DE69016251T2

DE69016251T2 - Temperatursteuerungssystem für Festkörperlichtquellen.

Info

Publication number: DE69016251T2
Application number: DE69016251T
Authority: DE
Inventors: Pasqualino Michele Visocchi
Original assignee: Northern Telecom Ltd
Current assignee: Nortel Networks Ltd
Priority date: 1989-04-27
Filing date: 1990-04-11
Publication date: 1995-05-24
Anticipated expiration: 2010-04-12
Also published as: GB8909669D0; GB2231176B; GB2231176A; DE69016251D1; EP0395259A2; EP0395259A3; EP0395259B1

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf ein Temperaturregelsystem, beispielsweise für einen Festkörper-Laser oder eine Leuchtdiode (LED) in einem Lichtwellenleiter-Übertragungssystem.
Lichtwellenleiter-Übertragungssysteme finden zunehmende Anwendung auf dem Gebiet der Fernmeldetechnik und Datenübertragung. Ein wesentliches Bauteil eines derartigen Systems ist die Lichtquelle, die durch einen Festkörper-Laser oder bei manchen Anwendungen durch eine Hochleistungs-Leuchtdiode gebildet ist. Die Lichtquelle erzeugt Licht mit einer einzigen Frequenz zur Übertragung über eine Lichtwellenleiterstrecke zu einem entfernt angeordneten Empfänger. Eine Information wird auf den optischen Träger durch eine entsprechende Modulation der Lichtquelle aufgeprägt.
Es ist in einem derartigen System erforderlich, sicherzustellen, daß die Wellenlänge der Lichtquelle konstant bleibt. Um dies zu erzielen, hat es sich als erforderlich herausgestellt, die Lichtquelle auf einer konstanten Temperatur zu halten. Üblicherweise wurde dies dadurch erzielt, daß die Lichtquelle in thermischen Kontakt mit Peltiereffekt-Bauteil gebracht wurde, das üblicherweise als Wärmepumpe bezeichnet wird. Dieses Bauteil umfaßt zwei voneinander verschiedene elektrisch leitende Materialien, die miteinander in Kontakt stehen. Der Durchgang eines elektrischen Stromes in einer Richtung durch die Grenzschicht zwischen den Materialen ruft ein Abkühlen des Grenzschichtbereiches hervor, während ein Durchgang eines Stromes in der entgegengesetzten Richtung eine Erwärmung hervorruft. Übliche Steuer-und Regelschaltungen zur Verwendung mit Peltiereffekt-Bauteilen umfassen im allgemeinen einen Strom lediglich einer Richtung liefernde Verstärker, die lediglich eine Kühlwirkung hervorrufen, so daß sich lediglich eine beschränkte Temperaturregelung ergibt. Eine weitere Form einer Temperaturregelung ist in der Patentschrift US-A1-4 571 728 beschrieben. Bei dieser Anordnung wird das Peltierelement mit Strom aus einer eine einzige Polarität aufweisenden Leistungsquelle über einen Brückenverstärker gespeist, der durch einen eine Temperaturabhängigkeit aufweisenden Widerstand gesteuert wird. Der Brückenverstärker bestimmt die Richtung des Stromes durch das Peltierelement.
Die Verwendung eines Peltiereffekt-Bauteils zur Erzielung einer Erwärmung und Abkühlung ist in der Literaturstelle von G. Meyer in Elektronik, Band 36, Nr.14, 10. Juli 1987, Seiten 82 bis 84 erläutert. Die Verwendung von selektiv einschaltbaren Operationsverstärkern zur Steuerung der Temperatur unter Verwendung eines Peltiereffekt-Bauteils ist in der Beschreibung der DE-A-2844 805 erläutert.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung einer genauen, kostengünstigen Temperaturregelungsanordnung.
Gemäß der Erfindung wird eine Temperaturregelschaltung für ein Peltiereffekt-Bauteil (Wärmepumpe) geschaffen, die erste und zweite Operationsverstärker (OPAMP 1, OPAMP 2), die jeweils einen invertierenden und einen nichtinvertierenden Eingang aufweisen, eine temperaturabhängige Spannungsquelle (Thermistor RT1), die thermisch mit dem Peltiereffekt-Bauteil gekoppelt und elektrisch mit dem nichtinvertierenden Eingang des ersten Operationsverstärkers und mit dem invertierenden Eingang des zweiten Operationsverstärkers verbunden ist, und Potentialteiler (R3, R4, R15, R16) einschließt, die mit den anderen Eingängen der Operationsverstärker verbunden sind, wobei die Schaltung so ausgebildet ist, daß eine Abweichung der Temperatur des Wärmepumpenbauteils von einer vorgegebenen Regeltemperatur bewirkt, daß der eine oder der andere der Operationsverstärker selektiv aktiviert wird, um einen Strom durch das Wärmepumpenbauteil in einer geeigneten Richtung zu ziehen, so daß eine Abkühlung oder Erwärmung des Bauteils in Richtung auf die vorgegebene Temperatur bewirkt wird, wobei die Schaltung dadurch gekennzeichnet ist, daß der Strom durch das Peltiereffekt-Bauteil in einer Richtung über erste und zweite Feldeffekttransistoren (TR1, TR2) gesteuert wird, die als nichtinvertierender Verstärker angeordnet sind und daß der Strom durch das Peltiereffekt-Bauteil in der anderen Richtung über dritte und vierte Feldeffekttransistoren TR3, TR4 geregelt wird, die als invertierender Verstärker angeordnet sind.
Eine Ausführungsform der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen die einzige Figur einen bidirektionalen Transkonduktanz- Verstärker zur Erzielung einer Temperaturregelung eines Peltiereffekt-Bauteils oder einer Wärmepumpe darstellt.
Gemäß der Zeichnung schließt die Temperaturregelverstärkerschaltung erste und zweite Operationsverstärker OPAMP1 und OPAMP2 ein, die jeweils in einer nichtlinearen Betriebsart betreibbar sind und jeweils auf den Widerstandswert eines Thermistors RT1 ansprechen. Wie dies in der Zeichnung gezeigt ist ist das Peltiereffekt-Bauteil oder die Wärmepumpe, auf der im Betrieb eine Festkörper-Lichtquelle befestigt ist, in einer parallelen Kaskaden-Kombination mit Feldeffekttransistoren TR1, TR2, TR3 und TR4 geschaltet. Der Durchgang eines elektrischen Stromes durch die Wärmepumpe in einer Richtung zur Erzielung einer Kühlwirkung wird durch den OPAMP1 zusammen mit den Transistoren TR1 und TR2 bewirkt, die als nichtinvertierender Verstärker geschaltet sind, während der Durchgang des Stromes durch die Wärmepumpe in der anderen Richtung zur Erzielung einer Wärmewirkung durch den OPAMP2 zusammen mit den Transistoren TR3 und TR4 bewirkt wird, die als invertierender Verstärker geschaltet sind. Der Thermistor RT1 und ein Widerstand R2 sind zwischen den negativen und positiven Versorgungsleitungen eingeschaltet und bilden eine temperaturabhängige Spannungsquelle, deren Ausgang V1 dem nichtinvertierenden Eingang des OPAMP 1 und dem invertierenden Eingang des OPAMP2 zugeführt wird. Die verbleibenden Eingänge der Operationsverstärker sind jeweils mit einer festen Spannungsquelle verbunden, die durch Potentialteiler R3, R4 beziehungsweise R15, R16 gebildet ist. Bei dieser Anordnung ist der Thermistor RT1 ein Bauteil mit negativem Temperaturkoeffizienten, und er ist in thermischen Kontakt mit der Wärmepumpe befestigt.
Die Widerstandswerte der drei Potentialteiler RT1, R2; R3, R4 und R15, R16 sind derart, daß bei einer vorgegebenen Umgebungstemperatur, beispielsweise 25 Grad Celsius, die Ausgangsbedingungen der beiden Verstärker OPAMP1 und OPAMP2 derart sind, daß die Transistoren TR1, TR2, TR3 und TR4 abgeschaltet sind, so daß eine Ausgangsspannung Voc und Voh, die im wesentlichen gleich der negativen Versorgungsspannung ist, dann an den Source-Anschlüssen der Transistoren TR2 beziehungsweise TR4 erzeugt wird. Die Widerstände R6 und R13 ergeben eine interne Rückführungsfunktion.
Wenn die Temperatur der Wärmepumpe nun über diese Umgebungstemperatur ansteigt, so steigt die dem nichtinvertierenden Eingang des OPAMP1 und dem invertierenden Eingang des OPAMP2 zugeführte Spannung V1. Dies bewirkt, daß die Spannung, die den Gate-Anschlüssen der Transistoren TR1, TR2 zugeführt wird, ansteigt, wodurch diese Transistoren eingeschaltet werden und ein Anstieg der Spannung Voc am Source-Anschluß des Transistors TR2 hervorgerufen wird. Es wird ein Strom durch die Wärmepumpe hervorgerufen, der eine Kühlwirkung erzeugt. Gleichzeitig werden die Transistoren TR3 und TR4 vollständig abgeschaltet, so daß der Heizteil der Schaltung unwirksam gemacht wird. Die Leerlaufverstärkung des Kühlteils der Schaltung ist durch die Widerstände R3, R4, R6 und R9 bestimmt, während eine Gegenkopplung durch den thermischen Widerstand zwischen dem Thermistor RT1 und der Wärmepumpe erzielt wird.
In gleicher Weise werden, wenn die Temperatur der Wärmepumpe unter die Umgebungstemperatur absinkt, die Transistoren TR3 und TR4 eingeschaltet und die Transistoren TR1 und TR2 vollständig abgeschaltet. Dies bewirkt, daß Voc im wesentlichen auf die negative Versorgungsspannung absinkt, während Voh ansteigt, wodurch ein Heizstrom durch die Wärmepumpe gezogen wird. Die Leerlaufverstärkung des Heizteils der Schaltung ist durch die Widerstände R10, R13, R15 und R21 bestimmt. Eine Gegenkopplung wird in der vorstehend beschriebenen Weise geliefert.
Die bidirektionale Wirkung der Schaltung wird durch Verwendung der von Natur aus vorhandenen nichtlinearen Bereiche der OPAMP1 und OPAMP2 erzielt, was es ermöglicht, daß die Heiz- und Kühlvorgänge unabhängig voneinander ausgehend von einem gemeinsamen Eingangstemperatursignal ausgeführt werden.
In vorteilhafter Weise wird der durch die Wärmepumpe gezogene Strom auf einen vorgegebenen Maximalwert beschränkt. Dies wird in der Kühlbetriebsart durch den bipolaren Transistor TR5 und die Widerstände R17 und R18 erzielt. In der Heizbetriebsart wird die Strombegrenzung durch einen bipolaren Transistor TR6 und die Widerstände R19 und R20 erzielt. Wenn der Strom durch die Wärmepumpe und damit durch R9 (R10) einen vorgegebenen Schwellwert erreicht, so schaltet die Potentialdifferenz längs R17 (R20) den Transistor TR5 (TR6) ein, wodurch die Gate- Spannung der Feldeffekttransistoren TR1 und TR2 (TR3 und TR4) gesenkt und damit der Stromfluß verrringert wird.

Claims

1. Temperaturregelschaltung für ein Peltiereffekt-Bauteil (Wärmepumpe), die erste und zweite Operationsverstärker (OPAMP1, OPAMP2), die jeweils einen invertierenden und einen nichtinvertierenden Eingang aufweisen, eine temperaturabhängige Spannungsquelle (Thermistor RT1), die thermisch mit dem Peltiereffekt-Bauteil gekoppelt und elektrisch mit dem nichtinvertierenden Eingang des ersten Operationsverstärkers und mit dem invertierenden Eingang des zweiten Operationsverstärkers verbunden ist, und Potentialteiler (R3, R4, R15, R16) einschließt, die mit den anderen Eingängen der Operatinsverstärker gekoppelt sind, wobei die Schaltung derart ausgebildet ist, daß eine Abweichung der Temperatur des Peltiereffekt- Bauteils (Wärmepumpe) von einer vorgegebenen Regeltemperatur bewirkt, daß der eine oder der andere der Operationsverstärker selektiv aktiviert wird, um einen Strom durch das Peltiereffekt- Bauteil (Wärmepumpe) in einer geeigneten Richtung zu ziehen, um eine Kühlung oder Erwärmung des Bauteils in Richtung auf die vorgegebene Temperatur zu erzielen, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom durch das Peltiereffekt- Bauteil in der einen Richtung über erste und zweite Feldeffekttransistoren (TR1, TR2) geregelt wird, die als nichtinvertierender Verstärker angeordnet sind, und das der Strom durch das Peltiereffekt-Bauteil in der anderen Richtung über dritte und vierte Feldeffekttransistoren (TR3, TR4) geregelt wird, die als invertierender Verstärker angeordnet sind.

2. Temperaturregelschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der durch das Peltiereffekt-Bauteil (Wärmepumpe) gezogene Strom auf einen Maximalwert begrenzt ist.

3. Temperaturregelschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Strombegrenzungseinrichtungen erste und zweite bipolare Transistoren (TR5, TR6) umfassen.

4. Lichtsender, der mit einer Temperaturregelschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 versehen ist.