帶有TEC溫控的連續(xù)和脈沖型半導(dǎo)體激光電源的研制

1、帶有TEC溫控的連續(xù)和脈沖型半導(dǎo)體激光電源的研制一、半導(dǎo)體激光電源的發(fā)展及技術(shù)要求 目前，半導(dǎo)體激光器在通信技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)工程、軍工技術(shù)等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。 因此半導(dǎo)體激光電源的可靠性、 穩(wěn)定 性也就顯得格外重要。 由于激光器的發(fā)射譜線、 倍頻晶體的相位 匹配等對溫度十分敏感， 因此溫度的變化嚴(yán)重影響著整個(gè)器件的 性能，因此，溫度控制電路對整個(gè)激光器件的品質(zhì)是非常關(guān)鍵的。 小功率的激光器可以采用簡單的被動(dòng)散熱； 高功率的激光器一般 需要水冷， 通過調(diào)節(jié)循環(huán)管道內(nèi)水流量來達(dá)到控溫的目的， 這種 方法精度不高， 而且受到應(yīng)用環(huán)境的限制， 使激光器的應(yīng)用范圍 變窄。若要激光器的控溫具有高穩(wěn)定度，

2、 則需要用半導(dǎo)體制冷器(Thermal Electronic Cooler , TEC作為溫控系統(tǒng)的控溫執(zhí)行 器件，通過調(diào)節(jié)流經(jīng) TEC 的電流方向和大小，可以實(shí)現(xiàn)制冷或 者加熱，實(shí)現(xiàn)較高的控溫效率，同時(shí)達(dá)到理想的控溫精度。二、半導(dǎo)體激光電源的系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖 1 的系統(tǒng)框圖， 整個(gè)系統(tǒng)分為三個(gè)部分， 分別為激光電 源(LASOR DIODJE簡稱LD)恒流輸出部分，TTL電平控制部分 以及半導(dǎo)體制冷器(Thermal Electronic Cooler ， TEC)溫度 監(jiān)測與控制部分。在激光電源恒流輸出部分中， 首先用一個(gè)模塊電源將市電的220V 交流電轉(zhuǎn)換為 5V/4A 的直流輸出；然后通過

3、一系列濾波調(diào) 壓將收到的直流電量整合到攜帶有少量微小噪聲干擾的直流量， 最后通過一個(gè)恒流電路將輸出電流穩(wěn)定到3A,輸送給激光器。在TTL電平控制部分中，主要是通過TTL電平控制恒流電路 中輸出MOS管的導(dǎo)通與關(guān)閉以達(dá)到調(diào)制激光的功能。在TEC溫度監(jiān)測與控制部分中，激光器表面的溫度信號首先 通過一個(gè)溫度 -電壓傳感器轉(zhuǎn)變?yōu)榭刹杉臉?biāo)準(zhǔn)電壓信號，并傳 送給比例電路。 電壓信號通過比例電路的放大與濾波后， 傳送給 TEC驅(qū)動(dòng)電路和比較電路。TEC的驅(qū)動(dòng)電路將接收到的信號與基 準(zhǔn)值相比較，以驅(qū)動(dòng)TEC不工作、制熱或者制冷。比較電路將接 收來的信號與基準(zhǔn)值進(jìn)行比較與分析， 當(dāng)溫度超過預(yù)設(shè)的溫度上 下限值

4、時(shí)，發(fā)送出一個(gè)警報(bào)信號迫使整個(gè)電源停止工作。三、半導(dǎo)體激光電源的硬件連接 硬件連接主要分為兩個(gè)部分，第一部分是半導(dǎo)體激光器部 分，為激光器提供穩(wěn)定的輸出，同時(shí)利用TTL信號和警報(bào)信號控 制電源的工作狀態(tài)；第二部分是 TEC驅(qū)動(dòng)及警報(bào)信號產(chǎn)生電路， 通過MAX1968空制TEC制冷或制熱。(一)半導(dǎo)體激光器( LASOR DIOD)E 電源所提供的某一個(gè)電參量必須是穩(wěn)定的， 并且所攜帶的噪 聲信號越小越好。因此，系統(tǒng)中采用了一系列的濾波調(diào)壓電路， 濾除電流中所帶的微小噪聲， 以達(dá)到穩(wěn)定的小功率輸出。 如圖 2， 在濾波電路中設(shè)置了兩個(gè)滑動(dòng)變阻器， 用來調(diào)節(jié)輸入到運(yùn)算放大 器AD820的電壓信號值

5、。其中用作粗調(diào)，用作微調(diào)，分別引出兩 根導(dǎo)線，安裝手動(dòng)旋鈕式變阻器，調(diào)節(jié)輸出恒定電流值的大小。在AD820的電路中，采用電流反饋，以達(dá)到恒流輸出。在TTL與警報(bào)信號控制電路中，信號通過 4N25輸入到VMOS 管T092C的基極，以控制其導(dǎo)通或截止。光電耦合器4N25主要用來隔離前后級電路的相互影響，同時(shí)控制Q2(T092C)的導(dǎo)通與截止，以調(diào)節(jié)恒流輸出的導(dǎo)通與截止。電路工作過程：當(dāng)激光 器工作在指定溫度范圍內(nèi)時(shí)，警報(bào)信號為低電平，此時(shí)，若 TTL 信號為高電平時(shí)，U104A(DM74LS00M的輸出為低電平，貝U U102A(CD4001BCM的輸出為高電平，而 U104B ( DM74LS

6、00M的輸出 為低電平，這導(dǎo)致光電耦合器 4N25截止，則Q2 (T092C)基極 為低電平，Q2截止，則AD820輸出的電壓值不變，使 MOS管Q1(BU932RP導(dǎo)通，從而輸出恒定的電流值；而若TTL信號為低電平，則 U104A(DM74LS00M輸出為高電平，U102A(CD4001BCM 輸出為低電平，U104B( DM74LS00M為高電平，則光電耦合器 4N25導(dǎo)通，輸出電壓導(dǎo)致 Q2基極為高電平，Q2導(dǎo)通，從而使 AD820的輸出端降為低電平，導(dǎo)致 MOS管Q1 ( BU932RP截止， 則LD部分無輸出。而當(dāng)警報(bào)信號為高電平時(shí)，無論TTL信號為高電平或者低電平，都會導(dǎo)致U102

7、A的輸出端為高電平，從而使 LD部分無輸出。(二) TEC驅(qū)動(dòng)及報(bào)警信號產(chǎn)生電路熱電致冷器(TEC是利用帕耳貼效應(yīng)進(jìn)行制冷或加熱的半導(dǎo)體器件。在TEC兩端加上直流工作電壓會使 TEC的一端發(fā)熱， 另一端致冷；把TEC兩端的電壓反向則會導(dǎo)致相反的熱流向。本系統(tǒng)使用MAX1968為TEC的驅(qū)動(dòng)芯片，它采用直接電流控制，消 除了 TEC中的浪涌電流。MAX1968單電源工作，在芯片內(nèi)部的兩 個(gè)同步降壓穩(wěn)壓器輸出引腳之 VOUT與VOUT疋間連接TEC能 夠提供± 3A 雙極性輸出。雙極性工作能夠?qū)崿F(xiàn)無“死區(qū)”溫度 控制，以及避免了輕載電流時(shí)的非線性問題。 該方案通過少許加 熱或制冷可避免控

8、制系統(tǒng)在調(diào)整點(diǎn)非常接近環(huán)境工作點(diǎn)時(shí)的振 蕩。此系統(tǒng)中設(shè)置的基準(zhǔn)值是 3v （對應(yīng)的溫度值為25C），當(dāng) 傳感器感知的溫度大于 25 C時(shí)，經(jīng)反向放大器放大后傳輸給 MAX1968勺電壓值將小于 3v, MAX1968各輸出+3v的電壓，驅(qū)動(dòng) TEC制冷；當(dāng)傳感器感知的溫度小于 25C時(shí)，經(jīng)反向放大器放大 后傳輸給MAX1968勺電壓值將大于 3V, MAX1968將輸出-3v的電 壓，驅(qū)動(dòng)TEC制熱。傳感器將感知的溫度信號轉(zhuǎn)換為電壓信號， 經(jīng)過反向放大器 傳輸給U2A的3管腳和U2B的2管腳，U2A和 U2B是兩個(gè)比較器 （LM393。在比較電路中，設(shè)置了兩個(gè)極限電壓值和一個(gè)基準(zhǔn) 值，上限是4

9、.5 （對應(yīng)的傳感器溫度為 0C）,下限值是1.5v （對 應(yīng)傳感器溫度為50C），當(dāng)時(shí)，U2B輸出一個(gè)正向電壓，二極管 D2導(dǎo)通，警報(bào)信號為高電平，同時(shí)三極管Q3導(dǎo)通，蜂鳴器報(bào)警； 當(dāng)時(shí)，U2A輸出一個(gè)正向電壓，二極管 D1導(dǎo)通，警報(bào)信號為高 電平，同時(shí)三極管 Q3導(dǎo)通，蜂鳴器報(bào)警；而時(shí)，U2A和U2B都 輸出反向的電壓，二極管D1和D2同時(shí)截止，警報(bào)信號為低電平， 三極管Q3截止，蜂鳴器不工作。四、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（一）LD部分電路測試數(shù)據(jù)將電源輸出接到半導(dǎo)體激光器上， 正常工作時(shí)測試結(jié)果見表 1：其中R104是阻值為0.1的瓷片電阻，恒定的電流值為其兩 端的電壓值的數(shù)值的十倍。 測試結(jié)果基本接近所設(shè)值， 測試完成。（二）警報(bào)信號電路部分調(diào)試數(shù)據(jù)激光電源的設(shè)計(jì)要求是傳感器模擬信號以 25 C（對應(yīng)電壓 為3V）為基準(zhǔn)工作溫度，標(biāo)準(zhǔn)輸出 2V/3A。當(dāng)傳感器輸出電壓信 號高于3V時(shí)則說明激光器溫度較低，需要制熱，低于 0C溫度 時(shí)，LD部分停止工作，蜂鳴器報(bào)警；低于 3V時(shí)則說明激光器溫 度過高，需要制冷，高于 50 C溫度時(shí)，LD部分停止工作，蜂鳴 器報(bào)警。測試結(jié)果見表 2：從測試數(shù)據(jù)來看，該激光電源的參數(shù)，性能，指標(biāo)完全滿足 設(shè)計(jì)需要。五、結(jié)語本文采用了 MAX1968驅(qū)動(dòng)芯片，大大減少了電路分立元件的 數(shù)量，改進(jìn)