Блок управления модулятором твердотельного лазера

РПЗ РЛ1.docx

Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации
МОСКОВСКИЙ ордена Ленина ордена Октябрьской Революции
и ордена Трудового Красного Знамени
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ имени Н.Э. БАУМАНА
РАСЧЕТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
к курсовой работе на тему:
Блок управления модулятором
твердотельного лазера
Студент (Карев А.В. ) Группа РЛ2-63
(фамилия инициалы) (индекс)
Руководитель проекта ( Глотов А.Н. )
Содержание расчётно-пояснительной записки
§1. Техническое задание
§2. Выбор и обоснование блок-схемы системы управления
§3. Расчёт первого ждущего мультивибратора с эмиттерной связью (строб задержки)
§4. Расчёт второго ждущего мультивибратора с эмиттерной связью (строб работы)
§5. Расчёт первого транзисторного ключа
§6. Расчёт автоколебательного мультивибратора
§7. Расчет второго транзисторного ключа
§9. Список литературы
Спроектировать систему управления модулятором добротности лазера с импульсной модуляцией добротности.
Параметры выходных импульсов:
- время задержки импульса запуска
- длительность импульса управления
- длительность переднего фронта импульса управления
- длительность заднего фронта импульса управления
- частота следования импульсов управления
- амплитуда импульсов на нагрузке
- сопротивление нагрузки
Лазер с импульсной модуляцией добротности состоит из системы управления модулятором (СУМ):
генератора строба задержки первого импульса;
генератора строба работы импульсного модулятора при использовании режима регуляризации пичковой структуры излучения;
генератора импульсов управления (подмодулятора);
согласующего каскада (усилитель обостритель);
Импульсный режим работы лазера (по накачке) определяет и особенности управления электрооптическим или же другим типом модулятора добротности. Достаточный уровень усиления активной среды достигается через некоторое вполне определённое время. Поэтому необходимо задержать первый импульс модуляции добротности на время задержки запуска первого импульса модуляции добротности что осуществляет генератор строба задержки. Он может быть построен по схеме ждущего мультивибратора. По этой же схеме может быть построен и генератор строба работы.
Временные диаграммы работы лазера в режиме пачки импульсов
А. Импульс запуска накачки
Б. Строб задержки первого импульса модуляции добротности
В. Строб работы в режиме «пачки» импульсов
Г. Импульсы модуляции
Мультивибратор с эмиттерной связью в данной схеме (Рис. 3.1.) применяется как ждущий генератор импульсов прямоугольной формы с заданной длительностью.
В данной схеме запуск производится от генератора прямоугольных импульсов Vpulse импульсом амплитудой 2 [В] и длительностью 0.5 [мкс].
В исходном состоянии транзистор VT1 закрыт а транзистор VT2 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 VT2 закрывается а VT1 переходит в режим насыщения. В наступившем неустойчивом состоянии происходит разряд конденсатора частью коллктроного тока транзистора VT1 протекающего через сопротивление R источник напряжения VEK и сопротивление Re. При разрядке конденсатора происходит снижение потенциала базы транзистора VT2 по экспоненциальному закону после чего происходит возврат схемы в начальное состояние.
Исходные данные для расчёта схемы ждущего мультивибратора.
Амплитуда выходного импульса В
Минимальная длительность выходного импульса мкс
Максимальная длительность выходного импульса мкс
Допустимая нестабильность длительности импульсов в диапазоне температур
Длительность переднего и заднего фронтов выходного импульса мкс
Определяем параметры схемы.
Коллекторное напряжение определяется из условия что
Выберем транзистор КТ31Д.
Характеристики транзистора КТ315А
Допустимый ток коллектора
Максимальный ток коллектора
Сопротивление эмиттера
Величина сопротивления определяется из следующих условий
При этом для обеспечения амплитуды выходного импульса коллекторный ток равен:
Величину сопротивления рассчитываем так:
Сопротивление равно:
Времязадающее сопротивление для коэффициента глубины насыщения рассчитывается исходя из условия насыщения второго транзистора в исходном состоянии:
Времязадающую ёмкость определяем:
Сопротивления делителей и определяются из условия запирания первого транзистора в начальном состоянии:
Уточнение величины восстановления схемы определяется временем заряда конденсатора:
Уточнение величины амплитуды напряжения:
После тестирования и подгонки схемы методами САПР получены следующие значения элементов схемы:
Запуск второго мультивибратора (Рис. 4.1.) 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.
Сопротивление нагрузки кОм
Тип транзистора определяем из следующих условий:
Б. условие минимальной длительности импульсов:
Выберем транзистор КТ315А.
Времязадающую ёмкость определяем для так как :
В исходном состоянии транзистор находится в режиме отсечки под действием входного запирающего напряжения. При поступлении на вход в момент времени t=t1 перепада отпирающего напряжения эмиттерный переход транзистора смещается в прямом направлении а базовый ток(и эммитерный) скачкообразно достигает значения. Коллекторный ток в соответствии с переходной характеристикой транзистора будет нарастать.
Эмиттерный коллекторныйбазовый токи и междуэлектродные напряжения остаются практически неизменными. В области базы происходит накопление избыточного заряда неравновесных носителей. В определенный момент времени на вход системы подается запирающее напряжение. Процесс размыкания ключа состоит из стадии рассасывания избыточного заряда неравновесных носителей и стадии закрывания транзистора. В момент окончания стадии рассасывания транзистор входит в активную область и начинается процесс его закрывания.
Произведем расчет схемы ключа с резистивно-емкостной связью. Ключ нагружен на сопротивление R и емкость C. Управление ключом осуществляется отрицательными импульсами от источника с выходным сопротивлением R. В результате расчета должны быть определены величины элементов связи RRС Eб а также время отключения и выключения ключа.
Параметры цепи связи нужно выбрать так чтобы удовлетворялись условия работоспособности ключва. Ключ должен быть разомкнут при низком уровне управляющего напряжения и замкнут при высоком.
§6. Расчет автоколебательного мультивибратора
Мультивибраторы с коллекторно-базовыми связями широко применяются в импульсных устройствах как генераторы импульсов почти прямоугольной формы.
Полный цикл автоколебательного процесса в мультивибраторе состоит из двух полупериодов колебаний. В симметричном мультивибраторе длительности полупериодов одинаковы. Длительность каждого полупериода определяется временем разряда конденсатора включенного в цепь базы закрытого транзистора. Разряда конденсатора осуществляется через открытый транзистор режим которого выбирают со степенью насыщения s=1.2-2.При таком режиме обеспечивается хорошая форму и стабильность амплитуды импульсов и не наблюдается срыва колебаний.
Уменьшение величины сопротивлений Rб при заданной степени насыщения транзисторов приводит к уменьшению величины коллекторных сопротивлений Rк следовательно к повышению потребляемой мультивибратором мощности.
Схема мультивибратора имеет свойства автоколебательной системы с жестким режимом возникновения колебаний. Это означает что в схеме возможно статической равновесное состояние при котором оба транзистора находятся в насыщении и для перевода системы в режим релаксационных колебаний необходим внешний пусковой импульс.
Существенным недостатком схемы мультивибратора является большая длительность отрицательных фронтов коллекторного напряжения в связи с протеканием через коллекторные сопротивления зарядных токов.
§7. Расчёт второго транзисторного ключа.
Для запирания транзистора VT1 в контуре ударного возбуждения необходимо подать отрицательный импульс на базу этого транзистора. Так как запускающим устройством является второй ждущий мультивибратор а запускающее напряжение снимается с коллектора второго трвнзистора то необходимо предусмотреть инвертор фазы на 180 гр.
Это можно осуществить через ключ.
Определение параметров ключа.
Условие запирания транзистора VT1 в исходном режиме определяется
Обычно напряжение запирания выбирают в пределах: .
Ключ должен быть разомкнут при низком уровне управляющего напряжения т.е при и замкнут при высоком .
Характеристики транзистора КТ604А
Так как то следовательно .
Для надёжного запирания транзистора принимаем .
Тогда где сопротивление рассчитывается по формуле
Рассчитаем сопротивление по формуле
Откуда получаем что сопротивление принимает следующее значение .
После тестирования схемы и подгонки номинальных значений элементов получены следующие значения элементов:
А. Входные вольтамперные характеристики транзистора КТ315А.
Б. Выходные вольтамперные характеристики транзистора КТ315А.
В. Входные вольтамперные характеристики транзистора КТ604А.
Г. Выходные вольтамперные характеристики транзистора КТ315А.
Д. Прямая ветвь ВАХ диода Д2Д212А
Е.Обратная ветвь ВАХ диода Д2Д212А
«Расчёт элементов импульсных и цифровых схем радиотехнических устройств» под ред. Казаринова Ю.М. – М.: Высшая школа 1976 год.
«Полупроводниковые приборы» Галкин В.И. Булычёв А.Л. Прохоренко В.А. – Беларусь 1979 год.
«Полупроводниковая схемотехника» Титце У. Шенк К. – М.: Мир 1983 год.
Под ред. Горюнова Н.Н. Справочник. Полупроводниковые приборы. Диоды тиристоры оптоэлектронные приборы. – М.: Энергоатомиздат 1985 год.
Под ред. Голомедова А.В. Справочник. Полупроводниковые приборы. – М.: Радио и связь 1988 год.

Временные диаграммы.dwg

МГТУ им. Н. Э. Баумана кафедра РЛ1 группа РЛ2-63
Временные диаграммы результатов моделирования работы схемы
) Формирование импульсов
) Полный период управляющих импульсов
) Период последовательности управляющих импульсов

Функционал+диаграммы.dwg

МГТУ им. Н. Э. Баумана кафедра РЛ1 группа РЛ2-63
Схема электрическая функциональная
Первый ждущий мультивибратор
Второй ждущий мультивибратор
Автоколебательный мультивибратор
Технические требования
Время задержки запуска первого импульса управления tз=299 мкс
Длительность импульса управления tи=2
Длительность переднего фронта импульса не более tф=0
Длительность заднего фронта не более tс=0
Частота следования импульсов управления v=117 кГц
Амплитуда импульса управления на нагрузке Um=23В
Сопротивление нагрузки Rн=10kОм
Емкость нагрузки Cн=50пФ
Импульс запуска накачки
Строб задержки первого импульса модулятора добротности
Инвертирование сигнала
Формирование импульсов

Принципиальная схема.dwg

МГТУ им. Н. Э. Баумана кафедра РЛ1 группа РЛ2-63
Схема электрическая принципиальная