高功率CO2激光器的高压接收控制装置

朱向阳，陆迺田

（中国航发沈阳黎明航空发动机有限责任公司，辽宁 沈阳 110043）

大功率CO2激光器是一种较为复杂的工业设备，不仅具有高电压、大电流的电源以及多密封面的真空腔体，而且必须保持工作气体成分、气压的动态稳定，同时在运行过程中产生大量的热量需要进行冷却，对温度变化也比较敏感。

现有的激光器接收控制电路都是采用光耦隔离的方式，将光信号转换为电信号后再进行数字信号的放大，会导致抗干扰能力差，不能给予大功率CO2激光器稳定的电压电流，影响激光器的正常稳定工作。

目前为了提高CO2激光机的功率，必须采用高电压的接收信号，所以激光器接收控制电路必须提高控制板输出高电压的能力。

1 控制系统的技术方案

本论文提出的技术方案为：用于高功率CO2激光器的高压接收控制装置，包括顺序连接的恒率电源、光纤接收器、DAC数模转换器、模拟开关、运算放大器模块和功率放大器；所述恒率电源用于将外部交流电转换成直流电，为光纤接收器、DAC数模转换器、模拟开关、运算放大器模块和功率放大器供电；所述光纤接收器用于接受外部光纤信号，并转换为数字信号送至数模转换器；所述数模转换器用于将串行输入的数字信号转换成模拟电流输出信号，输出至模拟开关。

所述光纤接收器为三个或以上，其中两个光纤接收器与模拟开关的控制端连接，其他的光纤接收器均与DAC数模转换器连接。

所述功率放大器包括场效应管和运算放大器；场效应管的漏极D通过两个串联的二极管D3、D4与地连接，源极S通过电阻R31与地连接，栅极G通过电容C20和电阻R30的并联电路分别与电容C19和电阻R29组成的并联电路、运算放大器的输出端相连接，电容C19和电阻R29组成的并联电路另一端经电阻R27与场效应管的源极S连接，还与运算放大器的反相输入端相连；运算放大器的正相输入端与模拟开关的输出端连接；恒率电源的负极输出端连接电阻R70后、与漏极D作为一对输出端，用于与激光器的输入端连接。

2 具体实施方式

该装置的总体结构如图1所示。接收控制板包括：恒率电源、光纤接收器、DAC数模转换器、模拟开关、运算放大器模块、功率放大器。其连接是：恒率电源与各器件相连接为各个器件提供直流电；光纤接收器分别与DAC数模转换器和模拟量开关相连接；DAC数模转换器的输出端与模拟开关相连接；模拟开关与运算放大器的输入端相连接；运算放大器的输出端与功率放大器相连接。

图1 装置结构图

恒率电源具有整流、滤波电路，电源稳压电路，将交流115V电转换成直流电，为其他功能模块提供+5V，+15V，-15V直流电源。

光纤接收器为多个，用于接受光纤数字信号，其中一个提供模拟量开关的控制信号，其他用于提供DAC数模转换器的时钟、上载、串行输入信号。

DAC数模转换器采用MAX543芯片，用于将串行输入的数字信号转换成模拟电流输出信号；MAX543串行输入端SRI、时钟信号端CLK、上载端LOAD的信号分别来自光纤接收器的数字信号；MAX543的输出端与运算放大器连接。

模拟开关完成信号链路中的信号切换功能，采用MC14066；它的输入端与数模转换器的RFB端通过电阻连接；两个控制端分别与两个光纤接收器的4脚连接。输出端与运算放大器的输入端连接。

运算放大器模块用于放大信号，输出至功率放大器模块；采用二级LM741，它的一级运算放大器的正相输入端接地，反相输入端与MAX543的输出端Iout连接；输出端与MAX543的RFB端相连接，同时通过电阻R12与二级运算放大器LM741的反相输入端相连；二级运算放大器同样采用LM741，它的正相输入端通过电阻与地连接，反相输入端与一级LM741的输出端连接。

功率放大器：由场效应管IRF330和运算放大器LM741组成，为输出端提供大功率信号。

其电路详细结构如附图所示，图2、图3为光纤信号接收电路、DAC数模转换器的原理图。光纤接收器采用多个R-2521光导纤维，R-2521的2脚与3脚之间通过0.01μF的电容连接，2引脚接地；部分R-2521的1脚与4脚连接组成data信号，根据不同的需求连接到DAC数模转换器的串行输入、时钟和上载端，光纤接收器的另一端可与上位机或CPU连接；两个光纤接收器的4脚均接入模拟开关的控制端。

图2 光纤接收器接收电路原理图

U20的data端连接MAX543的上载端（load），U21的data端连接MAX543的串行输入端（SRI），U23连接MAX543的时钟信号端（CLK）。

图3 光纤接收器与数模转换器连接电路图

图4 为功率放大电路，由场效应管IRF330和运算放大器LM741组成；IRF330的漏极D通过两个二极管D3、D4与地相连接；源极S通过电阻R31与地相连接；栅极G与电容C20和电阻R30的并联结构连接，电容C20和电阻R30的并联结构的另一端与电容C19和电阻R29组成的并联结构连接，同时与运算放大器LM741的输出端相连接。电容C19和电阻R29组成的并联结构的另一端与电阻R27连接，同时与运算放大器的反相输入端相连；电阻R27的另一端与源级S相连接；漏极D是整个控制板的一个输出端；同时电阻R70连接-15V电源作为另一个输出端，共同输出至激光器。

图4 功率放大器电路图

3 结语

本论文介绍了一种用于大功率激光器的CO2高压接收控制装置，能够将光信号转换为电信号并稳定地进行功率放大，适用于在激光切割机等领域。它的优点及有益效果如下。

（1）输入端采用光纤接收器，降低了成本，抗干扰能力强。

（2）采用了模拟开关，方便实现了模拟信号之间的切换。

（3）采用了分段控制，可以通过短路帽来分别控制前四路与后四路的功率放大电路。

（4）本装置结构简单，操作方便，本身消耗的功率小，运行成本低，可在多种复杂环境下使用。

（5）本装置低成本，抗干扰能力强；方便实现了模拟信号之间的切换；方便实现分段控制。