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1、連續(xù)或脈沖輸出功率可調(diào)LD驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì) LD(激光二極管)不僅具有一般激光器高單色性、高相干性、高方向性和準(zhǔn)直性的特點(diǎn),還具有尺寸小、重量輕、低電壓驅(qū)動(dòng)、直接調(diào)制等特性,因而廣泛應(yīng)用于國(guó)防、科研、醫(yī)療、光通信等領(lǐng)域。然而,由于LD是一種高功率密度并具有極高量子效率的器件,對(duì)于電沖擊的承受能力差,微小的電流波動(dòng)將導(dǎo)致光功率輸出的極大變化和器件參數(shù)的變化,這些變化直接危及器件的安全使用,因而在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)驅(qū)動(dòng)電源的性能和安全保護(hù)有著很高的要求。在LD(激光二極管)不僅具有一般激光器高單色性、高相干性、高方向性和準(zhǔn)直性的特點(diǎn),還具有尺寸小、重量輕、低電壓
2、驅(qū)動(dòng)、直接調(diào)制等特性,因而廣泛應(yīng)用于國(guó)防、科研、醫(yī)療、光通信等領(lǐng)域。然而,由于LD是一種高功率密度并具有極高量子效率的器件,對(duì)于電沖擊的承受能力差,微小的電流波動(dòng)將導(dǎo)致光功率輸出的極大變化和器件參數(shù)的變化,這些變化直接危及器件的安全使用,因而在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)驅(qū)動(dòng)電源的性能和安全保護(hù)有著很高的要求。在驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)過(guò)程中,同時(shí)考慮對(duì)LD進(jìn)行安全有效保護(hù),如防止浪涌沖擊,慢啟動(dòng)等問(wèn)題。1 電路結(jié)構(gòu)及原理LD是依靠載流子直接注入而工作的,注入電流的穩(wěn)定性對(duì)激光器的輸出有直接、明顯的影響,因此,LD驅(qū)動(dòng)電源需要為L(zhǎng)D提供一個(gè)紋波小,毛刺少的穩(wěn)恒電流。該LD驅(qū)動(dòng)電源包括4部分:基準(zhǔn)電壓源,恒流源電路,脈沖
3、控制電路,保護(hù)電路。結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。11 基準(zhǔn)電壓源電路基準(zhǔn)電壓源電路構(gòu)成如圖2所示,其作用是為恒流源電路提供一個(gè)高精度,低溫漂的電壓參考,同時(shí),為電路中的集成電路(如光耦合器、運(yùn)算放大器、反相器等)提供穩(wěn)定工作電壓。LM317是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司的三端可調(diào)正穩(wěn)壓器集成電路,輸出電壓范圍是1237 V,負(fù)載電流最大為15 A,使用簡(jiǎn)單。其工作過(guò)程如下:輸出電壓Vout通過(guò)R1、VQ1,對(duì)C2充電,開(kāi)始時(shí)VQ1飽和導(dǎo)通,Vout最低(約15 V)。隨著C2上電壓的升高,VQ1逐漸退出飽和并趨于截止,Vout逐漸升高至額定電壓。改變R1、C2的常數(shù)可改變軟啟動(dòng)的時(shí)間。改變可變電阻R2的值,可調(diào)
4、整輸出電壓Vout的值。VD1用于關(guān)機(jī)后使C2上的電荷快速泄放。其輸出電壓為:12 恒流源電路為了實(shí)現(xiàn)高的電流穩(wěn)定度,驅(qū)動(dòng)電路大多采用負(fù)反饋的控制方法,恒流控制原理如圖3所示。穩(wěn)流電路由基準(zhǔn)電壓電路、電壓-電流轉(zhuǎn)換電路、恒流輸出電路和反饋電路組成。電路工作時(shí),基準(zhǔn)電壓經(jīng)過(guò)適當(dāng)放大后送入運(yùn)放A1的同相端,運(yùn)放A1控制VQ1基極電流的大小,從而獲得相應(yīng)的輸出電流,輸出電流在取樣電阻R上產(chǎn)生取樣電壓,該取樣電壓經(jīng)A2放大后作為反饋電壓反饋回電壓放大器A1的反相輸入端,并與同相輸入端的電壓進(jìn)行比較,對(duì)輸出電壓進(jìn)行調(diào)整,進(jìn)而對(duì)VQ1基極的輸出電流進(jìn)行調(diào)整,使整個(gè)閉環(huán)反饋系統(tǒng)處于動(dòng)態(tài)的平衡中,以達(dá)到穩(wěn)定輸
5、出電流的目的。輸出電流I與設(shè)定的基準(zhǔn)電壓Vc的關(guān)系可由負(fù)反饋原理得到:式中,Vc為基準(zhǔn)電壓,Ra、Rb為反饋網(wǎng)絡(luò)中的電阻,R為取樣電阻,在理想情況下R、Ra、Rb恒定不變。由式(2)可知,輸出電流I與基準(zhǔn)電壓Vc呈線性關(guān)系。.但在實(shí)際情況下電阻的溫度系數(shù)和基準(zhǔn)電壓的溫度系數(shù)將影響輸出電流的穩(wěn)定性。對(duì)式(2)進(jìn)行全微分并化簡(jiǎn)可得電流穩(wěn)定度的表達(dá)式:由于選取的取樣電阻R為歐姆級(jí),而(Ra+Rb)為數(shù)十千歐姆級(jí),因此有:μ2>1>34,這說(shuō)明影響輸出電流穩(wěn)定度的主要因素是取樣電阻的溫度系數(shù)和電壓基準(zhǔn)的穩(wěn)定度。在本恒流源中,選用取樣電阻精度是01,溫度系數(shù)是±25&
6、#215;10-5,電壓基準(zhǔn)的溫度系數(shù)小于1×10-6。13 脈沖控制電路對(duì)許多LD應(yīng)用來(lái)說(shuō),有時(shí)希望脈沖輸出,因?yàn)槊}沖輸出時(shí)LD結(jié)發(fā)熱很小。LD工作在低占空比和短脈寬狀態(tài)時(shí)允許比CW電流電平高得多的脈沖電流電平,而且多數(shù)不需要制冷。脈沖LD電源控制技術(shù)的關(guān)鍵在于對(duì)電流脈沖波形的控制,外控調(diào)制信號(hào)采用TTL方波,LD輸出跟隨控制信號(hào)以開(kāi)關(guān)方式輸出。根據(jù)上述設(shè)計(jì)思想設(shè)計(jì)脈沖控制接口電路,其原理圖如圖4所示。由非門單元,晶體管VQ3,光電耦合器組成。當(dāng)脈沖為高電平時(shí),非門輸出低電壓,使光電耦合器截止,光電耦合器輸出低電平,使晶體管VQ3截止,VQ3集電極輸出高電平使VQ1、VQ2導(dǎo)通,L
7、D正常工作;反之,光電耦合器導(dǎo)通,使VQ3導(dǎo)通,VQ3集電極輸出低電平,使VQl、VQ2截止,LD不工作。在沒(méi)有外控脈沖控制信號(hào)時(shí),接口懸空,非門輸入高電平,輸出低電壓,光電耦合器不工作,晶體管VQ3截止,VQ3集電極為高電平,使VQ1導(dǎo)通,保證LD的正常連續(xù)發(fā)光。14 保護(hù)電路考慮到LD的易損性,在穩(wěn)流控制中保護(hù)電路的設(shè)計(jì)也是很重要的一個(gè)方面。本設(shè)計(jì)中,選用供電電壓波動(dòng)較小,內(nèi)部具有慢啟動(dòng)、過(guò)流、過(guò)熱保護(hù)、尖峰電流限制功能的集成直流穩(wěn)壓器,只需在LD兩端反向并聯(lián)一個(gè)普通二極管以防止反向過(guò)壓,同時(shí)并聯(lián)小容量電容防止回路電流毛刺損壞管芯。2 結(jié)果與分析表l是該電路驅(qū)動(dòng)波長(zhǎng)650 nm,功率200 mW的LD連續(xù)工作時(shí),基準(zhǔn)電壓與輸出電流的測(cè)試結(jié)果,其電壓-電流關(guān)系如圖5所示。圖5結(jié)果表明基準(zhǔn)電壓與輸出電流成正比例關(guān)系,通過(guò)調(diào)節(jié)基準(zhǔn)電壓,可以改變LD的輸出功率,即LD輸出功率連續(xù)可調(diào)。圖6顯示了該驅(qū)動(dòng)電源輸出的脈沖波形。曲線Input為輸入控制脈沖信號(hào),曲線Output為L(zhǎng)D上電壓脈沖。結(jié)果表明:LD上電壓脈沖的上升和下降時(shí)間都很短,中間段電壓的穩(wěn)定使輸出電流恒定,恒定的電流幅度保證了LD輸出功率的穩(wěn)定。通過(guò)改變輸入脈沖的頻率、脈寬,可得到所需的LD激光脈沖信號(hào)。3 結(jié)論提出了可用于連續(xù)或
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