（光学工程专业论文）半导体激光二极管温度控制器和驱动电源设计与实现.pdf

中文摘要 激光二极管( l d ) 以其小型化、结构简单、寿命长等优点，在光信息存储、激 光冷却、或作为其他激光系统的泵浦光源等许多领域有着重要的应用，然而其输出 功率大小和输出波长的调整及其稳定性依赖于输入电流的大小和环境温度的稳定。 自激光二极管问世以来，许多科研机构和公司开始进行激光二极管温度控制器和驱 动电源的研究。本文简要回顾了国内外在这方面的研究状况及发展趋势，详细介绍 了温度控制器和驱动电源的设计方案，详尽叙述了热敏电阻线性插值法处理算法及 数字显示的实现，具体分析了样机应用于激光二极管后的实验数据。本论文主要分 为三部分： ( 一) 温度控制器的设计。激光二极管的输出波长与温度有关，为使激光二极 管的输出波长恒定，必须让激光二极管工作在恒温环境下。参考c c b r a d i e y 1 的设 计方案，结合本所使用的受控对象，本文完成了温度控制器中p i d 电路参数的调节， 设计的温度控制器应用于l d 。实验表明：1 0 小时内( 常温附近) 的温度稳定性优于 士o 0 l 。 ( 二) 驱动电源的设计。激光二极管的输出功率大小与驱动电流有关，l d 易因 浪涌电压或浪涌电流而破坏，因此除了使注入激光二极管的电流值保持恒定，还应 采取相应的保护措施。本文在c c b r a d i e y 1 的基础上实现了l d 的恒定电流驱动， 同时设计了限流保护电路和使能电路，最终的样机输出电流可达6 a ，分别应用于3 w 和5 w 激光二极管，经l o 小时连续运行观察，功率稳定性都优于o 2 。 ( - - ) 温度控制器和驱动电源显示部分的实现。温度控制器和驱动电源提供实 际温度和电流的监视电压，为在液晶屏幕上直观地显示实际的温度和电流值，需要 将实际电压值转换为对应的温度和电流值。本文设计的基于单片机的多通道数据采 集显示系统可以实时多通道数据的实时采集和显示。对热敏电阻阻值的线性插值法 处理提高了温度显示的准确度。 关键词：激光二极管；温度控制器；驱动电源；线性插值法 t h e d e s i g na n da c h i e v e m e n to f t e m p e r a t u r e c o n t r o l l e ra n dd r i v e rf o r l a s e rd i o d e s n a m e ：l i b i n m a j o ro p t i c a le n g i n e e r i n g d i r e c t e db yp r o f k u n c h ip e n gw e n z h ew a n g a b s t r a c t d u et oi t sm i n i a t u r i z a t i o n ，h i g he f f i c i e n c y , s i m p l i c i t y , l o n gl i f e ，e t c 。，l a s e r d i o d e s ( l d ) h a sb e e nw i d e l yu s e di nm a n yf i e l d s ，s u c ha sd a t as t o r a g e ， m e a s u r e m e n t , a t o m i cp h y s i c sa n dp u m p i n gs o u r c ef o ro t h e rl a s e rs y s t e m h o w e v e ri t so u t p u tp o w e ra n do u t p u tw a v e l e n g t hr e l yo ng r e a t l yt h ei n j e c t i o n c u r r e n ta n dt e m p e r a t u r es t a b i l i t y s i n c et h el dc a m eo u t ，al o to fs c i e n t i f i cr e s e a r c hi n s t i t u t i o n sa n d c o m p a n i e ss t a r t e dt od e v e l o pt h et e m p e r a t u r ec o n t r o l l e r sa n dd r i v e r s w ef i r s t g i v eb r i e f l yar e v i e wa b o u tt h i sd e v e l o p m e n tb o t ho nt h ed o m e s t i ca n dt h e i n t e r n a t i o n a la r e aa n da l s og i v et h ep r o s p e c t so ft h ef u t u r er e s e a r c h w e i n t r o d u c ei nd e t a i lt h ed e s i g no fau s u a lt e m p e r a t u r ec o n t r o l l e ra n dad r i v e r , t h ed e m o n s t r a t i o no ft h el i n e a r i t yi n t e r p o l a t i o np r o c e s s i o na n dt h er e a l i z a t i o n o ft h ed i g i t a ld i s p l a ya n da n a l y z et h ee x p e r i m e n t a lr e s u t t sw h e na p p l y i n go na l d t h et h e s i si sd i v i d e di n t ot h ef o l l o w i n gt h r e ep a r t s ： ( 1 ) t h ed e s i g no f t h et e m p e r a t u r ec o n t r o l l e r s i n c et h ew a v e l e n g t ho f t h e l a s e rd i o d ei ss e n s i t i v et ot h et e m p e r a t u r e ，t h et e m p e r a t u r em u s tb ec o n t r o l l e d p r e c i s e l yi no r d e rt ok e e pac o n s t a n tw a v e l e n g t h b a s e do nt h ed e s i g ns c h e m e o fc c b r a d i e y , c o n s i d e r i n gt h ec o n t r o l l e ds y s t e ma to u ri n s t i t u t e w e a c c o m p l i s hap i dc i r c u i to fat e m p e r a t u r ec o n t r o l l e rw i t ha d j u s t a b l ep i d p a r a m e t e r s t h i sc o n t r o l l e ri su s e df o ra nl dc o n t r o l l i n g t h ee x p e r i m e n t m r e s u l ti n d i c a t e st h a tt h et e m p e r a t u r es t a b i l i t ya r o u n dr o o mt e m p e r a t u r ei s b e t t e rt h a n0 0 1d e g r e ew i t h i n1 0h o u r s ( 2 ) t h ed e s i g no f t h ec u r r e n td r i v e r t h eo u t p u tp o w e ro ft h el a s e rd i o d e i sc o n t r o l l e db yac u r r e n td r i v e r l di se a s yt ob ed a m a g e db yt h es u r g e v o l t a g eo rs u r g ec u r r e n ti nt h er e a ls i t u a t i o ni fw i t h o u tp r o t e c t i o n w et h u s d e s i g nac u r r e n td r i v e rw h i c h c a no u t p u tc o n s t a n tc u r r e n ta n dh a sp r o t e c t i o n c i r c u i t a l s ob a s e do nt h ew o r ko fc c b r a d i e y , c o n s t a n tc u r r e n ti sr e a l i z e d w i t hp r o t e c t i o nc i r c u i t ，s u c ha sc u r r e n tl i m i tw h i c ha l l o w s6 ao fm a x i m u m c u r r e n ts e t t i n g 3wa n d5wo ft h eo u t p u tp o w e ra l eo b t a i n e dw h e nu s e dt o d r i v et h el d sa n dt h ep o w e rs t a b i l i t yi sb e t t e rt h a no 2 w i t h i n10h o u r so f c o n t i n u o u so p e r a t i o n ( 3 ) t h ed i s p l a y so ft h et e m p e r a t u r ec o n t r o l l e ra n dc u r r e n td r i v e r t h e t e m p e r a t u r ec o n t r o l l e ra n dt h ed r i v e rc a np r o v i d eav o l t a g em o n i t o ro ft h e a c t u a lt e m p e r a t u r ea n dc u r r e n t i no r d e rt od i s p l a ys u c ha c t u a lt e m p e r a t u r e a n dc u r r e n t ，i ti sn e c e s s a r yt oc h a n g et h ev o l t a g ei n t ot h ec o r r e s p o n d i n g t e m p e r a t u r ea n d c u r r e n tv a l u e s 。w es u c c e s s f u l l yr e a l i z et h et e m p e r a t u r ea n d c u r r e n td i s p l a yb a s e do nm i c r o p r o c e s s o rw h i c hc a nr e a l i z ea c q u i s i t i o na n d d i s p l a yo fm u l t i p l ec h a n n e l sd a t ai n r e a lt i m e t h el i n e a r i t yi n t e r p o l a t i o n p r o c e s sf o rt h e r m i s t o ri m p r o v e st h et e m p e r a t u r ea c c u r a c y k e yw o r d s ：l a s e rd i o d e ；t e m p e r a t u r ec o n t r o l l e r ；d r i v e rs o u r c e ；l i n e a r i n t e r p o l a t i o n 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指 导下独立完成的，学位论文的知识产权属于山西大学。 如果今后以其他单位名义发表与在读期间学位论文相 关的内容，将承担法律责任。除文中已经注明引用的 文献资料外，本学位论文不包括任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的成果。 2 0 01 嫦年c 誓，孝武 日 7 叫 引言 引言 自1 9 6 1 年红宝石激光器问世以来，固体激光器一直占据了激光器发展的主导地 位，特别是2 0 世纪8 0 年代出现的半导体激光器以及在此基础上出现采用激光二极管 泵浦固体激光器因以其体积小、重量轻、效率高、性能稳定、可靠性好、寿命长等 优点，逐渐在光电行业获得越来越广泛的应用。半导体激光二极管的性能除了与器 件本身的性能有关，还与配套的驱动源和温度控制器的控制性能有关。 1 9 9 0 年，c c b r a d l e y 等人研制的激光二极管温度控制器l 小时内温度稳定度可 达3 m k ，研制的1 0 0 m a 驱动源电流稳定度可达1 0 | la ，激光二极管l 小时内频率漂移 i o m h z 内。此后，随着激光二极管的普及，国外市场上有公司专门从事温度控制器和 驱动源的研制和生产，像w a v e l e n g t h 公司生产不同功率的温度控制器和驱动电源模 块，温度控制器模块2 4 j , 时内温度稳定性可达0 0 0 8 ，驱动电源模块电流2 4 ，j , 时内 电流稳定性可达2 0 p p m 。 数字电子技术的蓬勃发展使得传统的模拟p i d 调节器向数字p i d 方向转变成为可 能，1 9 9 5 年f a b r i z i ob a r o n e 等人利用c p u 6 8 0 3 0 和1 6 位a d c 和1 6 位d a c 研制基于数字 系统的温度控制器1 0 0 分钟内温度稳定性可达2 0 pk 。s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 的发展， 出现了混合信号微处理器，即在枚芯片上集成a d c 、d a c 和微控制器，数字p i d 的应 用已变得越来越广泛。 进入2 l 世纪后，随着高密集集成工艺的提高，国外许多半导体公司研制出单片 集成温度控制器和驱动电源，如m a x i 半导体公司生产的集成温度控制器m a x l 9 7 8 ， 内部集成p i d 电路，配备少量外部元件即可工作，提高效率的同时温度稳定性可达 0 0 0 1 ，芯片体积只有7 m m 7 m i n x 3 m m ，t e c 电流范围可达3 a 。 目前，激光二极管主要向大功率方向发展，温度控制器和驱动电源的研究也正 向大功率方向发展，如我所使用u n i q u em o d e 9 公司生产的大功率激光二极管( 2 5 ) 驱 。ccb r a d l e y ，l c h e n ，a n dr a n d a l l g h u l e t r e v s e il n s t r u m ，v o i 6 1 1 9 9 0 。m p t s 0 0 0d a t a s h e e t , h t t p ：w w w t e a m w a v e l e o g t hc o r n 。f a b r i z i ob a r o n e e n r i c oc a t l o n i ，r e v , s c i i n s t r u m ，v 0 1 6 6 ( 8 ) ，1 9 9 0 a i a x 1 9 7 8u s e r g u i d e ，h t l p ：w w w m a x i m - i e c o m o n u m 2 5 k 2 0 0 2 0s e r i e su s e rg u i d e ，w w w ：u a i q u e - m o d e ，c o m 半导体激光二极管温度控制器和驱动电源的蹬计与实现 动源，输出电流o - 5 0 a ，最大t e c 电流9 a ，t e c 电压范围1 7 v ，全数字化操作界面， 提供串行通信接口。 国内对半导体激光器研究起步较晚，但在科研人员的努力下，取得了不少的研 究成果，文献。报道研制的高精度温度控制器，温度控制稳定度0 0 5 c ，中国科学院 安徽光学精密研究所。研制的高精度温度控制器温度稳定度2 m c ，文献。研制的3 a 的 l d 驱动电源5 小时内的电流变化小于l m a ，也有科研单位实现对温度控制器和驱动电 源的数字化操作，像文献 利用单片机实现对温度控制器和驱动电源的数字化控制， 温度稳定度0 ，1 。 我所激光器系统中l d 温度控制器和驱动电源使用国夕f w a v e l e n g t h 公司的温度控 制器模块m p t 5 0 0 0 和p l d s 0 0 0 ，2 4 小时温度稳定性小于0 0 0 8 ，电流稳定性小于 2 0 p p m ，但成本高( 约3 0 0 美元) ，需配备控制电路后刁能使用，模块只能独立电源供 电，激光器系统需要四路温度控制器模块和一路驱动电源模块，对于需要多路温度 控制器或驱动源的激光系统，体积会成倍增加，另外进口模块出现故障不易修理。 我所最早的激光器系统温度控制器和驱动源的温度和电流值显示采用数码管显示， 不能同时显示多路的温度和电流值。 本文所述半导体激光二极管温度控制器和驱动电源可以代替国外的控温模块和 驱动电源模块，降低整套激光器的成本，产品的售后服务方便，基于单片机的多路 采集系统可以同时将温度和电流值显示在液晶屏幕上，并实现热敏电阻的线性插值 法处理，提高了测量准确度，温度控制器不但可以满足激光二极管控温的需要，也能 给倍频晶体、增益介质提供高精度的控温。 本论文结构安排如下： 第一章介绍半导体激光器的发光原理以及工作特性 第二章温度控制器的设计原理，p i d 电路的仿真分析，温度控制器的设计， 最终的样机与m p t s 0 0 0 的实验数据比较 刷瑜半导体激光器的高精度温控仪，量子电子学报，2 0 0 3 ，2 0 ( 4 ) 鲍健，高精度二极管激光温度控制器设计，光电子激光，2 0 0 5 ，1 6 ( 6 1 刘云，半导体激光器用电流源的设计，应用光学，2 0 0 5 ，2 6 ( 3 ) ：9 - ll 刘奎学，尹裕高精度电流温度控制器在半导体激光器中的应用电子工业专用设备，2 0 0 2 ，3 1 ( 3 ) ：1 6 7 1 7 0 2 引言 第三章 第四章 第五章 驱动电源的设计原理，根据激光二极管的特性设计出保护电路，最 终的样机与p l d 5 0 0 0 的实验数据比较分析 热敏电阻线性插值法处理方法，数据采集显示及相关程序 总结和展望 半导体激光二极管温度控制器和驱动电源的设计与实现 第一章半导体激光二极管的特性 1 1 半导体激光二极管的发光原理 半导体中的光发射通常起因于载流子的复合。当半导体的p n 结加有正向电压时， 会削弱p n 结势垒，追使电子从n 区经烈结注入p 区，空穴从p 区经过p n 结注入n 区，这些注入p n 结附近的非平衡电子和空穴将会发生复合，从而发射出波长为入 的光子，其公式如下： a = h c 已g f 11 、 式中： 一普朗克常数；c 一光速；e 一半导体的禁带宽度。 上述由于电子与空穴的自发复合而发光的现象称为自发辐射。当自发辐射所产 生的光子通过半导体时，一旦经过已发射的电子一空穴对附近，就能激励二者复合， 产生新光子，这种光子诱使已激发的载流子复合而发出新光子的现象称为受激辐射。 如果注入电流足够大，则会形成和热平衡状态相反的载流子分布，即粒子数反转。 当有源层内的载流子在大量反转的情况下，少量自发辐射产生的光子由于谐振腔两 端面往复反射而产生感应辐射，造成选频谐振正反馈，或者说对某一频率具有增益。 当增益大于吸收损耗时，就可从p n 结发出具有良好谱线的相干光一激光，这就是激 光二极管的简单原理。 1 2 半导体激光二极管输出功率与温度的关系 左图所示是一种典型的l d 在不同 温度下的激光输出功率p 9 与正向工作 电流曲线图。从图i - i 中可以看出：1 在同一温度条件下，当电流小于某一值 时，p 接近零值；当电流超过该值时， p 随电流增长直线上升，这个值称之为 l d 的阈值。2 阈值电流随温度升高而 增大，于是整个激光管的特性曲线基本 上随温度的变化而平行移动。3 如果 l d 在恒定的电流下工作，当环境温度发 生变化时，l d 输出功率也随之变化。 ll | l |4 0 c 十 ， ， 蓖- 2 q e c - 4 p 嗽 f | | l p o 函吐”d h o c t l 溯- r 啊ta 埘n 上， i l 图i - i 输出功率与电流关系 。周瑜，半导体激光器的高精度温控仪，量子电子学报，2 0 0 3 2 0 ( 4 ) 4 半导体激光二极管的特性 1 3 半导体激光二极管输出波长与温度的关系 激光二极管的波长主要由半导体材料的带隙、结点的温度和电流密度决定， 半导体材料决定输出波长范围，不能 由用户决定，但有些科研场合需要能 获得比较宽的波长范围或某个特定的 波长从图卜2 中可以看出：改变管芯的 温度可以获得某个特定的波长，如果 要求输出的波长非常稳定，那么管芯 温度和注入电流应保持稳定。激光二 极管波长随温度的调谐是因为腔的光 程及增益曲线都依赖于温度，但它们 图1 - 2 波长与温度的关系 的依赖程度不同。例如a 1 g a a s 材料腔的光程与温度变化大约是0 0 6 n m k ，增益曲线 漂移大约0 2 5 n m k ，导致波长随温度的变化是一系列一定斜率的台阶组成。 小结 由上面的分析可知，影响激光二极管的性能主要取决于两个因素：管芯温度和 注入电流。因此为获得高质量的光束，需要对激光器系统实现严格的控温，同时半 导体激光管的p n 结比较脆弱，稍有电流或电压冲击，就可能降低激光二极管的功率 或光束质量甚至造成永久性的破坏，因此除对激光二极管的管芯实现严格的控温和 稳流外，还要对激光二极管采取一些必要的保护措施，避免误操作或意外因素对激 光二极管造成破坏。 oc a r l e w i e l a a f l r e v s c i i n s t r u m v 0 1 6 2 ( 1 ) 1 9 9 1 半导体激光二极管温度控制器和驱动电源的设计与实现 第二章温度控制器的设计 2 1 温度控制器的原理介绍 在工程实际中，应用最为广泛的调节器为比例、积分、微分控制，简称p i d 控制。 它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。 当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的 其它技术难以采用时，系统控制器的参数需要依靠经验和现场调试来确定，这时应 用p i d 控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有 效的测量手段来获得系统参数时，最适合用p i d 控制技术。p i d 控制器就是根据系统 的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。下面以温度控制为例介 绍p i d 控制的仿真分析： 1 开启关断控制型 这是一种最简单的控温方式，适用 于家庭室温控制，当炉子的温度比设定 温度低时，加热器以最大的功率开启， 一旦加热到炉子的温度高于设定的温度 时加热器完全关断。这种加热方式的不 足之处在于控温精度比较低，在设定点 附近开关的频率较高，对开关器件磨损 较大，从图2 一i 中可以看出，温度的起伏 时间c t ) 图2 一l 开关加热型 比较大。( 线2 代表设定温度，线3 代表实际的温度，线1 代表加热功率) 2 比例( p ) 控制 比例控制加热的方式要优于开关加热型， 比例控制系统也称有差系统的控制，加热功率 嚣 与误差成正比，误差为零时，没有加热功率；爸 误差反号时，温度控制反方向。比例增大，可 以减小稳态时的误差，但会降低系统的稳定 性，甚至会出现无阻尼振荡；比例减小，可改 善系统的稳定性，但稳态误差会增大。那么有 6 5 0 0 1 0 0 0 1 5 0 0 时间( t ) 图2 2 比例加热型 温度控制器的设计 没有一种控制对于系统的过渡过程来说更优于比例控制? 答案是有的，这种控制就 是比例微分控制。( 线4 代表加热功率，线2 代表温度设定，线3 代表增益过大的情 况，线l 代表增益过小) 3 比例微分控制加热型 在微分控制中，温度控制与误差的导数 成正比，显然这种控制对于恒温系统没有影 响，在微分控制中当误差增大时，微分控 制能加强比例控制的作用，加快进入平衡状 态；当误差减小时，微分控制削弱比例控制 的作用，这就使误差还没减小到零时，总的 加热或致冷控制动作已经为零，这样对系统 的过渡过程会好处，补偿了系统的储能元件 所产生的延迟，从而减小温度在设定值两旁 的摆动。总的来说，微分控制对温度的控制 时间( t ) 图2 3 比例微分控制型 取决于误差的导数，或者说取决于未来的误差变化趋势，所以微分控制也叫超i i 控 制。( 线1 代表温度设定，线2 代表衰减过大的情况，线4 代表增益过小且没有微分 作用) 4 比例积分控制 在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成j 下比关系。对一个自动 控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或 简称有差系统( s y s t e mw i t hs t e a d y s t a t ee r r o r ) 。为了消除稳态误差，在控制器 中引入积分控制。积分控制的输出取决于误差对时间的积分，随着时间的增加，静 态误差逐步减小，直到等于零。因此，理想的比例+ 积分( p i ) 控制器，可以使系统在 进入稳态后无误差。 5 比例积分微分控制 尽管比例微分控制，可以减小过冲，但消除不了稳态误差，幸运的是，在下列 方程中增加一个积分项来消除这种稳态误差， 绯眦小+ 毒打吗警】( 2 z ) 半导体激光二极管温度控制器和驱动电源的设计与实现 在这个方程中，u ( t ) 为控制量，k 一为比例放大系数， tr 为积分时间，t n 为微分 时间，这就是p i d 方程。积分项的作用使系统的温度误差为零，从图2 - 4 中可以看出 增加一个积分项消除了平稳误差。 2 2 温度控制器的电路组成 蕾 嗟 圈2 4p l o 控幸i 型 功 塞 ， 写 温度控制器电路有三部分组成：( 一) 误差测量电路；( 二) p i d 电路；( 三) 功率放大电路。 ( 一) 误差测量电路 误差测量电路有两种测量方式：1 桥式测量电路；2 恒流源测量电路。 1 桥式测量电路 r 1 、r 3 、r 4 、基准源v r e f 和1 0 k 热敏电阻r 2 构成桥式测量电路，热敏电阻两端的 电压u 卟兰争喁( 2 2 1 ) r + r ， ( 2 2 2 ) 误差信号 a u = u i 一 ( 2 2 3 ) 图2 5 桥式测量电路 叫= u i - u 2 划州c 丧一击心川， 当a u = 0 时， 心马= r i 蜀 ( 2 2 5 ) 温度撺制器的设计 上式为电桥平衡的条件。 对( 2 2 3 ) 式两边取微分可得： 8 a u = 8 u r , ，c 熹一六，汜z e ， 当u o ，u m 的变化会使u 发生变化：电路达到平衡时，即a u = 0 时，u 。的 变化不会影响到u 。此电路的优点是当电路达到平衡状态时，基准电压的变化不 会影响温度控制的稳定性，不足之处在于实际电压与热敏电阻的阻值不是线性关系。 2 恒流源测量电路 基准电压l m 3 8 5 ( 2 5 v ) 、电阻r 2 ( 2 5 k ) 、运算放大器组成如图所示l o o u a 恒电 流源电路，这样热敏电阻两端电压u ： u = 1 0 0 u a 蜀 ( 2 2 7 ) 当设定电压为阢时，误差信号u ： a u = u 1 一u 2 ( 2 2 8 ) 从上式中可以看出：由于设定电压以与 实际电压u 不共用基准电压，故对设定电压以 及恒流源的稳定性要求高，该电路存在另外一 个弊端：实际温度很高时，热敏电阻阻值很小， u 也会变得很小，那么流过r 3 的电流也会变 小，当电流小到一定值时，l m 3 8 5 变得不能正 常工作，恒流源变的不稳定。该电路的优点在 于实际电压与热敏电阻阻值的关系呈线性关 i 图2 6 恒流源测温电路 系，在电压到温度的转换以及数字化过程中带来方便。 ( 二) p i d 电路 p i d 电路是温度控制器的基础，设定电压与实测电压u ，经过仪表运算放大器 后产生的误差信号经过并联的比例、积分、和微分电路，它们的输出经过最后的反 向放大器以合适的比例作和后送给输出端得到一个控制量驱动功率放大电路。 半导体激光二极管温度控制器和驱动电源的设计与实现 图2 7p i d 电路 从仿真分析图形可以看出，p i d 调节器各部分作用主要有以下几点： 1 ) 比例环节比例控制能迅速反应误差，从而减小稳态误差。 2 ) 积分环节只要系统有误差存在，积分控制器就不断地积累，输出控制量，以 消除误差，改善了系统的静态特性。 3 ) 微分环节微分控制可以减小超调量，克服振荡，使系统的稳定性提高，同时 加快系统的动态响应度，减小调整时间，从而改善系统的动态性能。应用p i d 控制， 必须适当地调整比例放大系数，积分时间常数和微分时间常数，使整个控制系统得 到良好的性能。 i o 温度拧制器的设计 ( 三) 功率驱动电路 为实现半导体制冷 元件双向电流驱动，功率 放大电路采用的是o c l 电路，当v o u t o 时，q l 导通，电流正向流过半导 体制冷元件，当v o u t o 时，q 2 导通，电流反向 流过半导体制冷元件，为 了限制流过半导体制冷 图2 - 8 功率驱动电路 元件的电流，可以在负载中串连一个大功率电阻。 2 3 热敏电阻的特性 n t c 热敏电阻是一种氧化体的烧结体，具有负温度系数，与金属热电阻相比， 灵敏度约为热电阻的1 0 倍，适合于动态测量，但热敏电阻存在严重的热电非线性。 ( 一) n t c 热敏电阻的热电特性分析 1 温度特性方程 热敏电阻温度特性方程有下列经验公式描述： r r = r r o e x p ( b 一而b ) ( 2 - 3 1 ) 式中砖为t 时的热敏电阻阻值，氏为t o 时的热敏电阻的阻值，上述表达式可以看 出电阻的变化与温度的变化成指数关系，温度升高，阻值迅速降低，灵敏度高是热 敏电阻测温的主要优点。 2 热电特性 热敏电阻在自身温度变化1 度，其电阻值的相对变化为热敏电阻的热温度系数： 口= 去r 譬d 一要t ( 2 s z )，r z 一。 半导体激光二极管温度控制器和驱动电源的i 5 计与实现 可以看出：热敏电阻的温度系数为负，且与温度变化有关，温度越低，温度系数 越高，灵敏度越高。 2 4 实验测量 首先设计好原理图，用电路板搭建调试成功后绘制p c b 印制板，确保电路调试 无误后，做了一路温度控制器，应用于3 w 半导体激光器进行测试( 注意：半导体制冷 元件极性不能接反) ，本实验所用仪器及测试条件如下： 一测量仪器：五位半数字万用表( e s c o r t ) - 环境温度：2 3 供电电压：开关电源供电电压1 2 v ( 2 a ) - 测量对象：激光二极管( s 一8 1 2 7 0 0 c 一2 0 0 一h ) - 对象特点：最大输出功率3 w ，最大驱动电流3 a ，半导体致冷元件和i o k 热敏电阻集 成在壳内，半导体制冷元件允许承受最大电流5 i a 表2 1 是单路温度控制器应用于3 w 半导体激光器后的测量数据表格( 温度测量方 式：桥式测量，2 5 v 对应2 5 ，温度设定为2 5 左右) 表2 1单路温度控制器应用于l d 温度测量 时间( 小 1 0 ：0 9l l ：0 01 2 ：3 01 3 ：3 01 5 ：0 01 5 ：0 01 7 ：0 01 8 ：0 0 时) 监视电压2 5 4 3 42 5 4 3 62 5 4 3 7 2 5 4 3 6 2 5 4 3 7 2 5 4 3 62 5 4 3 62 5 4 3 6 ( v ) 对应温度 2 4 2 1 52 4 ，2 l l2 4 2 0 92 4 2 1 t2 4 2 0 92 4 2 1 12 4 2 1 iz 4 2 1 l ( ) 从上面数据可以看出：单路温度控制器在l o 小时内温度稳定性优于0 0 0 6 。 同时测量了单路温度控帝0 器以下技术参数： - 控制温度范围：1 0 4 4 5 - 控制方式：双向电流控制( 一2 a 2 a ) 为了和国外的控温模块m p t s 0 0 0 进行比较，对m p t 5 0 0 0 做了同样的测试( m p t 5 0 0 0 温度测量：l o o u a 恒流源方式，1 v 对应2 5 ，温度设定为3 0 左右) 2 温度控制器的设计 表2 2m p t 5 0 0 0 应用于l d 数据测量 时问( 小9 ：4 61 0 ；4 01 1 f4 51 2 ：4 21 4 ：0 21 5 ：o o1 6 ：1 91 7 ：3 0 时) 靛视电h 主o 7 7 6 3 9o 7 7 6 4 8o 7 7 6 5 lo 7 7 6 3 8 o 7 7 6 3 3o 7 7 6 3 9o 7 7 6 4 40 7 7 6 4 7 ( v ) 对应温度3 0 8 6 93 9 8 6 63 0 8 6 63 0 ，8 6 93 0 ，8 7 23 0 8 6 63 0 8 6 63 0 ，8 6 6 ( ) 从表2 2 的数据可以看出：m p t 5 0 0 0 在1 0 小时内温度稳定性是0 0 0 6 。 小结 从上面测试的结果可以看出：自行研制的温度控制器1 0 小时温度稳定性是0 0 0 6 ，研制该温度控制器成本是控温模块的十分之一。该温度控制器不但可以满足半导 体激光管的控温，还可以满足对控温稳定度要求比较高的光学晶体。 图2 - 9 单路温度控制器照片 半导体激光二极管温度控制器和驱动电源的设计与实现 第三章半导体激光器驱动电源的设计 3 1 基本组成 驱动电源主要由电流设定电路、 电流负反馈电路、功率驱动电路、限 电流保护电路、取样放大电路、继电 器短接保护电路、使能电路等组成。 3 2 稳流电路原理 基准分压电路、调整管 ( t i p l 4 2 ) 、取样放大电路、负载构成 负反馈环恒定输出电流。稳流电源输 出电流的稳定性由基准电压源和取 样电阻决定。由此可知，要想获得一 图3 1 驱动电源整体框 个稳定的输出电流，必须要提供一个高精度的基准源和低温度系数的取样电阻，因 此本样机中选用了m a x i m 公司的高精度、低漂移的基准源。基准源温度漂移系数最 大为7 p p m ，最大能输出l o m a 电流。对于取样电阻而言，温度会影响电阻阻值发 生变化，应选择低温度系数和高精度取样电阻。本样机中选用的是温度系数很低 ( 5 p p m 。c ) ，最大承受功率1 0 w 、高精度( 1 ) 、o 1q 的大功率电阻。另外，取样电 阻与负载串连，这样通过的电流比较大，安装适当的散热装置防止温度过高影响阻 值变化，同时也可避免温度过高而损坏。 1 调整管的选择 稳流电源的全部电流流过调整管，因此调整管的功耗比较大，必须选用大功率 晶体管。本样机中选用的大功率达林顿管t i p l 4 2 ，最大输出电流达i o a ，饱和压降 约为2 v ，大电流电路部分采用5 v 左右电源供电，这样可以最大限度的减小达林顿 管的发热量，提高电路的使用效率。 2 取样放大电路 取样放大电路可以有两种工作方式：1 ) 高端取样取样电阻和负载串连接在调整 管的集电极端，这种接法优点在于如果集电极与地短路时，取样放大电路可以检测 过流而采取保护措施，不足之处在于取样电阻两端的共模信号较大，对取样放大器 的共模抑制比要求高。2 ) 低端取样采样电阻接在调整管的发射极，该接法优点是 共模信号较小，不足之处是调整管的集电极和地短接时，取样放大电路不能监测出 1 4 激光二极管驱动电源的设计 过流信号而可能造成负载损坏。 3 p c b 布线 p c b 的布线是电路能否成功的关键一个环节，当各个元器件地线布置不当时，地 线上形成的干扰信号可能串入附近电路，导致整机工作不稳定甚至无法正常工作。接 地电阻与它的长度成正比，与横截面极积成反比。在设计电路板时，应该把各元器件 的地线在电源地的输入端汇集，地线应短而粗，可以减小干扰。 3 3l d 保护电路 在实际工作中，有多种因素如静电，高压、浪涌电流以及电网冲击，都会对激 光二极管造成永久性的破坏或缩短其寿命，因此必须采取措施加以保护。保护电路 包括过流保护电路短路保护电路，延时软启动电路。 1 过流保护电路 取样放大电路输出的电压 u 3 超过限制的电压设定值u 2 时，比较器u 1 将输出一个低电 平电压，输入到5 5 5 电路触发u 2 端，触发器将输出一个高电平电。3 压，三极管饱和导通，把电流设 定电压u 4 拉到接近接近零电 压，从而使流过激光管的电流降 为零，从而保护激光二极管不受 破坏。 2 短路保护 图3 2 限流保护电路 激光二极管平时不使用时如果裸露在空气中， 易受雷电或静电破坏，因此在不使用时，用常闭继电 器短接激光二极管的阴极和阳极免遭静电破坏。 3 延时软启动 母申 图3 3 继电器短接保护 为防止电流或电压的浪涌对激光器的破坏，因此使用时将电流缓慢的加在激光 器两端，同时为防止开机瞬间电压突变，激光二极管两端并联一只电容， 半导体激光二极管温度控制器和驱动电源的设计与实现 为防止供电电压极性接反，在激光二极管两端反 向并联一只二极管。 4 使能控制器 当使能控制电压为低电平时，设定电压被拉到图3 - 4 反接保护 接近为零，继电器短接二极管，激光二极管无电流 流入，可以避开开机时的浪涌电流或电压，当使能端控制电压变为高电平时，继电 器断开，设定电压增加时，流入二极管的电流也增加。 3 4 实验测量 依照设计原理图，用电路板搭建调试成功后，绘制了p c b 印制板，先用普通二极 管替代激光二极管，调整电路电压与电流关系为：i a i v ，确保电路调试无误后，应 用于3 w 半导体激光器进行测试( 注意：激光二极管的极性不要接反) ，下面对该仪器 的测试结果： - 测量仪器：五位半数字万用表( e s c o r t ) ，三位半功率计 - 环境温度：2 3 - 供电电压：开关电源供电电压1 2 v ( 2 a ) ，5 v ( 4 a ) - 测量对象：激光二极管( s 一8 卜2 7 0 0 c 一2 0 0 h ) - 对象特点：最大输出功率3 w ，最大承受电流3 a ，半导体致冷元件和1 0 k 热敏电阻集 成在壳内，半导体制冷元件允许承受最大电流5 i a 表格3 1 是应用于3 w 半导体激光器后电流和功率测量数据( 温度控制在2 5 c ) 表3 1 驱动源应用于l d 测量数据 时1 0 ：0 91 l ：0 01 2 i3 01 3 ：3 01 5 ：0 01 6 ：0 01 7 ：0 01 8 ：0 02 0 ：0 0 间 电2 6 9 6 62 6 9 6 62 6 9 6 52 6 9 6 52 6 9 6 52 6 9 6 62 6 9 6 62 ，6 9 6 62 6 9 6 6 流( a )( a ) ( )( a 】( ) ( a )( ) ( a )( a ) 功2 ，0 52 0 4 2 0 4 2 0 32 0 32 0 42 0 4 2 0 420 3 豪 ( w )( w )( 町( 胃)( w )( v )( )( w )( v ) 从上面数据可以看出：在l o d , 时内，电流稳定度 3 0 p p m ，功率稳定度 0 5 ，同时也测量了该样机以下的性能参数： 1 6 激光二极管驱动电源的设计 - 最大输出电流：3 a 图3 - 5 是l d ( 3 w ) 温度控制器和驱动电源的实物图。该样机获得山西大学 “第十三届创新挑战 杯”三等奖该样机面板 有三个旋扭，分别调节温 度，电流，限制电流值， 左边数码管显示实际或 设定温度值，右边的数码 管显示电流值或限制电 流值。 图3 5l d ( 3 w ) 温度控制器和驱动电源 为了和国外的电流源模块进行比较，对p l d 5 0 0 0 做了同样的测试( p l d 5 0 0 0 输出电 流和电压关系：2 a v ) 下面是测试结果： 表3 2p l d 5 0 0 0 应用于l d n 量数据 时间8 ：3 08 ：4 08 ：5 09 ：1 81 0 ：0 01 2 ；0 01 4 ：4 51 6 ：0 0 监视电 1 3 2 5 21 3 2 5 l1 3 2 4 61 3 2 4 51 3 2 4 41 3 2 4 21 3 2 4 0l | 3 2 3 9 压( v ) 从