CN212619509U - 用于光纤激光器的半导体致冷器驱动控制电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种用于光纤激光器的半导体致冷器驱动控制电路，包括：采集模块，用于采集光纤激光器的工作温度信号；控制模块，与所述采集模块电性连接，用于根据工作温度信号，输出PWM信号；驱动模块，与所述控制模块电性连接，用以接收所述PWM信号，并根据所述PWM信号输出对应的驱动电压信号；半导体致冷器，与所述驱动模块电性连接，用以根据所述驱动电压信号对光纤激光器致冷或加热；所述采集模块、控制模块及驱动模块组成PID控制电路，用以控制所述半导体致冷器。本实用新型上述实施方式所公开的用于光纤激光器的半导体致冷器驱动控制电路能够控制达到TEC温度控制精度高、控制功率高及成本低的技术效果。

Description

用于光纤激光器的半导体致冷器驱动控制电路

技术领域

本实用新型涉及光纤激光器领域，特别是涉及一种用于光纤激光器的半导体致冷器驱动控制电路。

背景技术

光纤激光器(Fiber Laser)是指用掺稀土元素玻璃光纤作为增益介质的激光器，光纤激光器可在光纤放大器的基础上开发出来：在泵浦光的作用下光纤内极易形成高功率密度，造成激光工作物质的激光能级“粒子数反转”，当适当加入正反馈回路(构成谐振腔)便可形成激光振荡输出。

半导体致冷器(Thermo Electric Cooler，TEC)是利用半导体材料的珀尔帖效应制成的。所谓珀尔帖效应，是指当直流电流通过两种半导体材料组成的电偶时，其一端吸热，一端放热的现象。重掺杂的N型和P型的碲化铋主要用作TEC 的半导体材料，碲化铋元件采用电串联，并且是并行发热。TEC包括一些P型和N型对(组)，它们通过电极连在一起，并且夹在两个陶瓷电极之间；当有电流从TEC流过时，电流产生的热量会从TEC的一侧传到另一侧，在TEC上产生″热″侧和″冷″侧，这就是TEC的加热与致冷原理。

目前，在光纤激光器领域恒温技术被广泛应用，目前有两种方式控温，一种是水冷控制，另一种是TEC控制，但是水冷控制体积大成本高，TEC控制功率低，控制精度低，且专用的TEC芯片价格比较高。

实用新型内容

基于此，有必要针对上述现有针对光纤激光器的致冷控制成本高、控制精度低、功率低的问题，提供一种成本低、控制精度高、控制功率高的一种用于光纤激光器的半导体致冷器驱动控制电路。

一种用于光纤激光器的半导体致冷器驱动控制电路，包括：

采集模块，用于采集光纤激光器的工作温度信号；

控制模块，与所述采集模块电性连接，用于根据工作温度信号，输出PWM 信号；

驱动模块，与所述控制模块电性连接，用以接收所述PWM信号，并根据所述PWM信号输出对应的驱动电压信号；

半导体致冷器，与所述驱动模块电性连接，用以根据所述驱动电压信号对光纤激光器制冷或加热；

所述采集模块、控制模块及驱动模块组成PID控制电路，用以控制所述半导体致冷器。

在其中一个实施方式中，所述采集模块包括：

温度传感器，用以采集光纤激光器的温度信号；

及ADC采样电路，与所述温度传感器电性连接，用以将所述温度信号输出至所述控制模块；

在其中一个实施方式中，所述控制模块包括：

单片机控制芯片，用以接收温度控制信号，并将所述温度控制信号转换为 PWM信号。

在其中一个实施方式中，所述单片机控制芯片通过串行接口外接上位机。

在其中一个实施方式中，所述单片机控制芯片外接供电电压。

在其中一个实施方式中，所述驱动模块包括：

驱动电路，用以接收所述PWM信号，并将所述PWM信号放大；

全桥电路，与所述驱动电路电性连接，用以根据接收所述PWM信号，并根据所述PWM信号输出正向电压信号或反向电压信号，当转化为正向电压信号时，所述半导体致冷器处于制冷模式，当转化为反向电压信号时，所述半导体致冷器处于加热模式。

在其中一个实施方式中，所述控制模块择一输出第一PWM信号及第二 PWM信号，所述第一PWM信号输出至所述全桥电路的上桥，所述第二PWM 信号输出至所述全桥电路的下桥，当全桥电路的上桥接收到所述第一PWM信号时，所述驱动模块输出正向电压信号，当全桥电路的下桥接收到所述第二PWM 信号时，所述驱动模块输出反向电压信号。

在其中一个实施方式中，所述半导体致冷器的数量可以为两个或多个。

本实用新型上述实施方式所公开的用于光纤激光器的半导体致冷器驱动控制电路能够控制达到TEC温度控制精度高、控制功率高及成本低的技术效果。

附图说明

图1为本实用新型一优选实施方式的用于光纤激光器的半导体致冷器驱动控制电路的模块结构示意图；

图2为本实用新型一优选实施方式的用以光纤激光器的半导体致冷器驱动控制电路的全桥电路的电路示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如图1所示，本实用新型一优选实施方式公开了一种用于光纤激光器的半导体致冷器驱动控制电路100，该半导体致冷器驱动控制电路100包括采集模块 110、控制模块120、驱动模块130及半导体致冷器140。

具体地，上述采集模块110用于采集光纤激光器的工作温度信号。

本实施方式中，上述采集模块110包括温度传感器及ADC采样电路。

温度传感器用以采集光纤激光器的温度信号，详细地说，该温度传感器可以包括热敏电阻等。ADC采样电路，与所述温度传感器电性连接，经MCU信号处理后转化为计算机能够识别的信号，并输出至所述控制模块。

上述控制模块120与上述采集模块110电性连接，用于根据工作温度信号，输出PWM信号。详细地，上述控制模块120包括单片机控制芯片，用以接收温度控制信号，并将所述温度控制信号转换为PWM信号。

具体地，上述控制模块120包括单片机控制芯片，上述控制模块120利用上述单片机控制芯片，接收上述温度控制信号，并将上述温度控制信号转换为 PWM信号。

单片机控制芯片，用以接收温度控制信号，并将所述温度控制信号转换为 PWM信号。更详细地说，上述单片机控制芯片通过串行接口外接上位机。操作人员通过上位机设定预设温度，通过该串行接口将预设温度输入至上述单片机控制芯片。

上述单片机控制芯片外接供电电压，用以支持上述单片机控制芯片。

驱动模块130与所述控制模块120电性连接，用以接收所述PWM信号，并根据所述PWM信号输出对应的驱动电压信号。

结合图1及图2所示，具体地，上述驱动模块130包括驱动电路131及全桥电路132。

上述驱动电路131，用以接收上述控制模块120所发出的PWM信号，并将该PWM信号放大。本实施方式中，上述驱动电路131可以具有信号放大器，用以将该PWM信号进行放大。

上述全桥电路132与上述驱动电路131电性连接，用以根据经过驱动电路 131所放大的PWM信号，输出正向电压信号或反向电压信号，当转化为正向电压信号时，所述半导体致冷器处于制冷模式，当转化为反向电压信号时，所述半导体致冷器处于加热模式。

更详细地说，所述控制模块120择一输出第一PWM信号及第二PWM信号，该第一PWM信号及第二PWM信号都经过上述驱动电路131将信号进行放大。

上述第一PWM信号及第二PWM信号分别输出至全桥电路132的上桥及下桥，当全桥电路132接到上述第一PWM信号时，该全桥电路132输出正向电压。当全桥电路132的下桥接收到上述第二PWM信号时，该全桥电路132输出负向电压。

半导体致冷器140与所述驱动模块130电性连接，用以根据所述驱动电压信号对光纤激光器制冷或加热，具体地，上述半导体致冷器140与上述全桥电路132电性连接，当全桥电路132输出正向电压时，半导体致冷器140处于制冷模式，当上述全桥电路132输出负向电压时，半导体致冷器140处于制热模式。

本实施方式中，该半导体致冷器140可以为一个，也可以为多个。

上述采集模块110、控制模块120及驱动模块130组成PID控制电路，用以控制上述半导体致冷器，进而控制光纤激光器的温度。

具体地，采集模块110采集光纤激光器的温度，然后经过控制模块120处理后，输出具有一定占空比PWM信号，由于驱动模块130的全桥电路132与PWM的占空比成正比，PWM的占空比高，桥式电路输出到半导体致冷器上的电压也高，制冷或制热的功率就高，PWM的占空比低，桥式电路输出到TEC上的电压也低，TEC制冷或制热的功率也越低，由于该系统为闭环控制系统，PID 算法可以实时调整PWM的占空比，从而保证光纤激光器表面的温度在设定的范围内。

具体地，上述PID控制电路的控制原理为：

PID控制器是通过调节比例积分kp、积分时间Ti以及微分时间Td对系统进行控制。每一个参数都有不同的作用，通过三个参数与反馈量和期望值的误差计

算出控制量。误差定值e(t)

定义为：e(t)＝r(t)-y(t)

上式中，

r(t)为期望值，即串口设定，期望光纤激光器达到的温度

y(t)为反馈量，即ADC采集的光纤激光器实际的温度

PID控制器在获得误差值e(t)后进行数据处理，得到控制量u(t)，即PWM 的占空比，使得反馈量不断的向期望值逼近，达到期望的变化范围内。

PID控制规律公式如下：

ki＝kp/Ti、kd＝kp Td和kp分别是算法中积分、微分和比例的参数；

Td和Ti是积分和微分的时间系数

本实用新型上述实施方式所公开的用于光纤激光器的半导体致冷器驱动控制电路能够控制达到TEC温度控制精度高、控制功率高及成本低的技术效果。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本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，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种用于光纤激光器的半导体致冷器驱动控制电路，其特征在于，包括：

采集模块，用于采集光纤激光器的工作温度信号；

控制模块，与所述采集模块电性连接，用于根据工作温度信号，输出PWM信号；

驱动模块，与所述控制模块电性连接，用以接收所述PWM信号，并根据所述PWM信号输出对应的驱动电压信号；

半导体致冷器，与所述驱动模块电性连接，用以根据所述驱动电压信号对光纤激光器制冷或加热；

所述采集模块、控制模块及驱动模块组成PID控制电路，用以控制所述半导体致冷器。

2.根据权利要求1所述的半导体致冷器驱动控制电路，其特征在于，所述采集模块包括：

温度传感器，用以采集光纤激光器的温度信号；

及ADC采样电路，与所述温度传感器电性连接，用以将所述温度信号输出至所述控制模块。

3.根据权利要求1所述的半导体致冷器驱动控制电路，其特征在于，所述控制模块包括：

单片机控制芯片，用以接收温度控制信号，并将所述温度控制信号转换为PWM信号。

4.根据权利要求3所述的半导体致冷器驱动控制电路，其特征在于，所述单片机控制芯片通过串行接口外接上位机。

5.根据权利要求3所述的半导体致冷器驱动控制电路，其特征在于，所述单片机控制芯片外接供电电压。

6.根据权利要求1所述的半导体致冷器驱动控制电路，其特征在于，所述驱动模块包括：

驱动电路，用以接收所述PWM信号，并将所述PWM信号放大；

全桥电路，与所述驱动电路电性连接，用以根据所述PWM信号输出正向电压信号或反向电压信号，当转化为正向电压信号时，所述半导体致冷器处于制冷模式，当转化为反向电压信号时，所述半导体致冷器处于加热模式。

7.根据权利要求6所述的半导体致冷器驱动控制电路，其特征在于，所述控制模块择一输出第一PWM信号及第二PWM信号，所述第一PWM信号输出至所述全桥电路的上桥，所述第二PWM信号输出至所述全桥电路的下桥，当全桥电路的上桥接收到所述第一PWM信号时，所述驱动模块输出正向电压信号，当全桥电路的下桥接收到所述第二PWM信号时，所述驱动模块输出反向电压信号。

8.根据权利要求1所述的半导体致冷器驱动控制电路，其特征在于，所述半导体致冷器的数量可以为两个或多个。

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