eng
Выпуск #1/2021
З. С. Гайссер (Павлова), А. В. Прилуцкий, А. В. Фёдоров
Источник питания лазеров с диодной накачкой для бортового применения
Источник питания лазеров с диодной накачкой для бортового применения
Просмотры: 2447
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2021.15.1.46.50
Лазерные дальномеры и высотомеры все чаще находят свое применение в авиационной технике. Их высокая точность измерений дальности или высоты, небольшие габариты и легкость встраивания в другие бортовые системы обеспечивают большой потенциал для их использования. Однако рынок испытывает потребность в серийно выпускаемых источниках питания лазеров, работающих стабильно от бортовой электрической сети, обеспечивающих питание до 200 А и напряжение до 140 В в импульсном режиме. Предложен источник питания лазеров с диодной накачкой для бортового применения, работающий от сети 27В.
Лазерные дальномеры и высотомеры все чаще находят свое применение в авиационной технике. Их высокая точность измерений дальности или высоты, небольшие габариты и легкость встраивания в другие бортовые системы обеспечивают большой потенциал для их использования. Однако рынок испытывает потребность в серийно выпускаемых источниках питания лазеров, работающих стабильно от бортовой электрической сети, обеспечивающих питание до 200 А и напряжение до 140 В в импульсном режиме. Предложен источник питания лазеров с диодной накачкой для бортового применения, работающий от сети 27В.
Теги: aeronautical engineering laser laser power supplies on-board laser systems? laser rangefinders авиационная техника бортовые лазерные системы источники питания лазеров лазерные дальномеры лазеры
Источник питания лазеров с диодной накачкой для бортового применения
З. С. Гайссер (Павлова), А. В. Прилуцкий, А. В. Фёдоров
ООО FEDAL, Санкт-Петербург, Россия
Лазерные дальномеры и высотомеры все чаще находят свое применение в авиационной технике. Их высокая точность измерений дальности или высоты, небольшие габариты и легкость встраивания в другие бортовые системы обеспечивают большой потенциал для их использования. Однако рынок испытывает потребность в серийно выпускаемых источниках питания лазеров, работающих стабильно от бортовой электрической сети, обеспечивающих питание до 200 А и напряжение до 140 В в импульсном режиме. Предложен источник питания лазеров с диодной накачкой для бортового применения, работающий от сети 27В.
Ключевые слова: лазеры, источники питания лазеров, бортовые лазерные системы, лазерные дальномеры, авиационная техника
Статья получена: 05.02.2021
Принята к публикации: 24.02.2021
ВВЕДЕНИЕ
Актуальными задачами бортовых лазерных систем являются наведение и целеуказание. Лазерные системы наведения и целеуказания используются на военных вертолетах, самолетах и беспилотных летательных аппаратах отечественного и зарубежного производства [1–4]. Однако при разработке лазерных локационных систем бортового применения при использовании возникает проблема выбора соответствующих лазерных источников и комплектующих. Ее появление связано с особенностями применения лазерных измерительных инструментов в бортовой аппаратуре. Ограниченность круга отечественных и иностранных производителей только усугубляет эту проблему.
Анализ российского рынка производителей, проведенный компанией FEDAL, показал отсутствие в России производства источников питания, стабильно и без помех работающих от бортовой сети и обеспечивающих питание до 200 А и напряжение до 140 В в импульсном режиме, при частоте и длительности импульса, схожей с аналогичными продуктами иностранного производства.
Обнаружен широкий разброс параметров изделий разных производителей по величине токов и напряжений. Это связано со стандартами производства диодных матриц каждого производителя: диодные матрицы производства BWT, DILAS, Focuslight или матрицы отечественного производства НПП «Инжект» [5–8]. Импортные матрицы наиболее часто предназначены для работы с малым напряжением и большими токами, тогда как отечественные – наоборот, работают с большими значениями напряжений и малыми токами.
Таким образом, в компании FEDAL возникла задача разработки универсального блока питания для бортового применения со схожими характеристиками частоты и длительности и расширенными диапазонами тока накачки и напряжения. Применение также обуславливает возникновение таких требований как малые массогабаритные характеристики, закрытое исполнение и работа в расширенном диапазоне рабочих температур от –40 до 50°C.
ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ ЛАЗЕРА: МОДИФИКАЦИЯ ДЛЯ БОРТОВОЙ СЕТИ
Отметим, что одним из основных отличий схемотехники бортовых источников питания от стандартных, питающихся от сети в 220 В (выпускаемых компанией FEDAL), является напряжение питания, используемое в летательных аппаратах. Если для лабораторных и промышленных источников стандартной сетью является сеть 220–240 В или трехфазная сеть 380 В, 50 / 60 Гц, то на борту летательных аппаратов источники должны питаться от сети постоянного тока напряжения 27 В +3 / –4 В. Это в корне меняет подход к построению зарядной части источника питания, оставляет при этом его разрядную часть практически без изменений [9].
Столь низкое напряжение питания и в связи с этим большие коммутируемые токи не позволяют эффективно использовать зарядные устройства на базе резонансных или квазирезонансных преобразователей, построенные по полумостовой или мостовой схеме, которые хорошо зарекомендовавших себя в источниках, питающихся от обычной сети [10].
В связи с этим наиболее перспективным направлением, на наш взгляд, является использование топологий зарядной части на базе обратноходовых или пушпульных (push-pull) преобразователей. Первые имеют неоспоримое преимущество при средней мощности источника питания <100 Вт, а вторые − для средней мощности до 500 Вт. Дальнейшее повышение мощности требует отказа от питающей сети летательного аппарата и перехода на источники питания с питанием от внешних высоковольтных литий-ионных или LiFePO4 батарей с напряжением 310–320 В, что снимает все ограничения по мощности и позволяет запитать лазеры с выходной мощностью лазерного излучения вплоть до 20–50 кВт при непродолжительном режиме их работы.
В качестве базовой модели для отработки схемных решений зарядного устройства от бортовой сети 27В компанией FEDAL был взят импульсный источник питания SF303М. Источник имеет малые габариты при средней мощности в 150 Вт, полностью закрытый корпус без вентилятора и вентиляционных отверстий и имеет модификации как для низковольтных диодных матриц с напряжением до 25 В и током до 100 А при длительности импульсов до 5мс (эрбиевый лазер), так и для питания нескольких (от 1 до 3 включенных последовательно) высоковольтных матриц типа СЛМ‑2 с суммарным напряжением 120–360 В и током до 50А при длительности импульсов до 250 мкс. При этом максимальная частота ограничена мощностью зарядного устройства и не превышает 20–30 Гц.
При построении зарядного устройства была предложена оригинальная двухтактная схема, которая объединила в себе достоинства пушпульных и резонансных преобразователей (рис. 1.) Ее отличительная от привычных схем особенность – последовательное включение трансформатора с резонансным LC-контуром. При этом ток, протекающий через первичную обмотку трансформатора, и, следовательно, ток заряда конденсатора накопителя имеет синусоидальную форму и ограничен волновым сопротивлением LC-контура. Фактически получается идеальный источник тока, заряжающий конденсатор накопителя по линейному закону во всем диапазоне выходных напряжений (рис. 2).
Максимальная величина выходного напряжения определяется только коэффициентом трансформации трансформатора. При этом, как видно из рис. 3, включение и выключение транзисторов происходит при нулевом токе, что существенно снижает потери на переключении, а синусоидальная форма тока и напряжения – спектр излучаемых электромагнитных помех и упрощает построение входного сетевого фильтра. Так же к достоинствам схемы следует отнести временной закон управления транзисторами преобразователя, что не требует использования обратных связей и ШИМ-контроллеров, что повышает надежность источника питания в целом.
В результате проведенных изменений была разработана новая модель источника SF303MB, рассчитанная на работы от бортовой сети летательных аппаратов 27В в температурном диапазоне –40 до 50 °С в габаритных размерах стандартного блока SF303. Основные технические характеристики нового источника питания представлены в таблице.
Стандартная схемотехника при сохранении условия F ∙ V ∙ I ∙ τ ≤ P и при duty cycle менее 20% позволяет производить различные модификации таких параметров как ток, напряжение, длительность и частота следования импульсов, несколько отличающихся от указанных в таблице в большую или меньшую сторону (при условии сохранении максимальной средней мощности не более 150 Вт).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В результате исследований рынка компания FEDAL столкнулась с проблемой отсутствия данных о серийно выпускаемых источниках питания лазеров, работающих от сети 27 В. Предлагаемый источник питания для лазерных измерительных инструментов в авиационной технике является ответом на актуальные запросы рынка. Имеющиеся на рынке драйвера одиночных диодов не до конца решают поставленные задачи ввиду отсутствия гальванической развязки и невысоких рабочих напряжений до 20 В. Также драйвер не является законченным изделием, а только элементом более сложной конструкции, в отличие от источников питания.
Таким образом, данный источник питания является универсальным законченным решением с широкой сферой применения.
REFERENCES
Degnan J. J. Scanning, Multibeam, Single Photon Lidars for Rapid, Large Scale, High Resolution, Topographicand Bathymetric Mapping. Remote Sens. 2016; 8: 958. doi:1 0.3390/rs8110958.
Pearlman M. R., Noll C. E., Erricos C., Pavlis E. C., Lemoine F. G., Combrinck L., Degnan J. J., Schreiber K. U., Kirchner G. The ILRS: approaching 20 years and planning for the future. J. Geodes. 2019; 93 (9): 2161–2180. DOI: 10.1007/s00190-019-01241-1.
Tomlinson E., Westhoff R., Reynolds T., Saar S. Aircraft Laser Strike Geolocation System. Paper of 17th AIAA Aviation Technology, Integration, and Operations Conference. AIAA 2017–4389 Session: Operational Safety I. https://doi.org/10.2514/6.2017-4389.
Borejsho A. S. et al. Voennye primeneniya lazerov. – S-Pb: BGTU. 2015. ISNB 978-5-85546-906-6.
Борейшо А. С. и др. Военные применения лазеров. – С-Пб: БГТУ. 2015. ISNB 978-5-85546-906-6.
URL [http://www.bwt-laser.com].
URL [http://www.dilas.com].
URL [https://www.focuslight.com].
URL [https://nppinject.ru / about].
Braun M. Istochniki pitaniya. Raschet i konstruirovanie. [In Russ]. – Kiev.: MK-Press. 2007. 966-8806-01-8. 448 p. ISNB 978-5-91359-025-1.
Браун М. Источники питания. Расчет и конструирование. Пер. с англ. – Киев.: МК-Пресс. 2007. 966-8806-01-8.
Gejtenko E. N. Istochniki vtorichnogo elektropitaniya. Skhemotekhnika i raschet. – M.: Solon-Press. 2008.
Гейтенко Е. Н. Источники вторичного электропитания. Схемотехника и расчет. – М.: Солон-Пресс. 2008. 448 c. ISNB 978-5-91359-025-1.
АВТОРЫ
З. С. Гайссер (Павлова), А. В. Прилуцкий, А. В. Фёдоров, ООО FEDAL, Санкт-Петербург, Россия.
КОРРЕСПОНДИРУЮЩИЙ АВТОР
З. С. Гайссер (Павлова), Исполнительный директор ООО FEDAL,
z.pavlova@fedalel.com, Санкт-Петербург, Россия.
З. С. Гайссер (Павлова), А. В. Прилуцкий, А. В. Фёдоров
ООО FEDAL, Санкт-Петербург, Россия
Лазерные дальномеры и высотомеры все чаще находят свое применение в авиационной технике. Их высокая точность измерений дальности или высоты, небольшие габариты и легкость встраивания в другие бортовые системы обеспечивают большой потенциал для их использования. Однако рынок испытывает потребность в серийно выпускаемых источниках питания лазеров, работающих стабильно от бортовой электрической сети, обеспечивающих питание до 200 А и напряжение до 140 В в импульсном режиме. Предложен источник питания лазеров с диодной накачкой для бортового применения, работающий от сети 27В.
Ключевые слова: лазеры, источники питания лазеров, бортовые лазерные системы, лазерные дальномеры, авиационная техника
Статья получена: 05.02.2021
Принята к публикации: 24.02.2021
ВВЕДЕНИЕ
Актуальными задачами бортовых лазерных систем являются наведение и целеуказание. Лазерные системы наведения и целеуказания используются на военных вертолетах, самолетах и беспилотных летательных аппаратах отечественного и зарубежного производства [1–4]. Однако при разработке лазерных локационных систем бортового применения при использовании возникает проблема выбора соответствующих лазерных источников и комплектующих. Ее появление связано с особенностями применения лазерных измерительных инструментов в бортовой аппаратуре. Ограниченность круга отечественных и иностранных производителей только усугубляет эту проблему.
Анализ российского рынка производителей, проведенный компанией FEDAL, показал отсутствие в России производства источников питания, стабильно и без помех работающих от бортовой сети и обеспечивающих питание до 200 А и напряжение до 140 В в импульсном режиме, при частоте и длительности импульса, схожей с аналогичными продуктами иностранного производства.
Обнаружен широкий разброс параметров изделий разных производителей по величине токов и напряжений. Это связано со стандартами производства диодных матриц каждого производителя: диодные матрицы производства BWT, DILAS, Focuslight или матрицы отечественного производства НПП «Инжект» [5–8]. Импортные матрицы наиболее часто предназначены для работы с малым напряжением и большими токами, тогда как отечественные – наоборот, работают с большими значениями напряжений и малыми токами.
Таким образом, в компании FEDAL возникла задача разработки универсального блока питания для бортового применения со схожими характеристиками частоты и длительности и расширенными диапазонами тока накачки и напряжения. Применение также обуславливает возникновение таких требований как малые массогабаритные характеристики, закрытое исполнение и работа в расширенном диапазоне рабочих температур от –40 до 50°C.
ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ ЛАЗЕРА: МОДИФИКАЦИЯ ДЛЯ БОРТОВОЙ СЕТИ
Отметим, что одним из основных отличий схемотехники бортовых источников питания от стандартных, питающихся от сети в 220 В (выпускаемых компанией FEDAL), является напряжение питания, используемое в летательных аппаратах. Если для лабораторных и промышленных источников стандартной сетью является сеть 220–240 В или трехфазная сеть 380 В, 50 / 60 Гц, то на борту летательных аппаратов источники должны питаться от сети постоянного тока напряжения 27 В +3 / –4 В. Это в корне меняет подход к построению зарядной части источника питания, оставляет при этом его разрядную часть практически без изменений [9].
Столь низкое напряжение питания и в связи с этим большие коммутируемые токи не позволяют эффективно использовать зарядные устройства на базе резонансных или квазирезонансных преобразователей, построенные по полумостовой или мостовой схеме, которые хорошо зарекомендовавших себя в источниках, питающихся от обычной сети [10].
В связи с этим наиболее перспективным направлением, на наш взгляд, является использование топологий зарядной части на базе обратноходовых или пушпульных (push-pull) преобразователей. Первые имеют неоспоримое преимущество при средней мощности источника питания <100 Вт, а вторые − для средней мощности до 500 Вт. Дальнейшее повышение мощности требует отказа от питающей сети летательного аппарата и перехода на источники питания с питанием от внешних высоковольтных литий-ионных или LiFePO4 батарей с напряжением 310–320 В, что снимает все ограничения по мощности и позволяет запитать лазеры с выходной мощностью лазерного излучения вплоть до 20–50 кВт при непродолжительном режиме их работы.
В качестве базовой модели для отработки схемных решений зарядного устройства от бортовой сети 27В компанией FEDAL был взят импульсный источник питания SF303М. Источник имеет малые габариты при средней мощности в 150 Вт, полностью закрытый корпус без вентилятора и вентиляционных отверстий и имеет модификации как для низковольтных диодных матриц с напряжением до 25 В и током до 100 А при длительности импульсов до 5мс (эрбиевый лазер), так и для питания нескольких (от 1 до 3 включенных последовательно) высоковольтных матриц типа СЛМ‑2 с суммарным напряжением 120–360 В и током до 50А при длительности импульсов до 250 мкс. При этом максимальная частота ограничена мощностью зарядного устройства и не превышает 20–30 Гц.
При построении зарядного устройства была предложена оригинальная двухтактная схема, которая объединила в себе достоинства пушпульных и резонансных преобразователей (рис. 1.) Ее отличительная от привычных схем особенность – последовательное включение трансформатора с резонансным LC-контуром. При этом ток, протекающий через первичную обмотку трансформатора, и, следовательно, ток заряда конденсатора накопителя имеет синусоидальную форму и ограничен волновым сопротивлением LC-контура. Фактически получается идеальный источник тока, заряжающий конденсатор накопителя по линейному закону во всем диапазоне выходных напряжений (рис. 2).
Максимальная величина выходного напряжения определяется только коэффициентом трансформации трансформатора. При этом, как видно из рис. 3, включение и выключение транзисторов происходит при нулевом токе, что существенно снижает потери на переключении, а синусоидальная форма тока и напряжения – спектр излучаемых электромагнитных помех и упрощает построение входного сетевого фильтра. Так же к достоинствам схемы следует отнести временной закон управления транзисторами преобразователя, что не требует использования обратных связей и ШИМ-контроллеров, что повышает надежность источника питания в целом.
В результате проведенных изменений была разработана новая модель источника SF303MB, рассчитанная на работы от бортовой сети летательных аппаратов 27В в температурном диапазоне –40 до 50 °С в габаритных размерах стандартного блока SF303. Основные технические характеристики нового источника питания представлены в таблице.
Стандартная схемотехника при сохранении условия F ∙ V ∙ I ∙ τ ≤ P и при duty cycle менее 20% позволяет производить различные модификации таких параметров как ток, напряжение, длительность и частота следования импульсов, несколько отличающихся от указанных в таблице в большую или меньшую сторону (при условии сохранении максимальной средней мощности не более 150 Вт).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В результате исследований рынка компания FEDAL столкнулась с проблемой отсутствия данных о серийно выпускаемых источниках питания лазеров, работающих от сети 27 В. Предлагаемый источник питания для лазерных измерительных инструментов в авиационной технике является ответом на актуальные запросы рынка. Имеющиеся на рынке драйвера одиночных диодов не до конца решают поставленные задачи ввиду отсутствия гальванической развязки и невысоких рабочих напряжений до 20 В. Также драйвер не является законченным изделием, а только элементом более сложной конструкции, в отличие от источников питания.
Таким образом, данный источник питания является универсальным законченным решением с широкой сферой применения.
REFERENCES
Degnan J. J. Scanning, Multibeam, Single Photon Lidars for Rapid, Large Scale, High Resolution, Topographicand Bathymetric Mapping. Remote Sens. 2016; 8: 958. doi:1 0.3390/rs8110958.
Pearlman M. R., Noll C. E., Erricos C., Pavlis E. C., Lemoine F. G., Combrinck L., Degnan J. J., Schreiber K. U., Kirchner G. The ILRS: approaching 20 years and planning for the future. J. Geodes. 2019; 93 (9): 2161–2180. DOI: 10.1007/s00190-019-01241-1.
Tomlinson E., Westhoff R., Reynolds T., Saar S. Aircraft Laser Strike Geolocation System. Paper of 17th AIAA Aviation Technology, Integration, and Operations Conference. AIAA 2017–4389 Session: Operational Safety I. https://doi.org/10.2514/6.2017-4389.
Borejsho A. S. et al. Voennye primeneniya lazerov. – S-Pb: BGTU. 2015. ISNB 978-5-85546-906-6.
Борейшо А. С. и др. Военные применения лазеров. – С-Пб: БГТУ. 2015. ISNB 978-5-85546-906-6.
URL [http://www.bwt-laser.com].
URL [http://www.dilas.com].
URL [https://www.focuslight.com].
URL [https://nppinject.ru / about].
Braun M. Istochniki pitaniya. Raschet i konstruirovanie. [In Russ]. – Kiev.: MK-Press. 2007. 966-8806-01-8. 448 p. ISNB 978-5-91359-025-1.
Браун М. Источники питания. Расчет и конструирование. Пер. с англ. – Киев.: МК-Пресс. 2007. 966-8806-01-8.
Gejtenko E. N. Istochniki vtorichnogo elektropitaniya. Skhemotekhnika i raschet. – M.: Solon-Press. 2008.
Гейтенко Е. Н. Источники вторичного электропитания. Схемотехника и расчет. – М.: Солон-Пресс. 2008. 448 c. ISNB 978-5-91359-025-1.
АВТОРЫ
З. С. Гайссер (Павлова), А. В. Прилуцкий, А. В. Фёдоров, ООО FEDAL, Санкт-Петербург, Россия.
КОРРЕСПОНДИРУЮЩИЙ АВТОР
З. С. Гайссер (Павлова), Исполнительный директор ООО FEDAL,
z.pavlova@fedalel.com, Санкт-Петербург, Россия.
Отзывы читателей
