Блок управления модулятором добротности твердотельного лазера

Московский  ордена Ленина, ордена Октябрьской  Революции и ордена Трудового  Красного Знамени

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

им. Н.Э. Баумана

 

Факультет Радиоэлектроника и лазерная техника

Кафедра Радиотехнические системы и устройства

 

 

Расчетно-пояснительная записка

к курсовой работе

по курсу Электроника и микропроцессорная техника

 на  тему:

 

 

«БЛОК УПРАВЛЕНИЯ МОДУЛЯТОРОМ ДОБРОТНОСТИ  ТВЕРДОТЕЛЬНОГО ЛАЗЕРА»

 

Вариант 17

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 Студент:  Павлов А.В.

Группа РЛ2-62

Руководитель: Глотов А.Н.

 

 

// Содержание

 

1. Техническое задание                                                                                                                     3
2. Выбор и обоснование блок-схемы системы управления                                                           4
3. Расчёт первого ждущего мультивибратора с эмиттерной связью (строб задержки)     6
4. Расчёт второго ждущего мультивибратора с эмиттерной связью (строб работы)      9
5. Расчёт контура ударного возбуждения (генерация колебаний заданной частоты)         12
6. Расчет триггера с эмиттерной связью (усилитель – ограничитель)                                 15
7. Расчёт транзисторного ключа                                                                                                18
8. Заключение                                                                                                                                  21
9. Список литературы                                                                                                                   22

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Техническое задание

 

Тема  проекта.

Блок управления модулятором твердотельного лазера.

Цель  задания.

1. Выбрать и  обосновать блок схему устройства  блока управления. Рассчитать элементы  принципиальной схемы в соответствии  с заданием.

2. Разработать функциональную и принципиальную схему устройства, которое должно сохранять параметры, указанные в задание в диапазоне температур от -30 до +30 градусов Цельсия.

3. Провести моделирование  разработанного устройства в  САПР.

 

Параметры выходных импульсов.

-Время задержки  импульса запуска:                                                   tз=275 мкс

-Время работы:                                                                                     tр=89 мкс

-Длительность  импульса управления:                                                  tи=2.0 мкс

-Длительность  переднего фронта импульса управления:                     tф=0.2 мкс

-Длительность  заднего фронта импульса управления:                         tc=0.3 мкс

-Частота следования  импульсов управления:                                      ν=125 кГц

-Амплитуда импульсов  управления на нагрузке:                                Um=33 В

-Сопротивление  нагрузки:                                                                   Rн=4 кОм

-Емкость нагрузки:                                                                              Сн=50 пФ

 

 

2. Выбор и обоснование блок-схемы  системы управления

   Система управления зарядом должна зарядить накопительную емкость батареи до напряжения, определяющего энергию накачки и поддерживать это напряжение с достаточной степенью точности. Для запуска лампы накачки, которая вырабатывает импульс света, который и превращает активный элемент лазера в элемент, способный усиливать проходящий через него свет определенной длины волны.

   Импульсный режим работы лазера (по накачке) определяет особенности управления электрооптическим (или другим типом) модулятора добротности. Достаточный уровень усиления активной среды достигается через некоторое, вполне определенное время. Поэтому необходимо задержать появление первого импульса модуляции добротности на время задержки необходимое для установления свойств активного элемента лазера (коэффициента усиления) на заданном уровне.

Лазер с импульсной модуляцией добротности состоит из системы управления модулятором (СУМ):

 

Выберем следующую  схему управления СУМД:

1. Запускающий  импульс с внешней схемы. 

2. Ждущий мультивибратор (генерирует импульс задержки  начала режима работы).

3. Ждущий мультивибратор (генерирующий импульс работы).

4. Контур ударного возбуждения (генерирует синусоиду заданной частоты).

5. Триггер Шмитта (преобразует синусоиду в прямоугольные импульсы).

6.Ждущий мультивибратор(генерирует управляющие импульсы заданной частоты и длины).

СУМД должна давать следующие  временные диаграммы работы лазера в режиме «пачки» импульсов (Рис. 1, 2, 3, 4 и 5):

Рис. 1. Импульс запуска накачки

 

Рис. 2. Интенсивность накачки

Рис. 3. Строб задержки первого импульса модуляции добротности

Рис. 4. Строб работы в режиме «пачки» импульсов

Рис. 5. Импульсы модуляции

 

3. Расчёт первого ждущего мультивибратора с эмиттерной связью (строб задержки)

 

Рис. 6. Схема ждущего мультивибратора с эмиттерной связью (строб задержки)

 

Мультивибратор с эмиттерной связью в данной схеме (Рис. 6) применяется как ждущий генератор импульсов прямоугольной формы с заданной длительностью.

В данной схеме запуск производится от генератора прямоугольных импульсов V1 импульсом амплитудой 8 [В] и длительностью 10 [мкс].

В исходном состоянии транзистор T1 закрыт, а транзистор T2 открыт и находится в режиме насыщения, что достигается выбором сопротивлений R1, R2, Re. Конденсатор С заряжен до максимального значения. При поступлении запускающего импульса происходит опрокидывание схемы, в результате чего T2 закрывается, а T1 переходит в режим насыщения. В наступившем неустойчивом состоянии происходит разряд конденсатора частью коллекторного тока транзистора T1, протекающего через сопротивление R, источник напряжения VEK, и сопротивление Re. При разрядке конденсатора происходит снижение потенциала базы транзистора T2 по экспоненциальному закону, после чего происходит возврат схемы в начальное состояние.

Определяем параметры схемы.

 Коллекторное напряжение определяется из условия, что

.     Выбираем .

Выбор типа транзистора  производится из условий:

  - максимально допустимое коллекторное напряжение больше или равно Ek;

  - время TF должно быть того же порядка, что и допустимое время включения и выключения транзистора.

Анализируя  базу данных биполярных транзисторов можно выбрать транзистор  КТ315И

 

Характеристики транзистора КТ315И
			Допустимый  ток коллектора	Максимальный ток коллектора	Сопротивление эмиттера	Сопротивление базы
10	100	90	0,1	15∙10-6	10	10

 

1. Величина сопротивления  определяется из следующих условий

;

.

Выберем .

При этом для обеспечения амплитуды выходного импульса коллекторный ток равен:

.

2. Величину сопротивления рассчитываем так:

.

Выберем .

3. Сопротивление равно:

.

Выбираем .

4. Времязадающее сопротивление для коэффициента глубины насыщения рассчитывается, исходя из условия насыщения второго транзистора в исходном состоянии:

.

Принимаем .

5. Времязадающую ёмкость определяем для , так как :

.

Выбираем . Сопротивления делителей и определяются из условия запирания первого транзистора в начальном состоянии:

.

Выбираем .

.

Выбираем .

6. Уточнение величины восстановления схемы, определяется временем заряда   конденсатора:

.

7. Уточнение величины амплитуды напряжения:

.

После тестирования и настройки схемы методами САПР получены следующие значения элементов схемы:

, , , , , , ,  ,

 

 

 

 

4. Расчёт второго  ждущего мультивибратора с эмиттерной  связью (строб работы)

 

Рис. 7 Схема ждущего мультивибратора с эмиттерной связью(строб работы)

Запуск второго мультивибратора (Рис. 7) происходит при помощи положительного импульса на коллекторе первого транзистора, который после дифференцирования при помощи дифференцирующей цепочки с маленькой постоянной времени цепи даёт скачок напряжения на сопротивлении , что обеспечивает смену состояния на транзисторах. В схеме запуска присутствует диод, что позволяет запустить мультивибратор только по заднему фронту импульса с первого мультивибратора.

Определяем параметры схемы.

 Коллекторное напряжение определяется из условия, что

.     Выбираем .

Анализируя  базу данных биполярных транзисторов можно выбрать транзистор КТ315И

1. Величина сопротивления  определяется из следующих условий

;

.

Выберем .

При этом для обеспечения амплитуды выходного импульса коллекторный ток равен:

.

2. Величину сопротивления рассчитываем так:

.

Выберем .

3. Сопротивление равно:

.

Выбираем

4. Времязадающее сопротивление для коэффициента глубины насыщения рассчитывается, исходя из условия насыщения второго транзистора в исходном состоянии:

.

5. Принимаем

 

6. Времязадающую ёмкость определяем для , так как :

 

Выбираем .

7. Сопротивления делителей и определяются из условия запирания первого транзистора в начальном состоянии:

.

Выбираем .

.

Выбираем

.

8. Уточнение величины восстановления схемы, определяется временем заряда   конденсатора:

.

9. Уточнение величины амплитуды напряжения:

.

После тестирования и настройки схемы методами САПР получены следующие значения элементов схемы:

, , , , , , , ,

 

 

5. Расчёт контура ударного возбуждения (генерация колебаний заданной частоты)

 

Рис. 8 Схема контура ударного возбуждения

      Необходимо рассчитать генератор ударного возбуждения, обеспечивающий генерирование серии синусоидальных колебаний с частотой , и с амплитудой . Длительность серии колебаний .

     Для получения колебаний максимальной амплитуды необходимо обеспечить прекращение тока через катушку индуктивности контура в течение времени, которое значительно меньше четверти периода собственных колебаний контура.

    Время запирания транзистора определяется его постоянной времени, амплитудой импульса тока базы и начальным током коллектора, протекающим перед запиранием.

   Чтобы токи запирания транзистора не были бы чрезмерно большими желательно использовать высокочастотные транзисторы с малой постоянной времени TF. Удовлетворительным можно считать условие TF<0.1

         Определяем параметры схемы.

 Коллекторное напряжение определяется из условия, что

.     Выбираем .

Анализируя  базу данных биполярных транзисторов можно выбрать транзистор КТ315И

 

Сопротивление катушки контура из конструктивных соображений: R_L = 10 Ом

Выберем режим  работы транзистора:

Ток покоя транзистора  КТ315И:  I_к1 = I_кmax/3 = 0.1/3 = 0.033 A

I_б1 = I_к1/β = 0.033/90 = 3.667∙10^-4

α = 0.95

Рассчитаем  параметры контура:

Начальный ток  эмиттера: I_э1 = I_к1∙(2 – α) = 0.033∙(2 – 0.95) = 0.035

Амплитуда колебаний: U_m0 = U_m∙1.1 = 33∙1.1 = 36.3 В

Индуктивность катушки колебательного контура:

L = U_m0/(2∙π∙f∙I_э1) = 36.3/(2∙π∙125∙10³∙0.035) = 1.334∙10^-3 Гн

Задаём: L = 1.3∙10^-3 Гн

Ёмкость конденсатора колебательного контура:

C = I_э1/(2∙π∙f∙U_m0) = 0.035/(2∙π∙125∙36.3) = 1.215∙10^-9 Ф

Задаём: С = 1.2∙10^-9 Ф

Для обеспечения  постоянства амплитуды колебаний  в контуре коэффициент обратной связи должен быть равен единице. Выполнение этого условия обеспечивается при равенстве сопротивления обратной связи эквивалентному сопротивлению контура со стороны отвода катушки.

R_эк = p²∙L/(C∙R_L) = R_ос

Выберем коэффициент включения p=1/2, т.е. отвод сделаем от середины сердечника.

R_ос = L/(4∙C∙R_L) = 1.3∙10^-3/(4∙1.2∙10^-9∙10) = 2.708∙10⁴ Ом

Задаём: R_ос = 2.7∙10⁴ Ом

Найдём амплитуду  напряжения на выходе системы:

Сопротивление эмиттер – коллектор R_и = 20 Ом

Сопротивление эмиттера R_э = 10 Ом

U_{вых max} = 1.1∙U_m∙(1+β)∙R_э/[R_и + (1+β)∙R_э] = 1.1∙33∙(1+90)∙10/[20 + (1+90)∙10] = 35.519 В

Сопротивление стабилизации тока покоя КТ315И: R₃ = 100 Ом

Сопротивление R₆ в цепи базы транзистора определяет положение рабочей точки и должно выбираться так, чтобы в состоянии покоя выполнялось неравенство:

I_э2 >  I_эM/2 = U_2m /[2∙(Rос+R3)] = 35.5/[2∙(2.7∙10⁴ + 100)] = 6.553∙10^-4 А

I_б2 = I_э2∙(1 – α) = 6.553∙10^-4∙(1 – 0.95) = 3.277∙10^-5 А

R₄ = (E_k – U_{вых max})/I_б2 = (46 – 35.519)/(3.277∙10^-5) = 3.199∙10⁵ Ом

Задаём: R₄ = 320∙10³ Ом

_{Резистор  R2 вместе с конденсатором C2 представляют собой развязывающую цепь. R2 вычисляется из условия обеспечения выбранного режима.}

_{R2 = [Ek – Iэ1∙(R3 + RL +rэ) – Iэ2∙(R3 + RL/2 +rэ)]/Iк1 =}

_{= [46 –0.035∙(100 + 10 +10) – 6.553∙10^-4∙(100 + 10/2 +10)]/0.033 = 1266 Ом}

Задаём: R₂ = 1250 Ом

_{R1 = [Ek – Iэ1∙(Rэ + RL +rэ) – Iэ2∙(R3 + RL/2)]/Iк1 – rб =}

_{= [46 –0.035∙(100 + 10 +10) – 6.553∙10^-4∙(100 + 10/2)]/0.033 – 10 = 1350 Ом}

Задаём: R₁ = 1350 Ом

_{После подгонки и тестирования схемы методами САПР получены следующие  значения элементов  схемы:}

, , , , , , , , , , .

 

 

 

6. Расчет триггера Шмитта(генерация импульсов заданной частоты)

Рис. 9 Схема триггера Шмитта

      Триггер Шмитта является несимметричной схемой и применяется для формирования прямоугольных импульсов из синусоидального или произвольной формы напряжения, а также в качестве порогового устройства, реагирующего на определённый уровень сигнала. Триггер имеет два устойчивых состояния. Открытые транзисторы работают в режиме насыщения.

        Поясним работу схемы. Пусть в исходном состоянии при нулевом входном напряжении транзистор VT1 закрыт, а VT2 открыт и насыщен. При увеличении входного отпирающего напряжения транзистор VT1 открывается, потенциал его коллектора понижается, что уменьшает базовый ток транзистора VT2. Когда значение входного напряжения достигнет порогового, произойдёт лавинообразный процесс смены состояний транзисторов, в новом устойчивом состоянии транзистор VT1 открыт, а VT2-закрыт. При уменьшении отпирающего напряжения обратное опрокидывание триггера произойдёт не при напряжении срабатывания, а при некотором меньшем напряжении отпускания. В результате этого опрокидыания схема перейдёт в первоначальное состояние.  

       Определяем параметры схемы.

Напряжение  срабатывания:  U1 = 8 В 

Выберем транзистор КТ315И.

Определим напряжение: Ek = 1.1∙(Um+U1) = 1.1∙(33+8) = 45.1 В

Задаём: Еk = 46 В

Рассчитаем сопротивления:

Rk2 > (Ek – U1)/Iкдоп = (46 – 8)/0.1 = 380 Ом

Rk2 < Ek/Iк0max = 46/(15∙10^-6) = 3.067∙10⁶ Ом

Выбираем Rk2 = 1400 Ом

R_э = R_k2∙U₁∙α/(Ek – U1) = 1400∙8∙0.95/(46 – 8) = 280 Ом

Задаём R_э = 360

Входное сопротивление R_и=100 Ом

R_k1 = R_k2∙(1+R_и/(β_min∙R_э)) = 1400∙(1+100/(10 ∙360)) = 1439 Ом

Задаём R_k1 = 1.5 кОм

U_э2 = E_k∙R_э/(R_k1 + R_э) = 46∙360/(1500 + 360) = 8.903 В

R₂ < U_э2/I_k0max = 8.903/15∙10^-6 = 593 кОм

Задаём R₂ = 3 кОм

R₁ = 2351 Ом

Задаём R₁ = 2.5 кОм

Определим сопротивления  резисторов R₃ и R₄, которые необходимы для формирования точки покоя. Начальное напряжение выбираем U_нач = 1 В, задаваясь током I_дел = 1 мА через сопротивления R₃ и R₄ находим значения сопротивлений:

R₃ = U_нач/I_дел = 1/0.001 = 1 кОм

R₄ = (E_к – U_нач)/I_дел = (46 – 1)/0.001 = 45 кОм

Задаём R₃ = 1 кОм, R₄ = 45 кОм

 

Рассчитаем  ускоряющую ёмкость:

C < I_min / [3∙R₁∙R₂/(R₁+R₂)] = 50∙10^-6/[3∙2500∙3000/(2500 + 3000)] = 6.111 нФ

Зададим С = 5.1 нФ

После подгонки и тестирования методами САПР получены следующие значения элементов схемы:

, , , , , , ,

 

 

7. Расчёт ждущего мультивибратора  с эмиттерной обратной связью(генерация  импульсов заданной длины)

 

_{Рис. 10 Ждущий мультивибратор с эмиттерной связью (генерация импульсов заданной длины)}

 

      Определяем параметры схемы.

За основу возьмём  схему первого мультивибратора.

После тестирования и настройки схемы методами САПР получены следующие значения элементов схемы:

, , , , , , , ,

 

8. Заключение

 

В данной работе был произведен выбор блок-схемы СУМД, а также рассчитаны элементы СУМД, такие как ждущие мультивибраторы для генерации импульсов работы, строба задержки, строба работы; контур ударного возбуждения, триггер Шмитта.

При помощи программы Micro-Cap смоделирована схема и получены следующие выходные характеристики:

-Время задержки  импульса запуска:                                              tз=274,055 мкс

-Время работы:                                                                                 tр=89,675 мкс

-Длительность  импульса управления:                                            tи=1,96 мкс

-Длительность  переднего фронта импульса управления:            tф=0,02 мкс

-Длительность  заднего фронта импульса управления:                  tc=0,02 мкс

-Частота следования  импульсов управления:                                f=122,63 кГц

-Амплитуда импульсов  управления на нагрузке:                          Um=32,1 В

Все полученные значения не выходят за предел погрешности  в 10%.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

9. Список литературы

1. «Расчёт элементов импульсных и цифровых схем радиотехнических устройств» под ред. Казаринова Ю.М. – М.: Высшая школа, 1976 год.
2. «Импульсная техника и основы радиолокации» Слуцкий В.З., Фогельсон Б.И.,М., Воениздат, 1975 год.
3. Под ред. Горюнова Н.Н. Справочник. Полупроводниковые приборы. Диоды, тиристоры, оптоэлектронные приборы. – М.: Энергоатомиздат, 1985 год.
4. Под ред. Голомедова А.В. Справочник. Полупроводниковые приборы. – М.: Радио и связь, 1988 год.