Приборы и техника эксперимента, 2021, № 1, стр. 157-158

Разработан недорогой, относительно простой, малогабаритный источник импульсов тока для питания светодиодной системы накачки эрбий-иттербиевого лазера. Источник питания (и.п.) обеспечивает следующие параметры импульсов тока: ток в импульсе 10–100 А, длительность импульса 200–5000 мкс, частота следования импульсов 0.1–10 Гц, время нарастания импульса 100 мкс, нестабильность тока на вершине импульса не более 1%. В и.п. предусмотрена защита нагрузки на случай выхода параметров импульса тока за рамки допустимых. Разработанный и.п. обеспечивает низкий уровень электромагнитных помех, что позволяет располагать его вблизи высокочувствительных измерительных блоков [1, 2].

Блок-схема источника питания и фото готового макета представлена на рис. 1. В и.п. ток регулируется полевым транзистором Т, работающим в линейном режиме. В данной схеме лазерные светодиодные линейки (л.с.л.) включаются в цепь истока полевого транзистора Т, что позволяет питать как лазеры с изолированным, так и соединенным с корпусом катодом л.с.п. Питание л.с.л. осуществляется от накопительного конденсатора C. Управление режимом работы и контроль параметров осуществляются микроконтроллером (находится в главном блоке управления).

Рис. 1.

Блок-схема (а) и внешний вид макета (б) блока питания.

И.п. содержит главный блок управления, аналоговый регулятор тока, блок заряда накопительной емкости, блок защиты л.с.л., интерфейс связи с внешними устройствами. Главный блок основан на микроконтроллере STM32F100C8, который формирует опорный импульс, задающий параметры импульса тока. Длительность импульса и частота задаются при помощи таймеров, амплитуда – при помощи 12-битного цифроаналогового преобразователя (ц.а.п.) микроконтроллера. Также главный блок отвечает за контроль тока в нагрузке, управление системой защиты л.с.л. и связь с внешними устройствами. Микроконтроллер работает под управлением операционной системы реального времени FreeRTOS. Задачи, критичные к скорости реакции системы (срабатывание схемы защиты и временные параметры опорного импульса), выполняются при помощи аппаратных прерываний микроконтроллера. Аналоговый регулятор тока отвечает за формирование и стабильность импульса тока по опорному импульсу, подаваемому с главного блока управления. Резистор R_ш (шунт 10 A/75 мВ) является датчиком тока в цепях обратной связи и защиты. Блок защиты отключает и шунтирует нагрузку, если параметры импульса тока превышают допустимые значения. Блок зарядки заряжает батарею конденсаторов С (емкость – 50 мФ) заданным током (3 А). Уровень заряда батареи в пределах 10–24 В задается главным блоком управления при помощи второго канала ц.а.п., что позволяет уменьшить падение напряжения на регулирующем ток транзисторе Т. Это уменьшает рассеиваемую транзистором мощность. Интерфейсный блок обеспечивает возможность управления и.п. (задание уровня, длительности и частоты импульсов тока, контроль ошибок) с внешних устройств (персональный коипьютер, панель управления и другие устройства, имеющие интерфейс RS485 с протоколом ModBUS).

Для тестирования и.п. использовался эквивалент л.с.л. – набор последовательно соединенных диодов 60EPU04. На рис. 2 приведены осциллограммы напряжений, измеренных на шунте 10 A/75 мВ, включенном последовательно с эквивалентом. Из осциллограмм видно, что колебания тока не превышают шум осциллографа; скачки на фронтах импульсов отсутствуют. Вершины импульсов тока – плоские, что соответствует требованиям к питанию для л.с.л.

Рис. 2.

Осциллограммы тока, измеренные при помощи шунта 10 А/75 мВ при различных токах: 50 А (а), 75 А (б). Масштаб по вертикали 100 мВ/деление, по горизонтали – 1 мс/деление.

Описанный и.п. использовался в лабораторных установках [3] и опытном образце лазерного дальномера. Для накачки активных сред с более коротким временем жизни верхнего уровня по сравнению с эрбий-иттербием необходимо уменьшить время нарастания импульса тока. Это потребует минимальной доработки блока питания (замены операционных усилителей на более быстродействующие, а элементов цепей обратной связи – на аналогичные с соответствующими номиналами).