CN203658877U - 一种半导体激光器温度控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种半导体激光器温度控制系统，包括：温度探测器、温度控制器和温度调节器；温度探测器设置在半导体激光器处；温度控制器与温度探测器连接；温度调节器设置在半导体激光器处，并与温度控制器连接。本实用新型是一种响应速度快、精度高、控温效果好、结构简单的温度控制系统。

Description

一种半导体激光器温度控制系统

技术领域

本实用新型涉及PID温度控制技术，尤其涉及一种半导体激光器温度控制系统。 

背景技术

半导体激光器具有体积小、重量轻、寿命长、转换效率高、功耗低等优点，激光显示(主要是激光投影)具有优异的色彩表现力、色域覆盖率可以达到NTSC制式规定色域的150％以上，采用激光半导体激光器的投影显示技术已成为最有前途的下一代显示技术之一。 

作为激光显示最核心的一部分，半导体激光器(LD)的稳定安全工作十分关键。激光器工作时，会有相当部分注入的电功率转化为热量。随着激光器的温度升高，输出波长、输出功率等都会受到影响，这会直接影响到整个显示系统的正常运行，因此，进行有效而精确的温度控制至关重要。一般激光半导体激光器投影机中所采用的半导体激光器有比较严格的工作温度要求，为了保证激光器能较长时间稳定工作，要将其工作温度精确控制在合适的范围内。 

半导体制冷器(TEC)是一种利用珀耳帖效应来调节温度的器件，既可以制冷又可以制热，具有结构简单、调节精确等优点，广泛适用于电子、通讯、医疗等各种领域的制冷装置，因此它是半导体激光器的温度调节模块的首选原件之一。TEC的驱动方法可分为线性驱动和脉冲宽度调制(PWM)驱动。传统使用的线性驱动虽然具有设计制造容易的优点，但功率效率低且控制精度不高。 

本实用新型克服了现有技术中线性驱动的半导体制冷器功率低且控制精度不高等缺陷，提出了一种半导体激光器温度控制系统。 

实用新型内容

本实用新型提出了一种半导体激光器温度控制系统，包括：温度探测器、温度控制器和温度调节器；所述温度探测器与所述温度调节器分别设置在半导体激光器处；所述温度控制器分别与所述温度探测器及所述温度调节器连接；所述温度控制器包括PID控制器与驱动部件；所述PID控制器的输入接口与所述温度探测器连接，所述PID控制器的输出接口与所述驱动部件的输入接口连接；所述驱动部件的输出接口与所述温度调节器连接。 

本实用新型提出的半导体激光器温度控制系统中，所述温度探测器包括温度传感器与放大电路；所述温度传感器设置在所述半导体激光器处；所述放大电路的输入接口与所述温度传感器连接，所述放大电路的输出接口与所述温度控制器连接。 

本实用新型提出的半导体激光器温度控制系统中，所述温度传感器为铂电阻温度传感器。 

本实用新型提出的半导体激光器温度控制系统中，所述PID控制器具有模数转换接口及 其功能模块。 

本实用新型提出的半导体激光器温度控制系统中，所述驱动部件为H桥电源驱动芯片。 

本实用新型提出的半导体激光器温度控制系统中，所述温度控制器进一步包括滤波部件；所述滤波部件的输入接口与所述驱动部件的输出接口连接，所述滤波部件的输出接口与所述温度调节器连接。 

本实用新型提出的半导体激光器温度控制系统中，所述温度调节器为半导体制冷器。 

本实用新型提出的半导体激光器温度控制系统中，所述半导体制冷器是由脉冲宽度调制驱动的。 

本实用新型主要针对激光投影机技术中，其核心器件半导体激光器的高要求温度稳定提出。本实用新型使用脉宽调制PWM的方式可以精确的控制TEC工作功率，使用PID控制器通过现有PID算法可以迅速调整占空比改变输出PWM波形，使用集成化H桥驱动部件可以简化系统结构。 

附图说明

图1为本实用新型半导体激光器温度控制系统框图。 

图2为本实用新型中温度探测器的电路图。 

图3为本实用新型中驱动部件的电路图。 

具体实施方式

结合以下具体实施例和附图，对本实用新型作进一步的详细说明。实施本实用新型的过程、条件、实验方法等，除以下专门提及的内容之外，均为本领域的普遍知识和公知常识，本实用新型没有特别限制内容。 

图1是本实用新型半导体激光器的系统框图，其包括温度探测器1、温度控制器2和温度调节器3。温度探测器1用于探测半导体激光器的温度生成探测信号。温度控制器2与温度探测器1连接，用于根据探测信号生成驱动信号。温度调节器3与温度调节器3连接，用于接收驱动信号并根据驱动信号调节半导体激光器的温度。 

温度探测器1由温度传感器11和放大电路12组成。温度传感器11种类繁多，常见的主要是热电偶、热敏电阻。热电偶简单通用，但并不适合高精度的测量和应用。热敏电阻体积小，响应快，精度高，非常适合需要进行快速和灵敏温度测量的电流控制应用。热敏电阻采集温度产生的变化很微弱，所以需要设置相应的放大电路12，放大电路12主要由仪表放大器组成。仪表放大器是一种精密差分电压放大器，它源于运算放大器，且优于运算放大器。仪表放大器具有高共模抑制比、高输入阻抗、低噪声、低线性误差、等优点，广泛应用于数 据采集、传感器信号放大和高速信号调节设备等方面。 

温度传感器11为铂电阻温度传感器，放大电路12为仪表放大器AD620。铂电阻温度传感器是利用金属铂(Pt)的电阻值随温度变化而线性变化的物理特性制作的热敏电阻，拥有精度高，稳定性好，应用温度范围广等优点，是中低温区最常用的一种温度传感器。选用在0℃时电阻阻值为100Ω的Pt100。Pt100的电阻变化率为0.3851Ω/℃，通过供给的恒定电流1mA并检测电压的变化来获得温度变化。电压变化差值很微弱只有mV级别，选用仪表放大器AD620实现将电压变化差值放大200倍。图2为温度探测器的电路图。 

温度控制器2主要由PID控制器21和驱动部件22构成。PID控制器21主要由ATmega16或具有相似功能支持模拟信号A/D转换的8位单片机实现。半导体激光器的温度数学模型具有不确定性，激光器的温度随注入电流大小的不同变化趋势会不同。因此选用PID控制来迅速调控不同工作状态下的激光器的温度。 

驱动部件22为PWM驱动电路。驱动部件22通过PWM波功率放大驱动温度调节器3正常工作。PWM驱动电路选用TI公司出品的DRV592。DRV592是一款高效率大电流的H桥电源驱动芯片，该芯片最大输出电流±3A，并带有过流保护和过温保护，适合于驱动各种型号的制冷片。进一步地，DRV592放大后的PWM波经过滤波部件23进而驱动TEC工作滤波部件23为LC电路滤波。图3为DRV592及其外围电路组成的PWM驱动部分。 

PID控制器21由ATmega16及其外围电路组成。ATmega16中有支持模拟信号输入的功能接口ADC(模数转换)，ADC功能单元通过逐次比较方式将输入端的模拟电压转换成10位数字量。通过在温度控制器2中配置相应寄存器，正确读取转换后的电压差值，利用注入电流为1mA算出电阻，并根据Pt100的变化特性算出温度值。 

温度控制器2选择现有的H桥驱动、PWM控制和集成信号放大的芯片可以简化本实用新型温度控制系统的结构。PID控制器调整后的PWM波输入PWM驱动部分，经过滤波部件23放大滤波后驱动温度调节器3完成温度控制。 

温度调节器3为半导体制冷器TEC，半导体制冷器的驱动方法可分为线性驱动和脉冲宽度调制PWM驱动。温度调节器3采用PWM驱动可以很明显的降低热量损耗且集成度高。 

本实施例中选用的半导体激光器工作范围为25±2℃，所以温度调节器3的目标温度T设置为25℃。温度传感器1感测半导体激光器的当前工作温度，将生成的模拟电压传输到PID控制器21中。PID控制器21将该模拟电压进行模数转换并计算器温度传感器1中热敏元件的电阻值，从而获得当前的工作温度Tn。PID控制器21将读入温度Tn与目标温度T的偏差作为PID控制的输入得到其PID调整量，驱动部件22根据该调整量生成PWM波占空比，得到驱动信号。驱动信号经过滤波部件23进行滤波后传输至温度调节器3，温度调节器3在驱 动信号的控制下进行调节半导体激光器所在工作环境的温度。 

本实用新型的保护内容不局限于以上实施例。在不背离实用新型构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本实用新型中，并且以所附的权利要求书为保护范围。 

Claims (8)

1.一种半导体激光器温度控制系统，其特征在于，包括：温度探测器(1)、温度控制器(2)和温度调节器(3)；所述温度探测器(1)与所述温度调节器(3)分别设置在半导体激光器处；所述温度控制器(2)分别与所述温度探测器(1)及所述温度调节器(3)连接；所述温度控制器(2)包括PID控制器(21)与驱动部件(22)；所述PID控制器(21)的输入接口与所述温度探测器(1)连接，所述PID控制器(21)的输出接口与所述驱动部件(22)的输入接口连接；所述驱动部件(22)的输出接口与所述温度调节器(3)连接。

2.如权利要求1所述的半导体激光器温度控制系统，其特征在于，所述温度探测器(1)包括温度传感器(11)与放大电路(12)；所述温度传感器(11)设置在所述半导体激光器处；所述放大电路(12)的输入接口与所述温度传感器(11)连接，所述放大电路(12)的输出接口与所述温度控制器(2)连接。

3.如权利要求2所述的半导体激光器温度控制系统，其特征在于，所述温度传感器(11)为铂电阻温度传感器。

4.如权利要求1所述的半导体激光器温度控制系统，其特征在于，所述PID控制器(21)具有模数转换接口及其功能模块。

5.如权利要求1所述的半导体激光器温度控制系统，其特征在于，所述驱动部件(22)为H桥电源驱动芯片。

6.如权利要求3所述的半导体激光器温度控制系统，其特征在于，所述温度控制器(2)进一步包括滤波部件(23)；所述滤波部件(23)的输入接口与所述驱动部件(22)的输出接口连接，所述滤波部件(23)的输出接口与所述温度调节器(3)连接。

7.如权利要求1所述的半导体激光器温度控制系统，其特征在于，所述温度调节器(3)为半导体制冷器。

8.如权利要求7所述的半导体激光器温度控制系统，其特征在于，所述半导体制冷器是由脉冲宽度调制驱动的。

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