CC BY
227
УДК 621.373.8
А. В. Краснов, В.А. Парфенов
ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ЛАЗЕРНЫХ ДИОДОВ
Полупроводниковые лазерные диоды (ЛД) для накачки твердотельных лазеров, ориентированные прежде всего на работу с неодимсодержа-щими кристаллами, в настоящее время представляют собой надежно работающие приборы. Они выпускаются многими фирмами, например [1, 2], и широко используются в приборах квантовой электроники.
Стандартный ряд выходных мощностей излучения одиночных диодов следующий: 1, 2, 3, 4, 8 и 10 Вт [1, 2]. Наиболее часто используются диоды мощностью 1 и 2 Вт. Основные параметры некоторых из них представлены в таблице. Под КПД здесь понимается отношение мощности выходного излучения к электрической мощности, потребляемой лазерным диодом.
Основные параметры полупроводниковых лазерных диодов [2]
Параметр Значение параметра для модели
АТС-С1000-100 АТС-С2000-100 АТС-С3000-380 АТС-С4000-500
Выходная мощность, Вт 1 2 3 4
Рабочий ток, А 1,3 2,3 3,8 5,1
Рабочее напряжение, В 1,8 1,9 1,9 1,9
КПД, % 43 46 42 41
Вместе с тем, проблема создания источников питания для обеспечения их работы остается актуальной.
Лабораторные источники питания, предназначенные для работы с лазерными диодами, выпускаются промышленностью. Они позволяют регулировать токи накачки и температуру диодов в широких пределах. Специальных требований к их габаритам и потребляемой мощности не предъявляется.
Для реальных же приложений такие источники не подходят. Прежде всего потому, что лазеры
совместно с источниками питания обычно встраиваются в разрабатываемую аппаратуру. Условия эксплуатации лазеров при этом достаточно постоянны и не требуют широкого диапазона варьирования выходных параметров. Не нужна и развитая система их индикации.
Приоритет на практике отдается надежно работающим, максимально простым схемотехническим решениям, с малыми габаритами и минимальным энергопотреблением. Заметим, что по сути такие же требования определяют тенденции совершенствования и развития всей современной техники, включая оптоэлектронику. Этому в немалой степени способствует развитие специализированной электронной базы.
Целью настоящей работы являлось решение проблем, возникающих при создании блоков питания лазерных диодов. При этом разрабатывался источник питания, рассчитанный на работу в составе аппаратуры и обладающий малыми габаритами и энергопотреблением. Ставилась также задача проанализировать возможность использования разработанных схемных решений для всего спектра указанных моделей лазерных диодов.
Источники питания ЛД должны обеспечивать выполнение следующих функций:
плавный выход на рабочий режим. Другими словами, подъем тока через диод до рабочего значения должен происходить постепенно в течение заданного времени. Этим достигается безопасное включение диода;
стабилизация тока лазерного диода. Направлена на стабилизацию режима работы ЛД. Падение напряжения на диоде практически постоянно, так как мало меняется с изменением тока. Тем самым стабилизируются условия работы диода и пассивным образом - выходная мощность излучения;
ограничение величины тока, протекающего через диод, максимально допустимым значением. Тем самым реализуется защита диода от потенциально возможных кратковременных «бросков» напряжения и, как следствие, тока в процессе
^ Научно-технические ведомости СПбГПУ 2' 2010
включения-выключения источника питания, а также при несанкционированном отключении питания;
стабилизация температуры диода. Необходима для оптимального совмещения спектра излучения ЛД со спектром поглощения активной среды, которое реализуется при фиксированной для каждого диода температуре, обычно вблизи 20-25 °С. Требуемая для этого точность поддержания температуры составляет 0,2 °С. Одновременно решается задача отвода тепла, выделяющегося при работе диода;
реализация специальных режимов работы, таких как дистанционное управление лазерным диодом, измерение его рабочих параметров, внешняя модуляция излучения накачки, стабилизация уровня мощности излучения накачки и т. п.
В соответствии с перечисленными функциями в источнике питания ЛД обычно выделяют два основных независимых блока: стабилизации тока и стабилизации температуры. Для их созадания либо используют специализированные интегральные микросхемы, либо реализуют схемы на дискретных элементах широкого назначения, таких как аналоговые микросхемы, микроконтроллеры, полевые транзисторы.
Знакомство с известными ИС для стабилизации тока и температуры показывает, что их «адаптация» для решаемой задачи может столкнуться с существенными трудностями. Так например, группа микросхем для связных применений рассчитана на работу с маломощными диодами. Стабилизаторы тока мощных светодиодов (например Zetex ZXSC400) являются импульсными, что в данном случае неприемлемо, поскольку ЛД крайне чувствительны к импульсным помехам, особенно обратной полярности. Наличие помех приводит к выходу диодов из строя. Микросхемы - стабилизаторы температуры обычно ориентированы на бытовые применения (точность ± 1 °С). Группа микросхем, обеспечивающих высокую стабильность температуры (до 0,01 °С), таких как Linear Technology LTC1923, Maxim MAX1969, Analog Devices ADN8830 отличаются сравнительно высокой ценой и сложностью подключения. Высокий уровень стабилизации температуры в нашем случае не согласуется с используемыми пассивными мерами защиты лазерного диода и с инерционностью реализуемой системы регулирования (объем, а также вынужденное разнесение датчика температуры и объекта термостабилизации).
В связи с отмеченными препятствиями было решено отказаться от применения известных спе-
циализированных ИС и использовать электронные компоненты широкого назначения.
Разработанный блок питания содержит регулируемый стабилизатор тока, термоконтроллер и схему управления. Функциональная схема устройства приведена на рис. 1.
Рис. 1. Функциональная схема источника питания
Проблемным моментом в снижении энергопотребления оказались потери энергии в силовых цепях обоих стабилизаторов.
Стабилизатор тока лазерного диода (СТ) использует в качестве источника тока, управляемого напряжением, МОБРБТ-транзисторы. Для диода с током 1-2 А это могут быть транзисторы типа ЖР7455 в корпусе БО-8, для тока в 10-20 А -мощные транзисторы, например 1КЬ3302 в корпусе ТО-220 или Б2-РАС. Типовой вид зависимости тока стока от напряжений на стоке и затворе приведен на рис. 2.
75
50
й W
о (-
и о Н
25
/ /,
/ 3
/ 1
0,25 0,50 1,00
Напряжение на стоке, В
1,50
Рис. 2. Типовая зависимость тока стока полевого транзистора от напряжения на стоке Напряжения на затворе, В: 3,0 (1); 3,5 (2); 4,0 (3); 4,5 (4)
Как видно из приведенной зависимости, транзисторы могут управляться уже при напряжениях сток-исток более 0,1 В. При этом требуемые токи накачки можно получать при напряжениях сток-исток величиной 0,2 - 0,3 В и не более 0,5 В во всем диапазоне рабочих температур. Отсюда легко оценить потери мощности на управляющем элементе. В сравнении с напряжением на лазерном диоде иьЕ) = 2 В потери величиной 0,2-0,3 В составляют, в зависимости от тока, от 10 до 25 % по отношению к мощности, потребляемой непосредственно диодом.
Другим источником потерь является датчик тока. В простейшем варианте таким датчиком служил резистор сопротивлением не более 0,1 Ом. Одновременно он использовался для ограничения тока лазерного диода. При токе в 2-3 А падение напряжения на резисторе составляет величину не более 0,2-0,3 В. Таким образом, теряемая на этом элементе мощность в виде тепла составляет 0,4-0,9 Вт. С ростом величины тока измерительное сопротивление необходимо уменьшать. Поскольку активные потери растут пропорционально квадрату величины тока, по мере увеличения тока будет наблюдаться относительный опережающий рост тепловыделения по сравнению с ростом напряжения. В любом случае желательно не переходить за уровень тепловыделения около 1 Вт. Тем не менее, отсюда следует, что учет этого фактора с точки зрения энергопотерь также важен и по величине соизмерим с уровнем потерь на проходном транзисторе.
Проведенный анализ также показывает, что величина питающего напряжения для данной схемы должна составлять 2,7-3,0 В. Увеличение напряжения просто ведет к росту потерь.
Поддержание стабильной рабочей температуры лазера осуществляется с помощью термоконтроллера, использующего в качестве исполнительного устройства элемент Пельтье (термоэлектрический модуль). Датчик температуры выполнен на основе термистора. Термоконтроллер обеспечивает регулировку рабочей температуры лазера в пределах 10-30 °С и поддержание ее с точностью не хуже 0,2 °С. Для обеспечения высокого КПД термоэлектрический модуль включается в мостовую схему из МОБРЕТ-транзисторов, которая управляется импульсным сигналом (рис. 3) [3]. Падение напряжения на каждом из транзисторов минимально и соответствует напряжению насыщения. Путем регулировки времени нахождения ключей в от-
крытом состоянии (длительность при постоянной частоте), такой, чтобы оно было пропорционально сигналу ошибки, удалось получить линейную характеристику управляющего элемента и тем самым повысить точность поддержания температуры.
Выбором типа термоэлектрического модуля можно добиться того, чтобы термоконтроллер питался от того же напряжения, что и стабилизатор тока. При заданных величинах питающего напряжения и отводимого теплового потока необходимый термоэлектрический модуль должен обеспечивать соответствующий рабочий ток. В настоящее время промышленность предоставляет большой выбор таких элементов, отличающихся размерами, рабочими напряжениями и мощностями [4].
В этих условиях достаточно разумным для минимизации размеров источника было бы использовать единое напряжение для питания всех схем, включая и схему управления. В нашем случае это значение составляет 2,7-3,0 В. Данное соображение фактически означает, что для реализации схемы в этом случае необходимо использовать электронные компоненты, то есть аналоговые микросхемы, источники стабилизированного напряжения, компараторы, ключи, диоды и контроллеры, работающие при пониженных напряжениях.
Действительно, существует большая группа микросхем с достаточно высокими характеристиками, предназначенных прежде всего для питания от батареи и работающих при напряжениях 2,7 - 5,5 В. Такие компоненты и используются в разработанной схеме. Дополнительным их достоинством является то обстоятельство, что все
Кл. 4
Рис. 3. Схема выходного каскада блока термостатирования иупр1, Цупр2 - управляющие напряжения; и - напряжение питания; Кл.1 - Кл. 4 - силовые ключи
и
Научно-технические ведомости СПбГПУ 2' 2010
они выполнены в виде БМБ-компонентов в корпусах БОТ23, БОТ23/5 и т. п.
Существенное уменьшение размеров источника с одновременным упрощением реализации ряда функций, увеличением надежности работы и упрощением реализации является переход на цифровую систему управления блоком в целом и каждым из стабилизаторов (стабилизатора тока и термоконтроллера) в отдельности.
В нашем случае цифровая схема управления обеспечивает плавный выход на рабочий ток и плавное его снижение при выключении. Такой же режим плавного увеличения и уменьшения предусмотрен и для регулировки глубины модуляции тока внешним сигналом. Цифровые методы используются и при формировании управляющих воздействий.
Перечисленные выше опции реализованы с использованием 8-разрядного микроконтроллера А1ше1 семейства АУЯ, а также цифровых потенциометров с интерфейсом 12С. При необходимости можно обеспечить индикацию и установку тока и температуры по цифровым шинам, подсоединяемым к внешним устройствам (ЭВМ, ЖКИ и т. п.). Предусмотрена также возможность ручной регулировки параметров на стадии настройки и регулировки.
Кроме того, обеспечено выключение источника питания при недопустимо большой температу-
ре лазерного модуля и достижении максимально допустимого тока через диод.
Размер реализованных плат стабилизатора тока и термоконтроллера составляет 50 х 30 мм. Конструктивно платы объединены в единый модуль и установлены одна над другой. При этом плата стабилизатора тока имеет тепловой контакт с основанием - пластиной-радиатором тех же размеров, что и платы. Она, в свою очередь, устанавливается в приборе. Специального радиатора для термоконтроллера не требуется.
Таким образом, разработанный блок питания лазерного диода отвечает поставленной задаче, обладает достаточно малыми размерами и низкими тепловыми потерями. На его примере рассмотрены основные вопросы, возникающие при разработке таких блоков. Следует отметить универсальность разработанного устройства: во-первых, схемные решения применимы для работы с ЛД разных мощностей; во-вторых, нет жестких ограничений и на используемые источники напряжений - вполне приемлем диапазон от 3,3 до 5,0 В. Это позволяет использовать блок питания в составе различной аппаратуры без дополнительных изменений в схемотехнике. В то же время минимальное энергопотребление достигается при напряжениях порядка 2,7-3,0 В.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. High performance laser diodes. Products [Электронный ресурс] / Axcel Photonics Inc. // www.axcelphotonics.com.
2. Products. Laser diode and arrays. Laser diodes specification [Электронный ресурс] / ATC-Semi-conductor Devices //www.atcsd.ru.
3. Краснов, А.В. Источник питания для микрочип-лазера на Nd:LSB [Текст] / А.В. Крас-
нов, В.А. Парфенов // ХХХУ11 Неделя науки СПбГПУ. Матер. Всерос. межвуз. конф. студ. и асп. Ч. VI. - СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2008. - С. 63.
4. Криотерм. Продукция. Термоэлектрические модули [Электронный ресурс] / КуоШегш // www.kryotherm.ru.
