率激光二极管的精密恒温制冷系统

图1　大功率激光二极管恒温制冷系统组成框图

3　硬件设计
　　本系统各部分电路均采用常见器件，成本低，维修方便。温度采集器由集成温度传感器AD590、基准电压源MC1403、三运放仪表放大器及低通滤波器构成。大功率程控恒流源由D/A转换器AD0808、运放和大功率VMOS管IRF740组成。电路示于图2。各部分电路原理分述如下：
3.1　温度采集器
　　AD590是美国英特西尔公司生产的集成温度传感器，其准确度及线性度远优于

图2　大功率激光二极管精密恒温制冷系统电路原理图

PN结温度传感器。AD590等效于一个高阻抗恒流源，工作电压为+4～30V，测温范围-55～+150℃。对应于热力学温度T每变化1K，输出1μA的电流；在298.2K，输出电流等于298.2μA。系统中AD590固定在激光二极管的小热沉上，探测其温度变化。图2中AD590的输出端通过1K的精密电阻(W2+R3)将电流随温度的变化转换成电压随温度的变化。温标转换电路，由基准电压源MC1403和R1、R2、W1构成，将热力学温标转换成摄氏温标。MC1403是精密参考电压源，2脚输出电压为2.5V(电压温度系数≤40ppm/℃)，加在R1、R2、W1上，在W1的滑动臂上获得273.2mV的参考电压，与AD590的输出电压一起送到仪表放大器进行差动放大。仪表放大器由四运放TL084中的三个运放组成，增益由W3调整，在R4=R7=R9=R6=R8=R10+W4=R=10K的情况下，令R5+W3=aR，增益的计算公式为：

　　增益调整为100，则a=0.0202，aR=202 Ω。R10+W4用于仪表放大器的调零。为滤除电源的交流干扰，仪表放大器的输出再加一级简单的无源低通滤波器，由R16和C8构成，转折频率为(1)/(2πR₁₆C₈)=5Hz。无源低通滤波器的输出由屏蔽电缆接入12位A/D转换卡。A/D转换器为AD574，转换速率25μs，输入端阻抗＞10M Ω，输入信号的电压范围为0～10V，对应温度范围为0～100℃，分辨率为0.024℃。A/D转换卡插在PC机的ISA扩展槽中，由控制软件采用查询方式对温度采集器送来的电压信号进行采样，转换成数字信号读入PC内存中。
3.2　大功率恒流源
　　大功率恒流源由PC机并行口控制。精密参考电压源MC1403的2脚的输出电压通过R11接入D/A转换器DAC0808的14脚，给D/A转换器提供参考电流。PC机并行口的数据口的端口地址为378H，控制程序根据采样的温度计算出TEC的电流控制数据，经数据口输入DAC0808，DAC0808的4脚的输出电流与输入数据的关系为：

　　I₀=I_r(D₇×2⁰+D₆×2^-1+…+D₀×2^-7)

　　按图中给定参数，V_r为MC1403的输出电压2.5V，R_r(R11)为1KΩ，则参考电流为：

　　根据“虚短”的原理，运算放大器IC2D(TL084)要维持两个输入端具有相同的电位，因而满足：I_LR_M=I₀R_f
即

　　按图中数值，R_f(R13+W4)调成400Ω，R_M(R14)为0.51Ω/4W，电流控制数据为FFH时，I_L为1A。若VMOS管IRF740良好散热，增大R_M功率同时减小阻值，适当调大R_f，则I_L最大可达10A。VMOS管的输出电流供给半导体制冷器。R_f值的确定是这样的：调整R_f，改变VMOS管的输出电流，使之能将在最低设定工作温度下以最大工作电流运转的激光二极管产生的热量传走。对本系统中的激光二级管，I_L为1A已经足够。
3.3　半导体制冷器
　　半导体制冷器是一种依据帕耳贴效应工作的固体热泵，体积小，重量轻，无噪音，制冷效率高，特别适用于有限空间的制冷。在冷、热端温差一定的情况下，半导体制冷器的制冷量与工作电流成正比关系。图3给出系统中使用的TECI-12705型半导体制冷器(秦皇岛富连京电子有限公司生产)的特性。半导体制冷器的冷端紧贴激光二极管的小热沉，两者之间填充热传导效率高的软金属箔片。半导体制冷器的热端配以大空气热沉，并用轴流风扇进行强制风冷，其结构如图4所示。

图3　半导体制冷器的特性曲线

图4　半导体制冷器结构

4　控制程序设计
4.1　数字化自整定PID调节器
　　PID调节器由于能够较好地兼顾系统动态控制和静态性能，因此在工程中得到了很普遍的应用。利用计算机实现传统的PID控制是设计计算机控制系统的一种方便、常用的方法。对连续系统PID离散化后可得到数字化调节器，其增量式为：

其中：　T：采样周期；K_P：比例系数；T_i：积分时间；T_d：微分时间；e_i：i时刻的误差值(i=n，n-1，n-2)
　　根据Ziegler-Nichle条件，
　　令　T=0.1T_k；　T_i=0.5T_k；
T_d=0.125T_k；
　　其中，T_k为被控系统的临界振荡周期。
　　将上述条件代入增量式PID算式得出：

　△μ_n=K_p(2.45e_n－3.5e_n-1+1.25e_n-2)

　　这样PID调节器就简化为只需整定一个参数K_p。在本系统中，当激光二极管在不同电流下工作时，其最佳工作温度不同，热耗功率不同，因而使得系统的临界振荡周期T_k不同，控制程序在线寻优K_p值，实现控制参数的自整定，直到获得满意的控制效果。在控制程序中，μ_n(μ_n=μ_n-1+△μ_n)的值送给8位D/A转换输出，μ_n的值限定的0～255之间，若μ_n＜0，则令其为0；若μ_n＞255，则令其为255，本系统中K_p的初值赋为100。
4.2　数字滤波
　　为减小干扰，保证显示和控制的温度的稳定性、准确性，采集的温度值经数字滤波处理后再显示和送入PID模块中运算。控制程序中采用的数字滤波的表达式为：

y_n=0.9y_n-1+0.1y_n

　　其中y_i(i=n，n-1)为温度采样值，每个采样周期对连续采样的100个温度值进行处理。
4.3　控制流程简述
　　控制程序用TURBO BASIC语言编写，控制流程如图5所示。首先对A/D转换卡进行初始化，并行口的数据口输出0；第一次采集温度并显示在屏幕上，作为设置控温点的参考；利用自整定PID算法将控温值与当前采集的温度值进行比较，计算出第一次电流控制数据并输出；扫描键盘，确定是否更改控温点或是ESC退出；经过采样延迟时间后，进行第二次温度的采集、PID控制，如此循环直至接受键盘命令退出控制程序，退出前仍需对并行口数据口输出0，以使TEC中的电流为0。

图5　控制软件流程框图

5　结　论
　　笔者在进行大功率激光二极管泵浦固体激光器的研究中，设计并使用了这套精密恒温制冷系统，经实验测定，激光二极管在最大工作电流下连续工作一个小时，控温精度为±0.1℃，激光二极管输出光功率波动小于1.5‰。到目前为止，这套系统已经稳定工作一年，效果良好。

作者简介：陈梁　男，1974年生，1999年毕业于西安电子科技大学技术物理系，获物理电子学工学硕士学位，现为中笠院上海技术物理研究所博士研究生。

作者单位：西安电子科技大学501教研室，西安 710071

参考文献

［1］　Walter Koechner,Solid-State Laser Engineering,Springer-Verlsg Berlin Heidelberg New York,1996
［2］　陈梁，刘春霞，PC机并行口控制的大功率恒流源，《电子与自动化》，1998，No.5(待发表)
［3］　李伯成等，IMB PC微机应用系统设计，西安电子科技大学出版社，1995
［4］　杨振江，A/D、D/A转换器接口技术与实用线路，西安电子科技大学出版社，1996