[發明專利]高穩定度恒溫控制器

無效

• 申請號: 200710055912.9
• 申請日: 2007-07-27
• 公開（公告）號: CN101201636A
• 公開（公告）日: 2008-06-18
• 發明（設計）人: 田小建;單江東;汝玉星;范文華
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: G05D23/20
• 分類號: G05D23/20
• 代理公司: 長春吉大專利代理有限責任公司
• 代理人: 王恩遠

技術領域

本發明屬于電子線路技術領域，適用于各種恒溫度控制系統，特別適用于大功率激光二極管的溫度控制。

背景技術

光纖通信系統中的各類放大器均使用激光二極管作為光源，半導體激光器作為一種高功率密度并且具有極高量子效率的器件，盡管其是高效率的電子-光子轉換器件，但由于不可避免地存在各種非輻射復合損耗、自由載流子吸收等損耗機制，使其外微分量子效率只能達到20％～30％，這意味著相當部分注入的電功率將轉化為熱量，引起激光器溫度升高。溫度對激光器的影響主要有以下幾個方面：

(1)溫度對閾值電流的影響。隨著溫度的升高將引起閾值電流的增大，使輸出功率下降，從而給激光器驅動電源的設計帶來困難。

(2)溫度對V-I關系的影響。當注入電流相等時，溫度高的激光器對應的正向壓降也大，這會給半導體激光器恒流源的設計帶來困難。

(3)溫度對輸出波長的影響。由于有源層材料的禁帶寬度隨溫度升高而變窄，使激射波長向長波方向移動，即紅移現象。紅移量與器件的結構和有源區材料有關，約為0.2～0.3nm/℃。因此，可以用適當的溫度控制來微調激光的峰值波長，以滿足對波長要求嚴格的一些應用。

(4)溫度對P-I曲線非線性的影響。理想情況下，半導體激光器的P-I應該是線性曲線，PN結過熱是產生非線性的原因之一。除此之外，來自于有源區中橫(側)模的不穩定性，來自外部的反射光(如從連接器，尾纖端等部位)以及與光強有關的飽和等因素也能造成非線性。其中模式的不穩定性是出現P-I曲線扭折的主要原因，這種不穩定性除了與激光器本身的結構有關外，還與溫度有很大關系。

除此之外溫度升高還會增加內部缺損，嚴重地影響器件的壽命，給應用帶來很大困難。如果不將所產生的熱量移去，將造成一種惡性循環，使激光器很快失效。試驗表明，溫度每增加25℃，器件的壽命減少一半，即使工作電流在數十毫安的半導體激光器，它卻承受了10²A/cm左右的光電流密度。所以工作溫度對于激光器十分重要，必須給激光器提供恒定而且能夠精密調整的工作溫度，才能保證激光器具有最大的效率和最小的功率波動。

以前對大功率激光器往往采用冰水循環方式制冷，通過調節熱沉中循環管道內冰水的流量來達到溫控的目的。這種控制方法精度不高，使用也不方便。

發明內容

本發明要解決的技術問題是，設計結構巧妙的溫度控制裝置，不需要改變驅動電流的方向就可以自動實現升溫和降溫兩種功能，能夠簡單方便地實現大功率激光二極管恒定溫度的控制。除用于大功率激光二極管的恒溫度控制外，本發明高穩定度恒溫控制器在現代科技的其它領域中應用也十分廣泛。在生物制藥、動植物物種保護、重要人體組織或器官的保存、儀表與電子器件試驗、工程材料的低溫性能測試等領域都需要穩定的恒溫環境，通過調整適當的控制參數此恒溫控制器亦可很好地應用于上述領域中。

上述的目的通過以下的技術方案實現：

高穩定度恒溫控制器，其組成包括：半導體制冷器(TEC)、電壓基準電路(1)、溫度設置電路(2)、溫度測量電路(3)、PI控制電路(4)、限幅保護電路(5)、顯示電路(6)和TEC驅動電路(7)；

所述的電壓基準電路(1)與溫度設置電路(2)相連，所述的溫度設置電路(2)與顯示電路(6)相連，所述的溫度測量電路(3)與PI控制電路(4)相連，所述的溫度設置電路(2)與PI控制電路(4)相連，所述的PI控制電路(4)與限幅保護電路(5)相連，所述的限幅保護電路(5)與TEC驅動電路(7)相連。所述的溫度測量電路(3)與顯示電路(6)相連；

所述的電壓基準電路(1)包括：穩壓管，電位器和電阻，穩壓管的陰極電壓為電壓基準；

所述溫度設置電路(2)包括：與電壓基準電路(1)相連的滑動變阻器，由滑動變阻器設定溫度值，經過運放和電壓跟隨器，把設定的電壓輸出到控制輸入端和顯示切換端，控制輸入端經過運放與減法器相連，顯示切換端與顯示電路(6)相連；

所述溫度測量電路(3)包括：恒流源的電流進入溫度傳感器，溫度傳感器兩端的電壓經過電壓跟隨器輸出到控制輸入端和顯示切換端，控制輸入端經過運放與減法器相連，顯示切換端與顯示電路(6)相連；

所述的PI控制電路(4)包括：并聯的放大電路和積分電路；溫度設置電路(2)的輸出與溫度測量電路(3)的輸出輸入到減法器，經放大電路和積分電路后輸出的電壓作為驅動半導體制冷器(TEC)工作的信號；