В статье рассматриваются методы управления параметрами импульса источника питания полупроводниковых лазеров.
Ключевые слова: матрица лазерных диодов, спектроскопия, источник питания.
Блоки формирования импульса управления матрицей лазерных диодов, основанные на компонентах широкого назначения, нуждаются в точном контроле выходного тока и строгой настройке длительности импульса, фронта, а также должны обеспечивать отсутствие всплесков тока и ход обратного тока на срезе импульса. Это обуславливается тем, что матрицы лазерных диодов чувствительны к импульсным помехам, а ток обратной полярности по срезу импульса наносит полупроводниковым устройствам необратимые повреждения, влекущие за собой выход из строя.
Предпочтительным вариантом является управление параметрами импульса при помощи корректирующих цепей. Однако применение в качестве стабилизатора тока интегральных микросхем в большей части случаев неприемлемо, так как они работают в импульсном режиме, что несовместимо с лазерными матрицами. Поэтому в корректирующих цепях используют дискретные компоненты.
Моделирование цепей выполнялось в программном пакете Micro-Cap при следующих параметрах управляющего импульса: время задержки переднего фронта (TD) — 0 мкс; время нарастания переднего фронта (TR) — 85 мкс; время спада заднего фронта (TF) — 15; величина полки импульса (PW) — 1 мкс. Такие параметры были выбраны исходя из применений подобных методов коррекции. Дело в том, что для импульсных источников питания требуется наличие полки, однако для питания полупроводниковых лазеров в вопросах ИК-спектроскопии она не требуется. В таком случае на матрицу лазерных диодов подается пилообразный сигнал.
Рассмотрим 3 вида корректирующих цепей:
— корректирующие цепи с конденсатором, включенным параллельно нагрузке;
— корректирующие цепи с индуктивностью, последовательной с нагрузкой;
— корректирующие цепи с транзистором в активном режиме и обратной связью по току.
Корректирующие цепи с конденсатором, включенным параллельно нагрузке, состоит из последовательной RC-цепи (R1,C1) и диода D10. Величина сопротивления R2 отвечает за вычитание тока корректирующей цепи из тока на входе матрицы, тем самым убирая помехи. D1-D9 — матрица лазерных диодов (Рис. 1).
Рис. 1. Корректирующая цепь с конденсатором, включенным параллельно нагрузке
Подбор оптимальных параметров позволил получить импульсы, представленные на рис. 2.
Рис. 2. Результат коррекции импульса при помощи конденсатора, параллельного нагрузке
Применение корректирующих цепей с индуктивность, включенной последовательно с нагрузкой, позволяет получить похожие результаты. Связано это с тем, что цепь работает по тому же принципу, что и предыдущая, однако для питания нагрузки используется частичная разрядка индуктивного накопителя энергии.
Схема цепи представлена на рис. 3. Путем согласования сопротивления R1 и индуктивности L1 добиваются сложения тока, что и дает импульс нужной формы (рис. 4).
Рис. 3. Корректирующая цепь с индуктивностью, включенной параллельно нагрузке
Рис. 4. Результат коррекции импульса при помощи конденсатора, параллельного нагрузке
Наилучшие результаты были получены при моделировании цепи коррекции с транзистором в активном режиме и обратной связью по току (Рис. 5).
Рис. 5. Корректирующая цепь с транзистором в активном режиме и обратной связью по току
Описывая ее принцип действия, можно сказать, что цепь работает фактически так же, как пропорционально-интегрально-дифференцирующий регулятор. Цепь позволяет контролировать форму импульса в нагрузке в широком диапазоне длительности импульса, чего нельзя сказать о первых двух методах. Кроме того, стоит обратить внимание, что в данной цепи реализуется функция системы аварийной защиты и генерация управляющих импульсов ключа. Результат коррекции представлен на рис. 6.
Рис. 6. Результат коррекции импульса при помощи транзистора в активном режиме с обратной связью по току
При разработке цепей коррекции всегда следует обращать внимание на диапазон изменения параметров импульсов. В малой области изменений можно воспользоваться цепями коррекции с конденсатором, параллельным нагрузке, или индуктивностью, последовательной нагрузке. Однако при увеличении требуемого диапазона изменений параметров предпочтение стоит отдать цепи коррекции с транзистором в активном режиме и обратной связью по току.
Литература:
1. Браун М. Источники питания. Расчет и конструирование. — МК-пресс, 2007. — 288 с.
2. Технологические процессы лазерной обработки: Учебное пособие для вузов. Под редакцией А. Г. Григорьянца. — М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2006. — 665 с.
