CN204087018U

CN204087018U - 一种半导体激光器的温度控制***

Info

Publication number: CN204087018U
Application number: CN201420311413.7U
Authority: CN
Inventors: 葛益娴; 王晖; 徐政; 眭凯强
Original assignee: Nanjing University of Information Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Information Science and Technology
Priority date: 2014-06-12
Filing date: 2014-06-12
Publication date: 2015-01-07
Anticipated expiration: 2024-06-12

Abstract

本实用新型涉及了一种半导体激光器的温度控制***，包括半导体激光器、温度传感器、半导体制冷器、温度采集电路、A/D转换电路、单片机、液晶显示器、键盘输入模块以及半导体制冷器驱动电路，所述半导体激光器、温度传感器以及半导体制冷器封装在一起，且与温度采集电路、半导体制冷器驱动电路相连；所述液晶显示器、键盘输入模块与单片机相连；所述A/D转换电路的一端与单片机相连、另一端与温度采集电路相连；所述半导体制冷器驱动电路的一端与单片机相连、另一端与半导体制冷器相连。该***能够实现加热制冷双向控制的半导体激光器的温度控制***。

Description

一种半导体激光器的温度控制***

技术领域

本实用新型涉及了温度控制领域，尤其涉及了一种半导体激光器的温度控制***。

背景技术

半导体激光器（LD）具有体积小、重量轻、结构简单、寿命长、转换效率高、功耗低、价格低廉、使用安全、易于调节等优点，普遍使用在现代光纤通信***中。但半导体激光器工作时，其阈值电流和功率稳定性对温度敏感。为了使半导体激光器的激光波长和输出功率稳定，使用寿命尽可能延长，必须对其温度进行高精度的控制。

目前，国内许多科研单位进行了各种尝试，试图找出一种控温精确稳定，价格适中的方案。国内外在此方面都作了很多研究，在测温元件的选取、测温电路的检测精度和加热制冷装置方面做出了不同的尝试。控制方法由模拟PID到数字PID，由模糊控制到自适应控制，半导体制冷器制冷驱动电路的工作模式，从而逐渐提高控温精度。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本实用新型的目的就在于提供了一种半导体激光器的温度控制***，能够实现加热制冷双向控制的半导体激光器的温度控制***。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是这样的：一种半导体激光器的温度控制***，包括半导体激光器、温度传感器、半导体制冷器、温度采集电路、A/D转换电路、单片机、液晶显示器、键盘输入模块以及半导体制冷器驱动电路，所述半导体激光器、温度传感器以及半导体制冷器封装在一起，且与温度采集电路、半导体制冷器驱动电路相连；所述液晶显示器、键盘输入模块与单片机相连；所述A/D转换电路的一端与单片机相连、另一端与温度采集电路相连；所述半导体制冷器驱动电路的一端与单片机相连、另一端与半导体制冷器相连；所述温度采集电路由恒流源电路与桥式测量电路组成，其基准电压源Vcc串联电阻Rs连接于运算放大器IC0的反相输入端，一端接地的电阻R经过稳压二极管连接于基准电压源Vcc且其另一端与运算放大器IC0的同相输入端相连，所述PNP三极管Q1的发射极与运算放大器IC0的反相输入端相连、基极与运算放大器IC0的输出端相连、集电极与电阻R1、电阻R3相连，所述电阻R1经过热敏电阻R2连接于电压跟随器IC1的同相输入端，所述电阻R3经过电阻R4连接于电压跟随器IC1的反相输入端，该电压跟随器IC1的输出端与反向输入端相连，所述电阻R1、电阻R2之间设置有输出端b，电阻R3、电阻R4之间设置有输出端d，输出端b连接至电压跟随器IC2的同相输入端，所述电压跟随器IC2的反向输入端与输出端相连后经过电阻R9连接至运算放大器IC4的同相输入端，该运算放大器IC4的同相输入端经过电阻R10后接地，所述输出端d连接至电压跟随器IC3的同相输入端，所述电压跟随器IC3的反向输入端与输出端相连后经过电阻R8连接至运算放大器IC4的反相输入端，所述连接至A/D转换电路的运算放大器IC4的输出端经过电阻Rf与反相输入端相连；所述半导体制冷器驱动电路由MOSFET管Q2、MOSFET管Q3、MOSFET管Q4、MOSFET管Q5对称构成，MOSFET管Q2的栅极接单片机输出的PWM 信号OUT1、源极接Vcc、漏极接二极管D11与Vcc相连，MOSFET管Q3的栅极接单片机输出的PWM 信号OUT2、源极与电阻R0相连接地、漏极接二极管D12到电阻R0接地，MOSFET管Q4的栅极接单片机输出的PWM 信号OUT3、源极接Vcc、漏极接二极管D13与Vcc相连，MOSFET管Q5的栅极接单片机输出的PWM 信号OUT4、源极与电阻R0相连接地、漏极接二极管D14到电阻R0接地，MOSFET管Q2、MOSFET管Q3中间经电阻R11、电容C1、电阻R12、电容C2串并联网络接半导体制冷器一端，MOSFET管Q4、MOSFET管Q5中间经电阻R13、电容C3、电阻R14、电容C4串并联网络接半导体制冷器另一端；所述的温度采集电路采用恒流源与桥式测量电路相连；所述的半导体制冷器驱动电路采用H桥功率双向驱动，所述单片机输出的PWM 信号通过经OUT1、OUT2、OUT3、OUT4 四个引脚输入由四个MOSFET管所组成的H 桥电路，以控制所述半导体制冷器加热或制冷。

作为一种优选方案，所述单片机为MSP430F149芯片。

作为一种优选方案，所述的半导体制冷器为TEC1--3103半导体制冷器，该制冷器允许通过的最大电流是3A。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果：

1. 具有简单、实用、抗干扰性强、测量精度高的特点；

2. 采用恒流源与桥式测量电路相结合检测温度信号，不仅能消除电噪声，而且消除了单纯桥氏电路的非线形；

3. 经过数字控制器处理调整，输出的数字控制量由占空比受控的PWM信号采用H桥功率双向驱动，可控制半导体制冷器加热或制冷，使环境温度高低不同的情况下，均能实现恒温控制。

附图说明

图1为本实用新型的***框图；

图2为本实用新型的温度采集电路原理图；

图3为本实用新型的半导体制冷器驱动电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行进一步说明。

实施例：

如图1所示，一种半导体激光器的温度控制***，包括半导体激光器、温度传感器、半导体制冷器、温度采集电路、A/D转换电路、单片机、液晶显示器、键盘输入模块以及半导体制冷器驱动电路，所述半导体激光器、温度传感器以及半导体制冷器封装在一起，且与温度采集电路、半导体制冷器驱动电路相连；所述液晶显示器、键盘输入模块与单片机相连；所述A/D转换电路的一端与单片机相连、另一端与温度采集电路相连；所述半导体制冷器驱动电路的一端与单片机相连、另一端与半导体制冷器相连。

温度采集电路原理图如图2所示，采用恒流源与桥式测量电路相结合，左侧为恒流源电路。采用热敏电阻作为温度传感器，在理想的情况下，流过NTC(R2)电流就是一个恒定的值，与其他参数无关。恒流源电路由基准电压源LM385、电阻R及电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4, PNP三极管9012和运算放大器TLV2252组成，其中R选择不同的电阻时，恒流源具有不同的输出。电阻R1，电阻R2半桥的电流I1是由串联可调整恒流源提供的稳定电流。通过使用电压跟随器，使电阻R1，电阻R2半桥和电阻R3，电阻R4半桥相互隔离，即电流I1与电阻R3，电阻R4半桥的电流I2无关，而两半桥的电压相等。电桥的初始平衡状态时，。当热敏电阻R2的阻值因温度改变而改变时，电桥偏了原来的平衡状态。和组成两个电压跟随器，输入阻抗极高，以保证在测量过程中不影响两个半桥的电压和电流。电桥输出为差压，将电桥输出进行放大。

半导体制冷器驱动电路原理图如图3所示，采用H桥功率双向驱动，由MOSFET管Q2、MOSFET管Q3、MOSFET管Q4、MOSFET管Q5对称构成，单片机输出的PWM 信号通过经OUT1、OUT2、OUT3、OUT4 四个引脚输入，控制输入端OUT1﹑输入端OUT2﹑输入端OUT3﹑输入端OUT4的电平就可以控制电流的方向，其中输入端OUT1与输入端OUT4电平关系相反，输入端OUT2与输入端OUT3电平关系相反。输入端OUT1为高电平，输入端OUT4为低电平，输入端OUT2为低电平，输入端OUT3为高电平，则MOSFET管Q2截止﹑MOSFET管Q3截止﹑MOSFET管Q4截止﹑MOSFET管Q5截止，没有电流流过半导体制冷器。设定输入端OUT1为低电平，输入端OUT4为高电平，输入端OUT2为低电平，输入端OUT3为高电平，则MOSFET管Q2导通﹑MOSFET管Q5导通﹑MOSFET管Q3截止﹑MOSFET管Q4截止，则流经半导体制冷器的电流方向为从左向右。设定输入端OUT1为高电平，输入端OUT4为低电平，输入端OUT2为高电平，输入端OUT3为低电平，则MOSFET管Q2截止﹑MOSFET管Q5截止﹑MOSFET管Q3导通﹑MOSFET管Q4导通，则流经半导体制冷器的电流方向为从右向左。当目标物体的温度低于设定温度时，H桥按半导体制冷器制热的方向以一定幅值输出电流；当目标物体的温度高于设定温度时，H桥会减少半导体制冷器的电流甚至反转半导体制冷器的电流的方向来降低目标物体的温度。当控制环路达到平衡时，半导体制冷器的电流方向和幅值就调整好了，目标物体温度等于设定温度。

本实用新型主要采用的TI公司推出的一种16位系列单片机MSP430。本实用新型主要采用的是单片机MSP430F149为控制核心，MSP430F149单片机在电池供电的低功耗应用中具有独特的优势，其工作电压在1.8V～3.6V之间，正常工作时功耗可控制在200μA左右，它主要由温度采集电路采集温度信号，经过A/D转换，将其变换成数字信号，输出PWM信号，驱动半导体制冷器。

最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制性技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims

1.一种半导体激光器的温度控制***，其特征在于：所述温度控制***包括半导体激光器、温度传感器、半导体制冷器、温度采集电路、A/D转换电路、单片机、液晶显示器、键盘输入模块以及半导体制冷器驱动电路，所述半导体激光器、温度传感器以及半导体制冷器封装在一起，且与温度采集电路、半导体制冷器驱动电路相连；所述液晶显示器、键盘输入模块与单片机相连；所述A/D转换电路的一端与单片机相连、另一端与温度采集电路相连；所述半导体制冷器驱动电路的一端与单片机相连、另一端与半导体制冷器相连；所述温度采集电路由恒流源电路与桥式测量电路组成，其基准电压源Vcc串联电阻Rs连接于运算放大器IC0的反相输入端，一端接地的电阻R经过稳压二极管连接于基准电压源Vcc且其另一端与运算放大器IC0的同相输入端相连，所述运算放大器IC0的反相输入端与PNP三极管Q1的发射极相连，且PNP三极管Q1的基极与运算放大器IC0的输出端相连、集电极与电阻R1、电阻R3相连，所述电阻R1经过热敏电阻R2连接于电压跟随器IC1的同相输入端，所述电阻R3经过电阻R4连接于电压跟随器IC1的反相输入端，该电压跟随器IC1的输出端与反向输入端相连，所述电阻R1、电阻R2之间设置有输出端b，电阻R3、电阻R4之间设置有输出端d，输出端b连接至电压跟随器IC2的同相输入端，所述电压跟随器IC2的反向输入端与输出端相连后经过电阻R9连接至运算放大器IC4的同相输入端，该运算放大器IC4的同相输入端经过电阻R10后接地，所述输出端d连接至电压跟随器IC3的同相输入端，所述电压跟随器IC3的反向输入端与输出端相连后经过电阻R8连接至运算放大器IC4的反相输入端，所述连接至A/D转换电路的运算放大器IC4的输出端经过电阻Rf与反相输入端相连；所述半导体制冷器驱动电路由MOSFET管Q2、MOSFET管Q3、MOSFET管Q4、MOSFET管Q5对称构成，MOSFET管Q2的栅极接单片机输出的PWM 信号OUT1、源极接Vcc、漏极接二极管D11与Vcc相连，MOSFET管Q3的栅极接单片机输出的PWM 信号OUT2、源极与电阻R0相连接地、漏极接二极管D12到电阻R0接地，MOSFET管Q4的栅极接单片机输出的PWM 信号OUT3、源极接Vcc、漏极接二极管D13与Vcc相连，MOSFET管Q5的栅极接单片机输出的PWM 信号OUT4、源极与电阻R0相连接地、漏极接二极管D14到电阻R0接地，MOSFET管Q2、MOSFET管Q3中间经电阻R11、电容C1、电阻R12、电容C2串并联网络接半导体制冷器一端，MOSFET管Q4、MOSFET管Q5中间经电阻R13、电容C3、电阻R14、电容C4串并联网络接半导体制冷器另一端。

2.根据权利要求1所述的一种半导体激光器的温度控制***，其特征在于：所述单片机为MSP430F149芯片。

3.根据权利要求1所述的一种半导体激光器的温度控制***，其特征在于：所述的半导体制冷器为TEC1--3103半导体制冷器，该制冷器允许通过的最大电流是3A。