PL230111B1 - Niskoszumny, dwustopniowy kontroler prądu dla źródeł laserowych - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest niskoszumny, dwustopniowy kontroler prądu dla źródeł laserowych, przeznaczony do stosowania w szerokim zakresie wartości prądów pracy lasera nawet do kilku amperów.

Niskoszumne źródło zasilania dla diod laserowych znane jest z paleniu USA nr US6587490. Źródło prądu diody laserowej wyposażone jest w sterownik, który zawiera prądowe regulowane źródło zasilania połączone poprzez co najmniej jedną diodę laserową z regulatorem bocznikującym, przy czym diody połączone są szeregowo. Regulator bocznikujący zawiera element pomiarowy, którym może być tranzystor FET, element pomiarowy i Wzmacniacz operacyjny połączony równolegle do diod laserowych. Wzmacniacz mierzy różnicę prądu między prądem zadanym dla diod laserowych i prądem przepływającym przez diody laserowe, poprzez, pomiar prądu przez element pomiarowy. Elementem pomiarowym może być odpowiednio rezystor o małej wartości lub czujnik Halla. Prąd regulowany zasilacza jest ustawiony, aby zapewnić nieco więcej prądu niż jest to wymagane przez laser diodowy.

Urządzenie sterujące laser diodowy znane jest z europejskiego zgłoszenia patentowego nr EP2440016. Urządzenie sterujące zawiera laser podłączony do układu sterującego do doprowadzania prądu zasilania do diody laserowej. Urządzenie ponadto zawiera elementy cyfrowe do przechowywania aktualnych wartości temperatury, połączone z jednostką centralną sterującą układem sterującym. Jednostka centralna jest przystosowany do zasilania o dowolnej wartości prądu, o których informacja przechowywanych w pamięci elementów cyfrowych.

Układ impulsowego zasilacza prądowego znany z polskiego zgłoszenia patentowe go nr 404204, przeznaczony jest zwłaszcza do zasilania laserów kaskadowych i laserów złączowych, które to lasery wymagają impulsów zasilających o czasach krótszych niż 200 ns przy prądach przekraczających dziesięć amperów w impulsie i przy napięciu przewodzenia rzędu 20 V. Układ ten posiada blok zasilania, blok cyfrowego przetwarzania i komunikacji, blok generacji impulsów sterujących, blok sterowania oraz blok wyjściowy stopnia mocy, w którym tranzystory wyjściowe są połączone z opornikami emiterowymi a ich kolektory z obciążeniem w postaci zasilanego lasera. W układzie tym blok wyjściowy stopnia mocy składa się z co najmniej dwóch równolegle połączonych modułów, z których każdy zawiera tranzystor połączony z rezystorem emiterowym. Moduły te są połączone z blokiem sterowania za pośrednictwem co najmniej jednego dwójnika znajdującego się w obwodzie co najmniej dwóch kluczy włączanych z rożnym opóźnieniem. Klucze połączone są ze źródłem napięciowym oddzielonym od masy półprzewodnikowym elementem złączowym i połączonym termicznie z jednym z tranzystorów bloku wykonawczego.

Sterowany impedancyjnie układ zasilacza laserowego znany z międzynarodowego zgłoszenia patentowego nr WO2014140565, ma zespół, który zawiera diodę laserową oraz obwód sterownika. Zespół jest układem o regulowanej impedancji, a obwód sterownika dopasowuje impedancję kilkakrotnie na przemian w dwóch etapach operacyjnych. W jednym etapie operacyjnym głównie lub całkowicie zasilany jest przez diodę laserową z wykorzystaniem pierwszej ścieżki prądu od pierwszego węzła zasilania, do diody laserowej i z drugim węzłem zasilania. W drugiej fazie operacyjnej, prąd jest dostarczany przez diodę laserową, stosując recyrkulację drugą ścieżkę. Dla danego zastosowanego poziomu napięcia między pierwszym i drugim węzłem zasilania, w cyklu z pierwszych i drugich faz operacyjnych może być regulowana tak, że natężenie prądu płynącego przez diodę laserową ma w przybliżeniu wartość prądu docelowego.

Istota kontrolera prądu według wynalazku, polega na tym, że na wejściu ma zacisk wejściowy napięcia zasilania i zacisk, masy zasilania, przy czym zacisk wejściowy napięcia zasilania połączony jest z wejściem układu „miękkiego” startu, którego wyjście połączone jest z pierwszym węzłem. Pierwszy węzeł połączony jest przez główne źródło, prądowe z drugim węzłem i jednocześnie pierwszy węzeł połączony jest przez precyzyjne źródło prądowe sterowane napięciem z drugim węzłem. Drugi węzeł połączony jest z anodą źródła laserowego, źródło laserowe, katodę źródła laserowego i rezystor pomiarowy z zaciskiem masy zasilania. Ponadto rezystor pomiarowy połączony jest równolegle z precyzyjnym źródłem prądowym sterowanym napięciem.

Niskoszumny, dwustopniowy kontroler prądu dla źródeł laserowych według wynalazku charakteryzuje niski poziom szumów prądu wyjściowego z bardzo szerokim zakresem pracy prądu wyjściowego kontrolera.

Przedmiot wynalazku w przykładzie wykonania uwidoczniony jest na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat ideowy niskoszumnego, dwustopniowego, dwustopniowy kontrolera prądu dla źródeł laserowych, a fig. 2 - charakterystykę prądu wyjściowego.

PL230 111 Β1

Niskoszumny dwustopniowy kontroler prądu dla źródeł laserowych na wejściu ma zacisk wejściowy napięcia zasilania WE i zacisk masy zasilania GND. Zacisk wejściowy napięcia zasilania WE połączony jest z wejściem układu „miękkiego” startu SSC, którego wyjście połączone jest z pierwszym węzłem W 1. Pierwszy węzeł W1 połączony jest przez główne źródło prądowe CS1 z drugim węzłem W2 i jednocześnie pierwszy węzeł W1 połączony jest przez precyzyjne źródło prądowe sterowane napięciem CS2 z drugim węzłem W2. Drugi węzeł W2 połączony jest z anodą źródła laserowego A, źródło laserowe LD, katodę źródła laserowego K i rezystor pomiarowy Rs z zaciskiem masy zasilania GND. Ponadto rezystor pomiarowy Rs połączony jest równolegle z precyzyjnym źródłem prądowym sterowanym napięciem CS2.

Niskoszumny dwustopniowy kontroler prądu dla źródeł laserowych posiada wejście dodatniego napięcia zasilania Vcc podawane pomiędzy zaciski wejściowy napięcia zasilania WE oraz masy zasilania GND. Zacisk wejściowy napięcia zasilania WE połączony jest z układem „miękkiego” startu SSC, którego wyjście stanowi pierwszy węzeł W1 do którego połączone są wejścia głównego źródła prądowego CS1 oraz precyzyjnego źródła prądowego sterowane napięciem CS2, a ich wyjścia są razem połączone tworząc drugi węzeł W2, gdzie następuje sumowanie prądów wyjściowego 1_si głównego źródła prądowego CS1 i wyjściowego Is2 precyzyjnego źródła prądowego sterowanego napięciem CS2, które tworzą prąd wyjściowy Iout kontrolera. Drugi węzeł W2 połączony jest z anodą A źródła laserowego LD a jego katoda K połączona jest z rezystorem pomiarowym Rs, połączonym do zacisku masy zasilania GND. Spadek napięcia sterującego Uin precyzyjnego źródła prądowego CS2 na rezystorze pomiarowym Rs wywołany przepływem prądu wyjściowego Iout kontrolera, podawany jest na zaciski wejściowe 1 i 2 precyzyjnego źródła prądowego sterowanego napięciem CS2.

Główne źródło prądowe CS1 jest źródłem autonomicznym o wydajności odpowiadającej prądowi wyjściowemu Is2 precyzyjnego źródła prądowego sterowanego napięciem CS2 Z pierwszego węzła W1 zasilane jest również precyzyjne źródło prądowe sterowane napięciem CS2. Wartość prądu precyzyjnego źródła prądowego sterowanego napięciem CS2 zależy od wartości spadku napięcia sterującego Uin na rezystorze pomiarowym Rs oraz współczynnika k, a przez to również od wartości prądu wyjściowego Iout kontrolera związana jest zależnością:

= k - U_1N = k Ι_ουΐ R_s = k (j_Si + R_s

Wzór ukazuje powiązaną zależność prądu wyjściowego Is2 precyzyjnego źródła prądowego sterowanego napięciem CS2 z prądem wyjściowym Iout, kontrolera, który tworzy waz z prądem l_si Ponieważ precyzyjne źródło prądowe sterowane napięciem CS2 działa w układzie ujemnego sprzężenia zwrotnego, to wskutek zmiany wartość prądu wyjściowego, zmienia się napięcie sterujące U-in precyzyjnego źródła prądowego CS2, a przez to zmianie ulega wartość prądu wyjściowego fez precyzyjnego źródła prądowego sterowanego napięciem sterującym CS2 precyzyjnego źródła prądowego CS2 tak, że przeciwdziała zmianie-prądu wyjściowego Iout kontrolera, tworząc układ kontrolera samostabilizujący prąd wyjściowy. Dzięki takiej konfiguracji zmiany i fluktuacje prądu wyjściowego lsi głównego, źródła prądowego CS1 są korygowane poprzez; precyzyjne źródło prądowe sterowane napięciem CS2. Wartość nominalna prądu wyjściowego l_S2 precyzyjnego źródła prądowego sterowanego napięciem .CS2 jest ustawiona dla żądanej wartości prądu wyjściowego Iout kontrolera tak, aby wynosiła maksymalnie kilka mA i była wielokrotnie większal od prądu lsi. Skuteczną pracę kontrolera prądu można uzyskać wtedy, gdy szybkość działania pętli ujemnego sprzężenia zwrotnego precyzyjnego źródła prądowego sterowanego napięciem CS2 będzie większa od szybkości zmian i fluktuacji prądu wyjściowego lsi głównego źródła prądowego CS1.

Główne źródło prądowe CS1 i precyzyjne, źródło prądowe sterowane napięciem CS2 połączone są równolegle a suma prądów obu źródeł, płynie przez dołączony laser oraz rezystor pomiarowy. Główne źródło prądowe CS1 i precyzyjne źródło prądowe sterowane napięciem S2 zasilane są z jednego źródła napięciowego poprzez układ tz, w „miękkiego” startu, zapewniający łagodny wzrost prądu lasera bez wystąpienia impulsu prądowego w momencie włączenia napięcia zasilania kontrolera. Główne źródło prądowe CS1 jest układem, autonomicznym, który przejmuje niemal całe obciążenie prądowe (pierwszy stopień), co przy dużych wartościach prądu lasera, powoduje wzrost jego temperatury nawet do 80°C przy 1 A prądu a przez, to pogorszenie stabilności.

Wzrost szumów i długoterminowego dryftu prądu wyjściowego. Natomiast precyzyjne źródło prądowe sterowane napięciem CS2 (drugi stopień) stanowi precyzyjne źródło prądowe sterowane napięciem z rezystora pomiarowego Rs. Prąd pracy precyzyjnego źródła prądowego sterowanego napięciem CS2 jest bardzo mały, maksymalnie kilka mA i jest dodawany do prądu głównego źródła

PL 230 111 B1 prądowego CS1 o dużej wartości, tworząc prąd wyjściowy kontrolera. Dlatego też, udział prądu precyzyjnego źródła prądowego sterowanego napięciem CS2 jest znikomy ale odgrywa kluczową funkcję, ponieważ, koryguje fluktuacje prądu główne go źródła prądowego CS1 a w konsekwencji prądu wyjściowego kontrolera. Ponieważ niski poziom szumów oraz wysoką stałość prądu źródła prądowego o wiele łatwiej uzyskuje się dla małych wartości prądów pracy, ten fakt wykorzystuje dwustopniowy, niskoszumny kontroler prądu, gdzie precyzyjne źródło prądowe sterowane napięciem CS2 stanowi drugi stopień stabilizacji prądu wyjściowego kontrolera. Charakterystyczną cechą dwustopniowej konfiguracji kontrolera jest jego łatwa adaptacja do pracy w szerszym zakresie wartości prądów wyjściowych, którą realizuje się tylko poprzez zwiększenie wydajności, prądowej głównego źródła prądowego CS1 (pierwszego stopnia).

Praktyczne zastosowanie konfiguracji dwustopniowego kontrolera prądu pozwala uzyskać bardzo niski poziom szumów prądowych nawet dla dużych rzędu kilku amperów, wartości prądów pracy kontrolera, bardzo wysoka stałość i niewielki dryft prądu wyjściowego. Równoważna wartość szumu prądowego dla obciążenia 200 mA oraz 1 A wynosi odpowiednio 1,2 nA/VHz oraz 60 nA/VHz. Dla obciążenia równego 1A stałość prądu wyjściowego wynosi zaledwie ± 2,1 ppm, natomiast dryft wartości prądu (14 godzinny) ± 2.1 ppm. Układ charakteryzuje się bardzo łatwą skalowalnością wartości prądu wyjściowego poprzez zwiększenie wydajności prądowej głównego źródła prądowego CS1. Parametry kontrolera prądu zależą nie tylko od własności szumowych elementów użytych do budowy głównego źródła prądowego CS1 oraz precyzyjnego źródła prądowego sterowanego napięciem CS2, ale również od szumów i zakłóceń pochodzących z napięciowego źródła zasilania kontrolera.

Wykaz oznaczeń na rysunku:

SSC - układ „miękkiego” startu,

CS1 - główne źródło prądowe (pierwszy stopień),

CS2 - precyzyjne źródło prądowe sterowane napięciem (drugi stopień),

LD - źródło laserowe,

Rs - rezystor pomiarowy,

Is1 - prąd wyjściowy głównego źródła prądowego CS1,

Is2 - prąd wyjściowy precyzyjnego źródła prądowego sterowanego napięciem CS2,

Iout - prąd wyjściowy, kontrolera (prąd źródła laserowego),

Uin - napięcie sterujące precyzyjnego źródła prądowego CS2,

Vcc - dodatnie napięcie zasilania,

GND - zacisk masa zasilania,

WE - zacisk wejściowy napięcia zasilania,

W1 - pierwszy węzeł,

W2 - drugi węzeł,

1,2 - zaciski wejściowe napięcia sterującego źródłem prądowym CS2,

A - anoda źródła laserowego,

K - katoda źródła laserowego.

Claims (1)

1. Niskoszumny, dwustopniowy kontroler prądu dla źródeł laserowych zawierający prądowe, źródło laserowe i element pomiarowy, znamienny tym, że na wejściu ma zacisk wejściowy napięcia zasilania (WE) i zacisk masy zasilania (GND), przy czym zacisk wejściowy napięcia zasilania (WE) połączony jest z wejściem układu „miękkiego” startu (SSC), którego wyjście połączone jest z pierwszym węzłem (W1), zaś pierwszy węzeł (W1) połączony jest przez główne źródło prądowe (CS1) z drugim węzłem (W2) i jednocześnie pierwszy węzeł (W1) połączony jest przez precyzyjne źródło prądowe sterowane napięciem (CS2) z drugim węzłem (W2), natomiast drugi węzeł (W2) połączony jest z anodą źródła laserowego (A), źródło laserowe (LD), katodę źródła laserowego (K) i rezystor pomiarowy (Rs) z zaciskiem masy zasilania (GND), ponadto rezystor pomiarowy (Rs) połączony jest równolegle z precyzyjnym źródłem prądowym sterowanym napięciem (CS2).