單片機(jī)控制的半導(dǎo)體激光驅(qū)動(dòng)電源

李濤 郭銳（通訊作者） 沈陽(yáng)工學(xué)院

半導(dǎo)體激光器的運(yùn)行很大程度上依賴驅(qū)動(dòng)電源的作用發(fā)揮，但是如果出現(xiàn)瞬態(tài)電流和或電壓尖峰，可能會(huì)對(duì)激光器的功能結(jié)構(gòu)造成較大程度的不良影響，如果電流、溫度缺乏有效的控制，也會(huì)影響驅(qū)動(dòng)電源的穩(wěn)定性。隨著半導(dǎo)體激光器的產(chǎn)品類型愈加豐富，應(yīng)用范圍也愈加廣泛，相關(guān)研究日益豐富。此次研究將單片機(jī)引入到半導(dǎo)體激光器的運(yùn)行控制中，以期提高其運(yùn)行穩(wěn)定性及高效性。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

不同于其它形式的驅(qū)動(dòng)，半導(dǎo)體激光器的主要功能在于，確保電流源驅(qū)動(dòng)的穩(wěn)定運(yùn)行，并為其提供一定保護(hù)作用，在該過程中，單片機(jī)發(fā)揮著十分關(guān)鍵的控制功能。激光的功率及溫度在被放大過程中，實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換，在經(jīng)過CPU處理后，信號(hào)再轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào)，進(jìn)入到激光電路和溫控電路中，形成一個(gè)完整的閉環(huán)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了光功率和溫度的控制，而且能夠運(yùn)用多路開關(guān)進(jìn)行較為靈活的切換。在使用鍵盤進(jìn)行功率設(shè)定后，LED數(shù)碼管會(huì)根據(jù)參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的展示，其中CPU系統(tǒng)型號(hào)為8031，其P1用于開關(guān)量的輸入與輸出。

2 電流源驅(qū)動(dòng)

半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動(dòng)功能需要電流源予以發(fā)揮，激光的模擬信號(hào)發(fā)出后，首先經(jīng)過U2和三極管進(jìn)行放大，隨后再經(jīng)由U3放大，與此同時(shí)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的反饋，完成恒定電流的輸出。在此過程中，通過對(duì)LD電壓進(jìn)行調(diào)整，即能夠相應(yīng)的改變半導(dǎo)體激光器的工作電流，使其輸出功率產(chǎn)生相應(yīng)的變化，從而發(fā)揮單片機(jī)對(duì)于半導(dǎo)體激光器的功率和電壓控制。在信號(hào)經(jīng)過轉(zhuǎn)化器作用后，能夠變化為模擬量，在開關(guān)切換作用下進(jìn)入功率通道中，在主電壓的作用下保障穩(wěn)定輸出，電流源輸出的通路與斷路，可以借助于電流開關(guān)的切斷予以控制，三極管發(fā)揮驅(qū)動(dòng)作用，將CPU中的信號(hào)穩(wěn)定傳輸出來。

3 控制保護(hù)環(huán)節(jié)

在半導(dǎo)體激光器的實(shí)際工作中，受到高壓、靜電、電網(wǎng)沖擊等多種內(nèi)外界因素的干擾，可能會(huì)使半導(dǎo)體激光器的功能遭到破壞，大幅度降低其使用價(jià)值，因此需要為半導(dǎo)體激光器安裝保護(hù)裝置。繼電器是一種常用的電路保護(hù)裝置，在半導(dǎo)體激光器兩段安置繼電器，能夠防止其受到靜電侵?jǐn)_，在電源接通和斷開環(huán)節(jié)，電路中還產(chǎn)生大量的浪涌電流，此時(shí)對(duì)繼電器的工作順序進(jìn)行調(diào)整，在激光器工作時(shí)，打開電流開關(guān)，1s后動(dòng)作繼電器開關(guān)，激光器關(guān)閉過程的繼電器控制與之相反，能夠避免激光器被浪涌電流侵?jǐn)_，同時(shí)防范限制電流在短時(shí)間出出現(xiàn)較大幅度的變化。由于半導(dǎo)體激光器電源導(dǎo)通時(shí)會(huì)產(chǎn)生尖峰電流，嚴(yán)重妨礙電流源運(yùn)行穩(wěn)定性，運(yùn)用電容降低電路的濾波，防止電路受到尖峰電流的干擾，提高電路運(yùn)行的穩(wěn)定性。此外，半導(dǎo)體激光器使用過程中，還可能由于連接端接觸不良現(xiàn)象而出現(xiàn)瞬間短路問題，如果未經(jīng)處理后直接再次接通，會(huì)使激光器遭到損壞；如果運(yùn)行電流值偏高，也會(huì)導(dǎo)致激光管遭到損壞。對(duì)此，可以設(shè)計(jì)電壓監(jiān)測(cè)電路，及時(shí)發(fā)現(xiàn)電路運(yùn)行過程中的電壓過高問題，借助于CPU的功能作用，降低電流源輸出電流，發(fā)揮對(duì)于電路的保護(hù)作用，應(yīng)對(duì)其斷路和過流問題。

4 激光功率的控制

單純依靠恒流控制方式，難以保障半導(dǎo)體激光器的輸出功率保持在穩(wěn)定范圍內(nèi)，究其原因，影響輸出光功率的主要因素有兩點(diǎn)，分別是驅(qū)動(dòng)電流值和溫度，其中溫度受到環(huán)境因素的影響較小，主要是電路運(yùn)行升高器件溫度，從而影響輸出功率數(shù)值，而半導(dǎo)體材料具有制冷功能，通過調(diào)整控制電流的大小及方向，可對(duì)激光器實(shí)現(xiàn)加熱和制冷。通常情況下，半導(dǎo)體激光器的額定功率應(yīng)當(dāng)保持在16W，驅(qū)動(dòng)電流應(yīng)當(dāng)保持在4A以下，工作穩(wěn)定保持在（19.7～20.3）℃范圍內(nèi)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文主要圍繞半導(dǎo)體激光器的單片機(jī)控制展開探究，首先分析了半導(dǎo)體激光器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理，隨后對(duì)電流源驅(qū)動(dòng)問題進(jìn)行較為具體分析。在半導(dǎo)體激光器的控制保護(hù)研究中，本研究針對(duì)性的分析半導(dǎo)體激光器運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)的隱患，針對(duì)性的為其提出了具有實(shí)效性的控制建議，借助于單片機(jī)的合理運(yùn)用，防止半導(dǎo)體激光器出現(xiàn)過壓、短路、浪涌沖擊等問題，以期對(duì)于半導(dǎo)體激光器在使用應(yīng)用保持穩(wěn)定的運(yùn)行，提供微薄的理論支撐。

[1]王輝.半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)[J].技術(shù)與市場(chǎng)，2017，24(09):193.

[2]陳光輝，袁保合.基于半導(dǎo)體制冷技術(shù)的小型冷熱箱設(shè)計(jì)[J].信息記錄材料，2017，18(09):103-104.

[3]徐陶祎，康之訥，周鼎.單片機(jī)的半導(dǎo)體激光器功率恒控制[J].激光雜志，2017，38(02):45-48.