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正文內(nèi)容

半導(dǎo)體激光器的溫控電路分析論文(編輯修改稿)

2024-07-21 19:35 本頁面
 

【文章內(nèi)容簡介】 進行激勵,在半導(dǎo)體物質(zhì)的能帶之間或能帶與雜質(zhì)能級之間,通過激發(fā)非平衡載流子而實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn),從而產(chǎn)生光的受激輻射放大。由于半導(dǎo)體材料本身物質(zhì)結(jié)構(gòu)的特異性,以及半導(dǎo)體材料中電子運動規(guī)律的特殊性,使半導(dǎo)體激光器的工作特性有其特殊性。常用的半導(dǎo)體材料主要有三類:(1)ⅢAⅤA族化合物半導(dǎo)體,如砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)等。(2)ⅢBⅥA族化合物半導(dǎo)體,如硫化鎘(CdS)等。(3)ⅣAⅥA族化合物半導(dǎo)體,如碲錫鉛(PbSnTe)等。根據(jù)生成的PN結(jié)所用材料和結(jié)構(gòu)的不同,半導(dǎo)體激光器有同質(zhì)結(jié)、異質(zhì)結(jié)(單、雙)、量子阱等多種類型。半導(dǎo)體激光器波長覆蓋范圍一般在近紅外波段(920nm—),且半導(dǎo)體激光器易于與光纖耦合、易于進行高速電流調(diào)制,因此廣泛應(yīng)用于光纖通信系統(tǒng)。半導(dǎo)體激光器具有能量轉(zhuǎn)換效率高、超小型化、結(jié)構(gòu)簡單、使用壽命長(一般可達到十萬至百萬小時以上)等優(yōu)點。廣泛應(yīng)用于光纖通信、光存儲、光信息處理、科研、醫(yī)療等領(lǐng)域。本章首先介紹了激光器的基本結(jié)構(gòu),其主要包括激光工作物質(zhì)、泵浦源和光學(xué)諧振腔三部分。激光工作物質(zhì)是指用來實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)并產(chǎn)生光的受激輻射放大作用體系;泵浦源的作用是對激光工作物質(zhì)進行激勵,將激活粒子從基態(tài)抽運到高能級,以實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn),根據(jù)工作物質(zhì)和激光器運轉(zhuǎn)條件的不同,可以采取不同的激勵方式和激勵裝置;最簡單的光學(xué)諧振腔是在激活介質(zhì)兩端恰當(dāng)?shù)姆胖脙蓚€高反射率的反射鏡構(gòu)成,其中一塊是全反射鏡,將光全部反射回介質(zhì)中繼續(xù)放大,另一塊是部分反射、部分透射的反射鏡,作為輸出鏡,兩個反射鏡的中心位于激光器的光軸上、且鏡面與光軸垂直。其次本章介紹了半導(dǎo)體激光器,半導(dǎo)體激光器是由激光工作物質(zhì)和光學(xué)諧振腔兩部分組成,由于半導(dǎo)體材料本身物質(zhì)結(jié)構(gòu)的特異性,以及半導(dǎo)體材料中電子運動規(guī)律的特殊性,使半導(dǎo)體激光器的工作特性有其特殊性。根據(jù)生成的PN結(jié)所用材料和結(jié)構(gòu)的不同,半導(dǎo)體激光器有同質(zhì)結(jié)、異質(zhì)結(jié)(單、雙)、量子阱等多種類型。通過本章的介紹,使我們初步的掌握了激光器的基本結(jié)構(gòu)和半導(dǎo)體激光器。優(yōu)秀畢業(yè)設(shè)計第三章 幾種常用驅(qū)動工作原理及PID溫度補償控制原理半導(dǎo)體激光器作為一種新穎的激光光源,因其體積小、易調(diào)制、可選光譜范圍寬(特別是氣體紅外和近紅外的強吸收帶波段)等特點,已被廣泛應(yīng)用于通信、醫(yī)學(xué)和工業(yè)計量等各種場合。半導(dǎo)體激光器形成激光的必要條件與其他激光器相同,也須滿足粒子數(shù)反轉(zhuǎn)、閾值增益等條件,而半導(dǎo)體激光器粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布條件是在結(jié)區(qū)導(dǎo)帶底(即上能級)被電子占據(jù)的概率大于價帶頂(即下能級)被電子占據(jù)的概率;激光器產(chǎn)生激光的前提條件除了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布之外,還需要滿足閾值條件,即必須使增益系數(shù)大于閾值。半導(dǎo)體中的電子與光子間的相互作用有三個基本過程受激吸收、自發(fā)輻射和受激輻射,但是這三類電子躍遷發(fā)生在半導(dǎo)體材料導(dǎo)帶中的電子態(tài)和價帶中的空穴之間,而不像原子、分子、離子激光器那樣發(fā)生在兩個確定的能級之間。要了解半導(dǎo)體激光器的工作原理,首先要學(xué)習(xí)幾種常用驅(qū)動的工作原理及PID溫度補償控制原理,對此,分別進行介紹。 TEC線性驅(qū)動的原理光纖光源組件由超輻射發(fā)光管管芯、半導(dǎo)體熱電致冷器(TEC)、負溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻及尾纖組成。TEC工作原理是以帕爾帖效應(yīng)(當(dāng)電流流過兩種不同導(dǎo)體的界面時,將從外界吸收熱量,或向外界放出熱量,這就是帕爾帖效應(yīng))為基礎(chǔ),當(dāng)電流流過TEC時,熱量由TEC的一側(cè)傳送到另一側(cè),表現(xiàn)為其一端致冷,另一端加熱;如果電流的方向反向,則致冷與加熱的兩端也會反轉(zhuǎn)。熱敏電阻是由電阻溫度系數(shù)大的半導(dǎo)體材料制成的電阻元件,電阻溫度系數(shù)為負值,在高精度溫度控制時,溫度變化很小,熱敏電阻工作在線性區(qū)。溫度控制系統(tǒng)通過對熱敏電阻的監(jiān)測,自動調(diào)節(jié)驅(qū)動TEC的電流大小和方向,對光源模塊加熱或致冷,實現(xiàn)對光源管芯溫度控制。圖 光源組件結(jié)構(gòu)框圖 PWM驅(qū)動的原理脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation PWM)即指將輸出信號的基本周期固定,通過調(diào)整基本周期內(nèi)工作周期的大小來控制輸出功率。 PWM 功率轉(zhuǎn)換電路示意圖,該電路主要由4個功率管(圖中為MOSFET)和4個續(xù)流二極管組成。根據(jù)對這4個功率管的工作狀態(tài)(導(dǎo)通、截止)控制方式的不同,PWM控制有不同的模式:受限單極模式、雙極控制模式、受限單極加阻尼控制模式。圖 H 型 PWM 驅(qū)動電路在各種 PWM 控制模式下,電壓平衡方程為 () 式中 u 為電機端電壓;i為電機電流;R 為電機等效電阻;L 為電機電感;ε為電機感應(yīng)電動勢。在 PWM 控制下,電機的電壓、電流、感應(yīng)電動勢都是不斷變化的,但由于 PWM 的頻率足夠高(通常為20kHz以上),在一個開關(guān)周期( ≤50μs)內(nèi)各個參量的變化都很小,因此可以用一個周期內(nèi)的平均感應(yīng)電動勢E、平均電流I 和PWM開或關(guān)時的平均電流變化率分別替代瞬時感應(yīng)電動勢ε、瞬時電流i和瞬時電流變化率。同時假設(shè)電機的平均轉(zhuǎn)矩和負載轉(zhuǎn)矩相同,即系統(tǒng)工作在宏觀穩(wěn)定狀態(tài),因此PWM開和關(guān)時電流的變化量ΔI 相同。另外,在PWM驅(qū)動模式下,可能會出現(xiàn)電流斷續(xù)現(xiàn)象。但理論分析可知,在PWM頻率為20kHz、電機電感為1mH的條件下,受限單極模式下電流斷續(xù)時的最大平均電流為堵轉(zhuǎn)電流(將電機軸固定使其不轉(zhuǎn)動,通電,這時候的電流就是堵轉(zhuǎn)電流)% ,%,都很小。因此文中不對電流斷續(xù)時的電機工作情況進行單獨分析,認為斷續(xù)時電流為0。 受限單極模式受限單極模式是目前廣泛采用的PWM控制模式。此模式下有兩個控制方向(見圖 ),在一個方向上,b、c管截止,a管導(dǎo)通,d管在PWM控制下導(dǎo)通或截止(或d管導(dǎo)通,a管由PWM控制);在另一個方向上,a、d管截止,b管導(dǎo)通,c管由PWM控制(或c管導(dǎo)通,b管由PWM控制)。由于受限單極模式的兩個控制方向完全對稱,因此只分析一個方向上電路的工作情況,并規(guī)定此時電壓和電流的方向為正。受限單極模式下電機電壓u表達式: ()式中Us 為蓄電池電壓:t 為時間;α為占空比;T 為PWM周期。將式()帶入式(),并考慮上述假設(shè),得: () 可解得 E 和 的關(guān)系為 ()將式()中的占空比看作常數(shù),可得不同占空比下電流和感應(yīng)電動勢之間的關(guān)系。 雙極控制模式雙極模式下,a、d為一組,b、c為一組;同一組中的兩個功率管同時導(dǎo)通、同時截止,第二組功率管在PWM控制下交替導(dǎo)通和截止,即一種情況下,b、c管導(dǎo)通,在PWM控制下a管導(dǎo)通,d管截止(或在PWM控制下d管導(dǎo)通,a管截止);在另一種情況下,b、c管截止,在PWM控制下a管導(dǎo)通,d管截止(或在PWM控制下d管導(dǎo)通,a管截止)。雙極PWM控制可以使電機的工作范圍布滿4個象限,采用這種控制方式,轉(zhuǎn)向回正過程易于控制且穩(wěn)定。但雙極控制模式的最大缺點是同側(cè)對管狀態(tài)切換時存在同時導(dǎo)通(即短路)的可能,需要在切換時加入延時,這會使系統(tǒng)實際工作特性和理論分析有差別,也使得電路復(fù)雜,可靠性降低 。因此,這種控制方式實際應(yīng)用的不多,也不適用于對可靠性要求很高的EPS系統(tǒng)。 受限單極模式加阻尼控制文獻在受限單極模式的基礎(chǔ)上,增加了一種阻尼控制模式,即有兩個控制方向,在一個方向上,b、c管截止,a管導(dǎo)通,d管在PWM控制下導(dǎo)通或截止(或d管導(dǎo)通,a管由PWM控制);在另一個方向上,a、d管截止,b管導(dǎo)通,c管由PWM控制(或c管導(dǎo)通,b管由PWM控制)。在這兩個控制方向上增加了一種阻尼控制模式,這種控制方式也能使電機工作于回饋制動狀態(tài),但在控制過程中需要在兩種狀態(tài)之間進行切換,在電流過零時還需對占空比進行調(diào)整,因而該控制方法實現(xiàn)起來較復(fù)雜。因此,對受限單極模式加阻尼
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