噪聲巡檢功能的并聯LDLD群驅動電源的研制

張新英 余發軍 李偉鋒 王雙嶺 劉秀敏

(中原工學院信息商務學院電氣工程系,河南 鄭州 451191)

噪聲巡檢功能的并聯LDLD群驅動電源的研制

張新英 余發軍 李偉鋒 王雙嶺 劉秀敏

(中原工學院信息商務學院電氣工程系,河南 鄭州 451191)

研制一種具有噪聲巡檢功能的激光二極管并聯群的驅動電源。該驅動電源結構簡單,能夠快速實現軟啟動,避免浪涌電流對激光二極管的損壞。采用FPGA和單片機共同控制,減小了單片機單個控制的負擔。系統電路包括軟啟動電路、電壓/電流轉換電路、并聯群連接電路、溫度控制電路等。當LD并聯群中有任何一個損壞時,即可采用測量噪聲的方式來檢驗和發現,并進行聲音和顯示器雙重報警,確保整個系統連續、穩定。激光二極管并聯群的輸出通過選擇合適的光纖耦合器進行耦合輸出。

噪聲;軟啟動;可調并聯LD群;電源

研制一種具有噪聲巡檢功能的激光二極管LD并聯群驅動電源,并聯群激光二極管的輸出通過選擇合適的光纖耦合器進行耦合,可以獲得比較大的功率。此系統采用單片機和FPGA相結合進行控制,對于并聯群激光驅動電源,除了要求激光二極管具有低的電噪聲,高的穩定性,電源的要求更加苛刻,必須使用軟啟動電路。而噪聲巡檢更是解決了并聯群中激光二極管損壞無法實時檢測的問題。即實現當并聯LD群中任何一個損壞時,可以采用噪聲檢測的方法來發現,并進行聲音和顯示器雙重報警,確保整個系統的連續穩定［1］。

1 噪聲巡檢的工作原理

噪聲是指元器件、電路、儀器設備或電子系統中出現的非預期的電信號。由噪聲所造成的不良效應稱為干擾。對半導體激光器的噪聲研究,可以研究器件產生噪聲的原理,制備低噪聲的器件,也可以根據器件噪聲的具體數值對器件進行全面的穩定性或者可靠性的評估。對于應用而言,要求激光二極管具有比較低的電噪聲,而相對高的穩定性。由于電流噪聲與驅動器的最大輸出功率成一定的比例關系,所以,電流源的選取必須與所使用的半導體激光器相互匹配［2一4］。由于不匹配造成的后果將會對研究或實驗結果造成非常大的不良影響,即半導體激光器的損壞。這就無形中增加了不必要的成本損失。

圖1 噪聲巡檢原理

噪聲巡檢工作原理如圖1所示,通過噪聲巡檢的方式來檢驗并聯群LD電路中的各個數據,并測量性能,如果并聯群中任何一個激光二極管受損,系統就會報警,直到達到LD電路所需的恒流值為止。或者在系統報警時及時進行人為的處理,從而來調節電流,最終實現恒流驅動。

2 系統硬件簡介

半導體激光器的群驅動系統的硬件部分比較復雜,可以分為幾大模塊。各個模塊之間并不是相互獨立的。主要包括軟啟動或慢啟動電路、光功率采樣電路、噪聲巡檢電路及并聯LD群連接電路、溫度控制電路,報警電路,顯示電路,紋波調零電路,恒流控制電路,A/D及D/A轉換電路等。如圖2所示。

圖2 系統硬件原理框圖

整個系統由單片機和FPGA的結合來共同完成控制。激光二極管并聯群軟啟動驅動電源的驅動下,實現光功率的采樣,產生模擬信號。這個模擬信號和溫度傳感器采集的溫度信號,經放大器放大后再轉換變為數字信號,隨后送入FPGA,FPGA將此信號送入單片機進行運算,經過反饋控制后的信號后經D/A轉換,軟啟動電路,送給LD并聯群。這是第一個反饋回路。光功率的具體設定值可以從鍵盤輸入,同時由八段數碼管進行激光功率數據的顯示。采樣溫度結果經過模數轉換,再與設定值進行比較,根據結果數據來調整控制參數,從而調整LD的工作狀態,最終形成穩定的溫度閉環控制。這是第二個反饋回路。在這兩個反饋回路的作用下,如果有任何一個激光二極管損壞,就可以通過噪聲巡檢的方法來發現并報警,從而得到妥善的處理。

本文控制器件選用單片機和FPGA,根據對速度的要求,單片機選用89s52,FPGA采用XILINX公司生產的XCS40一3PQ208C可編程邏輯器件。

3 各模塊介紹

由于各模塊電路在一些論文中多次出現,并已經非常成熟,現主要將硬件電路中的軟啟動電路、V/I轉換電路、并聯LD群連接電路這三個模塊的電路作主要介紹。

3.1 軟啟動電路

激光二極管本身的特點是功率高,具有很高量子效率。溫度的變化和電流的細微變化,都會導致光功率輸出的變化,甚至是器件性能的變化,這些變化的發生,將會產生很大的安全隱患。為了使半導體激光器處在最安全最佳的工作狀態,最佳方案是采用軟啟動電路。在電路中使用軟啟動電路作為激光器的直接電源驅動,能夠使電流輸出由零緩慢上升至額定值,保證激光器能夠穩定工作而不至于損壞,從而最大限度地降低成本。

圖3 軟啟動電路原理圖

圖3中所示為軟啟動電路,TR1為變壓器,輸出的電壓直接加在橋式整流電路上。然后在整流電路的輸出端并聯一個電容C1即構成電容濾波電路,電容濾波電路利用電容的充放電作用,使輸出電壓逐漸趨于平滑［6］。最后經過7805穩壓輸出加到半導體激光器并聯群上,有效解決了半導體激光器對電源供電的苛刻要求的問題。

3.2 V/I轉換電路及其與并聯群LD連接

對于V/I轉換電路,張新英等［2］已作詳細介紹,這里就不再贅述。通過計算,得出輸出電流io和電阻Ro的關系：

由式(1)可知,輸入電壓一定時,輸出電流io只與電阻Ro有關。我們只需選擇合適的Ro,就可以通過簡單的線性運算來得到控制電壓和輸出電流之間的關系。由于本文輸出電流和電阻的關系的計算過程比較簡單,此處給予省略。對于電路中的激光二極管并聯群的數量,最多能夠并聯5個,并聯數量過多,將會造成輸出電流總量過大,可能燒壞激光二極管的并聯群,本文選用最佳數量5個來進行參數的記錄和評定。

電路中繪出了激光二極管并聯的情況,并聯激光管的個數可以視實際需求情況來定。并聯群激光管的輸出再通過光纖耦合器進行耦合［4］,從而得到比較大的輸出功率。

3.3 軟件設計流程簡介

圖4 主程序流程圖

本研究系統軟件主程序流程圖如圖4所示,直接按下start鍵,系統電源接通,系統進行全面初始化,隨后進行顯示子程序的調用,并在八段數碼管上顯示電流數據,接著再調用鍵掃描子程序,若有按鍵按下,則啟動全部LD,同時噪聲巡檢電路開始運行,進行電壓噪聲或電流噪聲的檢測。如果激光二極管群中任何一個有所損壞,系統將檢驗出損壞的LD并進行報警,報警通過LED顯示紅燈,并伴隨1KHz的聲音信號輸出。此時,對于操作人員,可以及時發現損壞的激光二極管并進行及時補救處理,使整個系統能夠快速進入正常狀態。

4 結論

經實驗證明,該裝置能夠同時驅動至少5個并聯激光二極管,能夠實現高穩定度的激光二極管驅動。能夠準確、可靠地控制并聯激光二極管,進而正確選擇利用光纖合束器來獲得大功率的輸出。而噪聲巡檢電路,更好地解決了激光二極管參數的差異引起的輸出功率不穩定的問題。系統穩定可靠,能夠保證穩定功率輸出。

［1］馮偉,毛海濤,張錦龍,等.激光二極管群并聯驅動電源的研制［J］.現代科學儀器,2005(4):40一42.

［2］張新英,朱永濤,王志鵬,等.具有噪聲巡檢功能的LD可調串聯群驅動電源的設計［J］應用激光,2010,30(1):16一18.

［3］張新英,王志鵬,宋海飛,等.串聯結構激光二極管群驅動電源的設計［J］激光雜志,2009,30(6):10一11.

［4］劉竹琴,白澤生.傳感器電路的噪聲及其抗干擾技術研究［J］.光學與光電技術,2011,34(14):161一165.

［5］劉竹琴,白澤生.利用固態繼電器陣列實現高精度可調直流穩壓電源設計［J］.火力與指揮控制,2015,40(5): 171一174.

［6］劉竹琴,白澤生.磁藕合諧振式無線電能傳輸裝置設計［J］.微型機與應用,2015,34(2):32一34.

Design of Number-Adjusted GrouP of Parallel-Connected Semicon ductor Lasers Driver with Function of Achieving Noisy InsPection

Zhang Xinying Yu Fajun Li Weifeng Wang Shuangling Liu Xiumin
(Department of Electric Engineering,School of Information and Business,Zhongyuan University of Technology,Zhengzhou Henan 451191)

A power supply driver of a laser diode in parallel groups which has the function to achieve noisy inspection was developed.This power supply has simple construction,it can achieve soft start quickly,to avoid the damage of surge current on the laser diode.This power supply adopts the combination of FPGA and single一chip microcomputerfor control,reducing the burden of single一chip microcomputer individual control.The system circuit includes a soft start circuit,voltage/current converting circuit,connected circuit of parallelgroups,temperature control circuitand so on.This can be checked and found by using the method of measuring noise,and alarmed by sound and display when there is any LD destroyed in the group of parallel一connected semiconductor laser,which can ensure the continuous and reliablerunning of the whole system.The output of group of parallel一connected semicon ductor lasers will be carried out through selecting suitable fiber coupler.

noisy;soft start;number一adjustedgroup of parallel一connected Semiconductor Lasers;power supply

TN248.4

A

1003一5168(2015)07一0010一3

2015一7一1

張新英(1983一),女,講師,研究方向:激光電源、傳感器、虛擬儀器技術的研究。