基于基于MAX1978的半导体激光器温控系统设计的半导体激光器温控系统设计
为了保持半导体激光器工作的稳定性,设计了一种基于MAX1978的高精度温度控制系统。采用热电制冷器
(TEC)作为温度补偿元件,通过外部比例积分微分(PID)补偿网络控制驱动TEC模块。该系统具有功耗低、
效率高、集成度高等优点,在15℃~40℃控温范围内可连续调节,控温精度可达0.002℃。
摘摘 要要: 为了保持半导体激光器工作的稳定性,设计了一种基于
关键词关键词: 高精度;PID;MAX1978;TEC
0 引言引言
半导体激光器具有成本低、效率高、体积小等优点,已经成为物理研究中不可缺少的部分[1]。半导体激光器对温度极其
敏感,其自身工作时产生的热量以及外界环境温度的变化都会使激光二极管的阈值、输出波长和输出功率发生变化,波长变化
系数在0.1 nm/℃左右[2]。在原子光学的研究领域,利用激光对原子进行冷却、俘获与操控已经是非常成熟的技术,半导体激
光器以其价格低廉、结构简单、可靠性高等优点而得到广泛应用。包括原子频标、原子惯性系统等在内的原子光学领域,对激
光器的功率稳定性、线宽、频率稳定性都要求很高[3]。目前普遍采用的温控系统成本高、系统复杂、体积大,采用集成芯片
MAX1978设计的温控系统能够很好地解决这些问题,将由于温度变化而导致的激光器工作不稳定因素完全消除。
1 温度控制原理温度控制原理
TEC是利用珀尔帖效应制作而成的一种半导体制冷器。当电流通过两种半导体材料组成的PN结时,由于两种半导体材料
中的电子和空穴在跨越PN结移动过程中的吸热和放热效应(珀尔帖效应),其一端会吸热而另一端放热,就会使PN结表现为
制冷和加热的效果,制冷还是加热,以及制冷、加热的速率,是由通过PN结的电流方向和大小决定的[4-5]。因此,可以通过
控制电流的方向和大小控制制冷或加热以及加热制冷速率,非常适合要求控制精度高、响应快速的恒温控制系统。利用TEC实
现温度控制的方法如图1所示。
图1中,目标温度的选择是通过设定电压值来实现的,用负温度系数热敏电阻(NTC)来测量目标物体的温度值,目标物
体的实际温度变化时NTC的阻值将发生变化,宏观表现为热敏电阻两端电压值的变化,并与设定电压进行比较。在比较电路
部分应用一个精密运算构成差分放大器进行电压值的比较,产生一个误差电压值。误差电压经过一个高增益运算放大器构成的
PID控制器,控制脉冲宽度调制(PWM)控制器驱动场效应管,对流过TEC的电流大小和方向进行控制,使目标温度与设定
温度达到一致。
2 温控系统电路设计温控系统电路设计
2.1 MAX1978的特点
MAX1978是用于TEC模块的最小、最精确、最安全的温度控制微芯片。MAX1978具有很高的集成度,将控制环路和功率
FET管集成在同一芯片上,尽可能地减少外部电路,使整个温控系统更加小型化。芯片具有500 kHz和1 MHz的MOSFET开关
频率可供选择,独特的纹波消除方法降低了电路噪声,也优化了芯片的尺寸和工作效率;同时,对内部MOSFET的开关速度
进行了优化,减少了噪声和电磁干扰(EMI)。
MAX1978直接输出电流而不是电压,能够直接消除浪涌电流,独立的加热和制冷电流电压限制为TEC提供最安全的保
护,整个温控系统更加安全可靠。采用单电源供电,能够为TEC提供双极性的±3 A输出电流,实现温度的无“死区”控制,避免
在低电流工作时的非线性问题。MAX1978内部集成了一个超低漂移的斩波型运算放大器和一个积分放大器,构成比例积分
(PI)或者比例积分微分(PID)控制器,能够维持±0.001℃的温度稳定性[6]。MAX1978温度控制原理框图如图2所示。
2.2 电路图设计
评论5