CN2831538Y - 一种数字式半导体激光驱动电源装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种数字式半导体激光驱动电源装置，由单片机CPU、A/D转换电路、D/A转换电路、光功率及温度采样放大电路、电流源驱动电路、恒温控制电路、键盘及显示电路、制冷器构成，光功率及温度采样放大电路将光功率及温度采样模拟信号经放大后送至A/D电路，转换为数字信号送入CPU进行运算处理，恒温控制电路输出控制信号接至制冷器。本实用新型运用计算机控制，采用半导体制冷技术，实现半导体激光输出功率、波长等参数的稳定、准确控制；同时实现了***对半导体激光器的可靠自动保护从而延长其使用寿命。该***体积小，性能价格比高，适应性好，弥补了传统纯模拟驱动***性能上的不足，可避免人为操作不当造成昂贵的激光器件的破坏损耗。

Description

一种数字式半导体激光驱动电源装置

技术领域

本实用新型涉及一种驱动电源装置，尤其涉及一种数字式半导体激光驱动电源装置。

背景技术

由于半导体激光器光辐射波长和输出功率与驱动电流、结温度有很大的关系，电流、温度的起伏会引起光功率的变化，或造成激光频率的漂移，影响输出的准确、稳定，除光学反馈法外，温度、工作电流的反馈调节是控制半导体激光输出特性的一种有效手段。另外，静电、高压、浪涌电流以及电网冲击等多种瞬态的电压或电流尖峰都很容易损坏激光器，缩短其使用寿命。为此，人们付出很大的努力来研制精密、稳定、可靠的激光驱动***。随着激光技术的发展，商品化半导体激光器输出功率越来越大，波长范围覆盖可见及红外，加之具有体积小、重量轻、效率高、低压驱动等特点，因而它们在光谱技术、光外差探测、光纤通信、高功率固体激光泵浦、医疗、加工，乃至激光冷却实验等领域得到愈来愈广泛的应用。因此，有关其驱动电源装置的问题更加到人们的重视。传统的半导体激光驱动***一般采用纯模拟硬件电路，但它们在运行性能和可靠性方面往往不尽人意，尤其是在使用过程中，操作运行不当很容易造成激光器的永久性损坏，不仅影响工作，对于中、大功率器件，相应的消耗损失也很大。

发明内容

本实用新型的目的在于：克服现有技术上述缺陷，提供一种体积小，性能价格比高、适应性好、寿命长的数字式半导体激光驱动电源装置。

本实用新型由单片机CPU、A/D转换电路、D/A转换电路、光功率及温度采样放大电路、电流源驱动电路、恒温控制电路、键盘及显示电路、制冷器构成，光功率及温度采样放大电路将光功率及温度采样模拟信号经放大后送至A/D电路，转换为数字信号送入CPU进行运算处理，反馈控制信号经D/A转换电路转换后再分别送往电流源驱动电路及恒温控制电路，形成光功率和温度的闭环控制，A/D转换电路、D/A转换电路挂在单片机CPU总线上，键盘接单片机CPU的RAM并行扩展口，恒温控制电路输出控制信号接至制冷器，用以控制LD制冷器制冷或制热，调节半导体激光器LD的温度。

本实用新型运用计算机控制，有机地结合软件和硬件，并采用半导体制冷技术，实现半导体激光输出功率、波长等参数的稳定、准确控制；同时实现了***对半导体激光器的可靠自动保护从而延长其使用寿命。该***体积小，性能价格比高，适应性好，弥补了传统纯模拟驱动***性能上的不足，可避免人为操作不当造成昂贵的激光器件的破坏损耗。本实用新型结构简单、实用、成本低、效果好。

附图说明

图1为本实用新型电路框图；

图2为本实用新型D/A转换电路的电路连接图；

图3为本实用新型A/D转换电路的电路连接图；

图4为本实用新型电源异常报警电路；

图5为本实用新型电流源驱动电路的电路图；

图6为本实用新型光功率及温度采样放大电路中的温度采样电路及恒温控制电路间的连接图；

图7为本实用新型光功率及温度采样放大电路中的光功率采样电路的电路图。

具体实施方式

以下结合实施例对本实用新型进行详细说明。

本实施例由单片机CPU、A/D转换电路1、D/A转换电路2、光功率及温度采样放大电路3、电流源驱动电路4、恒温控制电路5、键盘及显示电路6、制冷器7及电源异常报警电路构成。光功率及温度采样放大电路3将光功率及温度采样模拟信号经放大后送至A/D电路1，转换为数字信号送入CPU进行运算处理，反馈控制信号经D/A转换电路2转换后再分别送往电流源驱动电路4及恒温控制电路5，形成光功率和温度的闭环控制，A/D转换电路1、D/A转换电路2挂在单片机CPU总线上，键盘4接单片机CPU的RAM并行扩展口，恒温控制电路3输出控制信号接至制冷器7，用以控制LD制冷器7制冷或制热，调节半导体激光器LD的温度。

A/D转换电路1由A/D转换电路IC1构成，轮换完成信号输出端脚7经一非门NO1接至单片机CPU INT1，8位数据输出端脚8、14、15、17、18-21接单片机CPU P00-P07口，将转换结果传送至单片机CPU，A/D电路IC1 3位地址输入端脚23、24、25分别与数据输出端脚15、14、17相连，单片机CPU读、写端脚17、16连接至一与门输入端，经此输出再经一非门连接至A/D转换电路IC1地址锁存启动信号端脚22，单片机CPU P23口、单片机CPU读端脚17连接至一与门输入端，经此输出再经一非门连接至A/D转换电路IC1脚9，启动信号输入端脚6与地址锁存启动信号端脚22相连；单片机CPU数据口P00-P07分别与D/A转换电路IC2脚13-16、4-7相连；光功率及温度采样放大电路3包括光功率采样电路及温度采样放大电路。光功率采样电路由光电二极管PD、运放AR6、可变电阻R1、电阻R2、R3，光电二极管PD一端接运放AR6“+”端，电阻R2、R3串联支路跨接于AR6“+”、“-”端间，中间点接地，可变电阻R1跨接于运放AR6输出端及“-”端间。温度采样放大电路由稳压块U2、运放U1、电阻R4-R7、电容C1、C2组成，电阻R7跨接于稳压块U2脚2、3间，电阻R5跨接稳压块U2脚3及地间，电容C1跨接于电阻R5一端及中心滑动端，电阻R8串接电阻R7一端后接运放U1脚2，电阻R4跨接于运放U1脚2及地间，电阻R6跨接于运放U1脚3及输出端脚1间，运放U1输出端接至A/D转换电路，运放U1输出端及地间接有电容C2。恒温控制电路5由采样保持电路及推挽输出电路构成，采样保持电路由电阻R9-R12、电容C3-C5及采样保持集成块U4、运放U3构成，采样保持集成块U4脚6及地间跨接电容C3，采样保持集成块U4输出脚3及地间跨接电容C4，电阻R10及R11的串联支路跨接于采样保持集成块U4输出脚3及运放U3“+”端间，电阻R12跨接于运放“-”端及推挽电路输入端，电阻R9跨接于运放“-”端及地间。推挽电路由运放U5、电阻R13、电容C6、C7及三极管Q1、Q2构成的典型的推挽电路，推挽电路输出端接制冷器7。电流源驱动电路4由光耦接口电路、整流滤波电路、采样保持电路、电流源电路、过流监测电路、过压监测电路、短路保护电路构成。光耦接口电路由电阻R14、R15光耦S1、S2构成。整流滤波电路由变压器LO、继电器KO、三极管Q7及滤波器F1构成。采样保持电路由采样保持集成块U6、电容C8-C10、电阻R16构成；过流检测电路由光耦S3、非门U7、电阻R18-R21、运放U8及电容C11构成，电流源电路由二个运放U9、U10和达林顿管Q3、三极管Q5、MOS开关管Q4、电阻R22-R27、二极管D1-D2、电容C12、C13、C14构成；过压监测电路由光耦S4、电阻R28-R31，二极管D3、运放U11、滤波器F2构成。短路保护电路由继电器K1、电阻R32、R33、三极管Q6、二极管D4构成。光耦接口电路中电阻R14、R15分别连接于光耦S1、S2输入端，光耦S1、S2输出端分别经电阻R33、R26接至三极管Q6、Q5基极。采样保持集成块U6输入端接D/A转换电路输出端。整流滤波电路中的继电器K0接三极管Q7发射极，其常开触点跨接变压器LO及滤波器F1输入端。采样保持集成块U6输出端脚经电阻R16接运放U9输入端，由此输入的信号经运放U9、U10二级放大输出至三极管Q3基极，电容C9、C10一端分别接电阻R16两端，另一端均接至地，电容C8跨接采样保持集成块U6的脚?及地间光耦S3输出接非门U7输入端，别一输入端经电阻R19接至地，MOS开关管Q4栅极经电阻R23接至运放U8输入端脚1，运放U8输出端脚依次连接电阻R18、R17后接光耦S3输入端，电阻R20、R21的串联支路一端接地，一端接，中间接点接至电容C11一端，电容C11另一端接地，可变电阻R20中心抽头接运放U8另一输入端。三极管Q6发射极及地间跨接继电器K1及二极管D4，继电器K1并接二极管D1、电容C12、C13后再跨接于滤波器F2输入端，滤波器F2输出端跨接LD制冷器7。电容C13一端接地，另一端经电阻R31后接运放U11输入端，运放U11另一输入端依次经电阻R28、R29至光耦S4的输入端，运放U11输出端依次经电阻R30、R29至光耦S4的输入端。达林顿管Q3发射极经电阻R22接至开关管Q4栅极，开关管Q4基极及栅极间跨接电阻R23，开关管Q4基极与三极管Q5集电极相连。三极管Q5基极经电阻R24接至整流滤波电路输出端，整流滤波电路另一输出端串接电阻R27与电容C14的并联支路后接运放U11电源输入端，电容D2跨接于整流滤波电路一输出端与运放U11电源输入端间。电源异常报警电路，包括报警电路及指示电路，报警电路由电阻R41-R46、三极管BG1、BG2、BG3、BG4、扬声器S构成，指示电路由电阻R47-R55、三极管BG5-BG8、发光二极管LED1-LED5构成，单片机CPU脚1、2、3、5、7、8分别经电阻R44、R46、R44、R49、R45、R50、接三极管BG4、BG3、BG5、BG6、BG2、BG8基极，电阻R52、R53、R54、R55分别为三极管BG5、BG6、BG7、BG8集电极偏置电阻，另一端相连后经电阻R51与电源指示二极管LED1相连，LED2、LED3、LED4、LED5一端分别与BG5、BG6、BG7、BG8发射极相连，LED1-LED5另一端均与地相连。

在-10℃-50℃的环境温度下经过测试，本实用新型的主要性能指标如下：

1)恒流源输出：0-3.8A连续可调，电源负载调整率优于0.4％

2)激光输出功率：0-2W连续可调，稳定度优于0.1％

3)激光器工作温度24℃，温度控制精度±0.3℃

4)由于采用基于软件控制下的继电器保护、慢启动、慢关闭、光功率慢调整、高压过流保护等措施，对激光器件具有可靠的自动保护作用。

Claims (4)

1、一种数字式半导体激光驱动电源装置，其特征在于：由单片机(CPU)、A/D转换电路(1)、D/A转换电路(2)、光功率及温度采样放大电路(3)、电流源驱动电路(4)、恒温控制电路(5)、键盘及显示电路(6)、制冷器(7)构成，光功率及温度采样放大电路(3)将光功率及温度采样模拟信号经放大后送至A/D电路(1)，转换为数字信号送入(CPU)进行运算处理，反馈控制信号经D/A转换电路(2)转换后再分别送往电流源驱动电路(4)及恒温控制电路(5)，形成光功率和温度的闭环控制，A/D转换电路(1)、D/A转换电路(2)挂在单片机CPU总线上，键盘(4)接单片机(CPU)的RAM并行扩展口，恒温控制电路(3)输出控制信号接至制冷器(7)，用以控制制冷器(7)制冷或制热，调节半导体激光器(LD)的温度。

2、根据权利要求1所述的数字式半导体激光驱动电源装置，其特征在于：A/D转换电路(1)由A/D转换电路(IC1)构成，轮换完成信号输出端脚7经一非门NO1接至单片机(CPU)INT1，8位数据输出端脚8、14、15、17、18-21接单片机CPU P00-P07口，将转换结果传送至单片机(CPU)，A/D电路(IC1)3位地址输入端脚23、24、25分别与数据输出端脚15、14、17相连，单片机(CPU)读、写端脚17、16连接至一与门输入端，经此输出再经一非门连接至A/D转换电路(IC1)地址锁存启动信号端脚22，单片机(CPU)P23口、单片机(CPU)读端脚17连接至一与门输入端，经此输出再经一非门连接至A/D转换电路(IC1)脚9，启动信号输入端脚6与地址锁存启动信号端脚22相连；单片机(CPU)数据口P00-P07分别与D/A转换电路(IC2)脚13-16、4-7相连。

3.根据权利要求1或2所述的数字式半导体激光驱动电源装置，其特征在于：光功率及温度采样放大电路(3)包括光功率采样电路及温度采样放大电路，光功率采样电路由光电二极管(PD)、运放(AR6)、可变电阻(R1)、电阻(R2、R3)，光电二极管(PD)一端接运放(AR6)“+”端，电阻(R2、R3)串联支路跨接于(AR6)“+”、“-”端间，中间点接地，可变电阻(R1)跨接于运放(AR6)输出端及“-”端间，温度采样放大电路由稳压块(U2)、运放(U1)、电阻(R4-R7)、电容(C1、C2)组成，电阻(R7)跨接于稳压块(U2)脚2、3间，电阻(R5)跨接稳压块(U2)脚3及地间，电容(C1)跨接于电阻(R5)一端及中心滑动端，电阻(R8)串接电阻(R7)一端后接运放(U1)脚2，电阻(R4)跨接于运放(U1)脚2及地间，电阻(R6)跨接于运放(U1)脚3及输出端脚1间，运放(U1)输出端接至A/D转换电路，运放U1输出端及地间接有电容C2；恒温控制电路(5)由采样保持电路及推挽输出电路构成，采样保持电路由电阻(R9-R12)、电容(C3-C5)及采样保持集成块(U4)、运放(U3)构成，采样保持集成块(U4)脚6及地间跨接电容(C3)，采样保持集成块(U4)输出脚3及地间跨接电容(C4)，电阻(R10)及(R11)的串联支路跨接于采样保持集成块(U4)输出脚3及运放(U3)“+”端间，电阻(R12)跨接于运放“-”端及推挽电路输入端，电阻(R9)跨接于运放“-”端及地间；推挽电路由运放(U5)、电阻(R1 3)、电容(C6、C7)及三极管(Q1、Q2)构成的典型的推挽电路，推挽电路输出端接制冷器(7)；电流源驱动电路(4)由光耦接口电路、整流滤波电路、采样保持电路、电流源电路、过流监测电路、过压监测电路、短路保护电路构成；光耦接口电路由电阻(R14、R15)、光耦(S1、S2)构成；整流滤波电路由变压器(L0)、继电器(K0)、三极管(Q7)及滤波器(F1)构成；采样保持电路由采样保持集成块(U6)、电容(C8-C10)、电阻(R16)构成；过流检测电路由光耦(S3)、非门(U7)、电阻(R18-R21)、运放(U8)及电容(C11)构成，电流源电路由二个运放(U9、U10)和达林顿管(Q3)、三极管(Q5)、MOS开关管(Q4)、电阻(R22-R27)、二极管(D1-D2)、电容(C12、C13、C14)构成；过压监测电路由光耦(S4)、电阻(R28-R31)，二极管(D3)、运放(U11)、滤波器(F2)构成；短路保护电路由继电器(K1)、电阻(R32、R33)、三极管(Q6)、二极管(D4)构成；光耦接口电路中电阻(R14、R15)分别连接于光耦(S1、S2)输入端，光耦(S1、S2)输出端分别经电阻(R33、R26)接至三极管(Q6、Q5)基极；采样保持集成块(U6)输入端接D/A转换电路输出端；整流滤波电路中的继电器(K0)接三极管(Q7)发射极，其常开触点跨接变压器(L0)及滤波器(F1)输入端；采样保持集成块(U6)输出端脚经电阻(R16)接运放(U9)输入端，由此输入的信号经运放(U9、U10)二级放大输出至三极管(Q3)基极，电容(C9、C10)一端分别接电阻(R16)两端，另一端均接至地，电容(C8)跨接采样保持集成块(U6)的脚6及地间光耦(S3)输出接非门(U7)输入端，别一输入端经电阻(R19)接至地，MOS开关管(Q4)栅极经电阻(R23)接至运放(U8)输入端脚1，运放(U8)输出端脚依次连接电阻(R18、R17)后接光耦(S3)输入端，电阻(R20、R21)的串联支路一端接地，一端接，中间接点接至电容(C11)一端，电容(C11)另一端接地，可变电阻(R20)中心抽头接运放(U8)另一输入端；三极管(Q6)发射极及地间跨接继电器(K1)及二极管(D4)，继电器(K1)并接二极管(D1)、电容(C12、C13)后再跨接于滤波器(F2)输入端，滤波器(F2)输出端跨接制冷器(7)；电容(C13)一端接地，另一端经电阻(R31)后接运放(U11)输入端，运放(U11)另一输入端依次经电阻(R28、R29)至光耦(S4)的输入端，运放(U11)输出端依次经电阻(R30、R29)至光耦(S4)的输入端；达林顿管(Q3)发射极经电阻(R22)接至开关管(Q4)栅极，开关管(Q4)基极及栅极间跨接电阻(R23)，开关管(Q4)基极与三极管(Q5)集电极相连；三极管(Q5)基极经电阻(R24)接至整流滤波电路输出端，整流滤波电路另一输出端串接电阻(R27)与电容(C14)的并联支路后接运放(U11)电源输入端，电容(D2)跨接于整流滤波电路一输出端与运放(U11)电源输入端间。

4、根据权利要求1或2所述的数字式半导体激光驱动电源装置，其特征在于：设置有电源异常报警电路，包括报警电路及指示电路，报警电路由电阻(R41-R46)、三极管(BG1、BG2、BG3、BG4)、扬声器(S)构成，指示电路由电阻(R47-R55)、三极管(BG5-BG8)、发光二极管(LED1-LED5)构成，单片机(CPU)脚1、2、3、5、7、8分别经电阻(R44、R46、R44、R49、R45、R50)、接三极管(BG4、BG3、BG5、BG6、BG2、BG8)基极，电阻(R52、R53、R54、R55)分别为三极管(BG5、BG6、BG7、BG8)集电极偏置电阻，另一端相连后经电阻(R51)与电源指示二极管(LED1)相连，二极管(LED2、LED3、LED4、LED5)一端分别与三极管(BG5、BG6、BG7、BG8)发射极相连，二极管(LED1-LED5)另一端均与地相连。

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