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带有TEC温控的连续和脉冲型半导体激光电源

半导体激光电源的发展及技术要求
 
目前,半导体激光器在通信技术、生物医学工程、军工技术等领域的应用越来越广泛。因此半导体激光电源的可靠性、稳定性也就显得格外重要。由于激光器的发射谱线、倍频晶体的相位匹配等对温度十分敏感,因此温度的变化严重影响着整个器件的性能,因此,温度控制电路对整个激光器件的品质是非常关键的。小功率的激光器可以采用简单的被动散热;高功率的激光器一般需要水冷,通过调节循环管道内水流量来达到控温的目的,这种方法精度不高,而且受到应用环境的限制,使激光器的应用范围变窄。若要激光器的控温具有高稳定度,则需要用半导体制冷器(Thermal Electronic Cool-er,TEC) 作为温控系统的控温执行器件,通过调节流经TEC的电流方向和大小,可以实现制冷或者加热,实现较高的控温效率,同时达到理想的控温精度。
 
半导体激光电源的系统设计
 
如图1的系统框图,整个系统分为三个部分,分别为激光电源(LASOR DIODE,简称LD)恒流输出部分,TTL电平控制部分以及半导体制冷器(Thermal Electronic Cooler,TEC)温度监测与控制部分。
带有温度监测与控制以及调制功能的半导体激光电源系统抠图
在激光电源恒流输出部分中,首先用一个模块电源将市电的220V交流电转换为5V/4A的直流输出;然后通过一系列滤波调压将收到的直流电量整合到携带有少量微小噪声干扰的直流量,最后通过一个恒流电路将输出电流稳定到3A,输送给激光器。
在TTL电平控制部分中,主要是通过TTL电平控制恒流电路中输出MOS管的导通与关闭以达到调制激光的功能。
在TEC温度监测与控制部分中,激光器表面的温度信号首先通过一个温度-电压传感器转变为可采集的标准电压信号,并传送给比例电路。电压信号通过比例电路的放大与滤波后,传送给TEC驱动电路和比较电路。TEC的驱动电路将接收到的信号与基准值相比较,以驱动TEC不工作、制热或者制冷。比较电路将接收来的信号与基准值进行比较与分析,当温度超过预设的温度上下限值时,发送出一个警报信号迫使整个电源停止工作。
 
半导体激光电源的硬件连接
 
硬件连接主要分为两个部分,第一部分是半导体激光器部分,为激光器提供稳定的输出,同时利用TTL信号和警报信号控制电源的工作状态;第二部分是TEC驱动及警报信号产生电路,通过MAX1968控制TEC制冷或制热。
 
半导体激光器(LASOR DIODE)
电源所提供的某一个电参量必须是稳定的,并且所携带的噪声信号越小越好。因此,系统中采用了一系列的滤波调压电路,滤除电流中所带的微小噪声,以达到稳定的小功率输出。如图2,在滤波电路中设置了两个滑动变阻器,用来调节输入到运算放大器AD820的电压信号值。其中用作粗调,用作微调,分别引出两根导线,安装手动旋钮式变阻器,调节输出恒定电流值的大小。在AD820的电路中,采用电流反馈,以达到恒流输出。
 半导体激光器以及TTL、TEC控制电路
在TTL与警报信号控制电路中,信号通过4N25输入到VMOS管T092C的基极,以控制其导通或截止。光电耦合器4N25主要用来隔离前后级电路的相互影响,同时控制Q2(T092C)的导通与截止,以调节恒流输出的导通与截止。电路工作过程:当激光器工作在指定温度范围内时,警报信号为低电平,此时,若TTL信号为高电平时,U104A(DM74LS00M)的输出为低电平,则U102A(CD4001BCM)的输出为高电平,而U104B(DM74LS00M) 的输出为低电平,这导致光电耦合器4N25截止,则Q2(T092C)基极为低电平,Q2截止,则AD820输出的电压值不变,使MOS管Q1(BU932RP)导通,从而输出恒 定 的 电 流 值 ; 而 若TTL信 号 为 低 电 平 , 则U104A(DM74LS00M)输出为高电平,U102A(CD4001BCM)输出为低电平,U104B(DM74LS00M)为高电平,则光电耦合器4N25导通,输出电压导致Q2基极为高电平,Q2导通,从而使AD820的输出端降为低电平,导致MOS管Q1(BU932RP)截 止 ,则LD部分无输出。而当警报信号为高电平时,无论TTL信号为高电平或者低电平,都会导致U102A的输出端为高电平,从而使LD部分无输出。
 
TEC驱动及报警信号产生电路
 
热电致冷器(TEC)是利用帕耳贴效应进行制冷或加热的半导体器件。在TEC两端加上直流工作电压会使TEC的一端发热,另一端致冷;把TEC两端的电压反向则会导致相反的热流向。本系统使用MAX1968为TEC的驱动芯片,它采用直接电流控制,消除了TEC中的浪涌电流。MAX1968单电源工作,在芯片内部的两个同步降压稳压器输出引脚之VOUT1与VOUT2之间连接TEC,能够提供±3A双极性输出。双极性工作能够实现无“死区”温度控制,以及避免了轻载电流时的非线性问题。该方案通过少许加热或制冷可避免控制系统在调整点非常接近环境工作点时的振荡。此系统中设置的基准值是3v(对应的温度值为25°C),当传感器感知的温度大于25°C时,经反向放大器放大后传输给MAX1968的电压值将小于3v,MAX1968将输出+3v的电压,驱动TEC制冷;当传感器感知的温度小于25°C时,经反向放大器放大后传输给MAX1968的电压值将大于3V,MAX1968将输出- 3v的电压,驱动TEC制热。
 
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