大功率半导体激光器驱动电源的设计
提要 设计一种大功率半导体激光器的驱动电源。恒稳电流范围为0～ 10A , 稳流精度为1mA ,职称论文发表 脉冲输出电流频率为10KHz, 脉冲电流的占空比为1∶10, 脉冲电流幅值为0～ 10A 可调。
关键词 半导体激光器 恒流源 驱动电源
The Design for High power Diode Laser Driver
Abstract A k ind of diode laser h igh pow er spp ly are designed. The device have twowo rk mode: con t inuou sly cu rren t ou tpu t and quasi con t inuou sly (pu lse) cu rren t ou tpu t. Thereliab le cu rren t of the device range is 0 to 10A and the reliab le p recision is 1mA , the sm all digitaldisp lay un it is 1mA too and it has adju stab le cu rren t lim it funct ion. The sm aller ou tpu t cu rren t is10mA. A s fo r pu lse ou tpu t, the pu lse cu rren t f requency is 10KHz, the facto r is 1∶10, and theou tpu t cu rren t can con t inuou sly adju st f rom 0 to 10A , and the adju stab le sm all un it fo r f requencycu rren t is 10mA too.
Key words diode laser, stab ilized cu rren t pow er supp ly, pow er supp ly device
半导体激光器以其超小型、高效率、结构简单、价格便宜等优点, 获得光信息存贮光学精密测量等越来越广泛的使用。然而, 由于半导体激光器驱动电源设计的不合理, 导致激光器在使用中被电流击穿的事件频频发生, 造成了工作延误和经济损失。本文对我们设计的半导体激光器电源的设计做了简要的论述。电源总体设计该半导体激光器的工作原理是通过负反馈调整输出电流以达到稳定输出电流的目的。它主要由开关稳压电源、取样电路、取样放大电路、基准电压电路、误差比较放大电路、电流调整电路、脉冲输出电路、脉冲电流控制电路、过流保护及过压保护电路等部分组成。电源的工作原理电源的原理见图1。220V 市电经变压器变压及稳压扩流以后经过调整管输出稳定的电流。连续电流输出时,MO SFET (V T 7) 开关管处于饱和导通状态, 负载(DL ) 与调整管相串联, 负载电流经调整后加上调整管的基极电流流经取样电阻RS (75mV , 20A ) , 电阻两端的电压大小及变换反映负载电流的大小和变化。运算放大器ICL 7650 接成同相放大电路, 对取样电压进行放大, 放大后的电压信号送入运算放大器的反相输入端, 与基准电压相比较进行差分放大, 得出的电压信号经限流电阻去调整复合调整管的工作电流。该工作电流又经取样, 然后放大⋯, 这样经过取样—放大—比较差分放大调整—再取样⋯, 经过环路的作用使输出电流在要求的范围内达到动态平衡, 起到稳流的目的。取样电路两端的电压反映负载上电流的变化:$U = (1+ B) ×R s×$ IöB其中B为复合调整管的放大倍数, R s 为取样电阻的阻值。把取样信号放大后与基准电压相比较得出比较误差电压并进行放大, 输出放大后的误差信号去反向调整输出电流以达到稳流的目的。基准电压取不同的值, 便可得到不同的比较误差, 于是得到不同的稳定电流。当选择脉冲方波输出方式时, 电源输出频率10KHz, 占空比为1ö10 的幅度可调的方波脉冲。其波形如图2 (a) , 其幅值为4. 3V , 经N PN 管倒相并放大后得到的波形如图2 (b) 所示。556 输出的脉冲直接加在MO SFET 管V T 7的基极上驱动开关管工作。当T1 时刻来临时,V T 7 管处于截止状态; 当T 2 时刻到来时,V T 7管处于饱和导通状态, 输出方波脉冲, 这样通过负载DL 的电流就是频率为10KHz、占空比为1: 10 的方波电流。通过调节电流调节电位器即可调节通过复合调整管的电流, 从而可以调节通过负载的脉冲幅度。由于通过复合调整管的电流的调节范围是0～ 10A , 所以通过负载的脉冲电流的幅度也在0～ 10A 的范围内调节。该电源的过流保护工作部分, 是通过取IC3 第⑥脚的输出电压作为过流保护的动作信号, 利用D 触发器对保护状态进行锁定, 通过D 触发器的输出信号控制调整管的基极调整信号的有无来达到保护电路的目的。当电流过大, 则IC3的第⑥脚输出电压升高, 接在⑥脚的过流保护电路的分压超过预定值, 致使V T 1 管导通, D触发器的②脚的电位变为高电平, 在下一个触发脉冲到来时,D 触发器的Q 端输出高电平,通过R19和二极管D2 使V T 4 饱和导通。IC6 输出的调整电流接地。复合调整管的基极无电流,因而调整管截止, 负载无电流。IC3 此时的采样电路的输入为零, 因而输出为低电平。D 触发器的D 端输入为低电平, 但因没有触发脉冲, 所以Q 端保持高电平不变, 电路处于过流保护状态。此时按下过流复位开关S1 使V T 2 的基极接地,V T 2 截止, 触发脉冲得以通过,Q 端变为低电平, 过流指示L ED 熄灭, V T 4 截止, 负载中有电流通过。如此时电流没有调小, 仍过大,D 端马上变为个电平, 立即又恢复为保护状态,所有这一切都在瞬间完成, 只有当电流调节电位器调至电流较小的位置时。按下过流复位开关三, 触发脉冲得以通过,Q 端输出低电平, 致使V T 4 截止, 电路进入正常工作状态。D 触发器的触发脉冲是由556 时基电路产生的10KHz 的方波脉冲信号, 通过电阻R8 和R7 接于D 触发器的CP 端。图2 脉冲电路的波形图过流保护的实现是通过取样放大后的信号作为保护的动作信号。当电流过大时(超过要求范围时) , 使过流保护电路产生一个信号, 控制复合调整管的基极电流直接入地。使负载电流迅速降为零, 并且使此种保护状态得以维持, 将电流调整旋钮方向调节至使输出电流较小的位置时, 按复位开关, 电流方可继续工作。这样便实现了对负载的保护功能。短路保护是利用负载两端电压信号的有无来控制调整管基极电流有无来实现的。当负载短路时, 负载两端电压为零, 使保护输出为高电平, 控制调整管输出电流迅速降为零。当短路消失时, 自动恢复工作, 以达到保护电源的目的。电源正常工作时, 运算放大器IC1 的同相和反相输入端的电压差为负载激光二极管的导通电压, 大约为1V 左右一这样IC1 的第⑥脚输出高电平并通过R15加在V T 3 的基极,V T 3 饱和导通, 其集电极的电压约为0, 不影响V T 4。.由于有反向二极管, 所以过流保护和短路保护的动作互不影响。当负载发生短路时, IC1 的两输入端输入电压差为零,V T 3 截止, V T 3 的集电极的电压变为高电压, 点亮短路指示发光二极管L ED1, 同时通过R17、D1 加在V T 4 的基极, 使V T 4 饱和导通, IC6 的输出调整电流接地, 复合调整管的基极无电流通过, 处于截止保护状态, 负载无电流。当调节调流电位器为零时, 电路不会出现短路误保护, 因电路始终存在着微弱的漏电流, IC1 的输出则始终保持高电平。由于短路电路没有锁存功能, 故当短路解除后, 电路自动恢复到正常工作状态。数字显示电路电源电流输出的大小采用数字显示。数字显示电路利用模数转换模块ICL 7135、BCD 七段译码驱动器和四块七段L ED 数码管及运算放大器、取样保持电路组成的量程为10. 00A的数字显示电流表。由于电流大至10A , 故采样电阻使用75mV ö2 0A 的外分流器, 当电流为10A 时其两端的电压为37. 5mV , 经运算放大器放大为1V , 则此时电流表显示的数值即为流过负载的电流值。当选择脉冲模式输出时, 经取样保持电路, 输出的值同样也为脉冲电流的幅度值。电源的主要特点本电源具有以下主要特点: ①输出电流从0- 10A 连续可调, 精度可达0. 5% ±1mA; ②具有脉冲宽度可调的脉冲输出方式; ③具有实时显示功能: ④具有短路保护和过流保护电路。经过对5mW 和200mW 及国产QW2000 型2W 输出的激光二极管实验, 证明该电源性能可靠, 输出电流精度可达0. 5% , 完全满足半导体激光器的要求。
激光熔覆试样磨损表面形貌。钛合金试样的磨损表面呈犁沟特征, 犁沟深而宽, 且分布均匀、方向一致。而且在YG8B 对磨圆盘上存在的钛合金转移膜, 表明时效硬化钛合金的磨损机制为粘着磨损。激光熔覆试样磨损表面只有轻微的划痕, 且比较杂乱, 表明激光熔覆层具有极高的耐磨抗力。从图5c 激光熔覆试样磨损表面高倍SEM 形貌可见, 激光熔覆试样磨损表面上存在片状的剥落坑。这是由于激光熔覆层的硬度较高, 在正向压力和切向摩擦力的作
