CN204215291U - 一种基于tec的激光器温度控制电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于TEC的激光器温度控制电路。现在市面的温控系统主要形式有开关控制和大型的工业温度控制模块。本实用新型中的电源供电电路为温控芯片电路提供+5V的电源输入。温控芯片电路控制外围的TEC电流方向和大小，并接收惠斯登桥电路的反馈信号。NTC为惠斯登桥电路提供温度变化的反馈电阻。本实用新型用高精度的NTC作为温度传感器来测量温度信号，使用TEC作为执行单元为激光器制冷/加热。惠斯登电桥法测量电压差抑制了温度漂移，MAX1978芯片为电压差信号提供差分放大和TEC电流驱动。

Description

一种基于TEC的激光器温度控制电路

技术领域

本实用新型属于温度控制的技术领域，具体涉及一种基于TEC的激光器温度控制电路。

背景技术

 半导体激光器以其效率高、体积小、重量轻、价格低廉等特点在军事、医疗、通讯等领域发挥着无可替代的作用。由于此类激光器工作时需要保持高稳定的恒温状态来确保它的输出功率和波长，使激光器更加稳定。所以设计高集成度、体积小、高稳定度的温度控制系统成为亟待解决的问题。

现在市面的温控系统主要形式有开关控制和大型的工业温度控制模块。其中利用开关控制温度具有简单方便，容易操作的特点，但也存在一定的局限性即温度存在波动大，不能稳定在设定值上的现象。而大型的工业温度控制模块精度高，稳定性好，但价格贵，体积庞大不适合应用在激光器等小型器件上。由于激光器的注入电流和温度变化都会引起激光器的功率和波长的变化。为了保证较高的调制频率和调制精度，对激光器进行电流调制时，必须保证激光器能工作在恒温状态，通过预置工作温度来完成对激光器中心波长的设定。当电流恒定时温度每升高1℃，激光器波长增加约0.1nm。

发明内容

本实用新型针对现有技术的不足，提供了一种一种基于TEC的激光器温度控制电路。

本实用新型包括电源供电电路、惠斯登桥电路和温控芯片电路。

所述的电源供电电路包括电源转换芯片IC2、2个电解电容C23和C24、2个钽电容C19和C47、稳压管D5、发光二极管LED1、4个瓷片电容C18、C28、C29和C46、3个功率电感L3、L4和L5、电阻R28和R27。电源转换芯片IC2的1脚为输入端，与电解电容C23的正极连接，电源转换芯片IC2的2脚为输出端，与稳压管D5的阴极和电感L3的一端连接，电源转换芯片IC1的4脚与电感L3的另一端和电解电容C24的正极连接，电解电容C23和C24的负极、电源转换芯片IC2的3和5脚、稳压管D5的阳极接数字地。电感L4的一端和瓷片电容C28的一端、电感L5的一端和瓷片电容C29的一端同时与电源转换芯片IC2的+5V输出连接，电感L4的另一端与钽电容C19的正极和瓷片电容C18的一端连接，钽电容C19的负极、瓷片电容C18的另一端和电阻R27的一端接模拟地，电阻R27的另一端和瓷片电容C28的另一端接数字地，电感L5的另一端与钽电容C47的正极和瓷片电容C47的一端连接，瓷片电容C29、C46和钽电容C47的另一端接数字地。

所述的惠斯登桥电路包括5个固定值电阻R31、R33、R34、R36和R37、1个可变电阻器R32和2个接口P1、P3。电阻R31和R34的公共端、接口P1的2脚与温控芯片IC1的46脚连接，电阻R31的另一端与电阻R37的另一端、接口P1的1脚和可变电阻器R32的一端连接，可变电阻器R32的另一端与电阻R33的一端连接，电阻R33的另一端、接口P3的2脚与数字地连接，电阻R34的另一端与电阻R36的另一端和接口P3的1脚连接，其中接口P3与NTC负温度系数电阻的两端连接。

所述的温控芯片电路包括温控芯片IC1及其外围电路。温控芯片IC1的7脚、10脚、27脚、30脚和44脚与电源供电电路中的钽电容C19的正极连接，3脚、5脚、33脚和34脚接模拟地，16脚、25脚、26脚、42脚和43脚接数字地；主控芯片IC1的1脚与功率电感L2的一端和瓷片电容C1、C12的一端以及接口P2的1脚连接，4脚、6脚和9脚与功率电感L2的另一端连接，瓷片电容C12另一端接模拟地；瓷片电容C11一端与温控芯片IC1的7脚和10脚连接，瓷片电容C6一端与温控芯片IC1的27脚和30脚连接，瓷片电容C4一端与温控芯片IC1的38脚连接，瓷片电容C3一端与温控芯片IC1的44脚连接，瓷片电容C11和C6另一端接模拟地、C3和C4的另一端接数字地；温控芯片IC1的11脚与电阻R8的一端和选择开关P4的一端连接，电阻R8的另一端与电源供电电路中的钽电容C47的正极连接，选择开关P4的另一端接数字地；温控芯片IC1的12脚与发光二极管D3的阴极连接，13脚与发光二极管D2的阴极连接，发光二极管的D2和D3的阳极与电阻R7的一端和接口JP2的4脚连接，电阻R7的另一端与电源供电电路中的钽电容C47的正极连接；温控芯片IC1的14脚与瓷片电容C9、C10和接口JP2的3脚连接，温控芯片IC1的15脚与瓷片电容C10的另一端、电阻R16的一端和瓷片电容C8、电阻R14的公共端连接，瓷片电容C19的另一端与电阻R16的另一端连接；温控芯片IC1的17脚与电阻R18和R14的公共端连接，电阻R18的另一端与瓷片电容C8的另一端连接 ；温控芯片IC1的18脚、19脚分别与惠斯登桥电路中的电阻R36、R37的一端连接；温控芯片IC1的20脚与电阻R12的一端连接，温控芯片IC1的23脚与电阻R12的另一端、瓷片电容C16和电阻R9的一个公共端连接，温控芯片IC1的24脚与瓷片电容C16和电阻R9的另一公共端、接口JP2的2脚连接；温控芯片IC1的22脚与电阻R10和电阻R11的公共端连接，瓷片电容C17的一端与电阻R10的另一端和温控芯片IC1的46脚连接，瓷片电容C17的另一端与电阻R11和数字地连接；温控芯片IC1的28脚、31脚和33脚与功率电感L1的一端连接，功率电感L1的另一端与瓷片电容C7的一端连接，瓷片电容C7的另一端接模拟地；温控芯片IC1的36脚与选择开关P5的2脚和数字地连接，选择开关P5的1脚与电阻R6的一端连接，电阻R6的另一端与电源供电电路中的钽电容C47的正极连接；温控芯片IC1的37脚与接口JP2的1脚连接；温控芯片IC1的39脚、40脚与电阻R4和R5的公共端连接，温控芯片IC1的41脚与电阻R2和R3的公共端连接，电阻R2和R4的公共端与温控芯片IC1的46脚连接，电阻R3和R5的公共端接数字地；温控芯片IC1的45脚与电阻R17和瓷片电容C13的一端连接，瓷片电容C13的另一端与数字地连接，电阻R17的另一端与接口JP2的3脚连接；温控芯片IC1的46脚与瓷片电容C2的一端连接，瓷片电容C2的另一端与数字地连接；温控芯片IC1的47脚与瓷片电容C1的另一端、电阻R1的一端、功率电感L1和瓷片电容C7的公共端连接；温控芯片IC1的48脚与电阻R1的另一端和接口P2的2脚连接，其中接口P2与TEC半导体制冷/热片连接。

本实用新型中的电源转换芯片IC2、温控芯片IC1，均采用成熟产品。其中电源转换芯片IC2采用NI公司的电源降压稳压芯片LM2576，温控芯片IC1采用MAIX公司的MAX1978。

本实用新型的有益效果：采用高精度的NTC作为温度传感器来测量温度信号，使用TEC作为执行单元为激光器制冷/加热。惠斯登电桥法测量电压差抑制了温度漂移，MAX1978芯片为电压差信号提供差分放大和TEC电流驱动。建立半导体制冷器模型，实测系统的制冷制热效果。稳定度 5m℃。预置温度10～50℃范围内可调，且PID控制调温过程快速稳定。

附图说明

图1为本实用新型的整体电路示意图；

图2为图1中的电源供电电路示意图；

图3为图1中的惠斯登桥电路示意图；

图4为图1中的温控芯片及其外围电路示意图。

具体实施方式

本实用新型包括温控芯片电路1、电源供电电路2、惠斯登桥电路3。

如图1所示，电源供电电路2为温控芯片电路1提供+5V的电源输入。温控芯片电路2控制外围的TEC电流方向和大小，并接收惠斯登桥电路3的反馈信号。NTC为惠斯登桥电路3提供温度变化的反馈电阻。

如图2所示，电源供电电路包括电源转换芯片IC2、2个电解电容C23和C24、2个钽电容C19和C47、稳压管D5、发光二极管LED1、4个瓷片电容C18、C28、C29和C46、3个功率电感L3、L4和L5、电阻R28和R27。电源转换芯片IC2的1脚为输入端，与电解电容C23的正极连接，电源转换芯片IC2的2脚为输出端，与稳压管D5的阴极和电感L3的一端连接，电源转换芯片IC1的4脚与电感L3的另一端和电解电容C24的正极连接，电解电容C23和C24、电源转换芯片IC2的3和5脚、稳压管D5的阳极接数字地。电感L4的一端和瓷片电容C28的一端、电感L5的一端和瓷片电容的一端同时与电源转换芯片的+5V输出连接，电感L4的另一端与钽电容C19的正极和瓷片电容C18的一端连接，钽电容C19的负极、瓷片电容C18的另一端和电阻R27的一端接模拟地，电阻R27的另一端和瓷片电容C28的另一端接数字地，电感L5的另一端与钽电容C47的正极和瓷片电容C47的一端连接，瓷片电容C29、C46和钽电容C47的另一端接数字地。

如图3所示，惠斯登桥电路包括5个固定值电阻R31、R33、R34、R36和R37、1个可变电阻器R32和2个接口P1、P3。电阻R31和R34的公共端、接口P1的2脚与温控芯片IC1的46脚连接，电阻R31的另一端与电阻R37的另一端、接口P1的1脚和可变电阻器R32的一端连接，可变电阻器R32的另一端与电阻R33的一端连接，电阻R33的另一端、接口P3的2脚与数字地连接，电阻R34的另一端与电阻R36的另一端和接口P3的1脚连接，其中接口P3与NTC负温度系数电阻的两端连接，该NTC负温度系数电阻为惠斯登电路提供随温度变化的反馈电阻信号，即电阻值随温度的升高而降低，且温度与电阻值一一对应。

如图4所示，温控芯片电路包括温控芯片IC1及其外围电路。温控芯片IC1的7脚、10脚、27脚、30脚和44脚与电源供电电路中的钽电容C19的正极连接，3脚、5脚、33脚和34脚接模拟地，16脚、25脚、26脚、42脚和43脚接数字地；主控芯片IC1的1脚与功率电感L2的一端和瓷片电容C1、C12的一端以及接口P2的1脚连接，4脚、6脚和9脚与功率电感L2的另一端连接，瓷片电容C12另一端接模拟地；瓷片电容C11一端与温控芯片IC1的7脚和10脚连接，瓷片电容C6一端与温控芯片IC1的27脚和30脚连接，瓷片电容C4一端与温控芯片IC1的38脚连接，瓷片电容C3一端与温控芯片IC1的44脚连接，瓷片电容C11和C6另一端接模拟地、C3和C4的另一端接数字地；温控芯片IC1的11脚与电阻R8的一端和选择开关P4的一端连接，电阻R8的另一端与电源供电电路中的钽电容C47的正极连接，选择开关P4的另一端接数字地；温控芯片IC1的12脚与发光二极管D3的阴极连接，13脚与发光二极管D2的阴极连接，发光二极管的D2和D3的阳极与电阻R7的一端和接口JP2的4脚连接，R7的另一端与电源供电电路中的钽电容C47的正极连接；温控芯片IC1的14脚与瓷片电容C9、C10和接口JP2的3脚连接，温控芯片IC1的15脚与瓷片电容C10的另一端、电阻R16的一端和瓷片电容C8、电阻R14的公共端连接，瓷片电容C19的另一端与电阻R16的另一端连接；温控芯片IC1的17脚与电阻R18和R14的公共端连接，电阻R18的另一端与瓷片电容C8的另一端连接 ；温控芯片IC1的18脚、19脚分别与惠斯登桥电路中的电阻R36、R37的一端连接；温控芯片IC1的20脚与电阻R12的一端连接，温控芯片IC1的23脚与电阻R12的另一端、瓷片电容C16和电阻R9的一个公共端连接，温控芯片IC1的24脚与瓷片电容C16和电阻R9的另一公共端、接口JP2的2脚连接；温控芯片IC1的22脚与电阻R10和电阻R11的公共端连接，瓷片电容C17的一端与电阻R10的另一端和温控芯片IC1的46脚连接，C17的另一端与电阻R11和数字地连接；温控芯片IC1的28脚、31脚和33脚与功率电感L1的一端连接，功率电感L1的另一端与瓷片电容C7的一端连接，瓷片电容C7的另一端接模拟地；温控芯片IC1的36脚与选择开关P5的2脚和数字地连接，选择开关P5的1脚与电阻R6的一端连接，电阻R6的另一端与电源供电电路中的钽电容C47的正极连接；温控芯片IC1的37脚与接口JP2的1脚连接；温控芯片IC1的39脚、40脚与电阻R4和R5的公共端连接，温控芯片IC1的41脚与电阻R2和R3的公共端连接，电阻R2和R4的公共端与温控芯片IC1的46脚连接，电阻R3和R5的公共端接数字地；温控芯片IC1的45脚与电阻R17和瓷片电容C13的一端连接，瓷片电容C13的另一端与数字地连接，电阻R17的另一端与接口JP2的3脚连接；温控芯片IC1的46脚与瓷片电容C2的一端连接，瓷片电容C2的另一端与数字地连接；温控芯片IC1的47脚与瓷片电容C1的另一端、电阻R1的一端、功率电感L1和瓷片电容C7的公共端连接；温控芯片IC1的48脚与电阻R1的另一端和接口P2的2脚连接。其中接口P2与TEC半导体制冷/热片连接，TEC的制冷/热的效率与流过它的电流成正比；TEC的制冷或者制热与电流的方向有关，如果电流正向流通，TEC制热，那么电流负向流通，则制冷。

本实用新型针对激光器需要保持在恒温状态来稳定输出功率和波长的特性，根据激光器的内部结构和制冷器工作特性，设计一种基于TEC的激光器温度控制电路。随着激光器在各个领域的广泛应用，该电路也将在激光器的温度控制中起到越来越重要的作用。

Claims (1)

1. 一种基于TEC的激光器温度控制电路，包括电源供电电路、惠斯登桥电路和温控芯片电路，其特征在于：

电源供电电路包括电源转换芯片IC2、2个电解电容C23和C24、2个钽电容C19和C47、稳压管D5、发光二极管LED1、4个瓷片电容C18、C28、C29和C46、3个功率电感L3、L4和L5、电阻R28和R27；电源转换芯片IC2的1脚为输入端，与电解电容C23的正极连接，电源转换芯片IC2的2脚为输出端，与稳压管D5的阴极和电感L3的一端连接，电源转换芯片IC1的4脚与电感L3的另一端和电解电容C24的正极连接，电解电容C23和C24的负极、电源转换芯片IC2的3和5脚、稳压管D5的阳极接数字地；电感L4的一端和瓷片电容C28的一端、电感L5的一端和瓷片电容C29的一端同时与电源转换芯片IC2的+5V输出连接，电感L4的另一端与钽电容C19的正极和瓷片电容C18的一端连接，钽电容C19的负极、瓷片电容C18的另一端和电阻R27的一端接模拟地，电阻R27的另一端和瓷片电容C28的另一端接数字地，电感L5的另一端与钽电容C47的正极和瓷片电容C47的一端连接，瓷片电容C29、C46和钽电容C47的另一端接数字地；

惠斯登桥电路包括5个固定值电阻R31、R33、R34、R36和R37、1个可变电阻器R32和2个接口P1、P3；电阻R31和R34的公共端、接口P1的2脚与温控芯片IC1的46脚连接，电阻R31的另一端与电阻R37的另一端、接口P1的1脚和可变电阻器R32的一端连接，可变电阻器R32的另一端与电阻R33的一端连接，电阻R33的另一端、接口P3的2脚与数字地连接，电阻R34的另一端与电阻R36的另一端和接口P3的1脚连接；其中接口P3与NTC负温度系数电阻的两端连接；

温控芯片电路包括温控芯片IC1及其外围电路；温控芯片IC1的7脚、10脚、27脚、30脚和44脚与电源供电电路中的钽电容C19的正极连接，3脚、5脚、33脚和34脚接模拟地，16脚、25脚、26脚、42脚和43脚接数字地；主控芯片IC1的1脚与功率电感L2的一端和瓷片电容C1、C12的一端以及接口P2的1脚连接，4脚、6脚和9脚与功率电感L2的另一端连接，瓷片电容C12另一端接模拟地；瓷片电容C11一端与温控芯片IC1的7脚和10脚连接，瓷片电容C6一端与温控芯片IC1的27脚和30脚连接，瓷片电容C4一端与温控芯片IC1的38脚连接，瓷片电容C3一端与温控芯片IC1的44脚连接，瓷片电容C11和C6另一端接模拟地、C3和C4的另一端接数字地；温控芯片IC1的11脚与电阻R8的一端和选择开关P4的一端连接，电阻R8的另一端与电源供电电路中的钽电容C47的正极连接，选择开关P4的另一端接数字地；温控芯片IC1的12脚与发光二极管D3的阴极连接，13脚与发光二极管D2的阴极连接，发光二极管的D2和D3的阳极与电阻R7的一端和接口JP2的4脚连接，电阻R7的另一端与电源供电电路中的钽电容C47的正极连接；温控芯片IC1的14脚与瓷片电容C9、C10和接口JP2的3脚连接，温控芯片IC1的15脚与瓷片电容C10的另一端、电阻R16的一端和瓷片电容C8、电阻R14的公共端连接，瓷片电容C19的另一端与电阻R16的另一端连接；温控芯片IC1的17脚与电阻R18和R14的公共端连接，电阻R18的另一端与瓷片电容C8的另一端连接 ；温控芯片IC1的18脚、19脚分别与惠斯登桥电路中的电阻R36、R37的一端连接；温控芯片IC1的20脚与电阻R12的一端连接，温控芯片IC1的23脚与电阻R12的另一端、瓷片电容C16和电阻R9的一个公共端连接，温控芯片IC1的24脚与瓷片电容C16和电阻R9的另一公共端、接口JP2的2脚连接；温控芯片IC1的22脚与电阻R10和电阻R11的公共端连接，瓷片电容C17的一端与电阻R10的另一端和温控芯片IC1的46脚连接，瓷片电容C17的另一端与电阻R11和数字地连接；温控芯片IC1的28脚、31脚和33脚与功率电感L1的一端连接，功率电感L1的另一端与瓷片电容C7的一端连接，瓷片电容C7的另一端接模拟地；温控芯片IC1的36脚与选择开关P5的2脚和数字地连接，选择开关P5的1脚与电阻R6的一端连接，电阻R6的另一端与电源供电电路中的钽电容C47的正极连接；温控芯片IC1的37脚与接口JP2的1脚连接；温控芯片IC1的39脚、40脚与电阻R4和R5的公共端连接，温控芯片IC1的41脚与电阻R2和R3的公共端连接，电阻R2和R4的公共端与温控芯片IC1的46脚连接，电阻R3和R5的公共端接数字地；温控芯片IC1的45脚与电阻R17和瓷片电容C13的一端连接，瓷片电容C13的另一端与数字地连接，电阻R17的另一端与接口JP2的3脚连接；温控芯片IC1的46脚与瓷片电容C2的一端连接，瓷片电容C2的另一端与数字地连接；温控芯片IC1的47脚与瓷片电容C1的另一端、电阻R1的一端、功率电感L1和瓷片电容C7的公共端连接；温控芯片IC1的48脚与电阻R1的另一端和接口P2的2脚连接；其中接口P2与TEC半导体制冷/热片连接；

所述的电源转换芯片IC2采用NI公司的电源降压稳压芯片LM2576，温控芯片IC1采用MAIX公司的MAX1978。