LD组件温度稳定性设计

LD组件温度稳定性 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 ()文章编号:1001 23806 20070420445204 2012-07-19##############2012-07-19#######2#012-07-19######## LD 组件温度稳定性设计 杨家桂 () 安徽财经大学 信息 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 学院 ,蚌埠 233041 ( )摘要 : 为了研究热电致冷器模块对半导体激光器温度控制系统稳定性的影响 ,采用模拟比例 2积分 2微分 P ID 网络 作为系统的控制器 ,通过对 P ID 控制网络的调整 ,优化了热电致冷模块的响应 ,并根据调整后的 P ID 控制网络及各组成 部分的特性建立系统的数学模型 , 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 了系统对单位阶跃输入的稳态误差和稳定性 。经仿真比较 ,结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明 ,优化后的 系统具有很好的瞬态特性和稳定性 。 关键词 : 激光器 ;稳定性 ;热电致冷器 ;比例 2积分 2微分控制 中图分类号 : TN248. 4 文献标识码 : A Tem pera ture sta b il ity de s ign for a la ser d iode m odu le YAN G J ia 2gu i ( )Info rm a tion Enginee ring Co llege, A nH u i U n ive rsity of F inance & Econom ic s, B engbu 233041 , Ch ina ( ) A b stra c t: The rmoe lec tric coo le r TEC behave s app roxim a te ly a s a two2po le system , ac ting a s the mo st impo rtan t () componen t to regu la te op e ra ting temp e ra tu re of the la se r d iode LD . In o rde r to re sea rch the influence of the rmoe lec tric coo le r ( ) modu le on stab ility of a temp e ra tu re con tro l system fo r a la se r d iode modu le, an ana log p ropo rtiona l2in tegra l2d iffe ren tia l P ID ne two rk wa s adop ted a s the system con tro lle r. B y ad ju sting the P ID con tro l ne two rk, the re spon se of TEC wa s op tim ized. Fo r un it2 step inp u t, the stab le sta te e rro r and stab ility wa s stud ied. A conc lu sion can be m ade tha t the system take s on the be tte r in stan tane ity and stab ility. Key word s: la se rs; stab ility; the rmoe lec tric coo le r; p ropo rtiona l in tegra l d iffe ren tia l con tro l 其工作温度并且要稳定在设定的温度上 。 引 言 [ 1, 3 ]1 LD 的温度特性 随着光纤通信 、光纤传感等技术的収展 ,半导体激 [ 1 ] 根据半导体激光器的工作原理 ,其输出功率不阈值 ()光器 LD 的应用也越来越广泛 ,作为光源 ,它具有 ην() ( )( )1 : P = P+ h/ eI - 电流的关系如下式所示 I许多独特的优点 :如体积小 、重量轻 、结构简单 、输出功 th d th 式中 , P 为 LD 的输出光功率 , I为驱动电流 , P和 I为 率大 、可直接调制等 。但半导体激光器是温度敏感器thth ν相应的阈值功率和阈值电流 , h和 e分别为光子能量 件 ,其输出特性不其工作温度有很大关系 ,如对于一个 η(和电子电荷 ,为外微分量子效率 表示激光器的电 / 在 780 nm 波长収射 3mW 能量的典型激光二极管 ,収 d ) η 光转换效率 ,随温度升高而减小 。射波长的平均漂移量为 0. 26 nm / ?,阈值电流的平均 d η由此可知 , 温度升高 , I增大 ,减小 , 输出光功 漂移量为 0. 3mA / ?。对于一个在 1550 nm 波长収射 thd 率明显下降 。温度对输出光脉冲的另一个影响是“结 ( ) 20mW 能量的分布 反 馈 d istribu ted feed back , D FB 収热效应 ”。即使工作环境温度不变 , 由于调制电流激光器 ,収射波长的平均漂移量为 0. 11 nm / ?,阈值电 的作用 ,引起激光器结区温度的变化 ,因而使输出光脉 流的平均漂移量为 0. 2mA / ?。另外 , 工作温度每升 [ 2 ] 冲的形状収生变化引起调制失真 ,甚至会损坏激光器 。 高 25 ?,工作寿命会减少一半 。因此 , 对于工作波 因此 , 为了保证输出特性的稳定 , 提高 LD 的使 用 寿 长和输出功率稳定性要求较高的场合 ,必须严格控制 命 ,对激光器进行温度控制就显得十分重要 。 基金 项 目 : 安 徽 省 教 育 厅 自 然 科 学 研 究 基 金 资 助 项 目 ( )2006KJ051B 2 LD 的组成及温度控制原理 ( ) 作者简介:杨家桂19702,女,硕士,讲师,主要从事电子测 2012-07-19###############2012-07-19#######2#012-07-19########在实际应用中 ,通常把半导体激光器做成组件形 F ig. 2 P ID c ircu it regu lated 件 。C不 R构成 P ID 的微分环节 , 它又增加了一个 1 3 零点以叏消 TEC 模块的第 2 个极点 , 以补偿相位 裕 [ 7 ] F ig. 1 The fram e of LD 驱动电路作用于激量 。为了防止噪音进入环路 ,用 C构成补偿电路 , 3 光二极管 ,激光二极管正向収射的 光经透镜进入光使环增益在较大的频率处开始衰减 。调整后的 P ID 控 纤 ,反向収射的光经 P IN 光检测器转 换进入自动功率制网络如图 2所示 ,网络器件参数可根据转角频率 、相 控制 ,同时致冷器的冷端不激光二极 管的热沉接触 ,位裕量以及对积分器 、微分器的要求等条件计算出来 , 通过埋在热沉里的热敏电阻可以探测 到激光器结区几个特殊频率的计算公式如下 : 的温度 ,并不设定的工作温度比较 ,将产 生的误差信号 1 1 = , F= ,F 21( 传递给比例 2积分 2微分 p ropo rtiona l2in2 tegra l2d iffe ren ππ2C R2C R 2 2 1 1 )( tia l, P ID 控制电路 ,通过控制电路改变热 电致冷器 the 1 1 ( )= , F=2 F c 3ππ2C R 2C R 1 3 3 2 )rmoe lec tric coo le r, TEC 电流的大小和流 向以达到加热 式中 , F是插入零点的转角频率 , F为叏消 TEC 第 2 1 2 或致冷 ,保持激光器工作温度的恒定 ,构 成自动温度控 [ 1 ] 个极点并且要得到所需要的相位裕量所插入的零点的 制系统 。 转角频率 , F为终止插入的第 2 个零点所需的转角频 3 3 LD 自动温度控制系统 () 率 , F为衰减频率 中心频率 ,一般地 , F?2 F。c c 3 3. 1 TEC 响应特性的优化 3. 2 控制系统模型 要保证 LD 稳定在设定的温度上 ,将温度控制系统 为了控制半导体激光器的工作温度 ,常用的控温 设计成自动调节系统 。系统的调节对象为热电致冷器 , 方式有水冷 、风冷和电致冷方式 ,对于中小功率的半导 ( )( 体激光器 ,基本都采用具有体积小 、启动快 、简单可靠 设定的温度值 Es为输入量 s为拉普拉斯变换中的 i ) 复变量 ,以下公式或符号中出现的 s含义相同 ,输出量 的电致冷方式 ,即利用 Pe ltie r效应来实现制冷或加热 )( 的热电式装置 ———热电致冷器 。 为 LD 组件温度 ,用 U s表示 , 因为系统中被控对象 、 [ 4 , 5 ] 测温传感器等器件具有热惯性 ,故它们可以作为一阶惯 在一些半导体激光器温度控制的文章 中 , 通 ( ) 常将 TEC模块和激光器都是作为一阶惯性环节来讨 性 环 节 建 立 数 学 模 型 , 其 传 递 函 数 为 G s = 论的 ,在系统模型中也只给出一个惯性环节 。但对于 (τ) 1 / s + 1;根据前面对优化 TEC模块响应的讨论 , TEC 大多数半导体激光器 , TEC模块近似为双极点系统 ,一 ( ) ( ) 模块的传递函数可看作是 : K/ [ s + as + a] , K0 1 2 0 个极点在 0. 02H z,另一个极点在 1H z。通常地 ,在第 2 为比例系数 ,整个系统的数学模型方框图如图 3所示 。 个极点后 ,由于相位裕量不足可能会导致系统产生振 [ 6 ] 荡 ,而且 TEC 模块在致热时具有很强的热增益 ,这 会影响其瞬态响应 ,因此 ,为了优化 TEC 模块的响应 , 将对 P ID 网络进行调整 。 不其它控制环路一样 ,稳态精度不直流环路增益 有关 。由于激光器组件具有较大的热质量 ,为了优化 F ig. 3 Mode l of con tro l system TEC的响应特性 ,希望直流增益很高 ,但系统会产生振 τ() 其中 , K, K为信号放大系数 , 1 / s + 1 为 LD 的热 1 2 1 荡和过冲 ,必须有积分环节 , 在满足稳态精度的条件 传递函数 ,反映的是 LD 的温度不流过热电致冷器的 下 ,积分常数尽可能大 。图 2 中 C为积分电容 ,为了 2 τ() 电流之间函数关系 , 1 / s + 1 为温度传感器的传递 2 匹配第 1个极点 ,在 C处串联的电阻 R,相当于插入 2 2 函数 。从图 2 可得到整个系统的传递函数为 : 一个零点 ,以保持系统的稳定性 ,消除产生振荡的条 2 ( ) (τ) KKKTTs + Ts + 1 s + 1 ( )1 p 0 i d i 2 U s ( )( ) =3 G s= 2 ( )Es (τ) (τ) ( ) ( ) ( )Ts s + 1 s + 1 s + as + a+ KKKKTTs + Ts + 1 i i 1 2 1 2 1 2 p 0 i d i ( ) ( ) 式中 , K, K是由具体的信号调理放大电路决定 , K, RTs + 1 Ts + 1 1 2 p 5 1 2 ( ) ( )G′s=5 (βγ) (α)RRs Ts +Ts + 1 T, T分别为 P ID 的比例 、积分 、微分增益 , TEC 模块 1 4 1 2 i d 的传递函数是由 TEC 自身 、热沉 、工作环境温度等参 ττ数决定 ,,分别是由半导体激光器和温度传感器的 1 2 特性决定 。 4 系统稳定性分析 4. 1 稳态误差 由图 2可得调整后的 P ID 控制网络传递函数为F ig. 4 P ID con tro l ne two rk w ith NO T circu it 将调整后 ( ) ( ) 的 P ID 控制网络放入图 2 所示的控制模型 中 ,系统CRs + 1 [ CR+ CRs + 1 ] 2 2 1 1 1 3 1 ( )G′s= - ,令 : ) ( )(Rs CCRs + C+ CCRs + 1 的开环传递函数为 : 1 2 3 2 1 2 1 3 ( ) ( ) KKRTs + 1 Ts + 1 1 0 5 1 2 βαCR,= T= CR, T= CR+ CR,T= CCR,T 1 2 2 2 1 1 1 3 1 2 3 2 21 3 ×( )G s = (βγ) (α)RRs Ts +Ts + 1 1 4 1 2 γ ( ) = C+ C,则上式变为 :2 3 1 1 ( ) ( ) ( )6 Ts + 1 Ts + 1 1 1 2 (τ ) () ( ) ( )s + 1 s + as + a( )G′s = - 4 1 1 2(βγ) (α)Rs Ts +Ts + 1 1 1 2 ( )( )U s G s = , 整个系统的闭环传递函数为 : 在 P ID 网 络后 加一 个反 相 器如 图 4 所 示 , 用 以 调 节 ( ) ( )( )1 + G sH s Es i P ID 网络的增益 ,因此 ,图 4所示电路具有的传递函数 K R 1 5 令 K = ,即 : 为 : R 4 ( ) ( ) (τ)KKTs + 1 Ts + 1 s + 1 ( )0 1 2 2 U s ( )7 = ( ) (βγ) (α) (τ) (τ) ( ) ( ) ( ) ( )EsRs Ts +Ts + 1 s + 1 s + 1 s + as + a+ KKKTs + 1 Ts + 1 i 1 1 2 1 2 1 2 2 0 1 2 ( ) ( ) (τ) (τ) τ( ) γ(τ) 系统误差信号 e t不输入信号 et之间的传递函数 [ a+ 1 a+ 1 +a+ a] +[ a+ 1 × i 1 2 2 1 1 1 2 1 2 ( )(τ) τ( ) (βαγ) a+ 1 +a+ a], b= T+Taa+ E s1 2 1 1 1 2 5 1 2 1 2 ,根据终值定理 ,系统的稳态:= 为 ( )( ) ( )1 + G sH s Es i γ(ττ) γ [ aa++ a+ a] + KKKTT, b=aa+1 2 1 2 1 2 2 0 1 2 6 1 2 误差 : ( ) KKKT+ T, b= KKK。2 0 1 2 7 2 0 ) )( ( = = lim e t= lim sE s ess t?? s?0 由上面论述可知 ,特征方程的各阶系数均大于 0 , ( ) sEs i 而且不缺项 ,根据劳斯稳定判据 ,系统是稳定的 。( ) lim8 s?0 ( ) ( )1 + G sH s [ 8 ] 5 系统设计与仿真 ,系统的稳态误差为 : 若有一个单位阶跃输入信号 s 1 根据前面的介绍 ,为了消除 TEC 模块在第 2 个极 ( )e= lim9 sss?0 ( ) ( ) 1 + G sH ss 点处所引起的振荡 , 从 0. 3H z开始增加相位 , 在 12H z βγ) (α) (τ) (τ(e即 : = lim { [ s Ts +Ts + 1 s + 1 s + ss1 2 1 2 s?0 处结束 ,即 F= 0. 3H z, F= 12H z,积分电容 C由 F确 2 3 2 1 ) ( ) ( ) (βγ) (α) (τ1 s + as + a] / [ Rs Ts +Ts + 1 s + 1 2 1 1 2 1 定 ,这里 R应尽可能大 , C就可以叏得较小 ,为了匹配 2 2 ) (τ) ( ) ( ) ( ) ( ) = 1 s+ 1s+ as+ a+KKKTs+ 1Ts+ 1] } 2 1 2 2 i 1 2 Ω1个极点 ,叏第 F= 0. 07H z, R= 250 k。环增益在 F 1 2 c 0 ,即系统对阶跃输入的稳态误差为 0。 F= 30H z,由此可以得到 P ID 网络相关处开始衰减 ,叏c 4. 2 系统稳定性τ参数 。 a, a的由 TEC模块的两个极点确定 ,= 0. 5 , 1 2 1 ( ) 由 7 式可以写出系统的特征方程 :τ= 2由温度传感器和激光器的特性决定 ,放大电路的 2 7 6 5 4 3 bs + bs+ bs+ bs+ bs+ 放大倍数叏 10 , 通过数据处理 , 利用 MA TLAB 进行仿 0 1 2 3 4 [ 9 ] 2 ( )真 ,如图 5所示 ,图 5 b是 P ID 调整过后的系统响应曲10 bs+ bs + b= 0 5 6 7 线 ,图 5 a是同样条件下但未加 R, C的系统响应曲线 。 αβτταβττ) ττ(× 式中 , b= RTT, b=TT[ ++ 3 3 0 11 212 1 1 2 1 2 12 从图中可看出 ,调整后 P ID 控制系统 ,其超调量明显减 ( ) (βαγ) τταβ(τ+ a+ a] + T+T, b=TT[ a1 2 1 2 12 2 1 2 1 2 少 ,调节时间也明显缩短 ,振荡次数减少到只有一次 ,系 ) (τ) τ( ) ττγ (βαγ) ×1 a+ 1 +a+ a] ++ T+T2 1 1 1 2 121 2 统稳定性和瞬态特性得到很好的改善 。若要使得系统 (ττ) ττ( ) αβ(ττ) [ ++a+ a], b=TT[ aa++ 1 2 12 1 2 3 1 2 1 2 1 2 更快地稳定 ,可以增加放大倍数 ,并利用齐格勒 2尼柯尔 (βαγ) (τ) (τ) a+ a] + T+ T[ a+ 1 a+ 1 +1 2 1 2 1 2 2 1 斯调整法则调整 P ID 相关参数就可以 ,这里不再详细讨 τ( ) γ ττττ( ) a+ a] + [+ + a+ a], b= 1 1 2 1 2 12 1 2 4 论 。(ταβ(βαγτ ) ) T T a a + T +T [ a a ++ a + a ] × 通过适当地选择 TEC 模块的驱动部件和 P ID 控制网络 等各参数 ,温度的控制精度可达到 ?0. 01 ?,完全能保 证半导体激光器输出特性的稳定 。 参 考 文 献 [ 1 ] L IU Z J , ZHOU Y Y, HU L L et a l. 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Study of cho le ste ric liqu id c rysta ls filter ()上接第 407页 ( ) ( ) [ J ]. App lied L a se r, 2005 , 25 5 : 316 ～318 in Ch ine se.[ 5 ] ZHAN G D Y, L I J F, L IU C L. A nalysis of B ragg reflection of cho les2 3 结 论 te ric liqu id c rystals u sing dynam ica l reflec tion theo ry [ J ]. Ch ine se Δε ( ) ( 理论分析和实验结果表明 : 具有一定预倾角< Jou rna l of L iqu id C rysta ls and D isp lays, 2005 , 20 2 : 107 ～110 in ) Ch ine se. 0 的手性液晶结构 ,当沿着螺旋轴方向的外加交变电 [ 6 ] L I L , L I J F, FAN B S. R eflec tive cho le steric liqu id c rysta l po la rize rs 场达到一定的阈值后 ,手性液晶螺距沿螺旋轴方向形 ( ) and their app lication s [ J ]. Modern D isp lays, 1998 , 18 4 : 29 ～36 ( ) in Ch ine se. 成了梯度变化 ,造成了手性液晶布喇格反射带宽随外 [ 7 ] Q I H. Op tical wave p rop agation in a cho le steric liqu id c rysta l u sing the 加电场的增加而加宽 ,可以制成带宽可调式滤光片 。( ) fin ite e lem en t m e thod [ J ]. L iqu id C rysta l, 2003 , 30 3 : 367 ～375. 参 考 文 献 L I L. 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For assistance,contact your network support team. file:///C|/Users/Administrator/Desktop/新建文本文档.txt 涵盖各行业最丰富完备的资料文献,最前瞻权威的行业动态,是专业人士的不二选择。 file:///C|/Users/Administrator/Desktop/新建文本文档.txt2012/8/26 12:19:58