FR2690571A1 - Temp. control system for electronic circuit module, esp. laser diode - includes thermistor temp. sensors linked to control circuit for regulating two cooling elements - Google Patents
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Abstract
Description
L'invention a pour objet un dispositif de régulation de la température d'un module électronique dont les caractéristiques de fonctionnement sont sensibles à 1R température d'un ou plusieurs de ses composants.The subject of the invention is a device for regulating the temperature of an electronic module whose operating characteristics are sensitive to the temperature of one or more of its components.
C'est le cas notamment des diodes lasers dont le spectre d'démission est très sensible à la température de fonctionnement
Une régulation en température peut donc être nécessaire On utilise à cet effets de façon habituelle, un dispositif de régulation comportant des éléments thermo-électriques qui, suivant le sens du courant qui les alimente, transfèrent la chaleur du composant à un radiateur et vice versa
Un tel dispositif est décrit dans la demande de brevet français N 92 04369 déposée le 9 Avril 1992 au nom des demanderesses, relative à un dispositif de détection d'obstacles utilisant un faisceau laser modulé en fréquence Pour une grande précision de la mesure de la distance et de la vitesse des cibles mo biles il est nécessaire d'assurer une régulation précise de la température de la diode laser
Dans ce dispositif de régulation, le composant électronique dont les caractéristiques de fonctionnement sont sensibles à la température est fixé en bon contact thermique sur un support bon conducteur muni d'une sonde pour en mesurer la température.This is particularly the case for laser diodes whose emission spectrum is very sensitive to the operating temperature.
A temperature regulation may therefore be necessary. For this purpose, a regulation device comprising thermoelectric elements is used in the usual way which, depending on the direction of the current which supplies them, transfers the heat from the component to a radiator and vice versa.
Such a device is described in French patent application N 92 04369 filed on April 9, 1992 in the name of the plaintiffs, relating to an obstacle detection device using a frequency modulated laser beam For high accuracy of distance measurement and the speed of moving targets it is necessary to ensure precise regulation of the temperature of the laser diode
In this regulation device, the electronic component, the operating characteristics of which are sensitive to temperature, is fixed in good thermal contact to a good conductive support provided with a probe for measuring the temperature.
Il est du type comportant au moins un élément thermo-électrique à semi-conducteurs interposé entre le support et un radiateur et un dispositif électronique de régulation élaborant un signal d'erreur fonction de l~écart entre la température mesurée du support et une température de consigne, ce dispositif pilotant en fonction du signal d'erreur le courant traversant les éléments thermo-électriques. It is of the type comprising at least one thermoelectric element with semiconductors interposed between the support and a radiator and an electronic regulation device producing an error signal depending on the difference between the measured temperature of the support and a temperature of setpoint, this device controlling the current flowing through the thermoelectric elements as a function of the error signal.
Or, ce dispositif présente un certain nombre d'inconvénients, surtout lorsqu'il est utilisé dans I'environnement d'un véhicule automobile où les contraintes vibratoires et thermiques sont sévères La durée de vie des éléments thermo-électriques utilisant I'effet Peltier est diminuée par la modification alternative du sens du courant et donc de celui du transfert thermique. En outre, ces éléments ne permettent pas une mise en température de fonctionnement suffisamment rapide lors de la mise en marche d'un véhicule froid.However, this device has a certain number of drawbacks, especially when it is used in the environment of a motor vehicle where the vibratory and thermal constraints are severe. The lifetime of the thermoelectric elements using the Peltier effect is decreased by the alternative modification of the direction of the current and therefore that of the heat transfer. In addition, these elements do not allow a sufficiently rapid operating temperature when starting a cold vehicle.
Pour remédier à ces inconvénients, I'invention propose, dans un dispositif du type ci-dessus, de dissocier, au moins partielliement, le moyen permettant le réchauffage de celui permettant le refroidissement.To overcome these drawbacks, the invention proposes, in a device of the above type, to dissociate, at least partially, the means allowing the heating from that allowing the cooling.
A cet effet, le dispositif selon lînvention se caractérise en ce qu'il comporte en outre au moins un transistor de puissance, fixé sur le support dudit composant électronique, également piloté par le circuit de régulation, de façon telle qu'il soit passant uniquement lorsque la température du support est inférieure à la température de consigne et bloqué dans le cas contraire.To this end, the device according to the invention is characterized in that it further comprises at least one power transistor, fixed on the support of said electronic component, also controlled by the regulation circuit, in such a way that it is conducting only. when the temperature of the support is lower than the set temperature and blocked otherwise.
De préférence, seul le transistor de puissance est utilisé pour élever la température du support, le courant des éléments thermo-électriques étant alors nul.Preferably, only the power transistor is used to raise the temperature of the support, the current of the thermoelectric elements then being zero.
La mesure de la température de fonctionnement peut être faite par une sonde comportant au moins une thermistance disposée dans une rainure de la plaque support sous la base du composant électronique dont on veut stabiliser la température.The operating temperature can be measured by a probe comprising at least one thermistor arranged in a groove in the support plate under the base of the electronic component whose temperature is to be stabilized.
Dans ce cas, la sonde comporte, de préférence, deux thermistances en série disposées symétriquement par rapport à I"axe du boîtier du composant
Selon une autre caractéristique, le ou les transistors sont disposés sur le bord de la plaque support.In this case, the probe preferably comprises two thermistors in series arranged symmetrically with respect to the axis of the component case.
According to another characteristic, the one or more transistors are arranged on the edge of the support plate.
De préférence} le dispositif comporte au moins deux éléments thermo-électriques alimentés en série disposés symétriquement deux à deux par rapport à I'axe du boîtier.Preferably, the device comprises at least two thermoelectric elements supplied in series, arranged symmetrically in pairs with respect to the axis of the housing.
Enfin, il est avantageux qu un même circuit électronique regroupe les fonctions d~élaboration du signal d'erreur et d amplificateur de puissance pour piloter et alimenter le transistor et les éléments thermo-électriques.Finally, it is advantageous for the same electronic circuit to combine the functions of developing the error signal and the power amplifier to drive and supply the transistor and the thermoelectric elements.
D'autres caractéristiques et avantages de I'invention appara- tront mieux dans la description détaillée qui suit et se réfère aux dessins annexés donnés uniquement à titre d'exemple, et dans lesquels
- la Figure 1 est un schéma d'ensemble du dispositif.Other characteristics and advantages of the invention will appear better in the detailed description which follows and refers to the appended drawings given solely by way of example, and in which
- Figure 1 is an overall diagram of the device.
- la Figure 2 est un schéma du circuit de régulation. - Figure 2 is a diagram of the regulation circuit.
La figure 1 montre un dispositif selon I'invention utilisé pour la régulation de la température de fonctionnement d'un lidar dont les éléments opto-électroniques, comportant une diode laser 1 et une photodiode 3, sont montés à l intérieur d'un boîtier 10.FIG. 1 shows a device according to the invention used for regulating the operating temperature of a lidar, the opto-electronic elements of which, comprising a laser diode 1 and a photodiode 3, are mounted inside a housing 10 .
Le boîtier 10 est de révolution autour de I'axe XX du laser 1 dont le faisceau émis par la face avant est collimaté par une lentille 4 en direction d'une cible 2. L'onde diffusée en retour par la cible est collimatée par la lentille 4, amplifiée en traversant la cavité de la diode laser 1, puis mélangée avec sonde émise par la face arrière de la diode laser. La photodiode 3 détecte les battements des deux ondes ce qui permet de mesurer la distance et la vitesse de la cible. The housing 10 is of revolution around the axis XX of the laser 1 whose beam emitted by the front face is collimated by a lens 4 in the direction of a target 2. The wave diffused in return by the target is collimated by the lens 4, amplified by crossing the cavity of the laser diode 1, then mixed with probe emitted by the rear face of the laser diode. Photodiode 3 detects the beats of the two waves, which makes it possible to measure the distance and the speed of the target.
Un tel dispositif est notamment destiné à être embarqué sur un véhicule automobile et pour plus de détails on pourra se référer à la demande de brevet ci-dessus mentionnée dans laquelle le fonctionnement du circuit C est explicité.Such a device is in particular intended to be installed on a motor vehicle and for more details, reference may be made to the above-mentioned patent application in which the operation of circuit C is explained.
Deux éléments thermo-électriques Il et 12 relient thermiquement un radiateur 13 et une plaque 14 sur laquelle la base 10a du boîtier 10 est fixée en bon contact thermique. La plaque 14 est munie d'un perçage axial selon XX permettant les connexions avec le circuit C. Le radiateur 13, muni d'ailettes, est de préférence en aluminium et la plaque 14 en cuivre. Les deux faces des éléments 11,12 entre lesquelles s"effectue l-échange thermique sont respectivement collées sous la plaque 14 et sur la surface plate 13 du radiateur 13.Two thermoelectric elements 11 and 12 thermally connect a radiator 13 and a plate 14 on which the base 10a of the housing 10 is fixed in good thermal contact. The plate 14 is provided with an axial bore along XX allowing connections with the circuit C. The radiator 13, provided with fins, is preferably made of aluminum and the plate 14 made of copper. The two faces of the elements 11, 12 between which the heat exchange takes place are respectively bonded under the plate 14 and on the flat surface 13 of the radiator 13.
Deux thermistances 15 et 15k sont placées dans des rainures ménagées sur la plaque 14. Ces rainures sont disposées symétriquement par rapport à I'axe XX sous la base lOa du boîtier 10. Les thermistances 15a,15h sont reliées à un dispositif électronique de régulation 16 qui commande les éléments 11,12 comme il va être exposé ci-après en référence à la figure 2.Two thermistors 15 and 15k are placed in grooves made on the plate 14. These grooves are arranged symmetrically with respect to the axis XX under the base 10a of the housing 10. The thermistors 15a, 15h are connected to an electronic control device 16 which controls the elements 11, 12 as will be explained below with reference to FIG. 2.
Enfin, un transistor de puissance 17 également piloté par le dispositif 16 est fixé, en bon contact thermique sur la plaque 14, au voisinage d"un bord.Finally, a power transistor 17 also controlled by the device 16 is fixed, in good thermal contact on the plate 14, in the vicinity of an edge.
A la figure 2, on voit que les éléments thermo-électriques 11 et 12 sont disposés en série entre une alimentation 12V et une entrée 20 d"un circuit électronique de régulation 18.In FIG. 2, it can be seen that the thermoelectric elements 11 and 12 are arranged in series between a 12V supply and an input 20 of an electronic regulation circuit 18.
Les thermistances 15â et 15k, noyées entre la plaque 14 et la base 10a, sont montées en série entre un point de référence OV et une entrée 21 reliée à une alimentation 5V à travers une résistance de polarisation 19.The thermistors 15a and 15k, embedded between the plate 14 and the base 10a, are mounted in series between a reference point OV and an input 21 connected to a 5V supply through a bias resistor 19.
La base du transistor de puissance 17 est reliée à une sortie 22 du circuit 18, son collecteur à une sortie 23 de ce circuit et son émetteur à la masse. The base of the power transistor 17 is connected to an output 22 of the circuit 18, its collector to an output 23 of this circuit and its emitter to ground.
Enfin, une tension de référence U est appliquée à une entrée 24 du circuit 19. Pour plus de clarté, I'alimentation habituelle du circuit 19 n'a pas été représentée.Finally, a reference voltage U is applied to an input 24 of the circuit 19. For clarity, the usual supply of the circuit 19 has not been shown.
On va maintenant décrire le fonctionnement du dispositif.We will now describe the operation of the device.
La tension U représente la température T souhaitée pour le fonctionnement de la diode laser 1, par exemple T = 270. La tension Uth à l'entrée 21 correspondant à la température réelle de la plaque 14 mesurée par la sonde de température constituée par les thermistances 15a et 15b.The voltage U represents the temperature T desired for the operation of the laser diode 1, for example T = 270. The voltage Uth at the input 21 corresponding to the actual temperature of the plate 14 measured by the temperature probe constituted by the thermistors 15a and 15b.
Le circuit 18 assure de façon classique la comparaison entre les tensions U et Uth ainsi que la commande en courant des éléments thermo-électriques 11 et 12 et du transistor 17 en fonction du signal d'erreur Uth - U.The circuit 18 conventionally provides the comparison between the voltages U and Uth as well as the current control of the thermoelectric elements 11 and 12 and of the transistor 17 as a function of the error signal Uth - U.
Selon le signe du signal d"erreur le transistor 17 ou les éléments 11 et 12 sont alimentés proportionnellement à la valeur absolue de ce signal
Lorsque la température réelle mesurée est inférieure à la température de consigne T, le signal d'terreur Uth - U est négatif et le transistor 17 commandé par la sortie 22 du circuit 18 est passant. La sortie 20 du circuit 18 bloque alors le passage du courant dans les éléments il et 12. Le transistor 17 étant monté en bon contact thermique sur la plaque 14 la température de celle-ci remonte. Lorsque la température de la plaque 14 atteint à nouveau la température de consigne, le signal d'terreur Uth - U s'annule. La sortie 22 bloque alors le transistor 17. Dès que Uth - U devient positif, la sortie 20 ne bloque plus le courant des éléments thermo-électriques 11 et 12. Ils sont alors alimentés dans le sens tel que la chaleur est pompée de leur face collée sur la plaque 14 vers leur face collée sur le radiateur 13. La température de la plaque 14 s'abaisse donc. Lorsque la température atteint à nouveau la température de consigne, le courant des éléments 11 et 12 est coupé puis le transistor 17 est rendu passant dès que le signal d-erreur est à nouveau négatif.According to the sign of the error signal, transistor 17 or elements 11 and 12 are supplied in proportion to the absolute value of this signal
When the actual measured temperature is lower than the set temperature T, the error signal Uth - U is negative and the transistor 17 controlled by the output 22 of the circuit 18 is on. The output 20 of the circuit 18 then blocks the flow of current through the elements 11 and 12. The transistor 17 being mounted in good thermal contact on the plate 14, the temperature of the latter rises. When the temperature of the plate 14 again reaches the set temperature, the alarm signal Uth - U is canceled. The output 22 then blocks the transistor 17. As soon as Uth - U becomes positive, the output 20 no longer blocks the current of the thermoelectric elements 11 and 12. They are then supplied in the direction such that the heat is pumped from their face bonded to the plate 14 towards their face bonded to the radiator 13. The temperature of the plate 14 therefore drops. When the temperature again reaches the set temperature, the current of the elements 11 and 12 is cut off then the transistor 17 is turned on as soon as the error signal is again negative.
On notera que les éléments thermo-électriques 11,12 ne sont utilisés que dans le sens assurant le refroidissement de la plaque 14 eut donc du boîtier 10. De cette manière, ces éléments subissent moins de variations thermiques et leur durée de vie est ainsi augmentée. Par ailleurs, I'utilisation du transistor de puissance permet une mise en température rapide de la plaque 14 et donc du laser.It will be noted that the thermoelectric elements 11, 12 are only used in the direction ensuring the cooling of the plate 14 therefore of the housing 10. In this way, these elements undergo less thermal variations and their lifespan is thus increased. . Furthermore, the use of the power transistor allows rapid heating of the plate 14 and therefore of the laser.
Bien entendu, i'invention ne se limite pas à I'exemple décrit, mais en comporte également les variantes.Of course, the invention is not limited to the example described, but also includes variants thereof.
Cest ainsi que I'on pourrait conjuguer, uniquement lors de la mise en action, l~effet de chauffage du courant du transistor et le passage inversé du courant dans les éléments thermoélectriques de façon à ce qu"ils participent à la mise en température rapide. This is how one could combine, only during activation, the heating effect of the transistor current and the reverse flow of the current in the thermoelectric elements so that they participate in rapid warming up. .
Le circuit 18 pourrait, en outre, comporter un dispositif de sécurité permettant d'alimenter les éléments 11 et 12 dans le sens assurant le refroidissement de la plaque 14 et d'arrêter le courant du laser dans le cas où la liaison entre les thermistances 15a,15k et le circuit 18 serait coupée ou dans celui où la température mesurée deviendrait supérieure à une valeur de sécurité prédéterminée.The circuit 18 could, moreover, include a safety device making it possible to supply the elements 11 and 12 in the direction ensuring the cooling of the plate 14 and to stop the current of the laser in the case where the connection between the thermistors 15a , 15k and circuit 18 would be cut or in that where the measured temperature would become higher than a predetermined safety value.
Enfin, on pourrait7 si besoin, disposer plusieurs transistors tel que 17 convenablement répartis sur les bords de la plaque 14. Finally, we could, if necessary, have several transistors such as 17 suitably distributed over the edges of the plate 14.
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Also Published As
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|---|---|
| FR2690571B1 (en) | 1994-06-03 |
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