CN103076825A

CN103076825A - 半导体激光器温控装置

Info

Publication number: CN103076825A
Application number: CN 201310012185
Authority: CN
Inventors: 王宪涛; 王斌; 王勇
Original assignee: CHANGCHUN CST OPTICS AND FINE MECHANICS Co Ltd
Current assignee: CHANGCHUN CST OPTICS AND FINE MECHANICS Co Ltd
Priority date: 2013-01-14
Filing date: 2013-01-14
Publication date: 2013-05-01

Abstract

一种用于半导体激光器的温控装置，其构成包括精密基准源，温度采样，温度设定，温度误差放大，锯齿波产生器，PWM信号发生器和功率变换级，精密基准源为温度采样和温度设定提供精密参考电压，温度采样与温度设定输出信号同时输入温度误差放大产生实际温度与设定温度的偏差信号，偏差信号与锯齿波产生器所产生的锯齿波同时输入PWM信号发生器，产生脉冲宽度调制信号，从而控制功率变换级的电压输出驱动半导体制冷片TEC来控制温度。本发明半导体激光器温控装置具有结构简单，效率高，成本低，实现了控制温度可调的功能，且可根据需要调节半导体激光器的稳定工作温度，温度误差≤±0.5℃。

Description

半导体激光器温控装置

技术领域

本发明涉及一种用于半导体激光器的温控装置。

背景技术

半导体激光器是一种电致发光器件，具有体积小、寿命长、容易调制、结构简单、采用电流注入的方式抽运、转换效率高等优点。被广泛应用于激光通讯、激光打印、测距、激光雷达和激光干扰等方面。但是当激光器连续工作时，激光器本身会产生大量的热能，导致温度升高，从而对半导体激光器的输出波长、激光输出功率和寿命产生重要影响。尤其是在半导体泵浦固体激光器中，温度的变化会导致作为泵浦源的半导体激光器的输出波长发生漂移，使激光器的激光输出功率不稳定，因此必须控制半导体激光器使其工作在稳定的温度状态下。长期以来，针对半导体激光器的温控装置一般有两种方案，一种是采用线性方案，功率器件工作在线性状态，此方案成本低，但是效率低；一种采用开关方案，使用4个功率器件构成H桥，使功率器件工作在开关状态，效率高，但是方案复杂且成本高。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于半导体激光器的温控装置，该温控装置只采用简单的模拟电路，采用脉冲宽度调制(PWM)方式驱动功率变换级，提高温控装置的效率，同时将半导体激光器控制在要求的工作温度上，温度误差≤±0.5℃。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案:

一种半导体激光器温控系统，由精密基准源，温度采样，温度设定，温度误差放大，锯齿波产生器，PWM信号发生器和功率变换级七部分组成，其连接关系如下：精密基准源连接温度采样和温度设定；温度采样和温度设定同时连接温度误差放大；温度误差放大和锯齿波产生器同时连接PWM信号发生器；PWM信号发生器连接功率变换级。

精密基准源为温度采样和温度设定提供精密参考电压；温度采样与温度设定输出信号同时输入温度误差放大产生实际温度与设定温度的偏差信号；偏差信号与锯齿波产生器所产生的锯齿波同时输入PWM信号发生器，产生脉冲宽度调制信号，从而控制功率变换级的电压输出驱动半导体制冷片TEC来控制温度。

所述精密基准源由第1电阻，精密基准芯片和第1电容构成；第1电阻一端接电源VCC，另一端接精密基准芯片的第1，2脚和第1电容的节点；精密芯片的第3脚接地GND；第1电容另一端接地GND；精密基准芯片的第1，2脚和第1电容的节点为精密基准源的输出；精密基准源为温度采样和温度设定提供精密参考电压。

所述温度采样由温度传感器，第2电容和第2电阻构成；温度传感器一端接精密基准源的输出，该温度传感器另一端接第2电阻和第2电容的节点，此节点作为温度采样的输出；第2电阻另一端接地GND，第2电容并联在第2电阻两端。

所述温度设定由第3电阻和第1可调电位器构成；第3电阻一端接精密基准源的输出，该第3电阻另一端接第1可调电位器一端，该第1可调电位器另一端接地GND，该第1可调电位器WP1滑动端作为温度设定的输出。

所述温度误差放大由运算放大器，第3电容和第4电阻组成的积分电路以及第2可调电位器构成；温度采样的输出连接运算放大器的第3脚正相输入端，温度设定的输出连接运算放大器的第2脚反相输入端，第3电容和第4电阻的节点；第3电容另一端连接运算放大器第1脚输出端和第2可调电位器的节点；第4电阻并联到第3电容两端；第2可调电位器另一端接地GND，该第2可调电位器滑动端作为温度误差放大的输出。

所述锯齿波产生器由555定时器，第4电容，第5电容，第5电阻，第6电阻，第1二极管，第2二极管和晶体三极管构成；第4电容一端连接地GND，第4电容另一端连接555定时器第5脚；第5电阻一端连接电源VCC，第1二极管阳极和555定时器第4脚节点；第5电阻另一端连接晶体三极管发射极；第1二极管阴极连接第2二极管阳极，第2二极管阴极连接晶体三极管基极和第6电阻的节点；第6电阻另一端连接地GND；晶体三极管集电极连接555定时器第2，6，7脚和第5电容的节点；第5电容的另一端接地GND；晶体三极管集电极，555定时器第2，6，7脚和第5电容的节点为锯齿波产生器的输出。

由第5电阻，第6电阻，第1二极管，第2二极管和晶体三极管构成恒流源，对第5电容进行充电。当第5电容上电压≥2/3VCC时，555定时器第7脚导通，第5电容上电压迅速放电到0，此时555定时器第7脚截至，上述恒流源，重新对第5电容进行充电，产生周期性锯齿波。

所述PWM信号发生器由比较器和第7电阻构成；温度误差放大的输出连接到比较器的第3脚同相端，锯齿波产生器输出连接到比较器的第2脚反相端，第7电阻一端接电源VCC，第7电阻另一端接比较器的第1脚输出端；比较器第1脚输出端和第7电阻的节点为PWM信号发生器的输出；如此比较器可以输出脉冲宽度调制信号（PWM信号）。

所述功率变换级由MOS管，肖特基二极管，功率电感，滤波电容和半导体制冷片TEC组成；MOS管源极接电源VCC，MOS管的栅极接PWM信号放生器的输出，MOS管的漏极接肖特基二极管的阴极和功率电感的节点；肖特基二极管的阳极接地GND，功率电感的另一端接滤波电容与半导体制冷片TEC的节点。滤波电容另一端接地GND；半导体制冷片TEC另一端接地GND；脉冲宽度调制信号(PWM信号)驱动MOS管工作在导通和关断的状态，将输入电压VCC斩成交流方波，通过后级LC滤波，输出直流驱动TEC。通过这种工作方式可以大大提高效率，降低损耗。

通过调整第2可调电位器滑动端的输出，可以控制最终输出直流电压的最大值，保护半导体制冷片。

本发明具有下列技术效果：

该温控装置只采用简单的模拟电路，采用脉冲宽度调制方式驱动功率变换级，提高了温控装置的效率，经试用证明，本发明装置实现了控制温度可调的功能，且可根据需要调节半导体激光器的稳定工作温度，温度误差≤±0.5℃。

附图说明

图1是本发明的结构框图

图2是本发明的实施例电路示意图

具体实施方式

以下结合附图对本发明作详细说明，但不应以此限制发明的保护范围。

请先参阅图1，是本发明的结构框图，由图可见，本发明半导体激光器控温装置由精密基准源，温度采样，温度设定，温度误差放大，锯齿波产生器，PWM信号发生器和功率变换级七部分组成。其连接关系如下：精密基准源连接温度采样和温度设定；温度采样和温度设定同时连接温度误差放大；温度误差放大和锯齿波产生器同时连接PWM信号发生器；PWM信号发生器连接功率变换级。

本发明详细电路示意图见图2

所述精密基准源由第1电阻R1，精密基准芯片U1和第1电容C1构成；第1电阻R1一端接电源VCC，另一端接精密基准芯片U1的第1，2脚和第1电容C1的节点；精密芯片U1的第3脚接地GND；第1电容C1一端接地GND；精密基准芯片U1的第1，2脚和第1电容C1的节点为精密基准源的输出；精密基准源为温度采样和温度设定提供精密参考电压。本实施例U1采用TL431。

所述温度采样由温度传感器Rt，第2电容C2和第2电阻R2构成；温度传感器Rt一端接精密基准源的输出，该温度传感器Rt另一端接第2电阻R2和第2电容C2的节点，此节点作为温度采样的输出；第2电阻R2另一端接地GND，第2电容C2并联在第2电阻R2两端。本实施例Rt采用NTC热敏电阻。

温度设定由第3电阻R3和第1可调电位器WP1构成；第3电阻R3一端接精密基准源的输出，该第3电阻R3另一端接第1可调电位器WP1一端，该第1可调电位器WP1另一端接地GND，该第1可调电位器WP1滑动端作为温度设定的输出。

温度误差放大由运算放大器U3A，第3电容C3和第4电阻R4组成的积分电路以及第2可调电位器WP2构成；温度采样的输出连接运算放大器U3A的第3脚正相输入端，温度设定的输出连接运算放大器U3A的第2脚反相输入端，第3电容C3和第4电阻R4的节点。第3电容C3另一端连接U3A第1脚输出端和第2可调电位器WP2的节点；第4电阻R4并联到第3电容C3两端。第2可调电位器WP2另一端接地GND，第2可调电位器WP2滑动端作为温度误差放大的输出。

锯齿波产生器由555定时器U2，第4电容C4，第5电容C5，第5电阻R5，第6电阻R6，第1二极管D1，第2二极管D2和晶体三极管Q1构成；第4电容C4一端连接地GND，第4电容C4另一端连接555定时器U2第5脚；第5电阻R5一端连接电源VCC，第1二极管D1阳极和555定时器U4第4脚的节点；第5电阻R5另一端连接晶体三极管Q1发射极；第1二极管D1阴极连接第2二极管D2阳极，第2二极管D2阴极连接晶体三极管Q1基极和第6电阻R6的节点；第6电阻R6另一端连接地GND；晶体三极管Q1集电极连接555定时器U2第2，6，7脚和第5电容C5的节点；第5电容C5的另一端接地GND；晶体三极管Q1集电极，555定时器U2第2，6，7脚和第5电容C5的节点为锯齿波产生器的输出。本实施例晶体三极管Q1采用PNP型三极管。

由第5电阻R5，第6电阻R6，第1二极管D1，第2二极管D2和晶体三极管Q1构成恒流源，对第5电容C5进行充电。

当第5电容C5上电压≥2/3VCC时， 555定时器U2第7脚导通，第5电容C5上电压迅速放电到0，此时，555定时器U2第7脚截至，上述恒流源，重新对第5电容C5进行充电，产生周期性锯齿波。

PWM信号发生器由比较器U4A和第7电阻R7构成；温度误差放大的输出连接到比较器U4A的第3脚同相端，锯齿波产生器输出连接到比较器U4A的第2脚反相端，第7电阻R7一端接电源VCC，第7电阻R7另一端接比较器U4A的第1脚输出端；比较器U4A第1脚输出端和第7电阻R7的节点为PWM信号发生器的输出；这样比较器可以输出脉冲宽度调制信号（PWM信号）。

功率变换级由MOS管M1，肖特基二极管V1，功率电感L1，滤波电容Cf和半导体制冷片TEC组成；MOS管M1源极接电源VCC，MOS管M1的栅极接PWM信号放生器的输出，MOS管M1的漏极接肖特基二极管V1的阴极和功率电感L1的节点；肖特基二极管V1的阳极接地GND，功率电感L1的另一端接滤波电容Cf与半导体制冷片TEC的节点。滤波电容Cf另一端接地GND；半导体制冷片TEC另一端接地GND；本实施例中MOS管M1采用P型MOS管。

脉冲宽度调制信号(PWM信号)驱动MOS管M1工作在导通和关断的状态，将输入电压VCC斩成交流方波，通过后级LC滤波，输出直流驱动TEC。通过这种工作方式可以大大提高效率，降低损耗。

通过调整第2可调电位器WP2滑动端的输出，可以控制最终输出直流电压的最大值，保护半导体制冷片。

经试用证明，本发明半导体激光器温控装置具有结构简单，效率高，成本低，实现了控制温度可调的功能，且可根据需要调节半导体激光器的稳定工作温度，温度误差≤±0.5℃。

Claims

1.一种用于半导体激光器的温控装置，特征在于其构成包括精密基准源，温度采样，温度设定，温度误差放大，锯齿波产生器，PWM信号发生器和功率变换级七部分；其连接关系是：精密基准源连接温度采样和温度设定，温度采样和温度设定同时连接温度误差放大，温度误差放大和锯齿波产生器同时连接PWM信号发生器，PWM信号发生器连接功率变换级。

2.根据权利要求1所述的精密基准源，特征在于其由第1电阻（R1），精密基准芯片（U1）和第1电容（C1）构成；所述的第1电阻（R1）一端接电源（VCC），另一端接精密基准芯片（U1）的第1、2脚和第1电容（C1）的节点，所述的精密芯片（U1）的第3脚接地（GND），所述的第1电容（C1）一端接地GND，所述的精密基准芯片（U1）的第1、2脚和第1电容（C1）的节点为所述精密基准源的输出。

3.根据权利要求1所述的温度采样，特征在于其由温度传感器（Rt），第2电容（C2）和第2电阻（R2）构成；所述的温度传感器（Rt）一端接权利要求2所述的精密基准源的输出，该温度传感器（Rt）另一端接第2电阻（R2）和第2电容（C2）的节点；所述的第2电阻（R2）另一端接地（GND），所述的第2电容（C2）并联在第2电阻（R2）两端。

4.根据权利要求1所述的温度设定，特征在于其由第3电阻（R3）和第1可调电位器（WP1）构成；所述第3电阻（R3）一端接权利要求2所述的精密基准源的输出，该第3电阻（R3）另一端接所述第1可调电位器（WP1）一端，该第1可调电位器（WP1）另一端接地（GND），该第1可调电位器（WP1）滑动端作为所述温度设定的输出。

5.根据权利要求1所述的温度误差放大，特征在于其由运算放大器（U3A），第3电容（C3）和第4电阻（R4）组成的积分电路以及第2可调电位器（WP2）构成；权利要求3所述的温度采样的输出连接所述运算放大器（U3A）的第3脚正相输入端，权利要求4所述温度设定的输出连接运算放大器（U3A）的第2脚反相输入端，所述第3电容（C3）和所述第4电阻（R4）的节点，该第3电容（C3）另一端连接运算放大器（U3A）第1脚输出端和所述第2可调电位器（WP2）的节点，第4电阻（R4）并联到第3电容（C3）两端，第2可调电位器（WP2）另一端接地GND，第2可调电位器（WP2）滑动端作为所述温度误差放大的输出。

6.根据权利要求1所述的锯齿波产生器，特征在于其由555定时器（U2），第4电容（C4），第5电容（C5），第5电阻（R5），第6电阻（R6），第1二极管（D1），第2二极管（D2）和晶体三极管（Q1）构成；所述第4电容（C4）一端连接地（GND），该第4电容（C4）另一端连接所述555定时器（U2）第5脚，所述第5电阻（R5）一端连接电源（VCC），所述第1二极管（D1）阳极和555定时器（U4）第4脚的节点；第5电阻（R5）另一端连接所述晶体三极管（Q1）发射极，第1二极管（D1）阴极连接所述第2二极管（D2）阳极，第2二极管（D2）阴极连接晶体三极管（Q1）基极和所述第6电阻（R6）的节点，第6电阻（R6）另一端连接地（GND），晶体三极管（Q1）集电极连接555定时器（U2）第2、6、7脚和所述第5电容（C5）的节点，第5电容（C5）的另一端接地（GND）；晶体三极管（Q1）集电极，555定时器（U2）第2、6、7脚和第5电容（C5）的节点为所述锯齿波产生器的输出。

7.根据权利要求1所述的PWM信号发生器，特征在于其由比较器（U4A）和第7电阻（R7）构成；权利要求5所述的温度误差放大的输出连接到所述比较器（U4A）的第3脚同相端，权利要求6所述的锯齿波产生器输出连接到比较器（U4A）的第2脚反相端，所述第7电阻（R7）一端接电源（VCC），第7电阻（R7）另一端接比较器（U4A）的第1脚输出端，比较器（U4A）第1脚输出端和第7电阻（R7）的节点为所述PWM信号发生器的输出。

8.根据权利要求1所述的功率变换级，特征在于其由MOS管（M1），肖特基二极管（V1），功率电感（L1），滤波电容（Cf）和半导体制冷片（TEC）组成；所述MOS管（M1）源极接电源（VCC），MOS管（M1）的栅极接权利要求7所述的PWM信号放生器的输出，MOS管（M1）的漏极接所述肖特基二极管（V1）的阴极和所述功率电感（L1）的节点，肖特基二极管（V1）的阳极接地（GND），功率电感（L1）的另一端接所述滤波电容（Cf）与所述半导体制冷片（TEC）的节点，滤波电容（Cf）另一端接地GND，半导体制冷片（TEC）另一端接地（GND）。