CN202487965U - 一种半导体激光器温度控制电路 - Google Patents

Abstract

一种半导体激光器温度控制电路，设有级联的减法电路和限幅放大器，以及级联的绝对值电路、恒流电路和全桥电路，且限幅放大器的输出端也与全桥电路的输入端连接，全桥电路的两个桥臂中点与半导体致冷器TEC的两端连接。本实用新型采用全桥电路改变TEC的电流方向，可以完全利用TEC的吸热和放热特性，采用限幅放大器、绝对值电路和恒流电路，使实际温度接近参考温度时，逐渐减小TEC的电流，减小在温度控制点发生温度过冲现象，有效提高激光器输出的稳定性，其温差值大于设定温差值时，输出为固定限幅值，此时恒流电路输出TEC的额定电流，吸热和放热相同。在环境温度低于设定温度时有加热功能，激光器在低温环境中可快速达到稳定输出。

Description

一种半导体激光器温度控制电路

技术领域

本实用新型涉及温度控制，特别是涉及一种半导体激光器温度控制电路。

背景技术

半导体激光器模块组件的温度波动直接影响输出激光的稳定性。现有常见的温度控制电路如图1所示，其中半导体致冷器(ThermoelectricCooler，缩略词为TEC)是利用半导体材料的珀尔帖效应制成的。当半导体激光器模块工作时，模块内部温度上升，其内部温度传感器输出电压随温度而上升，传送到比较器同相输入端A点的电压上升，当激光模块内部的温度升高至某一设定温度时，其传送到比较器同相输入端A点的电压高于比较器反相输入端B点的参考电压，比较器翻转，输出正电压，开关管导通，TEC中流过电流，TEC与激光模块的接触端面开始吸热，激光模块内聚集的热量通过热传递由TEC带走；当激光模块内部的温度低于设定温度时，比较器再次翻转，输出端输出负电压，开关管截止，TEC中无电流流过，停止吸热，激光模块内部温度又开始聚集，当温度再高于设定温度时，比较器再次翻转，开关管导通，TEC吸热，如此不断反复。这种电路的缺点是：TEC电流不可控制，随电源电压VCC波动；开关管导通与截止会造成冲击浪涌电流，降低TEC的使用寿命；由于热传递的延迟，会在温度控制点发生温度过冲现象，影响激光器的稳定性；当环境温度低于设定温度时，不能完全利用TEC在改变电流方向时，吸热方向改变的特性，导致激光器在低温环境中工作时，只能通过激光器本身的阈值电流缓慢升温，达到稳定输出的时间较长。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是弥补上述现有技术的缺陷，提供一种改进的半导体激光器温度控制电路。

本实用新型的技术问题通过以下技术方案予以解决。

这种半导体激光器温度控制电路的特点是：

设有级联的减法电路和限幅放大器，以及级联的绝对值电路、恒流电路和全桥电路，且所述限幅放大器的输出端也与所述全桥电路的输入端连接，所述全桥电路的两个桥臂中点与半导体致冷器TEC的两端连接，向所述TEC提供正向或负向电流，TEC中流过正向电流时，TEC与激光模块接触的端面吸热，TEC中流过负向电流时，TEC与激光模块接触的端面放热。

本实用新型的技术问题通过以下进一步的技术方案予以解决。

所述减法电路是包括第二运算放大器的典型减法电路，用于将温度参考电压信号和半导体激光模块实际温度电压信号相减后的差值送入所述限幅放大器。

所述限幅放大器是包括第三运算放大器和双向齐纳二极管的典型限幅放大电路，用于将减法电路送来的电压信号限幅放大，并将信号送入绝对值电路和全桥电路。

所述绝对值电路是包括第四运算放大器、第五运算放大器和连接在第四运算放大器输出端与第五运算放大器正相输入端之间的正向二极管的典型绝对值电路，用于将所述限幅放大器送来的电压信号转换成恒流电路需要的正值电压信号。

所述恒流电路是包括第六运算放大器、开关管和反馈电容C1的典型恒流电路，用于由所述绝对值电路送来的电压信号控制所述TEC的电流大小。

所述全桥电路是包括第七运算放大器、稳压二极管、驱动电路和四只开关管的典型全桥电路，用于由所述限幅放大器送来的电压信号控制所述全桥电路实时改变所述TEC的电流方向，使得TEC兼具吸热与加热功能。

本实用新型与现有技术对比的有益效果是：

本实用新型采用全桥电路改变TEC的电流方向，可以完全利用TEC的吸热和放热特性，采用限幅放大器、绝对值电路和恒流电路，使实际温度接近参考温度时，逐渐减小TEC的电流，减小在温度控制点发生温度过冲现象，有效提高激光器输出的稳定性，其温差值大于设定温差值时，输出为固定限幅值，此时恒流电路输出TEC的额定电流，吸热和放热相同。在环境温度低于设定温度时有加热功能，激光器在低温环境中可快速达到稳定输出。

附图说明

图1是现有半导体激光器温度控制电路图；

图2是本实用新型具体实施方式的电路组成方框图；

图3是本实用新型具体实施方式的电路图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式并对照附图对本实用新型进行说明。

一种如图2、3所示的半导体激光器温度控制电路，包括型号为TEC1-12708T125的半导体致冷器TEC 6，设有级联的减法电路1和限幅放大器2，以及级联的绝对值电路3、恒流电路4和全桥电路5，且限幅放大器2的输出端也与全桥电路5的输入端连接，全桥电路5的两个桥臂中点与TEC 6的两端连接，向TEC 6提供正向或负向电流，TEC 6中流过正向电流时，TEC 6与激光模块接触的端面吸热，TEC 6中流过负向电流时，TEC 6与激光模块接触的端面放热。

减法电路1是由型号为LM324的第二运算放大器U2、精度为千分之一的高精密电阻R1、R2、R3、R4组成的典型减法电路。用于将温度参考电压信号A和半导体激光模块实际温度电压信号B通过第二运算放大器U2相减之后由C点输出至限幅放大器2。

限幅放大器2是由型号为LM324的第三运算放大器U3、电阻R5、R6、R7和双向齐纳二极管D1组成的典型限幅放大电路。C点电压由电阻R5输入第三运算放大器U3放大，经双向齐纳二极管D1限幅后，由D点分别输出至绝对值电路3和全桥电路5。限幅放大器2的限幅值UR0等于TEC6额定电流I乘以R0，UR0＝I×R0。

绝对值电路3是由型号为LM324的第四运算放大器U4、第五运算放大器U5、电阻R8、R9、R10、和连接在第四运算放大器输出端与第五运算放大器正相输入端之间的正向二极管D2组成的典型绝对值电路。当D点电压为正时，第四运算放大器U4工作在比较状态，其输出负电压由正向二极管D2反相隔离，D点电压由电阻R9输入第五运算放大器U5组成的电压跟随器，在E点跟随输出D点电压；当D点电压为负时，第四运算放大器U4工作在反相状态，输出D点的反相电压，经第五运算放大器U5作电压跟随，电阻R10反馈后，在E点得到D点的反相跟随电压，即将限幅放大器2送来的电压信号转换成恒流电路4需要的正值电压信号。

恒流电路4是由型号为LM324的第六运算放大器U6、开关管Q5、电阻R0、R11、R12、R13和反馈电容C1组成。E点的电压信号通过电阻R11，输入第六运算放大器U6放大，放大后的电压信号经过电阻R12送入开关管Q5的门极，开关管Q5导通，TEC 6中电流通过开关管Q5、电阻R0到GND，并在电阻R0上将此电流转换成电压信号，通过电阻R13反馈、反馈电容C1积分，使TEC 6电流稳定跟随E点的电压信号，即由绝对值电路3送来的电压信号控制TEC6的电流大小。

全桥电路5由型号为LM324的第七运算放大器U7、专用全桥驱动芯片U1、四只型号为IRFZ24的场效应开关管Q1、Q2、Q3、Q4、电阻R14、R15R17、滞回电阻R16和稳压二极管D3组成。D点输入第七运算放大器U7的电压信号，经过第七运算放大器U7比较后由电阻R17和稳压二极管D3限幅，当D点电压为正时F点得到高电平，驱动电路U1驱动场效应开关管Q2、Q3导通，场效应开关管Q1、Q4截止关断，TEC6电流由VCC经开关管Q3、H点、TEC6、G点、场效应开关管Q2、场效应开关管Q5、电阻R0流向GND；当D点电压为负时F点为低电平，专用全桥驱动芯片U1驱动场效应开关管Q1、Q4导通，场效应开关管Q2、Q3截止关断，TEC6电流由VCC经开关管Q1、G点、TEC 6、H点、场效应开关管Q4、场效应开关管Q5、电阻R0流向GND，即由限幅放大器2送来的电压信号控制全桥电路5实时改变所述TEC6的电流方向。由于在第七运算放大器U7的同相端和输出端接有滞回电阻R16，所以在D点电压为零时，F点有一个保持时期，以减少驱动的动作。

本具体实施方式进行温度控制的过程如下：

将温度参考电压信号送入电路接口A点，半导体激光模块实际温度电压信号送入电路接口B点，A、B点的电压信号通过减法电路1的第二运算放大器U2相减，差值信号通过C点送入限幅放大器2的第三运算放大器U3，放大后的电压信号由D点输出。

当参考温度设定为25℃，高于半导体激光模块实际温度时，D点输出正值信号，一路送入全桥电路5，第七运算放大器U7将D点送来的电压信号进一步放大，经电阻R17和稳压二极管D3限幅后送至F点，以满足专用全桥驱动芯片U1输入端高低电平的要求，当F点为高电平时，专用全桥驱动芯片U1驱动桥臂上的场效应开关管Q2和场效应开关管Q3导通，TEC6的电流由H点流向G点，实现向半导体激光模块放热的功能；另一路送入绝对值电路3，D点送来的正值信号或者负值信号经过第四运算放大器U4、第五运算放大器U5之后在E点得到绝对值信号，送入下级恒流电路4中作为参考电平，TEC6的电流流向为VCC→Q3→H→TEC6→G→Q2→Q5→R0→GND，TEC6向半导体激光模块满功率高速供热。

当半导体激光模块实际温度达到33℃，高于参考温度25℃时，D点输出负值信号，F点为低电平，专用全桥驱动芯片U1驱动桥臂上的场效应开关管Q1和场效应开关管Q4导通，TEC6的电流由G点流向H点，实现向半导体激光模块吸热的功能；D点送入绝对值电路3的信号，在E点获得正值信号，通过R11送入第六运算放大器U6作恒流电路的参考电平，此时TEC6的电流流向为VCC→Q1→G→-TEC6→H→Q4→Q5→R0→GND，TEC6向半导体激光模块满功率高速吸热，当半导体激光模块实际温度快速降低到27℃时，TEC6的电流将开始逐渐减小，直致半导体激光模块实际温度等于设定温度25℃。

只要合理调整限幅放大器2的限幅值，本具体实施方式的电路可完全避免发生半导体激光模块在工作时温度过冲的现象，使温度控制更加平稳，精度更高。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本实用新型由所提交的权利要求书确定的专利保护范围。

Claims (6)

1.一种半导体激光器温度控制电路，其特征在于：

设有级联的减法电路和限幅放大器，以及级联的绝对值电路、恒流电路和全桥电路，且所述限幅放大器的输出端也与所述全桥电路的输入端连接，所述全桥电路的两个桥臂中点与半导体致冷器TEC的两端连接。

2.如权利要求1所述的半导体激光器温度控制电路，其特征在于：

所述减法电路是包括第二运算放大器的典型减法电路。

3.如权利要求1或2所述的半导体激光器温度控制电路，其特征在于：

所述限幅放大器是包括第三运算放大器和双向齐纳二极管的典型限幅放大电路。

4.如权利要求3所述的半导体激光器温度控制电路，其特征在于：

所述绝对值电路是包括第四运算放大器、第五运算放大器和连接在第四运算放大器输出端与第五运算放大器正相输入端之间的正向二极管的典型绝对值电路。

5.如权利要求4所述的半导体激光器温度控制电路，其特征在于：

所述恒流电路是包括第六运算放大器、开关管和反馈电容C1的典型恒流电路。

6.如权利要求5所述的半导体激光器温度控制电路，其特征在于：

所述全桥电路是包括第七运算放大器、稳压二极管、驱动电路和四只开关管的典型全桥电路。

Images