用51單片機對激光器電流的控制的設計方案

【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】用51單片機對激光器電流的控制的設計方案引言

近年來,隨著光電技術的迅猛發(fā)展,激光器已廣泛應用于醫(yī)療、國防、測量等各個領域。而環(huán)境溫度變化會直接影響激光器的波長。把關鍵元件(如高性能晶振、SAW濾波器、光放大器、激光二極管)的本機溫度限制在窄范圍內(nèi),可以提高電子系統(tǒng)的精度。一般需要將溫度控制在0.1℃內(nèi),激光器的工作精度才能很好地保持在0.1nm內(nèi)。文中的設計方案能為大功率半導體激光器提供有效支持,電流可達2.5A。

1半導體激光控制器的設計

激光控制器由受控恒流源,溫度監(jiān)視及控制電路,主控制器及顯示器構成。整體構造原理見圖1。

1.1受控恒流源：

為了使激光器輸出穩(wěn)定的激光,對流過激光器的電流要求非常嚴格,供電電路必須是低噪聲的穩(wěn)定的恒流源。恒流源可以從0A～2.5A之間連續(xù)可調(diào),以適應不同規(guī)格的半導體激光器。該恒流源是以大功率的MOS管為,激光器作為負載與之串聯(lián),通過控制MOS管的柵極,來實現(xiàn)對的控制。但MOS管是非線性器件,難以直接控制,因此必須將其轉化為線性控制。

如圖2所示,在MOS管串聯(lián)一個0.1Ω的電阻,用于采樣反應,MOS管的電流變化范圍是0A～2.

5A,輸入控制信號的范圍是0V～5V,將采樣電阻的電壓放大20倍正好與輸入電壓匹配。這樣控制電壓0V～5V與電流0A～2.5A之間建立起線性的對應關系。但由于整個反應是開環(huán)系統(tǒng),十分容易產(chǎn)生自激,因此在采樣電阻連一個1μF的,破壞自激產(chǎn)生條件、消除自激,并且應采用穩(wěn)定的以減小電壓波動。

1.2溫度檢測及控制電路

由于溫度對激光的品質(zhì)有很大影響,在電流恒定的情況下,溫度每升高1℃,激光波長將增加大約0.1nm,而且溫度過高將導致激光器老化甚至損壞。

并且激光器是一個電靈敏度高、成本昂貴的器件,因此控制器必須提供監(jiān)控、限制和過載保護的能力。

包括:自啟動和過流保護、熱電制冷器(thermoeleiooler,TEC)電壓、電流和溫度的感測。異常工作電路停機以防止激光器元件損壞。值得注意的是:環(huán)境溫度的變化對激光器的影響,要求控制器具備制冷和制熱的能力。通常為使元件溫度保持穩(wěn)定是將把元件封閉在固定溫度的恒溫槽內(nèi)。為了提供某種調(diào)整容限,其所選溫度應高于所有條件下的環(huán)境溫度。這種方法曾被廣泛采用,特別是用在超穩(wěn)時鐘的設計中(如恒溫槽控制的晶振)。但高溫應用此方法有如下缺點:性能(如噪聲因數(shù),速度和壽命)有所降低;環(huán)境溫度處于中間范圍時調(diào)整器消耗加熱的功率,在環(huán)境溫度處于低端時需要兩倍大的功率;到達穩(wěn)定溫度所需的時間可能相當長。

目前采用半導體TEC來實現(xiàn),因為它可選擇調(diào)整溫度值處在工作溫度范圍的中間。TEC可做為熱泵或做為熱源,這取決于電流方向。某些系統(tǒng)(如冰箱和大功率處理器冷卻)只用TEC的冷卻特性。另一些應用(如晶振和SAW)利用熱流的兩個模式。并且該控制器是真正雙向的,使溫度從冷端到熱端之間沒有死區(qū)。TEC的驅動電路通常采用“H”橋式,由兩個互補的達林頓管或MOS管構成。

對H橋的驅動宜采用開關式驅動方式,開關式驅動方式功耗小、效率高。對于開關式驅動方式可以使用LTC1923等專用芯片驅動。其原理如圖3所示。

DRV592是TI（TexasInstruments）公司出品的高效、大功率H橋電源驅動集成塊，輸出電壓范圍從2.8V到5.5V,輸出電流為3A。DRV592需要外部觸發(fā)（兼容TTL邏輯）,內(nèi)置過流、欠壓和過熱（130℃）保護和電平指示。業(yè)界封裝（9mm×9mm32腳PowerPADTM扁平封裝模式）,具有-40℃到85℃工業(yè)用溫度范圍標準。值得一提的是該芯片集成了4個大功率和過載保護電路，與采用分立元件設計（見圖3）相比，簡化80%的設計。并且只需添加幾個外部元件就能容易地構成的溫度控制環(huán)路用以穩(wěn)定激光系統(tǒng)。基于DRV592的半導體TEC的電源驅動電路見圖4。和圖3相比，可以看到基于DRV592的TEC電源驅動電路設計大大簡化，并且DRV592還有內(nèi)置過流、欠壓和過熱（130°C）保護電平指示。引腳功能見表1。

由于大電流開關電路會產(chǎn)生很大的噪聲干擾,為減少干擾,可適當增大開關管的轉換時間來降低高頻開關噪聲。雖然這會使開關效率降低一些,不過用這個代價換來噪聲的大幅度改善還是值得的。

另外由于TEC具有熱慣性,改變狀態(tài)會有一定的延遲,會給系統(tǒng)引起振蕩。為了消除振蕩,可在放大器兩端并聯(lián)積分電路,增加延時,消除振蕩產(chǎn)生。要注意的是穩(wěn)定的溫度是由熱敏電阻的反應來決定的,因此要將TEC與熱敏電阻封裝在一個模塊中,使它們嚴密耦合。

溫度探測器的精度直接影響溫度控制的效果。

溫度探測電路部分與恒流源類似,采用(負)的熱敏電阻作為溫度探測器。其中用陶瓷粉工藝制作的NTC元件對溫度的微小變化有的電阻變化。特別是某些陶瓷NTC在其壽命內(nèi)(經(jīng)適當老化)具有0.05℃穩(wěn)定度。并且與其它溫度傳感相比,陶瓷NTC的尺寸特別小。然后將熱敏電阻串聯(lián)入一恒流源,對熱敏電阻兩端電壓采樣,將溫度變換為