DE69115206T2

DE69115206T2 - Thermoelektrische Temperaturregelanordnung für Lasergerät.

Info

Publication number: DE69115206T2
Application number: DE69115206T
Authority: DE
Inventors: James Mcardle
Original assignee: AT&T Corp
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1990-09-26
Filing date: 1991-09-17
Publication date: 1996-05-09
Anticipated expiration: 2011-09-18
Also published as: US5118964A; EP0478204A2; EP0478204A3; CA2050047C; EP0478204B1; DE69115206D1; JPH04230506A; CA2050047A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft thermoelektrische Vorrichtungsregelkreise.
Mit zunehmender Verwendung von Faseroptik in Fernsprech- und anderen Kommunikationsschaltungen ist die Verwendung von Laservorrichtungen in Zwischenregeneratoren in den optischen Kommunikationskanälen weitverbreitet. Laservorrichtungen erlauben die Übertragung einer Mehrzahl von Signalkanälen, die einen großen Bandbreitenbereich überdecken und sind daher sowohl für die klassischen Sprachkanäle als auch verschiedenen hochratigen Datenund Hochfrequenzsignalkanäle geeignet, die alle über eine einzige Glasfaserübertragungsleitung übertragen werden.
Um eine Mehrzahl von Kanälen über eine große Bandbreite ohne Verzerrung bearbeiten zu können, muß die Laservorrichtung innerhalb ihres linearen Temperaturbereichs betrieben werden, der von einem sehr schmalen Betriebstemperaturbereich definiert ist. Sollte die Betriebstemperatur der Laservorrichtung außerhalb dieses schmalen Bereichs fallen, überträgt die Laservorrichtung nicht länger die Kommunikationskanäle linear über den gesamten Bereich der normalen Vorrichtungsbandbreite. In einer wirklichen Betriebsumgebung mit einem großen Bereich an Umgebungstemperatur ist es daher notwendig, Temperaturregelung bereitzustellen, um die Betriebstemperatur der Laser-Verstärkungsvorrichtung innerhalb ihres angegebenen Betriebstemperaturbereichs zu halten.
In US-A-4,631,728 ist ein Kühlkreis zum Regeln der Temperatur einer Laservorrichtung offenbart. Die Laservorrichtungstemperatur wird überwacht und ein thermoelektrischer Kühler wird durch einen durch einen Impulsbreitenmodulator gesteuerten gepulsten Strom aktiviert. Zur Regelung des Impulsbreitenmodulators wird die Ausgabe eines Laservorrichtungs-Temperaturfühlers mit einem Bezugswert verglichen, um die Laserdiode auf einer konstanten Temperatur zu halten. Eine Betriebsartsteuerung steuert die Stromrichtung, um die Laserdiode entweder abzukühlen oder anzuwärmen. In US-A-4,792, 957 ist ein Laser-Temperaturregler mit einem Brückenkreis zur Erzeugung von Regelabweichungssignalen offenbart, die darstellen, ob ein Erfordernis zur Abkühlung oder zur Erwärmung der Laservorrichtung besteht. Je nach dem Erfordernis zu Abkühlung oder Erwärmung werden die Fehlersignale entweder in eine positive oder eine negative Spannung umgewandelt. Erste und zweite, auf die ersten bzw. zweiten Polaritäten reagierende Verstärker leiten Strom mit der richtigen Richtung zu einer thermoelektrischen Vorrichtung. Nach der vorliegenden Erfindung wird ein thermoelektrischer Vorrichtungsregelkreis nach Anspruch 1 bereitgestellt.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist eine thermoelektrische Vorrichtung und ein zugehöriger Lasertemperaturregelkreis in Betrieb, um eine Laservorrichtung in ihrem idealen Temperaturbereich zu halten. Die thermoelektrische Vorrichtung wird über einen Temperaturschaltregelkreis mit einem Ansteuerstrom versorgt. Dieser Ansteuerstrom wird durch den Schaltkreis geregelt und wird an die thermoelektrische Vorrichtung angelegt, um ihre Erwärmungs- bzw. Abkühlleistung zu regeln. Die angelegte Strompolarität bestimmt, ob die thermoelektrische Einrichtung in einer wärmeabsorbierenden oder einer wärmeerzeugenden Betriebsart arbeitet. Ein im Temperaturregelkreis enthaltener Folgesteuerkreis definiert die Betriebsbereiche des thermoelektrischen Temperaturregelkreises, um einen linearen Betriebstemperaturbereich für die Laservorrichtung zu bewahren. Den Folgesteuerkreis enthaltende und über diesen betriebene Rückkoppelkreise erlauben eine Präzisionssteuerung der Temperatur durch Steuerung der Stromausgangsgröße und Strompolarität, um den Betriebstemperaturbereich der Laservorrichtung auf einen kleinen, präzise definierten Bereich von Temperaturen zu begrenzen, in dem sie linear funktioniert.
In einer beispielhaften Anwendung können eine Laservorrichtung und ihr zugehöriger Temperaturregler als Übertragungsbauteil als Teil eines Fernsprechsystems verwendet werden, das faseroptische Übertragung direkt zu einem Privatteilnehmer führt.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

In der Zeichnung zeigt:
Figur 1 ein Blockschaltbild der Anwendung einer faseroptischen Schaltung auf ein Fernsprechkommunikationssystem;
Figur 2 ein Blockschaltbild des Temperaturregelkreises mit der Erfindung;
Figur 3 ein Schaltbild des Temperaturregelkreises;
Figuren 4 und 5 Schaltbilder von im Temperaturregelkreis enthaltenen Regelkreisen.

Detaillierte Beschreibung

In Figur 1 ist ein Teil eines Fernsprechkommunikationsübertragungssystems dargestellt. Ein solches System kann zur Übertragung von Sprachnachrichten, Datensignalen und Bildsignalen benutzt werden. In eine große Anzahl von von einem Fernsprecbnetz 101 zugeführten Einzelkanälen aufgeteilte Signale werden über eine Faserstrecke 102 zu einer entfernten Endstation 103 übertragen, die sich in der Nähe einer Mehrzahl von Teilnehmern befindet. Die entfernte Endstation enthält Schaltungen 103a zum Entschachteln der Kanäle und Verteilen von Teilmengen der Kanäle in eine Mehrzahl von Übertragungsstrecken. Jede Strecke enthält eine die übertragenen Signale führende Laservorrichtung 103c. Diese Signale wiederum sind an Cluster-Endstationen 104 angekoppelt, die wiederum einzelne optische Strecken an Einzelteilnehmer 105 ankoppeln.
Jede Laservorrichtung ist in der Lage, viele Kanäle über einen großen Frequenzbereich bzw. eine große Frequenzbandbreite zu bearbeiten. Die Linearität ihrer Funktionsweise über die gesamte Frequenzbandbreite ist kritisch davon abhängig, daß sie ihre Temperatur innerhalb eines schmalen Temperaturbereichs halten kann. Innerhalb dieses schmalen Temperaturbereichs ist die Laservorrichtung fähig, Signale ohne bedeutende Verzerrung über einen großen Frequenzbereich hinweg zu führen. Wenn die Betriebstemperatur außerhalb dieses schmalen Temperaturbereichs fällt, verschlechtert sich die Linearität der Signalübertragung bedeutend über einen wesentlichen Teil der definierten Bandbreite.
Im beispielhaften System wird die Laservorrichtungstemperatur durch eine thermoelektrische Vorrichtung bewahrt, die von einem Temperaturregelkreis gesteuert wird. Diese Temperaturregelanordnung ist in Blockschaltbildform in der Figur 2 dargestellt. Sie zeigt eine Laservorrichtung 201, die an eine Temperaturfühlvorrichtung 202 angekoppelt ist, die ein die Temperatur der Laservorrichtung darstellendes Signal erzeugt. Eine thermoelektrische Kühlvorrichtung 205 befindet sich wie durch die punktgestrichelte Linie 204 schematisch dargestellt physikalisch neben der Laservorrichtung.
Die Funktionsweise des thermoelektrischen Kühlers 205 wird durch den Temperatur-Schaltregelkreis 210 geregelt, der zur Aufnahme eines Temperaturfühlsignals von der Temperaturfühlvorrichtung 202 gekoppelt ist. Der Schaltregelkreis 210 ist über einen Leistungstransformator 215 und Schalter 221 und 222 mit dem thermoelektrischen Kühler 205 verbunden. Der Schaltregelkreis 210 regelt eine Größe seines Ausgangsstroms und das (durch symbolische Ansteuerleitungen 231, 232 gezeigte) gezielte Schließen der Schalter 221 und 222 zur Bestimmung der an den thermoelektrischen Kühler 205 angelegten Stromrichtung. Die Abkühl- und Anwärmungswirkung des thermoelektrischen Kühlers wird durch die Richtung des Stromflusses bestimmt, und das Maß an Anwärmung bzw. Abkühlungswirkung wird durch die Stromhöhe bestimmt. Die besonderen Betriebseigenschaf ten von thermoelektrischen Kühlern selbst sind gut bekannt und deren ausführliche Offenbarung wird nicht als notwendig erachtet.
Der Pegel der Ausgangsstromhöhe und das Schließen der Schalter 221 und 222 zur Richtungssteuerung wird durch den Schaltregelkreis 210 und die zugehörigen Regelkreise, deren Schaltungen ausführlicher in der Figur 3 dargestellt sind, geregelt. Der im einzelnen in der Figur 3 dargestellte Regelkreis enthält einen Leistungsschalter 315, einen Leistungstransformator 325 und die Stromrichtungsschalter 321 und 322 zur Steuerung der Anwärmungs-/Abkühlungswirkung einer thermoelektrischen Kühler/Heizervorrichtung 305. Schalten des beispielhafterweise als FET dargestellten Leistungsschalters 315 wird durch einen Schalteransteuerungs-Regelkreis 317 gesteuert.
Eingangs-Gleichstrom wird an die Eingangsanschlüsse 301 und 302 angelegt, und der von dem Schalteransteuerungs-Regelkreis 317 angesteuerte, periodisch freigegebene Leistungsschalter 315 regelt den Stromfluß durch die Primärwicklung 324 des Transformators 325. Der Transformator 325 enthält zwei Sekundärwicklungen 326 und 327, die über die Dioden 328 und 329 an einen Anschluß 303 der thermoelektrischen Vorrichtung 305 angekoppelt sind. Die Größe des Stromflusses durch die Vorrichtung wird durch das Tastverhältnis des Leistungsschalters 315 geregelt, und die Richtung des Stromflusses wird durch das gezielte Schließen der Schalter 321 und 322 gesteuert, die beide mit dem anderen Anschluß 304 an der thermoelektrischen Vorrichtung 305 verbunden sind.
Die Regelkreise enthalten einen Umwandlungskreis 351 zum Umwandeln einer Ausgabe des Temperaturfühlers 350 auf einen nützlichen Spannungspegel. Diese Spannung wird an einen Fehlerverstärker 352 angelegt, der ein Fehlersignal erzeugt, indem er die Temperaturspannung mit einer Bezugsspannung ins Verhältnis bringt. Diese erzeugte Fehlerspannung wird parallel an vier Vergleichskreise 361-364 angelegt, die zusammen als Teil einer Folgesteuerung 365 bezeichnet werden. Eine Festspannung wird an einen Spannungsteiler angelegt, der durch fünf in Reihe geschaltete Widerstände 366-370 in vier verschiedene Bezugsspannungen eingeteilt ist. Jeder Einzelwiderstand ist so dimensioniert, daß sein Spannungsabfall eine andere Bezugsspannung für jeden der Vergleicher 361-364 definiert. Die Ausgänge dieser Vergleicher 361-364 sind mit den nachfolgenden Ansteuerkreisen 371-374 verbunden. Der Ausgang der beiden Ansteuerkreise 371 und 374 ist an einen gemeinsamen Knotenpunkt und die Leitung 359 angeschaltet, die wiederum mit einem Transistor 381 verbunden ist, um dem Schalteransteuerungsregler 317 ein Rückkopplungssignal zum Regeln des Tastverhältnisses des Leistungsschalters 315 zuzuführen. Die entsprechenden Ausgänge der Ansteuerkreise 372 und 373 sind zur Steuerung der Richtung des an die thermoelektrische Vorrichtung 305 angelegten Stroms mit den Schaltern 321 und 322 verbunden.
Es ist leicht ersichtlich, daß das Fehlerausgangssignal des Fehlerverstärkers 352 irgendeinen Mittelwert zwischen den Bezugsschwellwerten der Vergleicher 362 und 363 aufweist. Wenn das Fehlersignal gering von diesem Mittelwert abweicht, aktiviert es einen der beiden Vergleicher 362 oder 363. Der aktivierte Vergleicher 362 oder 363 bestimmt die Richtung des an die thermoelektrische Vorrichtung 305 angelegten Stromflusses. Bei weiterem Abweichen des Fehlerspannungssignals von dieser Mittelwertspannung wird zusätzlich einer der Vergleicher 361 oder 364 aktiviert, um ein Tastverhältnis des Leistungsschalters 315 zu regeln, um die Stromhöhe zum aktiven Verändern der Temperatur der Laservorrichtung um die richtige Menge in der gewünschten Richtung zu regeln.
Das Signal auf der Leitung 359 wird an einen Steuertransistor 381 angekoppelt, der das Rückkopplungssignal zum Rückkopplungseingang 380 des Schalteransteuerungsreglers 317 überträgt. Der Ausgangsstrom des Leistungsschalters wird vom Strommeßwiderstand 382 gemessen, und die an diesem anliegende Spannung wird über die Leitung 384 an den Schalteransteuerungsregler 317 angekoppelt. Im Betrieb regelt das an die Leitung 380 angelegte Rückkopplungssignal in Verbindung mit dem Signal auf der Leitung 384 die Ausgangsstromhöhe zur Regelung der thermoelektrischen Vorrichtung 305 und bietet eine schützende Strombegrenzung. Die internen Funktionen des Schalteransteuerungsreglers 317 sind vorzugsweise in einer Einzelbaustein-IC wie der funktionsmäßig in der Figur 5 dargestellten enthalten. Die Rückkopplungsleitung 380 ist an einen Fehlerverstärker 501 angekoppelt, an den am Eingang 502 eine Bezugsspannung angelegt wird. Die Fehlerspannung auf der Leitung 503 wird an einen Verstärker 504 angelegt und mit der Strommeßspannung auf der Leitung 384 verglichen. Die Ausgabe des Verstärkers 504 wird an die Ans teuerkreise 506 angelegt, deren Ausgabe an die FET-Ansteuerleitung 314 angelegt wird, um die an die thermoelektrische Vorrichtung angelegte Ausgangsstromhöhe zu regeln. Die Strommeßspannung auf der Leitung 384 wird auch an einen Verstärker 507 angelegt, dessen Ausgabe auf der Leitung 508 den Strompegel hinsichtlich einer Bezugsspannung umleitet, was zum Abschalten der Ansteuerkreise 506 dient, wenn im Widerstand 382 ein Überstrom erkannt wird. Ein auf der Leitung 395 angelegtes Abschalte-Eingangssignal wird an einen Abschaltekreis 510 angelegt, dessen Ausgabe an die Ansteuerkreise 506 angelegt wird, um ihren Betrieb abzuschalten. Die Aktivierungsspannung für die Kreise wird über Leitungen 511 und 512 angelegt. Obwohl sie nicht ausführlich offenbart sind, wird der Fachmann leicht erkennen, daß diese Funktionen in handelsüblichen Regelbausteinen leicht verfügbar sind.
Ein Ausgang des Temperaturfühlkreises 302 ist mit einem Alarmkreis 392 verbunden. Die Spannung während der Übertragungskreislogik wird vom Kreis 397 gemessen. Der Ausgang dieses Meßkreises ist mit einer Abschalte-Ansteuerung 393 verbunden, die die Übertragungskreise und Temperaturregelkreise bei einem Spannungsausfall abschaltet. Die Funktion des Alarmkreises 392 besteht in der Anzeige von Temperaturzuständen, bei denen die thermoelektrische Vorrichtung zur Korrektur unfähig ist, und der Abschaltekreis schaltet die Laservorrichtung ab, wenn die Ubertragungslogikkreisspannung verloren geht. Diese Kreise sind ausführlich in Figur 4 dargestellt. Die von einer Temperaturfühlvorrichtung 401 vom Typ einer integrierten Schaltung oder anderen Mitteln wie beispielsweise einer Thermistor-Fühlanordnung entwickelte Lasertemperaturspannung wird für Regelzwecke an den Fehlerverstärker 452 und an zwei Vergleicher 461 und 471 angelegt. Von einer Bezugsspannung 404 nebenschließenden Spannungsverteilern erzeugte Bezugsspannungen werden an die beiden Vergleicher 461 und 471 angelegt. Diese Bezugsspannungen sind zur Herstellung eines Betriebsbereichs von Temperaturreglung für die Laservorrichtung 401 ausgewählt. Wenn die Betriebstemperatur außerhalb dieses Bereichs fällt, gibt einer der beiden Verstärker einen Stromfluß durch die Leuchtdiode 465 frei, die die Alarmkreise 467 zur Anzeige dieses Zustandes aktiviert. Diese Anordnung dient auch zum Abschalten der Temperaturregelkreise und der Laservorrichtung, wenn die Umgebungstemperatur nicht auf einen Betriebsbereich korrigiert werden kann. Ausfallvorrichtung 474 erkennt einen Verlust der Spannung, die die Ubertragungsregelkreise bestromt und veranlaßt die Leuchtdiode 475 zur Aktivierung der Abschalteansteuerung 476 für diesen Temperaturregler. Diese Anordnung stellt einen Zustand mit niedrigem Ruhestrom bereit, wenn der Betrieb des Temperaturreglers nicht gewünscht ist, und verhindert auch einen Fehlbetrieb, wenn eine oder beide der Versorgungsspannungen ausfällt.

Claims

1. Thermoelektrischer Vorrichtungsregelkreis zum Regeln einer Temperatur einer Laservorrichtung mit einer physikalisch mit der Laservorrichtung verbundenen thermoelektrischen Vorrichtung (305), einem periodischen Schaltkreis mit einem Leistungsschalter (315) mit regelbarem Tastverhältnis, der zum Anlegen eines Stroms an die thermoelektrische Vorrichtung verbunden ist, und Mitteln zum Steuern einer Richtung und einer Größe des Stroms, wobei der besagte Regelkreis Mittel (350-352) zum Erzeugen einer auf die Temperatur der Laservorrichtung reagierenden Spannung, Schaltkreise (321, 322) zum Ankoppeln des Ausgangsstroms des Leistungsschalters (315) an die thermoelektrische Vorrichtung in einer von mindestens einer ersten Richtung und einer der ersten Richtung entgegengesetzten zweiten Richtung, und auf die erzeugte Spannung reagierende Mittel (361-364, 371-374, 381, 317) zum Regeln des Tastverhältnisses zur Regelung einer Größe des an die thermoelektrische Vorrichtung angelegten Stromes des Leistungsschalters (315) und zum Ansteuern der Schaltkreise (321, 322) zur Auswahl einer der ersten und zweiten Stromrichtungen umfaßt, um die Laservorrichtung auf einer gewünschten Temperatur zu halten, dadurch gekennzeichnet, daß die auf die erzeugte Spannung reagierenden Mittel erste, zweite, dritte und vierte Verstärker (361-364) umfassen, die jeweils auf eine erste, zweite, dritte bzw. vierte Vorspannung mit geordneten absteigenden Größen vorgespannt sind, wobei die zweiten (362) und dritten (363) Verstärker so vorgespannt sind, daß sie in Abhängigkeit davon, daß ein Spannungspegel mehr als oder weniger als eine Mittelspannung beträgt, wechselweise tätig sind und mit den Schaltkreisen (321, 322) verbunden sind, um die Richtung von an die thermoelektrische Vorrichtung angelegtem Strom zu steuern, wobei der erste Verstärker (361) zur Erzeugung eines Signals zur Regelung einer Größe des Stromes des Leistungsschalters (315) vorgespannt ist, wenn der zweite Verstärker (362) die Stromrichtung steuert, und der vierte Verstärker (364) zum Erzeugen eines Signals zur Regelung einer Größe des Stromes des Leistungsschalters (315) vorgespannt ist, wenn der dritte Verstärker (363) die Stromrichtung steuert.

2. Regelkreis nach Anspruch 1 mit einem Leistungstransformator (325) mit einer Primärwicklung (324) und einer ersten (326) und zweiten (327) Sekundärwicklung, wobei der Leistungsschalter (315) so geschaltet ist, daß er periodisch die Primärwicklung (324) anregt, und die Schaltkreise (321, 322) einen ersten, die erste Sekundärwicklung (326) an die thermoelektrische Vorrichtung ankoppelnden Schalter (321) und einen zweiten, die zweite Sekundärwicklung (327) an die thermoelektrische Vorrichtung ankoppelnden Schalter (322) umfassen.

3. Regelkreis nach Anspruch 1 oder 2, mit Abschaltekreisen (393, 397) zum Abschalten des periodischen Schaltkreises, wenn der Regelkreis einen Spannungsverlust erkennt.

4. Regelkreis nach Anspruch 1, 2 oder 3 mit Alarmkreisen (392) zum Anzeigen der Unfähigkeit des Regelkreises, eine ordnungsgemäße Funktionstemperatur für die Laservorrichtung aufrechtzuerhalten.