中小功率激光器用半导体制冷装置设计*

贾京京 吴 斌 韩茹冰 袁 云

(1.西安工业大学光电工程学院 西安 710021)(2.西安高斯激光科技有限公司研发部 西安 710032)

中小功率激光器用半导体制冷装置设计*

贾京京1吴 斌2韩茹冰1袁 云1

(1.西安工业大学光电工程学院 西安 710021)(2.西安高斯激光科技有限公司研发部 西安 710032)

采用NTC作为温度传感器进行温度采集,单片机处理温度数据并向继电器发出通断指令来控制制冷片工作状态,以实现温度调节。经过实验测试,所设计的制冷装置可确保激光器工作环境温度保持在23℃,精度达到0.1℃。

激光器; 半导体制冷片; 温度控制; 继电器

1 引言

激光器工作时,自身产生热量,使激光器的温度升高,根据半导体激光器的工作特性,波长会随温度改变发生漂移,使激光器发射功率发生改变,造成整个发射系统的不稳定,甚至使发射系统不能工作[1]。为了确保激光器可正常工作,其工作环境温度需要精密控制。激光器的工作环境温度控制属于恒指温度控制,即被控对象的温度恒定控制在设定数值上,且温度的波动幅度不能超过阈值[2]。

本文利用半导体制冷技术设计了一种水冷系统,确保激光器工作在合适的温度范围。单片机依据温度传感器探测到的温度值,判断处理后向继电

器发出通断指令以改变相应制冷片工作状态,以此调整制冷片总体制冷功率来调整温度。

半导体制冷又称为热电制冷或温差电制冷,它主要是珀尔帖效应在制冷技术方面的应用。并且随着半导体技术的发展,受到了人们的广泛关注,与传统压缩机制冷相比,它主要具有无磨损、寿命长、尺寸小、制冷时间快和控制精度高等优点[3～5]。

2 半导体制冷系统

本系统是基于帕尔贴效应[6]设计的一个高精度温度控制系统。整个控制系统由控制单元、带驱动电路的制冷单元、温度检测模块以及键盘输入和数码显示四大部分组成。半导体温控系统工作原理框图如图1。

图1 温控系统工作原理框图

通过键盘设置制冷温度,当设置的温度低于水箱的温度时,系统不工作。当设置的温度高于水箱温度时,继电器选通,水箱中的水在水泵的作用下流经制冷片冷端,然后流回水箱。这个过程一直重复,直到水箱中的水温和设置的温度一致,并且持续工作来保持这一温度值。在这个过程中温度传感器会对水温进行实时监测,显示模块也会实时显示水箱中的温度,以便操作人员观察。

在制冷片工作期间,冷、热端出现温差,热量便不断地通过晶格的传递,将热量移动到热端并通过散热设备散发出去。风扇以及导热管的作用主要是为制冷片的热端散热,通常热端的温度在没有散热装置的时候温度极高,极易超过制冷片的承受极限,而且半导体制冷效率的关键是要尽快降低热端温度以及增大两端温差,提高制冷效果[7～8],因此在热端采用散热扇以及导热管有助于散热系统的优良工作。

3 硬件电路设计

1) 温度采集与显示

温度检测选用电阻式温度传感器对水箱水温进行监测。工作原理就是利用热敏电阻材质自身的特性：阻值随着温度的增加线性增加或者降低。

在实验中,热敏电阻变化是非常微弱的,必须用专门的电路来测量这种微弱的变化,最常用的电路就是电桥电路,使电阻值的线性变化转化为电压差的线性变化[9],对应温度采集端口电路如图2(a)所示。

显示部分采用4个八位数码管显示,能够显示温度的变化并以数值的形式精准给出。具体电路设计如图2(b)所示。

BL1616是8段×16位LED显示驱动芯片,内置时钟振荡电路,可以动态驱动8段×16位LED数码管,BL1616通过I2C线串行接口与单片机等交换数据。相比于以前数码显示电路用芯片CD4511[10],使用BL1616有以下三个优点：

(1) 动态显示扫描控制,直接驱动LED数码管；

(2) 高速2线串行接口,时钟速度从0MHz～4MHz,兼容I2C总线,节约引脚；

(3) 内置时钟振荡电路,不需要外部提供时钟或者外接振荡元器件,具有很强的抗干扰性能。

2) 制冷模块

系统采用四片制冷片并联组合的方式来提高制冷能力。由于同时接入四片半导体制冷器件功率较大,必须保证电提供足够的电流,采用开关电源,本设计选用输出为24V、30A大功率开关电源。

控制电路以STM32F103C[11]为温控核心,主要负责对温度进行监测根据温度判断比较输出相应指令给温控继电器,来控制半导体制冷片,实现一个闭环控制系统。设计中使用了五个继电器模块,其中四个分别控制四组TEC(半导体制冷片),剩余一个是检测到温度或者水流量异常时的报警输出。继电器连接电路如图3(a)所示,报警用LED灯及蜂鸣器如图3(b)所示。

3) 单片机控制最小系统

温度信号由STM32F103C处理后,一方面送到显示控制部分显示温度值,另一方面送到存储部分保存。根据存储的实测温度与由键盘设定温度的比较,STM32F103C进行温度判断并通过74LVC4245驱动控制继电器的开闭,以控制半导体制冷片的制冷总功率,实现水箱水温度的精密控制。单片机最小系统如图4所示。

图4 STM32F103C最小系统

图5 温控流程图

STM32F103C最小系统和一般的单片机最小系统相似,包含复位按键、晶振和程序烧写端口。

4 半导体制冷系统的程序设计

使用单片机控制电源继电器通断的办法调节半导体制冷芯片的通断,来实现温度调节。本设计采用四个继电器分别控制四个半导体制冷片。温控流程图如图5所示。

使用单片机控制电源继电器通断的办法调节半导体制冷芯片的通断,来实现温度调节。本设计采用四个继电器分别控制四个制冷芯片。当设置温度Ts比TT低3℃时,启动四个继电器进行制冷；当设置温度Ts比TT低0.5℃～3℃时,启动三个继电器进行制冷,其余关闭；当设置温度Ts比TT低0℃～0.5℃时,启动两个继电器进行制冷,其余关闭；当温度Ts高于TT℃使用单个继电器通断控制,其余关闭。只有水箱温度调整到设定的范围内时,继电器5才会闭合,以此确保激光器工作在设定的合适温度下。

控制制冷片的四个温控继电器的工作状态不是完全固定的,会随着程序的进行而随机分配,完成温控的同时还可以延长继电器及对应制冷片的整体工作寿命。

5 实验结果及分析

本文所设计的制冷装置如图6所示。

图6(a)为制冷装置的外观。设计有水位显示视窗,按键输入及温度显示等。图6(b)为制冷装置的内部构造。如前面提到的系统设计一致,包含水箱、制冷散热模块及温控电路模块等。

(a)制冷装置外观

(b)制冷装置内部

以工作的半导体激光器为热源,将设计的水冷装置与激光器配接。经多次试验验证,该水冷箱可为激光器提供温度相对稳定的工作环境,温控精度可达到0.1℃,可满足工程实际应用。

6 结语

1) 设计了中小功率激光器用半导体制冷系统,利用继电器的通断组合能控制水箱温度在23℃,精度可达到0.1℃。

2) 该制冷装置的整体设计,具有体积小、使用方便、便于维护等优点。以后会以温控方式的优化为重点进行。

[1] [日] 栖原敏明.半导体激光器基础[M].北京:科学出版社, 2002:3-12. [Japan] Hara Takashi. Fundamentals of Semiconductor Lasers[M]. Beijing: Science Press,2002:3-12.

[2] 王海宁.基于单片机的温度控制系统的研究[D].合肥:合肥工业大学,2008:2-5. WANG Haining. Design of Temperature Control System Based on Microcontroller[D]. Hefei: Hefei University of Technology, 2008:2-5.

[3] 王威,王少轩.基于Cortex-M0的半导体制冷温度控制系统设计[J].机电工程技术, 2011, 40(4):67-69. WANG Wei, WANG Shao-xuan. The Design of Temperature Control System Based on the Cortex-M0 and Thermoelectric Cooling[J]. M&E Engineering Technology, 2011,40(4):67-69.

[4] 郑弘.一种基于半导体制冷技术的冷暖控制器主机设计[J].机电工程技术,2009,38(7):91-93. ZHENG Hong. The Design for Cold and Warm Controller Mainframe Based on Semiconductor Refrigeration Technique[J]. M&E Engineering Technology, 2009,38(7):91-93.

[5] 张晓芳,钟建新,杨穗.水冷式半导体冰箱制冷性能的研究[J].工程设计学报,2012,19(2):105-111. ZHANG Xiaofang, ZHONG Jianxin, YANG Hui. Water Cooling Effects on Thermoelectric Refrigerators[J]. Chinese Journal of Engineering Design,2012,19(2):105-111.

[6] 吴扬.半导体温度控制仪的研制[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2006:5-7. WU Yang. Development of Semiconductor Temperature Control Instrument[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology. 2006:5-7.

[7] 代伟.半导体制冷散热强度对制冷性能的影响[J].制冷与空调,2008,22(3):25-27. DAI Wei. Influence of Semiconductor Refrigeration Radiation Intensity on Refrigeration Performance[J]. Refrigeration and Air Conditioning,2008,22(3):25-27.

[8] 毛佳妮,申丽梅,李爱博等.半导体制冷器制冷性能的综合影响因素探讨及其优化设计分析[J].流体机械,2010,38:68-70. MAO Jiani, SHEN Limei, LI Aibo. Combined Influence of Thermoelectric Refrigerating Performance and Optimization of Thermoelectric Cooler[J]. Fluid Machinery,2010,38:68-70.

[9] 范吉中.半导体激光器温度控制技术的研究[D].西安:西安理工大学测试计量技术及仪器系,2005. FAN Jizhong. Study of Laser Diode Temperature Control Technology[D]. Xi’an: Xi’an University of Technology.2005:10-12.

[10] 吴斌.蓝色背景光下天幕靶测速技术研究[D].西安:西安工业大学,2015:23-24. WU Bin. Study of Velocimetry for Sky Screen on the Blue Background Light[D]. Xi’an: Xi’an Technological University,2015:23-24.

[11] 孙书鹰,陈志佳,寇超.新一代嵌入式微处理器STM32F103开发与应用[J].微计算机应用,2010,12:59-63. SUN Shuying, CHEN Zhijia, KOU Chao. The Developing and Application of the New Generation of Embedded MPU-STM32F103[J]. Microcomputer Applications.2010.12:59-63.

Design of Semiconductor Refrigeration Device for Medium and Small Power Laser

JIA Jingjing1WU Bin2HAN Rubing1YUAN Yun1

(1. School of Optoelectronics Engineering, Xi’an Technological University, Xi’an 710021)(2. R & D Department, Xi’an Gauss Laser Technology Co., Ltd, Xi’an 710032)

As the temperature sensor, NTC is used to sample the temperature. The MCU processes the temperature data, then controls the working state of the refrigerator by sending out the on-off instructions to the relay to realize the temperature regulation. Through the experimental test, the designed cooling device can maintain the working environment temperature of the laser in 23℃. The precision of the system reaches 0.1℃.

laser, semiconductor refrigerating sheet, temperature control, relay Class Number TP273

2016年10月7日,

2016年11月25日

西安工业大学2016年“研究生创新实践项目”支持；西安工业大学“兵器光电测试技术与仪器”科研创新团队项目资助。

贾京京,男,硕士研究生,研究方向:精密仪器及机械。

TP273

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.04.036