小型激光器驱动电路_R

摘要：随着半导体技术的日趋成熟，半导体激光器以其转换效率高、体积小、重量轻、可靠性高、能直接调制等特点，在科研、工业、军事、医疗等领域得到了日益广泛的应用。半导体激光器的稳定性取决于驱动电源，电流的起伏会引起光功率的变化，从而影响激光器的性能。为确保半导体激光器安全可靠地工作，本文深入分析了半导体激光器电源工作原理， 确定了驱动电源的主要环节的技术实施 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ，研制了一种小功率红光半导体激光器的驱动电流源。该电源采用的是由调整电路、取样电路、基准电路和误差放大电路等4个模块组成的电压负反馈电路来实现的，针对设计的要求为各个模块选择了合适的器件。并且通过慢启动电路，放浪涌电路和过流保护电路提高了半导体激光器抗冲击能力和工作稳定性。该电流源电路与以往的电路相比，利用有效的滤波电路、防浪涌保护电路、慢启动电路、过流过压保护电路，较大地改进了半导体激光器电源的可靠性．提高了半导体激光器的输出稳定性，延长了激光器的使用寿命。最后通过实际测量开关插拔瞬间电路的浪涌波形以及防浪涌保护的实际效果，测试结果证明该电路能够对该浪涌起到良好的防护作用.电流源在运行中稳定可靠，基本达到了预定的技术指标要求。并且该保护系统具有性能可靠、结构简单、成本低廉等优点。 关键词：半导体激光器、驱动电源、慢启动、保护电路 Designing a drive circuit for red-light semiconductor laser Abstract：With the maturation of the semiconductor technology day by day ,semiconductor laser is applied more and more widely in the fields of scientific research ,industry, military ,medical service because of its characteristic :high transferring efficiency ,small size ,light weight ,the high reliability ,direct modulation and so on .The stability of semiconductor lasers depends on the driven power．Current changes may induce light power changes and hence influence the performance of the laser . In order to ensuring the semiconductor laser work credibly ,this article analyses the operation principle of the semiconductor Laser power in detail，and demonstrates the feasible scheme of the main part of the power ,and design a smaller-power semiconductor laser drive power. Compared with previous circuits , the drive power circuit mainly consists of filter circuit ,surge suppressors，slow starts circuit．over current and over voltage protective circuit，and temperature control circuit．With this protective device．the performance of the laser's reliability，output stability and work life can be improved significantly .Through measuring the surge wave appearing at the time of switching on and off and measuring the real effect of the surge protecting，the result of the test has proved that such circuit does eliminate surge of the laser diode power and protect the laser diode．The whole power supply is steady and reliable in the course of real work ,and reaches the higher technical targets．In addition ,this device is simple ,reliable and costless． Keywords：semiconductor laser，driven power，slow starts circuit，protective circuit 1 绪论 随着半导体激光器的发展，半导体激光器已经渗透到许多重要的应用领域，成为绝大多数光电子系统不可缺少的组成部分，在得到广泛应用的同时也对激光器的驱动以及频率的稳定提出了更高的要求。 1.1半导体激光器的介绍 半导 体 激 光器(semiconductor Laser)又称激光二极管(Laser Diode)是利用半导体材料导带中的电子和价带中的空穴的复合来产生受激辐射。半导体激光器是以半导体材料为工作物质，其中以半导体晶体(二元化合物、三元化合物元素)作为工作物质的半导体激光器，如砷化稼GaAs，稼铝砷GaAIAs，铟稼砷磷InGaAsP、硫化锌ZnS和磅锡铅PbsnTe等40多种化合物，都可以实现受激辐射[1]。输出波长可以从紫外0.33um，一直扩展到远红外34um，输出激光可以是连续的(CW)、准连续(QCW)的和脉冲(pulse)的。 半导体激光器按泵浦方式不同,可以分为注入式激光器、光泵激光器和电子束泵浦激光器。其中注入式激光器是利用同质结构或异质结将大量的过剩载流子(电子一空穴对)注入激活区以形成集居数反转。这类激光器由于容易实现受激辐射，且结构紧凑，使用方便，以及加工工艺简单成熟，并且注入式半导体激光器的电源简单，可以改变注入电流直接调制输出，因此它是目前使用最为广泛的一种半导体激光器。用电注入直接泵浦的方式激励的一种小型化激光器，它具有半导体和固态物质的共同优点。其最重要的特性是，在发射闭值以上的一段区域，输入电流与输出功率呈线形关系[2]。通过调节激励电流的大小来调整输出的光功率。由于半导体激光器是一个二极管，因此，激励器的工作负载是二极管的伏—安特性负载。自从1962年出现半导体激光器以来，在实际使用中，半导体激光器受到微小的电流和温度变化的影响时，将导致半导体激光器输出功率的波动，也就是半导体激光器的输出功率不稳定。为了保证它的稳定性，就需要设计一个控制系统来监控半导体激光器的发光状况，控制半导体激光器的驱动电流以保持半导体激光器功率输出的稳定，所以半导体激光器输出功率的稳定性是亟待解决的问题[3]。近些年来，有不少科研单位从事这一方面的研究，新型的驱动源除具备常规驱动器的功能外，还应该使输出电流更稳定，对激光器进行更加可靠、有效地保护。 1.1.1 半导体激光器的优点 半导体激光器的优点： （1）半导体激光器是直接的电子—光子转换器，因而它的转换效率很高。 理论上，半导体激光器的内量子效率由于存在某些非辐射复合损失，其内量子效率要低很多，但是仍然可以达到70%以上。 （2）半导体激光器所覆盖的波段范围最广.可以通过选用不同的半导体激光器有源材料或改变多元化合物半导体各组元的组分，而得到范围很广的激射波长以满足不同的需要。 （3）半导体激光器的使用寿命最长。目前用于光纤通信的半导体激光器其工作寿命可达到数十万乃至百万小时。 （4）具有直接调制的能力。 （5）半导体激光器的体积小、质量轻、价格便宜。 1.1.2 半导体激光器的应用和发展 随着激光技术的日趋成熟和应用领域的不断拓展，半导体激光器的应用范围己经覆盖了光电子学的诸多领域，成为当今光电子科学的核心技术。由于半导体激光器具有结构简单、体积小、寿命较长、易于调制及价格低廉等优点，半导体激光器己经在光纤通信、光传感、光盘、激光打印、条形码扫描、集成光学领域发挥着极其重要的作用，并在测量、自动控制、医疗、材料加工以及泵浦光源方面有着越来越重要的应用，并广泛应用于军事领域，如激光测距、激光制导跟踪、激光雷达、激光引信、激光通信电源、激光模拟武器、激光瞄准告警、激光通信和激光陀螺等。随着社会的进步和发展，半导体激光器被带进了更广泛的科学领域。一方面是由于其应用领域的不断扩展，另一方面也是器件本身所涉及的理论和工艺的不断完善，性能不断提高，在通信、测量、加工、控制等各个领域得到了广泛的应用，同时在医疗和生命科学等领域也发挥着越来越大的作用。 国外半导体激光器技术发展较早，1962年美国GE，BIM等单位最早实现了半导体的光受激辐射复合。同年，日本松下公司研制成功第一只半导体激光器，为半导体激光器的商品化及其后来产业化的形成开辟了道路。七十年代初，国际上实现了GaAIAs、GaAs双异质结激光器的室温连续运转[4]，这是一个历史性的突破。这一成果与低损耗光纤的诞生一起开创了光纤通信的时代。至七十年代末，基本上解决了激光器的工作寿命的问题，解决了半导体激光器的横向和侧向的模式问题，研制成功了长波长激光器.开始了半导体激光器在光纤通信、光盘存储等新技术中大量实际应用的新局面。从八十年代初以来，又取得了一系列的重大突破。其中最重要的是DFB动态单纵模激光器的研制成功和实用化，量子阱和应变层量子阱激光器的出现，大功率激光器及其列阵的进展，可见光激光器的成功，面发射激光器的实现等[5]。这些成果使半导体激光器进入了越来越多的重要的应用领域。 1.2 半导体激光器的工作原理 工作物质为半导体晶体的一类激光器，称为半导体激光器。其激励方式主要分为电注入式、电子束激励式和光泵浦式三种。绝大多数半导体激光器的激励方式是电注入式，即给PN结加正向电压，使得结平面区域产生受激发射。这犹如一个正向偏置的二极管，因此半导体激光器又称为激光二极管。 如图1-1所示，简单的半导体激光器由带隙能量较高的P型和N型半导体材料和一层很薄的有源层构成。在PN结加上正向偏置电压后，电子从N区向P区流动，空穴从P区向N区流动，在作用区内，电子和空穴复合产生光子。当注入电流较小时，注入结区的电子和空穴数目较少，此时只能自发辐射（荧光），光向四面八方传播：当注入电流大到一定程度时，便向外输出激光[6]。 图1-1半导体激光器的结构 因此，半导体激光器是一种相干辐射光源，要使它能产生激光，必须具备三个基本条件： (1)增益条件:建立起激射媒质(有源区)内载流子的反转分布。在半导体中代表电子能量的是由一系列接近于连续的能级所组成的能带，因此在半导体中要实现粒子数反转，必须在两个能带区域之间，处在高能态导带底的电子数比处在低能态价带顶的空穴数大很多，这靠给同质结或异质结加正向偏压，向有源层内注人必要的载流子来实现，将电子从能量较低的价带激发到能量较高的导带中去。当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时，便产生受激发射作用[7]。 (2)要实际获得相干受激辐射，必须使受激辐射在光学谐振腔内得到多次反馈而形成激光振荡，激光器的谐振腔是由半导体晶体的自然解理面作为反射镜形成的，通常在不出光的那一端镀上高反多层介质膜，而出光面镀上减反膜.对F-P腔(法布里-帕罗腔)半导体激光器可以很方便地利用晶体的与P-N结平面相垂直的自然解理面构成F-P腔[8]。 (3)为了形成稳定振荡，激光媒质必须能提供足够大的增益，以弥补谐振腔引起的光损耗及从腔面的激光输出等引起的损耗，不断增加腔内的光场.这就必须要有足够强的电流注入，即有足够的粒子数反转，粒子数反转程度越高，得到的增益就越大，即要求必须满意一定的电流阀值条件[9]。当激光器达到阀值，具有特定波长的光就能在腔内谐振并被放大，最后形成激光而连续地输出。 1.3 半导体激光器的P-I特性 向半导体激光器只如电流I，其两端会产生正向电压U，非平衡载流子复合后将产生光功率P，激光器的静态工作特性主要是端电压U和注入电流I的特性曲线，输出光功率随注入电流变化的P-I特性曲线以及光谱特性[10]。半导体激光器的这一特性可以反映出其PN结特性的优劣，通过大电流下的正向V-I特性可估算出串联电阻。图2-2是典型半导体激光器V-I特性曲线示意图。 图1-2 半导体激光器V-I特性曲线 半导体激光器的P-I特性（又称L-I特性），描述了激光器光功率P0随注入电流IF的变化规律，是使用半导体激光器的系统进行设计的重要依据。半导体激光器只有在其PN结上加大的正向电压，流入激光器的注入电流足够大时，才能产生激光[11]，理想的输出P-I特性曲线如图1-3所示。 图1-3半导体激光器P-I特性曲线 从理论上讲，当半导体激光器工作在额定范围内时，输出光功率P与注入电流IF应该是严格线性的关系，其一阶微分曲线应该是一条近似水平的直线。如果在一阶微分曲线上出现了明显的拐点，或者是说该曲线不够平滑，那么就认为该半导体激光器有缺陷。也就是说，当该半导体激光器工作在出现拐点的驱动电流时，其输出光功率与注入电流值不成线性比例关系[12]。由于输入电流与输出光功率呈线性关系，半导体激光器具有易于调制的重要特性，即可以通过调制输入电流，对半导体激光器的输出光强进行直接调制。 1．4 半导体激光器损坏机理 在正常条件下使用的半导体激光器有很长的工作寿命。然而，半导体激光器也是很容易被损坏的，即在不适当的工作条件下，会造成性能的急剧恶化乃至失效。半导体激光器的损坏原因有： 1．半导体激光器驱动电源在接通电路时，会在电路中形成一个过度过程，即在开启时，驱动电流出现幅度很大的过冲，随后经过过渡过程才趋于稳定。这种驱动电流的过冲易使PN结遭受电击穿，使解理面而遭受损伤或破坏。 2．半导体激光器驱动电路与激光器相联的过大，则在关断电源时，电容的放电引起半导体激光器过电流，使其PN结发生击穿，解理面损坏。 3．与半导体激光器驱动电源并联的外电路的浪涌(如驱动电路拉入照明线，而某一与之并联的荧光灯开关时，会产生IOOV左右的浪涌电压)串入驱动电路，造成激光器击穿。 4．控制电路的偶然失效也会导致半导体激光器的损坏，如有的电路使用电位调节激光器驱动电流和输出功率，若电位器滑动触点在滑动过程中出现机械或尘屑引起的接触不良，则会导致浪涌，危害激光器。 除半导体激光器在浪涌冲击下可能遭受损伤外，在场强超过某一限制时静电场也会发生PN结静电损伤或击穿。在半导体激光器处在非工作状态时，静电击穿成为主要受损原因。 半导体激光器使用时所需注意的事项： 在正常条件下使用的半导体激光器有很长的工作寿命。然而，半导体激光器也是很容易被损坏的，即在不适当的工作条件下，会造成性能的急剧恶化乃至失效。由于半导体激光器制作工艺的限制，其成本比较高，尤其是半导体激光器价格是非常昂贵的，对其损坏机理及原因有必要作以分析。 半导体激光器的突然失效可由PN结被击穿或用作谐振腔面的解理面遭受破坏而造成，视其击穿或破坏程度而表现为输出功率减少或无输出。实际上半导体激光器又被称为激光二极管(LD)，它的核心也是PN结，具有和普通电子学中的二极管相似的二极管特性[13]。一旦PN结被击穿，则无法产生非平衡载流子和辐射复合。超过破坏阈值的光功率可以使解理面局部或全部损伤，而导致激光输出功率的下降或变成二极管，乃至失效。 统计表 住宿学生晚检及人数统计表团员统计表家庭消费统计表家庭日常消费情况统计表每月业绩统计表格模板 明，半导体激光器突然失效，有一半以上的几率是由于浪涌击穿。浪涌是一种突发性的瞬态电脉冲，使半导体激光器瞬时承受过电压而使PN节击穿。瞬态过电压的正向过电流所产生的较大光功率还可以使介面损伤。即使在数纳秒的时间内超过半导体激光器所允许的最大电流Imax，也会使其破坏或者受损。半导体激光器损伤的程度或者半导体激光器承受浪涌冲击的能力取决于激光器本身的材料参数和器件结构。浪涌的产生原因主要有以下几个方面： (1)电源开关的干扰： 大部分半导体激光器的驱动电源通常系用市电经变压器降压、整流后再通 过稳压，稳流的方式得到的。由于开机的随意性和元件的分布电容的影响(尤其 是分布电容)其浪涌电流是很难抑制的。解决此类问题的最彻底的方法就是在开 机的瞬间将半导体激光器短路，在电源启动后适当的时刻再断开短路器。 (2)过渡过程引起的冲击： 半导体激光器驱动电源在没有慢启动措施的情况下接通和断开电路时，会在电路中形成一个过渡过程，即在开启时，驱动电流出现幅度很大的过冲，随后经过过渡过程才趋稳定。这种驱动电流的过冲易使PN节遭电击穿，界面遭光损伤或者破坏。即使浪涌的强度或持续时间不至于在第一次开启电源时使激光器产生完全的失效，但在多次浪涌的冲击下也会加速半导体激光器性能的退化和最后失效。因此，半导体激光器的驱动电源应采取慢启动措施。 (3)接触不良： 半导体激光器的管脚于插座接触不良会造成时断时续从而导致接触过电压浪涌过程。因此，必须保证半导体激光器管脚于插座有良好且可靠的电接触。电路中或许需要用电位器调节激光器驱动电流和输出功率，若电位器滑动触点在滑动过程中出现机械或者尘屑引起的接触不良，将导致浪涌危害激光器。因此需要选择质量高的电位器，并在滑动输出端并接一个较大的电容量的电容。 (4)与半导体激光器并联电容的放电产生过电流： 为减少留过半导体激光器的纹波和干扰，一般都在半导体激光器并联一个电容，但如果并联电容的电容量过大或者由于半导体激光器的接触不良就会对电容的充电电压过高，则在半导体激光器接触瞬时或者在关断电源时，电容放电可能引起半导体激光器的过电流，或反向电流而损害半导体激光器。可以在半导体激光器的两端并联一个低压快速稳压管，不仅可以限制激光器的最高电压，而且减小了反向电压值。 (5)电网干扰引入的浪涌： 与半导体激光器驱动电路相并联的外电路的浪涌，可能会造成激光器的击穿。因此，不应该将半导体的驱动电路并接与启动频繁的会有较大电容或电感的线路上。或者用能抑制浪涌的噪声滤波器将二者进行隔离，加装瞬时尖峰脉冲抑制器或者抑制高压的压敏电阻。 (6)制作过程中焊接方法不当引起的浪涌损伤： 用电烙铁将半导体激光器的管脚与驱动电路焊接时，如漏电，则其浪涌可能使激光器损坏。因此，应将电烙铁的外壳良好接地，必要时可断电进行焊接。 另外，半导体激光器处在一静电场中时，当静电场的场强超过某一限值，也会发生PN结静电损伤或者击穿。因此，在使用半导体激光器的时候，必须采取一定的防静电的措施。如在半导体激光器不工作的时候，可以将其两个电极短路。接触半导体激光器的管脚时，在手腕上戴上专用的手镯式接地环等措施。 2 半导体激光器电路原理设计与实现 2.1 半导体激光器驱动方式简介 半导体激光器的激励方法多采用电流注入形式，当注入电流大于阈值电流Ith时，辐射功率随电流的增加而迅速地增大。因此，可以通过改变半导体激光器的注入电流来调整其输出的光功率。而对半导体激光器进行控制，通常采用自动控制的方法，它包括恒电流控制（ACC），恒功率控制（APC），电压恒定控制（AVC）[14]。 在APC 工作方式下,采用光电探测器（PD）接收一小部分激光功率并转化为监测电流，该监测电流经过电流/电压转换后，通过APC 反馈网络与设定值比较，从而形成闭环负反馈控制。当激光输出功率受温度等因素影响发生变化时，该负反馈可控制光功率使其稳定不变。 AVC 是特定场合下简单而又有用的模式，当要求LD的驱动电压恒定时，即可以采用此模式。 在ACC工作方式中，通过电流采样反馈为电流驱动单元提供有源控制，从而使电流漂移最小且使LD 输出稳定性最大，与温度控制配合使用效果更好。 现今常用的半导体激光设备工作用恒流源，主要是应用了场效应管的导通特性以及晶体管的对称连接镜像恒流原理来实现。要得到稳定的输出，必须使注入电流稳定，即要采用恒流源，因此本设计选用了ACC工作方式。 2.2 电路设计指标 对于本设计选用的半导体激光器为重庆华峰光电有限公司生产的半导体红光器，具体型号为HLD0650R5E，其输出功率的典型值为5mW。具体参数值如表2-1所示：    表2-1 驱动电路LD参数（HLD0650P5）： 参数 符号 测试条件 最小值 典型值 最大值 单位 波长 λ CW 640 650 660 nm 工作电流 Iop CW 40 75 85 mA 工作电压 Vop CW 2.5 2.8 / V               额定极限值： 参数 值 单位 LD反向电压 2 V PD反向电压 25 V 工作温度 -40~+85 ℃ 焊接条件 240/10 ℃/S             由表2-1可知， 工作电压的典型值为2.8V，工作电流的典型值为75mA。由于LD 是电流注入驱动，电流稳定性对输出功率的稳定性将产生直接影响，所以一般要求LD 用电流源的电流稳定性优于10- 3。另外，这种电流源还应具有抗击浪涌击穿、断电保护和过流保护等保护功能，以保证LD 安全、可靠的工作。 2.3 驱动电路设计 2.3.1 电路设计软件Multisim简介 Multisim是加拿大图像交互技术公司（Interactive Image Technoligics，简称IIT公司）推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路行为进行仿真。Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样就无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。通过Multisim和虚拟仪器技术，可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 。 2.3.2 基本原理 在仔细分析了半导体激光器的工作特性和它在使用过程中对驱动电源提出的具体技术指标后，可以提出一下的大致电路总体 设计方案 关于薪酬设计方案通用技术作品设计方案停车场设计方案多媒体教室设计方案农贸市场设计方案 ，并以框图的方式表示(如图2-2所示)。 图2-2驱动电源原理框图 2.3.3 直流稳压电源的设计 2.3.3.1 直流稳压电源的基本设计思路 本课题是设计红光半导体激光器驱动电源，而小功率的半导体的工作电压很小，一般在10V以内，且还需是直流电。而通常市电为220V交流电，所以这就需要对市电进行AC/DC转换，得到合适的驱动电压。为此，设计了一个输出电压恒定的AC/DC稳压电源。整个模块又有四个环节：变压、整流、滤波、稳压。方框图如图2-3所示： 图2-3  AC/DC电源的组成框图 框图中各部分电路的作用如图2-4所示： 其中变压器是将交流电网电压u1变为合适的交流电压u2。整流电路是将交流电压u2变为脉动的直流电压u3。 滤波电路是将脉动直流电压u3转变为平滑的直流电压u4。稳压电路是清除电网波动及负载变化的影响,保持输出电压u0的稳定。 2.3.3.2选择芯片 选择的芯片为LM317, LM317作为输出电压可变的集成三端稳压块是一种使用方便、应用广泛的集成稳压块。317系列稳压块的型号很多，经常用317稳压块制作输出电压可变的稳压电源。同时由于LM317芯片在使用是输入输出的压差在3V-40V的范围内，所以，选择输入电压为18V。稳压电源的输出电压用下式计算，Vo＝1.25（1＋R6/R8）+IAdj×R。此稳压器非常易于使用，只需要两个外部电阻来设置输出电压。此外还具用内部限流、热关断和安全工作区补偿使之基本能防止烧断保险丝。LM317应用于多种场合，包括局部稳压、卡上稳压。在应用中，为了电路的稳定工作，在一般情况下，还需要接二极管作为保护电路，防止电路中的电容放电时的高压把LM317烧坏。 2.3.3.3.电路原理图 根据上述原理和思路，并由LM317的技术手册可得到如图3.5的电路图，可以使电压到11.9V。满足LD驱动控制部分的供能的要求。直流稳压电源电路原理图如图2-5所示。 图2-5  直流稳压电源电路原理图 2.3.3.4直流稳压电源电路元器件的选取与计算 根据图2-5的设计， 为AC/DC电源的一负载取1000Ω，LM317稳压器的参数特性是稳压范围1.2V到37V，最大输出电流为1.5A。LM317的输入和输出电压的关系式为 （2.1） 根据设计要求 =12V，令 =118Ω，更具公式3.5可以计算出 =1KΩ。LM317正常工作的条件是 ，本设计中 ，LM317能正常工作。 整流和滤波电路在稳压电源中一般用四个二极管组成桥式整流电路，整流电路的作用是将交流电压 变换成脉动的直流电压 。滤波电路一般由电容组成，其作用是把脉动直流电压 中的大部分纹波加以滤除，以得到较平滑的直流电压 。 与交流电压 的有效值 的关系为： （2.2） 在整流电路中，每只二极管所承受的最大反向电压为： （2.3） 流过每只二极管的平均电流为： （2.4） 其中：R为整流滤波电路的负载电阻，它为电容C提供放电通路，其中周期T=20ms，为50Hz交流电压的周期，放电时间常数RC应满足： （2.5） 综上所述，有LM317稳压器的输入输出的差值为3V到40V，所以LM317稳压器的输入为25V到62V，可根据公式3.3/3.4/3.5计算出整流二极管的 为37.3V， 为0.75A,所以选取3N250（最大反向电压600V，最大的电流为1.5A）这个型号的二极管组成的桥式电路；滤波电容稍偏大选取C1=220uF,C2=100nF,C3=10uF，C4=1uF。若最后输出为12V左右，根据3N250二极管组成的桥式电路的性质输出大概2倍于输入。所以变压器的倍数大概为10倍左右，如TS-Power-10-1。 根据上述计算和设计思路，在Multisim软件环境进行仿真，在我国220V、50Hz的市电的仿真结果如表2-6所示： 图2-6直流稳压电源Multisim仿真图 由Multisim仿真结果看，稳定后，直流稳压电源的输出电压为11.9V,且基本恒定，波纹幅度极小，满足设计要求。 2.3.4慢启动电路的设计 半导体激光器驱动电源在没有慢启动措施的情况下接通和断开电路时，会在电路中形成一个过渡过程，即在开启时，驱动电流出现幅度很大的过冲，随后经过过渡过程才趋稳定。这种驱动电流的过冲易使PN节遭电击穿，界面遭光损伤或者破坏。即使浪涌的强度或持续时间不至于在第一次开启电源时使激光器产生完全的失效，但在多次浪涌的冲击下也会加速半导体激光器性能的退化和最后失效。因此，为避免此电流对于半导体激光器的破坏，必须将激光器驱动电源设计成慢启动电路，使得电流输出由零缓慢上升到额定值,保证激光器顺利过渡到正常工作区，这样可以有效地消除电源开或关时产生的浪涌冲击。具体电路如图2-7所示： 图2-7 慢启动电路原理图 如图3-7所示，图中输入端接上经过稳压后的直流电压，右边是输入级的输出端，为半导体激光器的功率稳定输出提供工作电压，整个电路的结构可以看作是在射级输出器上添加了两个Ⅱ型滤波网络，分别由L1、C1、C2和L2、C7、C8组成电容C5和电阻构成一个时间延迟网络。慢启动输入电压U在开关闭合的瞬间产生了大量的高频成分，经过两个Ⅱ型滤波网络滤除了大部分高频分量，直流及低频分量则可顺利地通过。到达由电阻R和C组成的时问延迟网络，10 uF的电容与电解电容C2并联是为了减少电解电容对高频分量的电感效应。时间延迟网络的延迟时间常数t=RC，代入R=3.6kΩ,C=470uF,得到t=1.69s. 根据上述计算和设计思路，在Multisim软件环境进行瞬态分析仿真，瞬态分析仿真结果如表2-8所示： 图2-8慢启动电路仿真结果图 由瞬态分析图可以看出，慢启动电路的慢启动时间t为5-6秒，完全能满足设计要求。 2.3.5负反馈恒流源电路 2.3.5.1负反馈恒流源的基本设计思路 电流源电路采用的是电流一串联式的负反馈组态电路，原因是为了保证在成本较低的情况下实现较高的精度[14]。电流源基本反馈放大电路原理图如图所2-9示。 图2-9负反馈网络框图 负反馈放大电路主要由基本放大电路及反馈网络组成，基本放大电路输出端有取样网络，对输出信号I进行取样，反馈至基本放大电路的输入端。基本放大电路输入端有相加网络，用于输入信号U与反馈信号Uf的比较，将比较结果作为基本放大电路的输入信号。基本放大电路的放大倍数为A；反馈系数为F；负反馈放大电路的放大倍数（又称闭环放大倍数）为Af。 根据反馈放大电路的基本原理可得如下公式（2.6）、（2.7）、（2.8）；                       (2.6)                                  (2.7)                                            (2.8) 由以上三个关系式可以得出公式（2.9）：                           (2.9) 当电路引入负反馈时，Af表明引入负反馈电路的放大倍数等于基本放大电路放大倍数的（1+AF）分之一。但引入深度负反馈（即1+AF远远大于1时）， ，放大倍数仅仅取决于反馈网络，与基本放大电路无关[15]。对公式（3。9）求微分得公式（2.10）:                     (2.10) 用公式（2.10）的左右两式分别除以公式（2.9），可得公式（2.11）：                                  (2.11) 上式表明，负反馈放大电路的放大倍数的相对变化量仅为基本放大电路相对变化量的（1+AF）分之一。这说明负反馈虽然使放大器增益下降，但对其稳定性有较好的改善。实际应用中可以减少由于运算放大器的增益变化、电源波动、元件老化，电路中元件对温度的不稳定性造成的放大电路的放大倍数变化，提高了系统稳定性。 2.3.5.2负反馈恒流源电路原理图 由上述计算分析可知:如果把将负反馈原理应用到驱动器的设计中，可以获得稳定很好的输出电流[16]。因此设计负反馈恒流源电路原理图如图2-10所示： 图2-10 负反馈恒流源电路原理图 图中R2、1N4735A及可调电阻R1组成基准电压，C12加入的原因则是如前所述的防止可变电阻滑动端在滑动过程中接触不良从而引发浪涌造成损害。基准电压送入运放的同相端，该运放控制晶体三极管8050的导通程度，并由此或得相应的输出电流，输出电流在取样电阻上产生取样电压，该取样电压作为负反馈电压反馈回电压放大器的反向输入端，并与同相输入端的电压比较，对输出电压进行调整，进而对三极管的输出电流进行调整。 如果I0下降将导致UR下降，从而使下降Vf，Vf下降则会使IB增大，导致IC 同样增大，最终I0也随之提高，整个闭环反馈系统处于下列动态平衡中，达到稳定输出电流的目的。 2.3.5.3器件选择，参数计算与仿真 本实验方案中选用的LD的驱动芯片是TI公司的高速大电流运算放大器芯片LM358，它拥有最大0.5A的输出电流，最大15V的输出电压和lMhz的满增益带宽。 LM358 内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。其引脚图如图2-11所示。 图2-11 LM358引脚图及引脚功能 由电路原理图以及LM358参数知，用R5检出流过激光器的驱动电流I0，若R1两端电压为Vs,则驱动电流由下式求出：   ; 驱动三极管Q1的集电极电阻R6，应由电源电压Vcc和半导体激光器LD的最大电流I0（max）来决定。 其中 ， 取75mA， 为0.65V，，R5取100Ω，曾从上式可求得R6=10Ω，功率可取1W。 根据上述计算和电路原理路，在Multisim软件环境进行瞬态分析仿真，仿真结果如图2-12所示： 图2-12恒流源电路仿真图 由图2-12知，取样电阻两端的R5两端电压恒定，为721.142mW，则 驱动电流为： ,虽然略小与所选半导体激光器的工作电流的典型值，但符合设计要求。 2.3.6其它保护电路 设计保护电路，具有防止高频干扰、浪涌，以及提高激光管寿命、短路保护的功能。图2-13 为其他保护电路图 图2-13 其他保护电路 考虑半导体激光器本身易因为高频干扰而损坏，如图3-13中在半导体激光管并联一个小电容C1，可以滤掉流过LD 电流中的高频干扰, 避免LD由于高频干扰而受到损坏。同时并联一个反向二极管D1，以此来防止激光管两端受过大的反向电压（即反向浪涌）而损坏。与激光管并联几个前向导通的二极管（D2、D3和D4）可以大大提高激光管的寿命。因为当发生很大前向电压发生时，这些保护二极管将导通，电流将不会从激光管通过，避免了激光管的损坏。将一个接触电阻很小的开关S 与LD 并联在一起即实现短路保护。当LD 不工作时，将S 闭合，使LD 的P极和N极短接，起到保护LD 的作用；在LD 开始工作之前，必须先将开关S 断开，这时电流才能流过LD，使其工作。 D1选择为1N746A，此二极管为0.5W齐纳稳压器，输出电压误差为5%到10%，范围为2.4V到12V。D2、D3和D4选择为BA682。其导通电阻的差别很小，电容小，扭转阻抗大。在25oC时最大的反向电压为35V，最大的前向电流为100mA。 3  电路制作与实验结果 3.1 驱动电路制作 驱动电路的制作除需要选择高质量的元器件，合理的电路外，印刷电路板的元件布局和电气连线方向的正确结构设计是决定仪器能否可靠工作的一个关键问题，对同一种元件和参数的电路，由于元件布局设计和电气连线方向的不同会产生不同的结果，其结果可能存在很大的差异。因而，必须把如何正确设计印刷线路板元件布局的结构和正确选择布线方向及整体激光器的工艺结构三方面联合起来考虑，合理的工艺结构，既可消除因布线不当而产生的噪声干扰，同时便于生产中的安装、调试与检修等。 3.1.1 注意事项 从确定板的尺寸大小开始，印刷电路板的尺寸因受外壳大小限制，以能恰好安放入外壳内为宜。其次，应考虑印刷电路板与外接元器件（主要是电位器、插口或另外印刷电路板）的连接方式。印刷电路板与外接元件一般是通过塑料导线或金属隔离线进行连接。但有时也设计成插座形式。即：在设备内安装一个插入式印刷电路板要留出充当插口的接触位置。 板的布局:第一步，放置与结构有紧密配合的固定位置的元器件，如电源插座、LD、开关、连接件之类，这些器件放置好后用软件的LOCK功能将其锁定，使之以后不会被误移动；然后放置线路上的特殊元件和大的元器件，如U1、U2、U3等。第二步，放置小器件，要注意元器件与板边缘的距离：可能的话所有的元器件均放置在距离板边缘3mm以内或至少大于板厚，这是由于在大批量生产的流水线插件和进行波峰焊时，要提供给导轨槽使用，同时也为了防止由于外形加工引起边缘部分的缺损。 元件布局还要特别注意散热问题。对于大功率电路，应该将那些发热元件如功率管、变压器等尽量靠边分散布局放置，便于热量散发，不要集中在一个地方，也不要高电容太近以免使电解液过早老化。 印制导线的布设应尽可能的短，印制导线的拐弯应成圆角，而直角或尖角在高频电路和布线密度高的情况下会影响电气性能；本设计的PCB设计采用的是两面板，两面的导线宜相互垂直、斜交、或弯曲走线，避免相互平行，以减小寄生耦合，作为电路的输入及输出用的印制导线应尽量避免相邻平行。 印制导线的宽度：导线宽度应以能满足电气性能要求而又便于生产为宜，它的最小值以承受的电流大小而定，但最小不宜小于0.2mm，一般选用1～1.5mm宽度导线就可能满足设计要求而不致引起温升；印制导线的公共地线应尽可能的粗。 相邻导线间距必须能满足电气安全要求，而且为了便于操作和生产，间距也应尽量宽些。最小间距至少要能适合承受的电压。这个电压一般包括工作电压、附加波动电压以及其它原因引起的峰值电压。 3.1.2 实际电路图 由于时间和经费的原因，本次设计中，没有设计PCB板，而是选用万能胶板代替印刷电路板，万能胶板尺寸为60mm×100mm，能够放入仪器盒里。具体电路如图4-1所示： 图3-1实际电路图 3.2 实验结果 实际电路焊接完毕后，接上半导体激光器实验，半导体激光器能正常工作，说明电路基本符合要求。图3-2为电流源工作图 图3-2为电流源工作图 3.2.1慢启动电路的输出 所设计的慢启动电路其电压变化的时间特性可借助示波器观察，图3-2是开启和关闭电源开关观察到的电压随时间的变化曲线。若定义初始的0V下降到稳定幅度的90%为开启时间τ1，定义关断时间τ2为从稳定的电压上升到该电压幅值的10%，从图4-3可以得出:τ1>2s, τ2>9s。 (a)慢启动 (b)缓关断 图3-3 慢启动（a）和缓关断（b）的电压变化曲线 3.2.2驱动电流短期稳定度 为观察驱动电路稳定性，用万用表观测了LD的驱动电流随时间的变化关系，表4-4是在电路中串接电流表来测量电流随时间的变化，得到电流在74.5mA左右,变化的幅值为0.3m A，按照稳定度计算公式 计算,电流的短期稳定度为4‰。电流的短期稳定度基本符合设计要求。 时间t（min） 0 1 2 3 4 5 10 15 20 电流I (mA) 74.2 74.4 74.5 74.3 74.4 74.4 74.5 74.2 74.3                     表3-4 LD驱动电流随时间的变化曲线 3.2.3 浪涌检测 统计表明，半导体激光器突然失效，有一半以上的几率是由于浪涌击穿。而大部分半导体激光器的驱动电源通常系用市电经变压器降压、整流后再通过稳压，稳流的方式得到的。由于开机的随意性和元件的分布电容的影响(尤其是分布电容)，极易产生浪涌。因此驱动电路的抗浪涌能力就显得非常重要了。通过示波器捕捉电源开端瞬间的浪涌如图3-5所示。 图3-5 电路开端瞬间浪涌测试图 由图3-5可知，电源接通瞬间的正向浪涌小于1V，断开瞬间的负向浪涌小于0.2V。正向浪涌和负向浪涌都远远没有超过激光器的限定值，不会烧坏激光器，也不会影响激光器的正常工作。 3.3 实验结果分析 由上述实验测试结果来看，本次所设计的电路利用有效的滤波电路、防浪涌保护电路、慢启动电路、保护电路，较大地改进了半导体激光器电源的可靠性．提高了半导体激光器的输出稳定性，且能够对浪涌起到良好的防护作用.电流源在运行中稳定可靠，基本达到了预定的技术指标要求。并且该保护系统具有性能可靠、结构简单、成本低廉等优点。 结论 本 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 首先介绍了半导体激光器的种类和特点，接着选择了本设计所依据的半导体激光器。在此基础上，提出了驱动电路设计，并用Multisim进行电路仿真。之后，又通过焊接实际电路，通过测试，证明了所涉及电路符合设计要求，能保证半导体激光器正常工作。 本论文主要内容包括以下几个方面： 1.深入分析半导体激光器的工作原理、PVI特性、得出影响半导体激光器输出功率不稳定的因素：驱动电流的不稳定。通过控制驱动电流的大小来控制半导体激光器的输出功率。 2．对半导体激光器进行控制，通常采用自动控制的办法，其中包括ACC、APC、AVC。通过对它们工作原理的分析、比较，最后确定采用ACC的控制办法。接着还对负反馈控制进行了计算分析，确定采用负反馈恒流源。并设计了直流稳压电路、慢启动电路、负反馈恒流源电路以及保护电路。 3. 学习了PCB的制作过程以及注意事项，搭建了实际电路。并通过示波器和万用表对实际电路进行了测试，证明了所涉及电路符合设计要求，能保证半导体激光器正常工作。 从理论和实验数据的分析来看，本设计还有些不完善的地方。本次设计需要改进的地方： 1．若对半导体激光器进行温度控制，同时控制半导体驱动电流的大小，将会对半导体激光器的稳定输出更有利。 2. 本次设计中在直流电源和激光器之间增加∏型低通滤波网络，进一步滤除浪涌电压。但如能采用屏蔽电感和无感突波吸收电容则性能更佳。这实际上就是无源滤波，对降低电源纹波和吸收比较小浪涌有效。 3.本次设计的电路在实际测试中，当开关闭合的瞬间，在半导体激光器的两端会出现一较小的负电压（约为0.2V），虽然很小不影响激光器工作，但如果长期存在，则有可能损坏激光器，因此需要消除或进一步减小。 [参 考 文 献] [1]张月清.半导体激光器进展科学出版社.2002年7月 [2]江剑平.半导体激光器.北京：电了工业出版社．2000年2月 [3]黄德修.半导体激光器及其应用．北京：国防工业出版社．1999年 [4] 叶良修半导体物理学．北京：丰宝勋译．高等教育出版社.1998年 [5] 刘芸, 焦明星 .半导体激光器用电流源的设计[J].应用光学，2005年5月，第26卷，第3期：P9-15 . [6] 巫中伟 .窄脉冲半导体激光器驱动设计及频率控制技术[D].南京理工大学物理电子学，2007年 . [7] 徐秀芳，胡晓东 .半导体激光器的功率稳恒控制技术[J].光子学报.2001年6月，9第30卷，第6期：P761 . [8] 李峻灵 .半导体激光器功率稳定性的研究[D].哈尔滨理工大学仪器仪表工程，2007 . [9] 金杰，李建功，张建伟，颜祺 .外腔半导体激光器用恒流源电路设计与实现[10].光子学报.2006年10月，第35卷，第10期：P1449-1450 . [11] 毛海涛，林咏海，张锦龙，冯伟，柴秀丽，牛金星,李方正 .慢启动半导体激光器驱动电源的设计[J]. 新乡师范高等专科学校学报.2005年9月，第19卷，第5期：P21-22 . [12] 闫战强，梁勇 . 一种小功率高稳定半导体激光器可调驱动电源[J].激光与红外.2007年11月，第37卷，第11期：P1178-1179 . [13] 孙延辉，孟海斌 .医用半导体激光器驱动电源的研制[J].基础医学.2008年3月.第12卷，第13期：P2556-2557 . [14] 王金定，刘宏林，王云才 .新型的半导体激光器保护电路[J].应用激光.2006年4月.第26卷，第2期：P120 . P41-43 . [15] 童诗白，华成英．模拟电子技术基础．第三版．北京：高等教育出版社．2004年 [16] 王熙，张建江，杨保平，李德才．半导体激光器稳功率电路设计[J]．黑龙江八一农垦大学学报，2001，13(2)：49—53．