CN113835455A - 一种面向混沌半导体激光器的大范围高精度温度控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于激光器的大范围高精度温控技术领域；现有混沌激光器温控系统局限于一种或几种特定电流及环境温度下工作，且温度控制精度不足，满足适应各种环境和各种激光器的要求较为困难，本发明提供一种面向混沌半导体激光器的大范围高精度温度控制系统，两个并联的温度控制模块驱动半导体制冷片工作，增大TEC驱动电流，实现温度控制系统可以在更大驱动电流范围下工作，经过主控模块的模糊PID算法，动态调节TEC温度，增强温控系统的环境适应性；可编程数字控制通过TEC最大电压和最大电流，精准控制温度调节系统，对激光器TEC起到安全保护作用。

Description

一种面向混沌半导体激光器的大范围高精度温度控制系统
技术领域
本发明涉及激光器的大范围高精度温控系统，更具体的说，涉及一种面向混沌半导体激光器的大范围高精度温度控制系统。
背景技术
混沌激光是激光器的一种特殊输出形式，多采用外部光反馈方式实现，然而外部光反馈装置结构复杂、输出不稳定且易受外界环境和工作参数的影响。混沌半导体激光器是功耗性有源器件，工作温度的波动对其输出特性有明显影响，温度的改变会造成输出光波长以及阈值电流的改变，从而导致输出的混沌激光不稳定，同时，不同型号的激光器中半导体制冷片对于温度的需求不同，激光器仍需在不同温度环境下正常工作。因此，需要一种大范围高精度的温度控制系统给混沌激光器提供广泛的控制空间和精准的调节。
现有半导体激光器温度控制系统都是在驱动电流很小的范围内工作，如公开号CN111613965 A一种面向混沌激光器高精度高稳定的温度控制系统，该发明利用两个定时器驱动H桥驱动模块，实现半导体制冷片的电流的稳定性和可靠性，通过温度反馈模块将激光器温度变化反馈至微控制器模块与设定温度对比，实现温度的无“死区”控制。但该温控系统仅能在很小一部分温度范围下才能使TEC正常工作，因此，需要一种高精度温控系统需要在较大温度范围内工作，使得该系统有较强的环境适应性，以满足在不同温度环境下混沌激光器的正常工作。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种面向混沌半导体激光器的大范围高精度温度控制系统，该发明根据混沌半导体激光器所需电流的大小确定并联温度控制模块的个数，采用两个或多个温度控制模块并联的方式增大TEC驱动电流，从而增大激光器温度工作范围；利用可编程数字电位器控制激光器温度控制芯片工作，精准调节通过TEC最大电压和最大电流，对TEC起到有效的保护作用。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一种面向混沌半导体激光器的大范围高精度温度控制系统，包括控制器STM32、用于驱动半导体制冷片的温度控制模块、半导体制冷片及其保护装置，半导体制冷片连接温度控制模块，通过温度控制模块内H桥中的MOS管电路驱动；半导体制冷片的保护装置包括若干双通道的可编程电位器，可编程电位器通过温度控制模块与半导体制冷片连接。
进一步，温度控制模块包括至少两个半导体制冷片控制器，半导体制冷片控制器并联，半导体制冷片控制器的输出的引脚SFB均连接半导体制冷片正极TEC+，半导体制冷片控制器的输出引脚LDR均连接半导体制冷片负极TEC-，每个半导体制冷片控制器的用于设置冷却和加热半导体制冷片电压限制的引脚VLIM与可编程数字电位器1内部的引脚B1连接，半导体制冷片控制器的用于设置半导体制冷片冷却和加热电流限制的引脚ILIM与可编程数字电位器2内部的引脚B1连接。
进一步，半导体制冷片控制器连接的两个可编程数字电位器的引脚W1均连接2.5V电压，可编程数字电位器1的引脚W2悬空，可编程数字电位器1引脚B1通过电阻RV2接地，可编程数字电位器1的引脚B2悬空；可编程数字电位器2的引脚W2与自身引脚B1连接，可编程数字电位器2的引脚B2接地。
进一步，可编程数字电位器的第一内部通道的阻值与半导体制冷片在最大制冷电压和最大制热电压相等时对应电压如表1。
进一步，可编程数字电位器的第二内部通道的阻值与半导体制冷片在最大制冷电流和最大制热电流相等时对应电流如表2。
综上所述，发明具有以下有益效果：
本发明并联的两路或多路温度控制器，经过芯片H桥内部的MOS管产生半导体制冷片的驱动电流，使得温控系统不再受限于单路2.5V电压，电流电压的增大使得控制系统温度跨度增大，从而并联温度控制模块增大了激光器正常工作的温度范围；温度控制器内部采用模糊PID算法，动态调节PID参数，使得参数组合有效纠正实时温度和目标温度之间的温度差，形成多个温度范围区间使得TEC可以在多种环境下正常工作，增强半导体激光器环境适应性；TEC保护装置利用双通道可编程电位器连接温度控制模块构成，通过软件编程使得可编程数字电位器内部电阻呈一定关系，数字精准调节TEC制冷和制热功能，精确调节通过TEC最大电压和最大电流，对TEC起到有效的保护作用。
附图说明
图1为本发明的系统原理框图。
图2为本发明的温度控制器并联装置图。
图3为本发明的TEC与一个温度控制模块连接示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1~3所示，本发明公开了一种面向混沌半导体激光器的大范围高精度温度控制系统，包括控制器STM32、用于驱动半导体制冷片的温度控制模块、半导体制冷片及其保护装置，半导体制冷片通过温度控制模块内H桥中的MOS管电路驱动，半导体制冷片连接温度控制模块；半导体制冷片的保护装置包括若干双通道的可编程电位器，可编程电位器通过温度控制模块与半导体制冷片连接；温度控制模块包括至少两个半导体制冷片控制器，半导体制冷片控制器并联，半导体制冷片控制器的输出的引脚SFB均连接半导体制冷片正极TEC+，半导体制冷片控制器的输出引脚LDR均连接半导体制冷片负极TEC-，每个半导体制冷片控制器的用于设置冷却和加热半导体制冷片电压限制的引脚VLIM与可编程数字电位器1内部的引脚B1连接，半导体制冷片控制器的用于设置半导体制冷片冷却和加热电流限制的引脚ILIM与可编程数字电位器2内部的引脚B1连接。
半导体制冷片控制器连接的两个可编程数字电位器的引脚W1均连接2.5V电压，可编程数字电位器1的引脚W2悬空，可编程数字电位器1引脚B1通过电阻RV2接地，可编程数字电位器1的引脚B2悬空；可编程数字电位器2的引脚W2与自身引脚B1连接，可编程数字电位器2的引脚B2接地。
温度控制模块通过控制激光器内部集成的半导体制冷片，实现控制激光器的工作温度，温度控制模块采用两个或多个半导体制冷片控制器与同一TEC并联的连接方式，半导体制冷片控制器可选用芯片ADN8835，图3中所示为TEC与一个半导体制冷片控制器连接的示意图，TEC并联两个或多个半导体制冷片控制器的连接方式与图3所示连接方式相同，半导体制冷片控制器的驱动电压通过控制STM32控制器内部DAC提供，DAC输出端通过电压跟随器降低其输出阻抗，为ADN8835提供稳定、高精度的驱动电压，并联后增大了TEC的驱动电流，增大了TEC工作温度范围；ADN8835内部通过模糊PID算法，将实时温度和设置温度差值运算，动态调节P、I、D参数，根据实际需求选择若干合适的参数范围进行控制，精准有效的进行温度补偿，扩大激光器工作温度范围，提高激光器对工作环境的适应性，实现对混沌半导体激光器大范围高精度的温度控制；TEC保护装置利用双通道可编程数字电位器与ADN8835连接组成，采用IIC通信方式驱动AD5173工作，能够实现数字调节经过TEC最大电压和最大电流，对TEC起到保护作用，从而保证了混沌半导体激光器的正常工作。
图2为TEC保护装置，可编程电位器采用AD5173（100K），通过可编程电位器调节经过TEC的最大电压和最大电流大小。AD5173是双通道、256位、一次性可编程(OTP)数字电位器，该芯片的AD0和AD1为可编程地址位，可通过改变其外接高低电平的高低，然后在程序设定对应地址位的信号电平，即可实现对目标电位器的控制。如电路中将AD0和AD1引脚分别外接3.3 V（即高电平）和GND（即低电平），程序中设定信号分别为“1”和“0”，即可控制该芯片独立工作。A1、B1、W1为可编程数字电位器的三端，其中W1为分压端。温度控制系统采用单片机STM32为控制器，通过内部12位DAC驱动ADN8835工作，调节激光器目标温度。ADN8835采用IIC通信方式驱动AD5173工作，调节通过TEC最大电压和最大电流。
输出到TEC两端的最大电压可以根据制冷或制热分为VTEC_MAX_COOLING和VTEC_MAX_HEATING，VTEC_MAX_COOLING满足如下公式：
VTEC_MAX_COOLING=2VREF×（RV2 /（RV1-RV2））
式中VREF=2.5 V，RV1、RV2为设置电压的AD5173内部通道1和通道2的阻值，。制冷模式下TEC的最大电压值总是比制热模式下的最大电压值大，只需考虑制冷模式下TEC最大电压VTEC_MAX_COOLING不超过TEC允许的最大工作电压，就能实现TEC工作最大电压不超过允许值，实现混沌激光器的保护作用。表1为通过TEC最大电压参数设定表格，RV2为固定值10 kΩ，只需改变RV1的阻值即可调节通过TEC的最大电压值。
表1
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE002
通过TEC的最大电流值根据制热与制冷两种模式可以分为ITEC_MAX_COOLING和ITEC_MAX_HEATING,它们与ILIM引脚输入电压的关系符合下列公式：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE004
式中，VREF=2.5 V，ILIMC=40 μA，RCS=0.285 V/A，RC1和RC2分别为设置电流的AD5173内部通道1和通道2的阻值。表2为通过TEC最大电流参数设定表格，按照表2设置RC1和RC2的阻值即可实现通过TEC最大制冷电流和制热电流相等，保证在制冷条件和制热条件下最大电流和最大电压相同才能实现保护TEC，制冷或是制热只是一定阻值对应的电流，通过电流调节温度，当激光器温度大于正常工作温度，TEC制冷；当激光器温度小于正常工作温度，TEC制热。电阻的关系才能使得制冷和制热电流和电压保持一致。
表2
Figure DEST_PATH_IMAGE006
表中RV1和TEC最大制冷制热电压的对应关系、RC1、RC2和TEC最大制冷制热电流的对应关系表明一定电压或电流对应的阻值可以通过编程换算为相应的数值控制数字电位器的值，从而改变通过TEC的最大电流和电压，TEC不易被超限电流或电压击穿导致损坏，更好的保护了TEC。
TEC保护装置利用双通道可编程电位器连接温度控制模块构成，通过软件编程使得可编程数字电位器内部电阻呈一定关系，如表1和表2所示，数字精准调节TEC制冷和制热功能。
本发明有效扩大了混沌半导体激光器的工作温度范围和提高了工作精度，使得激光器环境适应性增强，同时有效保护了TEC工作的安全性，保证了激光器在各种环境温度下的安全工作。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种面向混沌半导体激光器的大范围高精度温度控制系统，包括控制器STM32、用于驱动半导体制冷片的温度控制模块、半导体制冷片及其保护装置，其特征在于：所述半导体制冷片连接温度控制模块，通过温度控制模块内H桥中的MOS管电路驱动；
所述半导体制冷片的保护装置包括若干双通道的可编程电位器，可编程电位器通过温度控制模块与半导体制冷片连接。
2.根据权利要求1所述的面向混沌半导体激光器的大范围高精度温度控制系统，其特征在于：所述温度控制模块包括至少两个半导体制冷片控制器，半导体制冷片控制器并联，半导体制冷片控制器的输出的引脚SFB均连接半导体制冷片正极TEC+，半导体制冷片控制器的输出引脚LDR均连接半导体制冷片负极TEC-，每个半导体制冷片控制器的用于设置冷却和加热半导体制冷片电压限制的引脚VLIM与可编程数字电位器1内部的引脚B1连接，半导体制冷片控制器的用于设置半导体制冷片冷却和加热电流限制的引脚ILIM与可编程数字电位器2内部的引脚B1连接。
3.根据权利要求2所述的面向混沌半导体激光器的大范围高精度温度控制系统，其特征在于：所述半导体制冷片控制器连接的两个可编程数字电位器的引脚W1均连接2.5V电压，可编程数字电位器1的引脚W2悬空，可编程数字电位器1引脚B1通过电阻RV2接地，可编程数字电位器1的引脚B2悬空；可编程数字电位器2的引脚W2与自身引脚B1连接，可编程数字电位器2的引脚B2接地。
4. 根据权利要求3所述的面向混沌半导体激光器的大范围高精度温度控制系统，其特征在于：所述可编程数字电位器的第一内部通道的阻值与半导体制冷片在最大制冷电压和最大制热电压相等时对应电压如表1：
表1
Figure DEST_PATH_IMAGE002
。
5. 根据权利要求3所述的面向混沌半导体激光器的大范围高精度温度控制系统，其特征在于：所述可编程数字电位器的第二内部通道的阻值与半导体制冷片在最大制冷电流和最大制热电流相等时对应电流如表2：
表2
Figure DEST_PATH_IMAGE004
。
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