慢启动半导体激光器驱动电源的设计

慢启动半导体激光器驱动电源的设计

毛海涛,林咏海,张锦龙,冯 伟,柴秀丽,牛金星,李方正

(河南大学物理与信息光电子学院,河南,开封,475001)

摘 要:根据半导体激光器的光功率与电流的关系,通过慢启动电路、纹波调零电路、功率稳恒电路等解决了使用中的电源在工作温度范围内其输出功率不稳定的问题。设计的电路稳定度达到4 10-4。关键词:半导体激光器;功率增益自动控制电路;驱动电源

中图分类号:T N248 44 文献标识码:A 文章编号:1008 7613(2005)05 0021 03

0 引言

半导体激光器(LD)具有体积小、重量轻、价格低、驱动电源简单且不需要高电压(2.5V )等独特优点。目前,广泛应用于光纤通讯、集成光学、激光印刷、激光束扫描等技术领域。在实际应用中,遇到的问题之一是激光器在发光时阻值不断上升,造成输出光功率的下降。这可能导致激光器永久性的破坏或使发光强度达不到作为光源时的参量要求。因此,研制性能可靠、经济、耐用的半导体激光器具有广泛的应用价值。

1 L D 的驱动电流与输出光功率的特性

半导体激光器的结构如图1所示,对一般的半导体激光器来说,激光二极管(L D )是正向接法,光电二极管(P D )是反向接法。P D 受光后转换出的光电流I m 在串联电阻R 2上以电压信号反映出射光功率的大小,如图2所示,因此添加控制电路即可达到

稳定发光功率的目的。

半导体激光器的发光功率与通过的电流关系如图3所示,为便于分辨,图中底部的近似直线有所抬高。从图3中可以看出,在某一温度下,当驱动电流低于阈值电流时,激光器输出光功率P 近似为零,半导体激光器只能发出荧光,当驱动电流高于阈值时输出激光,并且光输出功率随着驱动电流的增大而迅速增加并近似呈线性上升关系。2 半导体激光器驱动电路设计

本例以H TL670T5为例,介绍一种半导体激光器稳功率驱动电路。该管输出波长为650nm,额定功率30mW,其工作特性曲线与图3

所示接近。

2.1 慢启动电路

半导体激光器往往会由于接在同一电网上的日光灯等电器的关闭或开启而损坏,这是因为在开关闭合和开启的瞬间会产生一个很大的冲击电流,该电流足以使半导体激光器损坏,必须避免。为此,驱

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第19卷

第5期新乡师范高等专科学校学报

Vol.19,No.5

2005年9月

JO U RNAL OF X IN XIAN G T EACHERS COL LEGE

Sep.2005

收稿日期:2005 04 05.

作者简介:毛海涛(1953 ),男,河南开封市人,河南大学物理与信息电子学院教授,硕士研究生导师,主要从事激光理论

及应用技术方面的研究工作。

动电源的输入应当设计成慢启动电路而非单纯的延迟电路。如图4所示,图中输入端接上经过稳压后的直流电压,右边是输入级的输出端,为半导体激光器的功率稳定输出提供工作电压,整个电路的结构可以看作是在射级输出器上添加了两个 型滤波网络,分别由L 1、C 1、C 2和L 2、C 6、C 7组成。电容C 5构成的C 型滤波网络以及一个时间延迟网络。慢启动输入电压U 在开关闭合的瞬间产生了大量的高频成分,经过两个 型滤波网络滤除了大部分高频分量,直流及低频分量则可顺利地通过。到达由电阻R 和C 组成的时间延迟网络,0.047 F 的电容与电解电容C 2并联是为了减少电解电容对高频分

量的电感效应。

2.2 恒定的电流源

该电路的工作原理如图5所示,当输入电压增大或负载变化使得输出电流发生变化时,取样电路将获取一定比例的输出电压误差信息,然后与基准电压比较后,放大电路把放大了的误差信号施加到调整管,从而实现了对输出电压的自动调节,达到稳流的目的。显然,这是一种电压负反馈电路,由于这种电路可实现很高的稳压电流技术性能,故称由此

电路生成的高指标电源为精密稳流电源。

在稳流电源中,基准电压U REF 的选取直接影响着电源的稳定性能。它的不稳定因素主要是由温度造成的,因此一般要选用低温度系数稳压管,本电路选用MC1403。其在输入5V~15V 时,其输出电压为2.5V,温漂仅为60ppm/o C 。取样电阻R 2的影响大体与基准电压相同,且要承受较大的功率损耗,其温升高,阻值变化较大。解决的办法是选择低温度系数的电阻材料,通过严格的热处理工艺进行热处理,以保证电阻材料的性能稳定,同时在结构设计上考虑冷却措施,保证在长时间工作时,温升不要太高,以便增强电阻的稳定性。误差放大器一般选用低温漂、低噪声运算放大器。本例采用NE5534。

2.3 纹波调零电路

纹波电压的大小是衡量稳定电源的重要参数之一。为了减小稳定电源的纹波电压,特增设了纹波调零电路。在图6所示电路中,纹波成分通过电容耦合至运算放大器的反相输入端,纹波电压经反相放大后加至调整管的基极,因此,在正常工作中,调

节纹波调零电位器可使输出端纹波电压非常小。

2.4 稳功率电路

激光二极管的工作电流由电压比较器LM 358同相输入端A 点电压来控制。激光二极管工作电流的调节范围为25mA~50mA,电路中A 点输入电压U A =U B =I C R 2,A 点电压调节范围为1V~2V,激光二极管电流采样电阻R 2为30 。光电探测器与激光二极管封装在一起形成一体化器件。精密可调电阻器P 1的阻值为200k ,实际阻值调整到45k 左右

。

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新乡师范高等专科学校学报 第19卷

光电探测器D点输出的电压信号与激光二极管输出的激光强度成正比,为了提高稳功率电路的灵敏度及输出光功率的稳定程度,在信号反馈电路中设计了减法器电路以及反相放大电路。电压比较器LM358中(L3:A)与电阻R3、R4、R5及R7构成减法器电路,当R4=R5,R3=R7,R5=R7时,减法器输出电压U E为

U E=U D-U F

当半导体激光器管壳温度升高后,激光二极管的输出光功率要下降,输出光强降低。光电探测器反向电阻值随之升高。D点电压降低,经过减法器电路处理,E点电压随之降低,经过反相放大器放大,A点电压随之大幅度提高,通过三极管9013的控制,使激光器的工作电流增加,从而避免了激光器输出功率的降低。

2.5 保护电路

虽然慢启动电路消除了高频冲击电流的危害,但不能有效地防止直流或低频电流过载对半导体激光器的危害,因此,应当设立过载保护电路。一般可采用限流式保护电路。若长时间工作于短路的情况下,过热仍然会导致调整管的损坏。此时可以采取截流式保护电路。过电压保护的精度主要取决于稳压二极管。而其工作点是随流经稳压管的电流和环境温度变化的。因此,设计上必须选用稳定电压的温漂非常小的稳压管。

3 结论

本文所设计的驱动电源,通过慢启动电路、纹波调零电路、功率稳恒电路等,解决了使用中在工作温度范围内其输出功率不稳定的问题,其稳定度为4 10-4,取得了较好的稳流效果,在实验室的应用中效果良好。

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[4]王熙,张建江,杨保平,李德才.半导体激光器稳功率电

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53.

!责任编辑 邢怀民∀

A Design of Driving Source for Semiconductor Laser

MAO Hai tao,LIN Yong hai,ZHANG Jin long,FENG Wei,C HAI Xiu li,NIU Jin xing,LI Fang zheng (School of Physics and Information Optielichonics,Henan University,Kaifeng475001,China) Abstract:Based on the characteristics of electronic current and optical pow er for sem iconductor laser,an applicable LD driving source is designed and fabricated by slow start circult,stable w aviness circult and APC. Power control is achieved.The steadiness is4 10-4.

Key words:sem iconductor laser;auto power controller(APC);driving source

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