qǐng)查閱文獻(xiàn)[1]。這里只給出高頻自耦升壓變壓器的技術(shù)資料，以供同行們?cè)谥谱鲿r(shí)參考。鐵芯選用4kBEE型鐵氧體，骨架選用與鐵芯對(duì)應(yīng)配套的EE19型立式骨架，其技術(shù)參數(shù)如圖3所示。

圖3  T1變 壓 器 的 技 術(shù) 參 數(shù)  [!--empirenews.page--]

3.3  充放電電路的工作原理

    充放電電路主要是由電容C7∥C10、C8∥C11、C9∥C12、C13、R14、升壓變壓器T2等組成。當(dāng)電容C7∥C10、C8∥C11、C9∥C12被充到所設(shè)定的高壓值時(shí)，電容C13中的電壓也同時(shí)被充到所要求的電壓值（300V左右），這時(shí)閉合K1或K2，晶閘管V3被觸發(fā)導(dǎo)通，電容C13中所儲(chǔ)存的能量通過(guò)變壓器T2的初級(jí)繞組放電，使次級(jí)繞組感應(yīng)出約10kV左右的高壓，將激光器中的氣體電離。在電離的同時(shí)，電容器C7∥C10、C8∥C11、C9∥C12中所儲(chǔ)存的能量將這個(gè)電離的過(guò)程維持到一定的時(shí)間，從而就得了所需的激光脈沖。

4  重要元器件的選擇及技術(shù)要求

    1）儲(chǔ)能電容由于儲(chǔ)能電容C7∥C10、C8∥C11、C9∥C12要在很短的時(shí)間內(nèi)為激光器提供足夠大的能量，所以在選擇該電容時(shí)，除了要求其具有足夠高的耐壓值（≥350V）以外，還必須要求其具有快速充電和放電的特性，即應(yīng)選擇印有“PHOTOFLASH”的光閃電容。

    2）升壓變壓器升壓變壓器除了其初級(jí)繞組供電容C13放電，以使次級(jí)電壓升高到10kV以上外，還要滿足當(dāng)氣體被電離以后，通過(guò)次級(jí)繞組將電容C7∥C10、C8∥C11、C9∥C12中的能量全部釋放給激光器，以便能夠激發(fā)出很強(qiáng)的激光束來(lái)。所以次級(jí)繞組既要匝數(shù)多，又要電阻很小，同時(shí)還要滿足耐高壓的要求。變壓器磁芯選擇環(huán)形3kB的鐵氧體材料，初級(jí)繞組選用?1.0的聚四氟乙烯鍍銀高壓線繞制，次級(jí)繞組選用?0.32的聚四氟乙烯鍍銀高壓線繞制，鐵芯磁環(huán)選用外徑35，內(nèi)徑12，厚度10的軟磁鐵氧體。其技術(shù)參數(shù)如圖4所示。

圖4  T2升 壓 變 壓 器 的 技 術(shù) 參 數(shù)

    3）MAX641/642/643選擇時(shí)幾點(diǎn)說(shuō)明

    （1）MAX641輸出的PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)V2所輸出的方波幅度為5V；

    （2）MAX642輸出的PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)V2所輸出的方波幅度為12V；

    （3）MAX643輸出的PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)V2所輸出的方波幅度為15V。