高功率CO2激光器的高壓接收控制裝置

朱向陽，陸迺田

（中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110043）

大功率CO2激光器是一種較為復(fù)雜的工業(yè)設(shè)備，不僅具有高電壓、大電流的電源以及多密封面的真空腔體，而且必須保持工作氣體成分、氣壓的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定，同時(shí)在運(yùn)行過程中產(chǎn)生大量的熱量需要進(jìn)行冷卻，對(duì)溫度變化也比較敏感。

現(xiàn)有的激光器接收控制電路都是采用光耦隔離的方式，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后再進(jìn)行數(shù)字信號(hào)的放大，會(huì)導(dǎo)致抗干擾能力差，不能給予大功率CO2激光器穩(wěn)定的電壓電流，影響激光器的正常穩(wěn)定工作。

目前為了提高CO2激光機(jī)的功率，必須采用高電壓的接收信號(hào)，所以激光器接收控制電路必須提高控制板輸出高電壓的能力。

1 控制系統(tǒng)的技術(shù)方案

本論文提出的技術(shù)方案為：用于高功率CO2激光器的高壓接收控制裝置，包括順序連接的恒率電源、光纖接收器、DAC數(shù)模轉(zhuǎn)換器、模擬開關(guān)、運(yùn)算放大器模塊和功率放大器；所述恒率電源用于將外部交流電轉(zhuǎn)換成直流電，為光纖接收器、DAC數(shù)模轉(zhuǎn)換器、模擬開關(guān)、運(yùn)算放大器模塊和功率放大器供電；所述光纖接收器用于接受外部光纖信號(hào)，并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)送至數(shù)模轉(zhuǎn)換器；所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器用于將串行輸入的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬電流輸出信號(hào)，輸出至模擬開關(guān)。

所述光纖接收器為三個(gè)或以上，其中兩個(gè)光纖接收器與模擬開關(guān)的控制端連接，其他的光纖接收器均與DAC數(shù)模轉(zhuǎn)換器連接。

所述功率放大器包括場(chǎng)效應(yīng)管和運(yùn)算放大器；場(chǎng)效應(yīng)管的漏極D通過兩個(gè)串聯(lián)的二極管D3、D4與地連接，源極S通過電阻R31與地連接，柵極G通過電容C20和電阻R30的并聯(lián)電路分別與電容C19和電阻R29組成的并聯(lián)電路、運(yùn)算放大器的輸出端相連接，電容C19和電阻R29組成的并聯(lián)電路另一端經(jīng)電阻R27與場(chǎng)效應(yīng)管的源極S連接，還與運(yùn)算放大器的反相輸入端相連；運(yùn)算放大器的正相輸入端與模擬開關(guān)的輸出端連接；恒率電源的負(fù)極輸出端連接電阻R70后、與漏極D作為一對(duì)輸出端，用于與激光器的輸入端連接。

2 具體實(shí)施方式

該裝置的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。接收控制板包括：恒率電源、光纖接收器、DAC數(shù)模轉(zhuǎn)換器、模擬開關(guān)、運(yùn)算放大器模塊、功率放大器。其連接是：恒率電源與各器件相連接為各個(gè)器件提供直流電；光纖接收器分別與DAC數(shù)模轉(zhuǎn)換器和模擬量開關(guān)相連接；DAC數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸出端與模擬開關(guān)相連接；模擬開關(guān)與運(yùn)算放大器的輸入端相連接；運(yùn)算放大器的輸出端與功率放大器相連接。

圖1 裝置結(jié)構(gòu)圖

恒率電源具有整流、濾波電路，電源穩(wěn)壓電路，將交流115V電轉(zhuǎn)換成直流電，為其他功能模塊提供+5V，+15V，-15V直流電源。

光纖接收器為多個(gè)，用于接受光纖數(shù)字信號(hào)，其中一個(gè)提供模擬量開關(guān)的控制信號(hào)，其他用于提供DAC數(shù)模轉(zhuǎn)換器的時(shí)鐘、上載、串行輸入信號(hào)。

DAC數(shù)模轉(zhuǎn)換器采用MAX543芯片，用于將串行輸入的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬電流輸出信號(hào)；MAX543串行輸入端SRI、時(shí)鐘信號(hào)端CLK、上載端LOAD的信號(hào)分別來自光纖接收器的數(shù)字信號(hào)；MAX543的輸出端與運(yùn)算放大器連接。

模擬開關(guān)完成信號(hào)鏈路中的信號(hào)切換功能，采用MC14066；它的輸入端與數(shù)模轉(zhuǎn)換器的RFB端通過電阻連接；兩個(gè)控制端分別與兩個(gè)光纖接收器的4腳連接。輸出端與運(yùn)算放大器的輸入端連接。

運(yùn)算放大器模塊用于放大信號(hào)，輸出至功率放大器模塊；采用二級(jí)LM741，它的一級(jí)運(yùn)算放大器的正相輸入端接地，反相輸入端與MAX543的輸出端Iout連接；輸出端與MAX543的RFB端相連接，同時(shí)通過電阻R12與二級(jí)運(yùn)算放大器LM741的反相輸入端相連；二級(jí)運(yùn)算放大器同樣采用LM741，它的正相輸入端通過電阻與地連接，反相輸入端與一級(jí)LM741的輸出端連接。

功率放大器：由場(chǎng)效應(yīng)管IRF330和運(yùn)算放大器LM741組成，為輸出端提供大功率信號(hào)。

其電路詳細(xì)結(jié)構(gòu)如附圖所示，圖2、圖3為光纖信號(hào)接收電路、DAC數(shù)模轉(zhuǎn)換器的原理圖。光纖接收器采用多個(gè)R-2521光導(dǎo)纖維，R-2521的2腳與3腳之間通過0.01μF的電容連接，2引腳接地；部分R-2521的1腳與4腳連接組成data信號(hào)，根據(jù)不同的需求連接到DAC數(shù)模轉(zhuǎn)換器的串行輸入、時(shí)鐘和上載端，光纖接收器的另一端可與上位機(jī)或CPU連接；兩個(gè)光纖接收器的4腳均接入模擬開關(guān)的控制端。

圖2 光纖接收器接收電路原理圖

U20的data端連接MAX543的上載端（load），U21的data端連接MAX543的串行輸入端（SRI），U23連接MAX543的時(shí)鐘信號(hào)端（CLK）。

圖3 光纖接收器與數(shù)模轉(zhuǎn)換器連接電路圖

圖4 為功率放大電路，由場(chǎng)效應(yīng)管IRF330和運(yùn)算放大器LM741組成；IRF330的漏極D通過兩個(gè)二極管D3、D4與地相連接；源極S通過電阻R31與地相連接；柵極G與電容C20和電阻R30的并聯(lián)結(jié)構(gòu)連接，電容C20和電阻R30的并聯(lián)結(jié)構(gòu)的另一端與電容C19和電阻R29組成的并聯(lián)結(jié)構(gòu)連接，同時(shí)與運(yùn)算放大器LM741的輸出端相連接。電容C19和電阻R29組成的并聯(lián)結(jié)構(gòu)的另一端與電阻R27連接，同時(shí)與運(yùn)算放大器的反相輸入端相連；電阻R27的另一端與源級(jí)S相連接；漏極D是整個(gè)控制板的一個(gè)輸出端；同時(shí)電阻R70連接-15V電源作為另一個(gè)輸出端，共同輸出至激光器。

圖4 功率放大器電路圖

3 結(jié)語

本論文介紹了一種用于大功率激光器的CO2高壓接收控制裝置，能夠?qū)⒐庑盘?hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并穩(wěn)定地進(jìn)行功率放大，適用于在激光切割機(jī)等領(lǐng)域。它的優(yōu)點(diǎn)及有益效果如下。

（1）輸入端采用光纖接收器，降低了成本，抗干擾能力強(qiáng)。

（2）采用了模擬開關(guān)，方便實(shí)現(xiàn)了模擬信號(hào)之間的切換。

（3）采用了分段控制，可以通過短路帽來分別控制前四路與后四路的功率放大電路。

（4）本裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，本身消耗的功率小，運(yùn)行成本低，可在多種復(fù)雜環(huán)境下使用。

（5）本裝置低成本，抗干擾能力強(qiáng)；方便實(shí)現(xiàn)了模擬信號(hào)之間的切換；方便實(shí)現(xiàn)分段控制。