摘 要: 為了保持半導體激光器工作的穩(wěn)定性,設計了一種基于MAX1978的高精度溫度控制系統(tǒng)。采用熱電制冷器(TEC)作為溫度補償元件,通過外部比例積分微分(PID)補償網(wǎng)絡控制驅(qū)動TEC模塊。該系統(tǒng)具有功耗低、效率高、集成度高等優(yōu)點,在15℃~40℃控溫范圍內(nèi)可連續(xù)調(diào)節(jié),控溫精度可達0.002℃。
關(guān)鍵詞: 高精度;PID;MAX1978;TEC
0 引言
半導體激光器具有成本低、效率高、體積小等優(yōu)點,已經(jīng)成為物理研究中不可缺少的部分[1]。半導體激光器對溫度極其敏感,其自身工作時產(chǎn)生的熱量以及外界環(huán)境溫度的變化都會使激光二極管的閾值、輸出波長和輸出功率發(fā)生變化,波長變化系數(shù)在0.1 nm/℃左右[2]。在原子光學的研究領(lǐng)域,利用激光對原子進行冷卻、俘獲與操控已經(jīng)是非常成熟的技術(shù),半導體激光器以其價格低廉、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高等優(yōu)點而得到廣泛應用。包括原子頻標、原子慣性系統(tǒng)等在內(nèi)的原子光學領(lǐng)域,對激光器的功率穩(wěn)定性、線寬、頻率穩(wěn)定性都要求很高[3]。目前普遍采用的溫控系統(tǒng)成本高、系統(tǒng)復雜、體積大,采用集成芯片MAX1978設計的溫控系統(tǒng)能夠很好地解決這些問題,將由于溫度變化而導致的激光器工作不穩(wěn)定因素完全消除。
1 溫度控制原理
TEC是利用珀爾帖效應制作而成的一種半導體制冷器。當電流通過兩種半導體材料組成的PN結(jié)時,由于兩種半導體材料中的電子和空穴在跨越PN結(jié)移動過程中的吸熱和放熱效應(珀爾帖效應),其一端會吸熱而另一端放熱,就會使PN結(jié)表現(xiàn)為制冷和加熱的效果,制冷還是加熱,以及制冷、加熱的速率,是由通過PN結(jié)的電流方向和大小決定的[4-5]。因此,可以通過控制電流的方向和大小控制制冷或加熱以及加熱制冷速率,非常適合要求控制精度高、響應快速的恒溫控制系統(tǒng)。利用TEC實現(xiàn)溫度控制的方法如圖1所示。
圖1中,目標溫度的選擇是通過設定電壓值來實現(xiàn)的,用負溫度系數(shù)熱敏電阻(NTC)來測量目標物體的溫度值,目標物體的實際溫度變化時NTC的阻值將發(fā)生變化,宏觀表現(xiàn)為熱敏電阻兩端電壓值的變化,并與設定電壓進行比較。在比較電路部分應用一個精密運算構(gòu)成差分放大器進行電壓值的比較,產(chǎn)生一個誤差電壓值。誤差電壓經(jīng)過一個高增益運算放大器構(gòu)成的PID控制器,控制脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制器驅(qū)動場效應管,對流過TEC的電流大小和方向進行控制,使目標溫度與設定溫度達到一致。
2 溫控系統(tǒng)電路設計
2.1 MAX1978的特點
MAX1978是用于TEC模塊的最小、最精確、最安全的溫度控制微芯片。MAX1978具有很高的集成度,將控制環(huán)路和功率FET管集成在同一芯片上,盡可能地減少外部電路,使整個溫控系統(tǒng)更加小型化。芯片具有500 kHz和1 MHz的MOSFET開關(guān)頻率可供選擇,獨特的紋波消除方法降低了電路噪聲,也優(yōu)化了芯片的尺寸和工作效率;同時,對內(nèi)部MOSFET的開關(guān)速度進行了優(yōu)化,減少了噪聲和電磁干擾(EMI)。
MAX1978直接輸出電流而不是電壓,能夠直接消除浪涌電流,獨立的加熱和制冷電流電壓限制為TEC提供最安全的保護,整個溫控系統(tǒng)更加安全可靠。采用單電源供電,能夠為TEC提供雙極性的±3 A輸出電流,實現(xiàn)溫度的無“死區(qū)”控制,避免在低電流工作時的非線性問題。MAX1978內(nèi)部集成了一個超低漂移的斬波型運算放大器和一個積分放大器,構(gòu)成比例積分(PI)或者比例積分微分(PID)控制器,能夠維持±0.001℃的溫度穩(wěn)定性[6]。MAX1978溫度控制原理框圖如圖2所示。
2.2 電路圖設計
圖3為所設計的基于MAX1978的溫度控制電路。整個系統(tǒng)采用+5 V單電源供電,功耗低。芯片內(nèi)部集成了一個+1.5 V的高精度參考電壓源Vref,能夠為溫度設定和TEC限流限壓提供電壓參考。MAX1978的溫度設定部分是通過RT與R17、R18、R19、R20構(gòu)成的電橋?qū)崿F(xiàn)的,當電橋達到平衡時,即管腳18、19上的電壓值達到一致,此時激光器溫度值為溫度設定值。電位器R19的選擇與系統(tǒng)要求的溫度調(diào)節(jié)范圍和精度有關(guān),R20用來限定溫度調(diào)節(jié)的下限,避免超出調(diào)節(jié)范圍。電橋的兩臂連接在同一個電壓參考源Vref上,Vref的噪聲在電橋兩臂相互抵消[7],消除了參考源中的噪聲對溫度穩(wěn)定性的影響。電路中的溫度電壓值設定按式(1)計算。
熱敏電阻RT在25℃時的電阻值為10 kΩ,為了滿足溫度調(diào)節(jié)范圍內(nèi)的電壓值設定,取R18=10 kΩ,R20=5.23 kΩ,R19用總阻值為30 kΩ的多圈精密電位器。電橋中的電阻均采用精度為0.1%的高精度、高熱穩(wěn)定性的精密電阻。在跳線端P1處,可以通過單片機或者數(shù)模轉(zhuǎn)換(DAC)來設定溫度值。
MAX1978具有高低溫報警指示功能,當管腳18(FB-)和19(FB+)上電壓值之差大于20 mV時,管腳12(OT)或者13(UT)就會拉低。對于10 kΩ@25℃的熱敏電阻,20 mV大約對應1℃的溫差。在管腳12和13上外接紅綠LED燈,可以通過LED燈的亮滅來直觀判斷溫度是否達到設定值以及系統(tǒng)是否正常。
2.3 PID網(wǎng)絡參數(shù)設定
PID補償網(wǎng)絡是TEC溫度控制中最關(guān)鍵的部分,直接影響溫度控制系統(tǒng)的響應速度和控制精度[8]。為了較好地解決系統(tǒng)調(diào)節(jié)速度和調(diào)節(jié)精度之間的矛盾,必須對PID參數(shù)進行不斷的優(yōu)化[9]。PID調(diào)節(jié)器的方程如式(2)所示。
其中,KP、KI和KD分別為比例、積分、微分增益系數(shù)。由于PID控制器中有3個可供選擇的參數(shù)KP、KI和KD,因此,在取不同增益系數(shù)的情況下可以得到不同的組合控制器。比例控制器和積分控制器都只有在出現(xiàn)偏差時才進行調(diào)節(jié),而微分控制器則是針對偏差信號的變化速率進行調(diào)節(jié)。一般情況下,實現(xiàn)微分作用并非直接對檢測信號進行微分操作,這樣會引入很大的沖擊,引起振蕩,通常使用檢測信號的速率傳感器來避免對信號的直接微分[10]。在溫控系統(tǒng)中為了避免系統(tǒng)的不穩(wěn)定,只使用P和I環(huán)節(jié)組成PI控制器。
MAX1978內(nèi)部集成了一個精密積分運放,通過外加電容電阻即可構(gòu)成PI控制器。PI控制器原理圖如圖4所示。
控制方程為:
3 實驗結(jié)果
在恒溫箱中模擬25℃的室溫環(huán)境溫度,通過電位器R19調(diào)節(jié)FB+端的電壓值,設定電壓值為0.799 V,對應溫度值為22℃。當系統(tǒng)達到穩(wěn)定后,測試熱敏電阻兩端電壓值即管腳18(FB-)上的電壓值變化,實驗結(jié)果如圖5所示。
從圖5可以看出,F(xiàn)B-上電壓值達到穩(wěn)定后在0.799 00 V~0.799 05 V之間,電壓變化范圍在±25 ?滋V以內(nèi),經(jīng)過計算,對應溫度控制精度在±0.002℃以內(nèi)。測試結(jié)果表明,F(xiàn)B-上電壓長期漂移量不超過50 V,對應的長期溫度漂移量小于0.004℃。
4 結(jié)論
利用MAX1978設計的半導體激光器溫度控制系統(tǒng)具有集成度高、控溫精度高、成本低廉等優(yōu)點。溫控系統(tǒng)能夠長時間穩(wěn)定工作,完全符合原子物理研究領(lǐng)域的要求,能夠使溫度對激光器輸出波長、輸出功率和線寬的影響忽略不計。
參考文獻
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