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半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電源的控制系統(tǒng)

作者: 時(shí)間:2011-09-22 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏
使用單片機(jī)對(duì)的程序化控制,不僅能夠有效地實(shí)現(xiàn)上述功能,而且可提高整機(jī)的自動(dòng)化程度。同時(shí)為性能的提高和擴(kuò)展提供了有利條件。

  1總體結(jié)構(gòu)框圖

  本系統(tǒng)原理如圖1所示,主要實(shí)現(xiàn)電流源及保護(hù)、光功率反饋控制、恒溫控制、錯(cuò)誤報(bào)警及鍵盤顯示等功能,整個(gè)系統(tǒng)由單片機(jī)控制。本系統(tǒng)中選用了C8051F單片機(jī)。C8051F單片機(jī)是完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)芯片(SOC),他在一個(gè)芯片內(nèi)集成了構(gòu)成一個(gè)單片機(jī)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(shè)及其他功能部件,如本系統(tǒng)中用到的ADC和DAC。這些外設(shè)部件的高度集成為設(shè)計(jì)小體積、低功耗、高可靠性、高性能的單片機(jī)應(yīng)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(hào)經(jīng)放大后由單片機(jī)內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),進(jìn)行運(yùn)算處理,反饋控制信號(hào)經(jīng)內(nèi)部D/A轉(zhuǎn)換后再分別送往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(shè)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)。

  

半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電源的控制系統(tǒng)

  2激光器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

  目前,凡是高精密的恒流源,大多數(shù)都使用了集成運(yùn)算放大器。其基本原理是通過(guò)負(fù)反作用,使加到比較放大器兩個(gè)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(gòu)成恒流源的內(nèi)部因素,包括:基準(zhǔn)電壓、采樣電阻、放大器增益(包括調(diào)整環(huán)節(jié))、零點(diǎn)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(fù)載電阻和環(huán)境溫度的變化。

  2.1慢啟動(dòng)電路

  激光器往往會(huì)因?yàn)榻釉谕浑娋W(wǎng)上的多種電器的突然開啟或者關(guān)閉而受到損壞,這主要是由于開關(guān)的閉合和開啟的瞬間會(huì)產(chǎn)生一個(gè)很大的沖擊電流,就是該電流致使激光器損壞,介于這種情況,必須加以克服。因此,驅(qū)動(dòng)電源的輸入應(yīng)該設(shè)計(jì)成慢啟動(dòng)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(gè)電路的結(jié)構(gòu)可看作是在射級(jí)輸出器上添加了兩個(gè)Ⅱ型濾波網(wǎng)絡(luò),分別由L1,C1,C2和L2,C6,C7組成。電容C5構(gòu)成的C型濾波網(wǎng)絡(luò)及一個(gè)時(shí)間延遲網(wǎng)絡(luò)。慢啟動(dòng)輸入電壓V在開關(guān)和閉合的瞬間產(chǎn)生大量的高頻成分,經(jīng)過(guò)圖中的兩個(gè)Ⅱ型網(wǎng)絡(luò)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(guò)。到達(dá)電阻R和C組成的時(shí)間延遲網(wǎng)絡(luò),C2和C4并聯(lián)是為了減少電解電容對(duì)高頻分量的電感效應(yīng)。

  

半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電源的控制系統(tǒng)

  2.2恒流源電路的設(shè)計(jì)

  為了使半導(dǎo)體激光器穩(wěn)定工作,對(duì)流過(guò)激光器的電流要求非常嚴(yán)格,供電電路必須是低噪聲的穩(wěn)定恒流源驅(qū)動(dòng),具體電路如圖3所示。

  

半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電源的控制系統(tǒng)

  如圖3所示,該恒流源由運(yùn)放U1和三極管T1,達(dá)林頓管Q2進(jìn)行電流放大,再通過(guò)U2放大反饋,從而實(shí)現(xiàn)恒流輸出。TQ2以大功率達(dá)林頓管為調(diào)整管,將其接成射極輸出的形式,半導(dǎo)體激光器(LD)作為負(fù)載串聯(lián)在達(dá)林頓管的發(fā)射極,通過(guò)控制達(dá)林頓管的基極實(shí)現(xiàn)對(duì)激光器電流的控制。本設(shè)計(jì)要求電路最大能輸出3 A工作電流,這就要求推動(dòng)達(dá)林頓管的基極電流也比較大,但因集成運(yùn)算放大器一般工作在小電流狀態(tài),不能直接推動(dòng)達(dá)林頓管正常工作,即使勉強(qiáng)推動(dòng)其工作也會(huì)造成集成運(yùn)算放大器本身功耗過(guò)大,溫升過(guò)高,影響電路的輸出精度,所以采用小功率三極管T1推動(dòng)大功率達(dá)林頓管工作。采樣電阻接在激光器下端,采樣信號(hào)經(jīng)過(guò)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(gòu)成電流負(fù)反饋電路,達(dá)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(cè)光電二極管的輸出光電流,由放大器再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送CPU處理,得出控制量,調(diào)整激光器的工作電流,從而進(jìn)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(dǎo)體制冷來(lái)實(shí)現(xiàn),這是一種熱電制冷器,只要控制流過(guò)溫控器電流的大小和方向,就能對(duì)激光器進(jìn)行制冷或加熱,從而控制激光器的工作溫度。

  2.4保護(hù)電路

  雖然慢啟動(dòng)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(guò)載對(duì)半導(dǎo)體激光器的危害,因此,應(yīng)當(dāng)設(shè)立過(guò)載保護(hù)電路。一般可采用限流式保護(hù)電路。若長(zhǎng)時(shí)間工作于短路的情況下,過(guò)熱仍然會(huì)導(dǎo)致調(diào)整管的損壞,此時(shí)可以采取截流式保護(hù)電路。過(guò)電壓保護(hù)的精度主要取決于穩(wěn)壓二極管,而其工作點(diǎn)是隨流經(jīng)穩(wěn)壓管的電流和環(huán)境溫度變化的,因此,設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)

  本系統(tǒng)軟件采用模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),自頂向下,逐步細(xì)化,利用子程序構(gòu)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。

  

半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電源的控制系統(tǒng)

  在主程序流程中,系統(tǒng)上電復(fù)位后,開始進(jìn)行各模塊初始化,然后調(diào)顯示子程序,顯示數(shù)據(jù),再調(diào)鍵掃描子程序,若有鍵按下,則調(diào)相應(yīng)的鍵功能程序,若無(wú)鍵按下,則循環(huán)調(diào)用顯示程序。

  4結(jié) 語(yǔ)

  本文中設(shè)計(jì)的半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電源的控制系統(tǒng)通過(guò)慢啟動(dòng)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(nèi)輸出功率的不穩(wěn)定問(wèn)題,穩(wěn)定度較高。

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