半導(dǎo)體激光器自動(dòng)溫度控制電路設(shè)計(jì)

3.4控制器

為了使系統(tǒng)性能指標(biāo)滿足一定的要求，通常需要在系統(tǒng)中引入合適的附加裝置，它的作用通常是對(duì)系統(tǒng)中的誤差信號(hào)進(jìn)行比例、積分、微分等運(yùn)算，形成適當(dāng)?shù)目刂菩盘?hào)，以獲得滿意的控制性能。根據(jù)設(shè)計(jì)要求和性能指標(biāo)，設(shè)計(jì)了比例-積分（PI）控制器，其原理圖如圖3所示。

3.5 TEC功率放大器

由于TEC致冷器是一個(gè)功率器件（溫差較大時(shí)驅(qū)動(dòng)電流需要超過(guò)1安培以上），因此，溫度誤差信號(hào)經(jīng)過(guò)放大和處理以后需要功率驅(qū)動(dòng)級(jí)對(duì)其進(jìn)行驅(qū)動(dòng)[6].TEC功率驅(qū)動(dòng)器是由兩個(gè)三極管構(gòu)成的互補(bǔ)型功率放大電路（OCL），原理圖如圖3所示。其傳遞函數(shù)模型可以理解為一個(gè)增益環(huán)節(jié)。

4.溫度控制電路的分析

本設(shè)計(jì)中采用的比例-積分控制器

根據(jù)溫度控制電路圖可畫出其控制系統(tǒng)框圖，如圖4所示：

設(shè)K =αT* V b* K t e c* A（式中：αT為熱敏電阻的溫度系數(shù)，Vb為電橋電壓，Ktec為致冷效率，A為環(huán)路中各放大環(huán)節(jié)的總增益），實(shí)驗(yàn)中采用的F U J I T S U激光器，T E C時(shí)間常數(shù)T t e c= 6 s，延遲時(shí)間為100毫秒，致冷效率Ktec=45℃。V，熱敏電阻的溫度系數(shù)αT=0.0097（25℃時(shí)），電橋電壓2.5V，環(huán)路中各放大環(huán)節(jié)的總增益為A，所以環(huán)路總增益K=αT*Vb*Ktec*A=0.0097*2.5*45*7*10=78，Kp=15/22、Ki=100/22，Ti=4.7.系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)后的環(huán)路增益為A（Kp+Ki）=78（15+100）/22=407，此時(shí)，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差等于1 /A（Kp+Ki）=0.0024，如果想取得更小的穩(wěn)態(tài)誤差，可適當(dāng)增加Ki以及Ti的值。

5.溫度控制電路設(shè)計(jì)總結(jié)

測(cè)試中分別采用了比例控制器、積分控制器和比例-積分控制器進(jìn)行了試驗(yàn)，采用比例控制器系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間快，但穩(wěn)定性很難控制；采用積分控制器系統(tǒng)穩(wěn)定性相對(duì)于比例控制器有所提高，但是系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間將變得非常緩慢；采用比例-積分（PI）控制器系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間有了很大改善，系統(tǒng)的的穩(wěn)定性較好（圖5為PI控制器上電階躍響應(yīng)實(shí)測(cè)圖），對(duì)于一般的溫控系統(tǒng)，這樣的動(dòng)態(tài)性能已能滿足需求。

對(duì)于需要較快速響應(yīng)的場(chǎng)合，可考慮采用比例-積分-微分（PID）控制器，通過(guò)增加微分環(huán)節(jié)來(lái)提高系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)。

另外，考慮到不同廠家不同型號(hào)或同一廠家不同型號(hào)的激光器在性能參數(shù)上都存在差異，以及放大電路的溫度漂移、非線性等，這些都對(duì)溫控電路參數(shù)有一定的影響，因此在實(shí)際應(yīng)用中溫度控制電路的各個(gè)參數(shù)需要根據(jù)所選用的激光器來(lái)選取，并結(jié)合仿真以及試驗(yàn)將參數(shù)調(diào)節(jié)到最佳值。