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光學元件

半導體激光器驅動電源的控制系統(tǒng)

星之球激光 來源:電子工程世界2011-09-25 我要評論(0 )   

使用單片機對 激光器 驅動 電源 的程序化控制,不僅能夠有效地實現(xiàn)上述功能,而且可提高整機的 自動化 程度。同時為激光器驅動電源性能的提高和擴展提供了有利條件。 1 ...

        使用單片機對激光器驅動電源的程序化控制,不僅能夠有效地實現(xiàn)上述功能,而且可提高整機的自動化程度。同時為激光器驅動電源性能的提高和擴展提供了有利條件。

   1 總體結構框圖

  本系統(tǒng)原理如圖1所示,主要實現(xiàn)電流源驅動及保護、光功率反饋控制、恒溫控制、錯誤報警及鍵盤顯示等功能,整個系統(tǒng)由單片機控制。本系統(tǒng)中選用了C8051F單片機。C8051F單片機是完全集成的混合信號系統(tǒng)級芯片(SOC),他在一個芯片內集成了構成一個單片機數(shù)據(jù)采集或控制系統(tǒng)所需要的幾乎所有模擬和數(shù)字外設及其他功能部件,如本系統(tǒng)中用到的ADC和DAC。這些外設部件的高度集成為設計小體積、低功耗、高可靠性、高性能的單片機應用系統(tǒng)提供了方便,也大大降低了系統(tǒng)的成本。光功率及溫度采樣模擬信號經(jīng)放大后由單片機內部A/D轉換為數(shù)字信號,進行運算處理,反饋控制信號經(jīng)內部D/A轉換后再分別送往激光器電流源電路和溫控電路,形成光功率和溫度的閉環(huán)控制。光功率設定從鍵盤輸入,并由LED數(shù)碼管顯示激光功率和電流等數(shù)據(jù)。

 

  2 半導體激光器電源控制系統(tǒng)設計

  目前,凡是高精密的恒流源,大多數(shù)都使用了集成運算放大器。其基本原理是通過負反作用,使加到比較放大器兩個輸入端的電壓相等,從而保持輸出電流恒定。并且影響恒流源輸出電流穩(wěn)定性的因素可歸納為兩部分:一是構成恒流源的內部因素,包括:基準電壓、采樣電阻、放大器增益(包括調整環(huán)節(jié))、零點漂移和噪聲電壓;二是恒流源所處的外部因素,包括:輸入電源電壓、負載電阻和環(huán)境溫度的變化。

  2.1 慢啟動電路

  半導體激光器往往會因為接在同一電網(wǎng)上的多種電器的突然開啟或者關閉而受到損壞,這主要是由于開關的閉合和開啟的瞬間會產(chǎn)生一個很大的沖擊電流,就是該電流致使半導體激光器損壞,介于這種情況,必須加以克服。因此,驅動電源的輸入應該設計成慢啟動電路,以防損壞,如圖2所示:左邊輸入端接穩(wěn)壓后的直流電壓,右邊為輸出端。整個電路的結構可看作是在射級輸出器上添加了兩個Ⅱ型濾波網(wǎng)絡,分別由L1,C1,C2和L2,C6,C7組成。電容C5構成的C型濾波網(wǎng)絡及一個時間延遲網(wǎng)絡。慢啟動輸入電壓V在開關和閉合的瞬間產(chǎn)生大量的高頻成分,經(jīng)過圖中的兩個Ⅱ型網(wǎng)絡濾出大部分的高頻分量,直流以及低頻分量則可以順利地經(jīng)過。到達電阻R和C組成的時間延遲網(wǎng)絡,C2和C4并聯(lián)是為了減少電解電容對高頻分量的電感效應。

  

  2.2 恒流源電路的設計

  為了使半導體激光器穩(wěn)定工作,對流過激光器的電流要求非常嚴格,供電電路必須是低噪聲的穩(wěn)定恒流源驅動,具體電路如圖3所示。

如圖3所示,該恒流源由運放U1和三極管T1,達林頓管Q2進行電流放大,再通過U2放大反饋,從而實現(xiàn)恒流輸出。TQ2以大功率達林頓管為調整管,將其接成射極輸出的形式,半導體激光器(LD)作為負載串聯(lián)在達林頓管的發(fā)射極,通過控制達林頓管的基極實現(xiàn)對激光器電流的控制。本設計要求電路最大能輸出3 A工作電流,這就要求推動達林頓管的基極電流也比較大,但因集成運算放大器一般工作在小電流狀態(tài),不能直接推動達林頓管正常工作,即使勉強推動其工作也會造成集成運算放大器本身功耗過大,溫升過高,影響電路的輸出精度,所以采用小功率三極管T1推動大功率達林頓管工作。采樣電阻接在激光器下端,采樣信號經(jīng)過由U2組成的同相比例放大環(huán)節(jié)放大后再接回到U1的反相輸入端,構成電流負反饋電路,達到輸出恒流的目的。

  2.3 激光功率的穩(wěn)定控制

  光功率反饋采用外部監(jiān)測光電二極管的輸出光電流,由放大器再經(jīng)A/D轉換后送CPU處理,得出控制量,調整激光器的工作電流,從而進行激光功率的閉環(huán)控制。

  溫度控制在本系統(tǒng)中采用了半導體制冷來實現(xiàn),這是一種熱電制冷器,只要控制流過溫控器電流的大小和方向,就能對激光器進行制冷或加熱,從而控制激光器的工作溫度。

  2.4 保護電路

  雖然慢啟動電路消除了高頻沖擊電流的危害,但不能有效地防止直流或低頻電流過載對半導體激光器的危害,因此,應當設立過載保護電路。一般可采用限流式保護電路。若長時間工作于短路的情況下,過熱仍然會導致調整管的損壞,此時可以采取截流式保護電路。過電壓保護的精度主要取決于穩(wěn)壓二極管,而其工作點是隨流經(jīng)穩(wěn)壓管的電流和環(huán)境溫度變化的,因此,設計上必須選用穩(wěn)定電壓的溫漂非常小的穩(wěn)壓管。

  3 軟件設計

  本系統(tǒng)軟件采用模塊化的結構設計,自頂向下,逐步細化,利用子程序構成各模塊,如初始化模塊、鍵盤模塊、顯示模塊等。主程序流程圖如圖4所示。

 

  在主程序流程中,系統(tǒng)上電復位后,開始進行各模塊初始化,然后調顯示子程序,顯示數(shù)據(jù),再調鍵掃描子程序,若有鍵按下,則調相應的鍵功能程序,若無鍵按下,則循環(huán)調用顯示程序。

  4 結 語

  本文中設計的半導體激光器驅動電源的控制系統(tǒng)通過慢啟動電路、恒流源電路和光功率反饋電路等,解決了恒流和在工作溫度范圍內輸出功率的不穩(wěn)定問題,穩(wěn)定度較高。

 

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