CN102801104A

CN102801104A - 基于全桥控制器对激光器实现双向温控的系统

Info

Publication number: CN102801104A
Application number: CN2012102818082A
Authority: CN
Inventors: 黄绪华; 欧阳文
Original assignee: Wuhan Gigaa Optronics Technology Co Ltd
Current assignee: Wuhan Gigaa Optronics Technology Co Ltd
Priority date: 2012-08-09
Filing date: 2012-08-09
Publication date: 2012-11-28
Anticipated expiration: 2032-08-09
Also published as: CN102801104B

Abstract

本发明提供一种基于全桥控制器对激光器实现双向温控的系统，主要由依次相连的单片机、光电隔离装置、全桥控制器、半导体制冷器、激光器、温度传感器与温控电路构成，半导体制冷器设置在激光器与散热器之间；放大电路将温度传感器输出的激光器温度信号转化为电压信号，经滤波后输入单片机中，单片机对其进行PID数字计算，将计算结果转换为PWM信号输出至光电隔离器中，光电隔离器将PWM信号中的弱控制信号与后级制冷部分互相隔离后输入全桥控制器中，全桥控制器输出全桥控制信号以控制半导体制冷器加热或制冷。本发明可允许最高550V桥电压输入、具有自动调节并控制死区时间的功能，可提高抗干扰能力，可控制半导体制冷器对激光器进行加热或制冷。

Description

基于全桥控制器对激光器实现双向温控的系统

技术领域

本发明涉及激光器温控技术领域，尤其是一种基于全桥控制器对激光器实现双向温控的系统。

背景技术

半导体激光器由于其控制简单、易于大量生产，而且体积小、重量轻、寿命长，广泛应用于激光切割、激光打标、激光医疗等等领域。但半导体激光器缺点是输出特性受温度影响很大，在恒定电流的情况下，温度每升高一度，激光波长大约会增加0.2-0.3nm,也就是说温度的波动，会导致半导体激光器的能量转化效率与波长的变化，而功率与波长，正是激光应用中很重要的两个指标。并且现在激光器功率越做越大，对散热的要求也越来越高。在任何情况下保持大功率激光器工作温度稳定一直是一个比较重要的问题。

目前TEC（半导体制冷器）控制器按输出的工作模式可分成线性模式、开关模式，线性驱动TEC电路，虽然具有电流纹波小且容易设计和制造的优点，但发热量较大、功率效率低，故不能应用于大功率温度控制当中。在大功率TEC进行温度控制场合，就只能使用开关模式，目前开关模式控制温度的又分为单向控制与双向控制。如：

（1）使用大功率MOS开关方式进行单向温度控制：其优点是开关方式控制，效率高，电路简单，易于实现，但其只能进行制冷，不能进行加热，在冬天或激光器工作在低功率状态下，其发热量很低时，无法实现恒定温度的控制。

（2）使用MAX1968芯片开关方式实现TEC双向控制：其效率较高，并且也能对TEC进行双向控制，但是其内部集成MOS管，其工作电压最大不能超过6V，工作电流最大3A，故其功率过低，无法应用于大功率温度控制的场合。

（3）使用两片IR2111之类的半桥驱动辅以外围器件构成的TEC双向控制：其效率较高，并且也能对TEC进行双向控制，MOS管外置，功率较大，可以应用于大功率TEC双向控制，但其集成度较差，而且无死区控制，无输出保护，调试较复杂。

发明内容

针对上述技术的不足之处，本发明提供一种允许最高550V桥电压输入、具有自动调节并控制死区时间功能，可提高抗干扰能力的基于全桥控制器对激光器实现双向温控的系统。

为实现上述目的，本发明提供一种基于全桥控制器对激光器实现双向温控的系统，包括激光器、半导体制冷器、散热器、固定在所述激光器上的温度传感器，以及与所述温度传感器相连的控温电路，还包括依次与单片机的输出端相连接的光电隔离装置与全桥控制器，所述全桥控制器的输出端与所述半导体制冷器的输入端相连，光电隔离器将PWM信号中的弱控制信号与后级大功率的制冷部分互相隔离后输入全桥控制器中，所述全桥控制器输出全桥控制信号以控制所述半导体制冷器加热或制冷，形成闭环反馈回路，以实现对所述激光器的温度控制。

所述全桥控制器由UBA2302控制器以及与其输出端相连的H桥电路构成，所述光电隔离装置的输出端与所述UBA2302控制器的输入端相连，所述H桥电路输出的全桥控制信号经滤波后输入所述半导体制冷器。

所述单片机输出的PWM信号通过光电隔离装置隔离后输入到UBA2302控制器的EXTDR引脚，由UBA2302控制器内部的逻辑控制器将PWM信号转换为全桥控制信号，经GHR、GLR、GHL、GLL四个引脚输入由四个MOS管所组成的H桥电路，H桥电路输出的全桥控制信号经由L1、L2、C18、C19、C21组成的滤波网络进行滤波后，以控制所述半导体制冷器加热或制冷。

所述温控电路由放大电路以及与其输出端相连的滤波电路构成，所述放大电路的输入端与所述温度传感器的输出端相连，所述滤波电路的输出端与所述单片机的输入端相连，所述温度传感器将所述激光器的探测温度信号输入所述放大电路，将温度信号转化为电压信号，电压信号经所述滤波电路滤波后输入所述单片机中。

所述单片机中包括数字PID控制模块、模数转换器与脉宽调制输出模块，所述单片机对滤波后的电压信号进行PID数字计算，再将计算结果转换为PWM脉宽信号输出至所述光电隔离器中，控制半导体制冷器加热或制冷。

所述单片机中还包括输入输出控制模块，所述输入输出控制模块分别与外部温度设定部分、温度显示部分以及用于将处理后的数据输送至外部计算机的RS232接口。

所述单片机和所述全桥控制器均与外部电源相连。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明具有集成度高，有过流保护，自动调节死区时间控制，PWM开关方式，其效率较高，最高桥电压可到550V，外置MOS管，功率可根据需求选用，调试容易，SSOP封装易于焊接，可控制TEC对被稳定对象的加热或制冷，使环境温度高低或季节不同的情况下，均能实现恒温控制。

附图说明

图1为本发明的结构框图；

图2为图1的实施例结构框图；

图3为全桥控制器控制半导体制冷器的电路原理图。

主要符号说明如下：

1-单片机 2-光电隔离装置 3-全桥控制器

4-滤波电路a 5-半导体制冷器 6-散热器

7-激光器 8-温度传感器 9-放大电路

10-滤滤电路b 11-UBA2302控制器

12-H桥电路 13-数字PID控制模块

14-模数转换器 15-脉宽调制输出模块

16-输入输出控制模块 17-温度设定部分

18-温度显示部分 19-RS232接口

20-外部电源 21-温控电路

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1与图2所示，本发明提供一种基于全桥控制器对激光器实现双向温控的系统，由单片机1、光电隔离装置2、全桥控制器3、滤波电路a4、半导体制冷器5、散热器6、激光器7、温度传感器8与温控电路21构成，单片机1和全桥控制器3均与外部电源1相连，外部电源1对单片机1和全桥控制器3供电。单片机1的输出端依次连接光电隔离装置2、全桥控制器3、滤波电路a4、半导体制冷器5、激光器7、温度传感器8与温控电路，半导体制冷器5设置在激光器7与散热器6之间，温控电路的输出端与单片机的输入端相连，从而形成闭环反馈回路，以实现对激光器的温度控制。

其中，单片机1中包括数字PID控制模块13、模数转换器14、脉宽调制输出模块15与输入输出控制模块16，滤波后的电压信号通过数字PID控制模块13进行PID数字计算，再通过模数转换器14与脉宽调制输出模块15将计算结果转换为PWM脉宽信号输出至光电隔离器2中，以控制半导体制冷器加热或制冷。输入输出控制模块16分别与外部的温度设定部分17、温度显示部分18以及用于将处理后的数据输送至外部计算机的RS232接口19。

光电隔离装置2用于对前级的弱控制信号与后级大功率的制冷部分互相隔离，提高其抗干扰能力。其中，光电隔离装置采用的是6N137高速光电耦合器，可以满足高开关频率控制需求。

全桥控制器3由UBA2302控制器11以及与其输出端相连的H桥电路12构成，光电隔离装置2的输出端与UBA2302控制器11的输入端相连，H桥电路13输出的全桥控制信号经滤波电路a4后输入半导体制冷器8中。其中，UBA2302控制器采用飞利浦公司推出的UBA2032T单芯片全桥控制器，其集成度高，内置自举二极管和高压电平移位器，桥路电压最高可达550V可根据TEC电压脱及功率需求任意更换驱动电源，并可直接从IC的HV脚输人高压端，为内部电路产生低压，从而无需附加低压电源；自动调节死区时间控制，PWM开关方式，其效率较高，外置MOS管，功率可根据需求选用，调试容易，SSOP封装易于焊接。H桥电路为一个具有四个MOS管搭建的全桥电路。

半导体制冷器5贴放在半导体激光器7和散热器6之间，将半导体激光器7的热量传导到散热器6上，再经过风扇带走。

散热器6中还包括风扇，其作用是带走激光器7和半导体制冷器5所产生的热量。

温度传感器8用来将激光器7的温度转换为电信号的装置。

温控电路21由放大电路9以及与其输出端相连的滤波电路b10构成，放大电路9的输入端与温度传感器8的输出端相连，滤波电路b10的输出端与单片机1的输入端相连，运算放大器9用来将温度传感器8的信号转换为电压信号，再进行滤波处理后传给单片机1。温度传感器8将激光器7的探测温度信号输入放大电路9，将温度信号转化为电压信号，电压信号经滤波电路b10滤波后输入单片机1中。

本发明的工作原理为：放大电路将温度传感器输出的激光器温度信号转化为电压信号，经滤波电路滤波后输入单片机中，单片机对电压信号进行PID数字计算后，将计算结果转换为PWM脉宽信号输出至光电隔离器中，光电隔离器将PWM脉宽信号中的弱控制信号与后级制冷部分互相隔离后输入全桥控制器中，全桥控制器输出的全桥控制信号经滤波电路滤波后，驱使半导体制冷器，用以控制半导体制冷器加热或制冷的大小，以实现对激光器的温度恒定控制。

电源分为弱电部分电源与大功率部分电源，温度传感器、H桥电源、风扇等大功率部分由系统输入电源直接进行供电，弱电部分由DC/DC模块转出5V电源，供单片机及运算放大器使用。控制部分由单片机、温度输入部分、显示部分及RS232串口部分组成，光电隔离器件使用的是6N137高速光电隔离装置进行隔离，全桥控制器采用UBA2302控制器进行驱动下一级H桥电路，H桥电路由四个MOS管组成，滤波电路采用两个电感与电容组成。半导体制冷器将激光器的热量带到散热器上经风扇带走。温度传感器是用来测量激光器当前温度，经过放大电路与滤波后传给单片机进行处理后产生PWM脉宽信号输出控制半导体制冷器加热或制冷的大小。

如图3所示，单片机输出的PWM信号通过光电隔离装置隔离后输入到UBA2302控制器的EXTDR引脚，由UBA2302控制器内部的逻辑控制器将PWM信号转换为全桥控制信号，经GHR、GLR、GHL、GLL四个引脚输入由四个MOS管所组成的H桥电路，H桥电路输出的全桥控制信号经由L1、L2、C18、C19、C21组成的滤波网络进行滤波后，以控制半导体制冷器加热或制冷。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于全桥控制器对激光器实现双向温控的系统，包括激光器、半导体制冷器、散热器、固定在所述激光器上的温度传感器，以及与所述温度传感器相连的控温电路，其特征在于，还包括依次与单片机的输出端相连接的光电隔离装置与全桥控制器，所述全桥控制器的输出端与所述半导体制冷器的输入端相连，光电隔离器将PWM信号中的弱控制信号与后级大功率的制冷部分互相隔离后输入全桥控制器中，所述全桥控制器输出全桥控制信号以控制所述半导体制冷器加热或制冷，形成闭环反馈回路，以实现对所述激光器的温度控制。

2.根据权利要求1所述的基于全桥控制器对激光器实现双向温控的系统，其特征在于，所述全桥控制器由UBA2302控制器以及与其输出端相连的H桥电路构成，所述光电隔离装置的输出端与所述UBA2302控制器的输入端相连，所述H桥电路输出的全桥控制信号经滤波后输入所述半导体制冷器。

3.根据权利要求2所述的基于全桥控制器对激光器实现双向温控的系统，其特征在于，所述单片机输出的PWM信号通过光电隔离装置隔离后输入到UBA2302控制器的EXTDR引脚，由UBA2302控制器内部的逻辑控制器将PWM信号转换为全桥控制信号，经GHR、GLR、GHL、GLL四个引脚输入由四个MOS管所组成的H桥电路，H桥电路输出的全桥控制信号经由L1、L2、C18、C19、C21组成的滤波网络进行滤波后，以控制所述半导体制冷器加热或制冷。

4.根据权利要求2所述的基于全桥控制器对激光器实现双向温控的系统，其特征在于，所述温控电路由放大电路以及与其输出端相连的滤波电路构成，所述放大电路的输入端与所述温度传感器的输出端相连，所述滤波电路的输出端与所述单片机的输入端相连，所述温度传感器将所述激光器的探测温度信号输入所述放大电路，将温度信号转化为电压信号，电压信号经所述滤波电路滤波后输入所述单片机中。

5.根据权利要求4所述的基于全桥控制器对激光器实现双向温控的系统，其特征在于，所述单片机中包括数字PID控制模块、模数转换器与脉宽调制输出模块，所述单片机对滤波后的电压信号进行PID数字计算，再将计算结果转换为PWM脉宽信号输出至所述光电隔离器中，控制半导体制冷器加热或制冷。

6.根据权利要求5所述的基于全桥控制器对激光器实现双向温控的系统，其特征在于，所述单片机中还包括输入输出控制模块，所述输入输出控制模块分别与外部温度设定部分、温度显示部分以及用于将处理后的数据输送至外部计算机的RS232接口。

7.根据权利要求1至6中任一权利要求中所述的基于全桥控制器对激光器实现双向温控的系统，其特征在于，所述单片机和所述全桥控制器均与外部电源相连。