Совместная стабилизация тока и температуры

В связи с тем, что при изменении температуры полупроводникового лазера смещается его ВАХ, стабилизация тока без одновременной стабилизации температуры может приводить к увеличению мощности излучения при охлаждении лазера, что приведет к необратимым изменениям структуры р-п- перехода в нем, называемым деградацией. На рис. 19.7 показана схема системы совместной стабилизации тока и температуры.

Рис. 19.7. Функциональная схема системы совместной стабилизации тока и температуры полупроводникового лазера:

У — диодный лазер, К₂ — диод, йА і - термодатчик, В — холодильник Стабилизация только одного из этих параметров не обеспечивает защиты лазера от деградации. Подача тока накачки запрещается, пока система термостабилизации не работает или находится в переходном режиме. Таймер обеспечивает задержку подачи тока после включения питания на время завершения переходных процессов всех цепей.

СИСТЕМЫ ТЕРМОСТАБИЛИЗАЦИИ И МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ИХ ТОЧНОСТИ

Система стабилизации температуры должна содержать датчик температуры, схему измерения, узел сравнения с заданной температурой, корректирующее устройство (регулятор), выходной каскад и термоэлектрический модуль (микрохолодильник). Функциональная схема такой системы в самом общем виде показана на рис. 19.8. Некоторые ее элементы могут быть объединены: схема измерения и узел сравнения, регулятор и выходной каскад.

Создание прецизионной системы требует оптимизации каждого элемента и связей между ними. Рассмотрим эти задачи.

Точность датчика температуры определяется совокупностью его параметров, в том числе соотношением температурной чувствительности и стабильности номинального значения. Точность полупроводниковых терморезисторов ограничивается изменением номинального значения сопротивления в сравнении с температурным коэффициентом сопротивления (ТКС). Так, ТКС отечественных пленочных терморезисторов составляет единицы процентов на градус: — а_т = 2. .5% / °С — для ММТ, — а_т = 4. .8,5 % I °С — для КМТ, изменения номинального значения за 1 месяц (также как за 100 циклов работы) тоже составляют единицы процентов: за первые 3000 часов прогрева AR = = 2…5%, за последующие 10 000 часов AR < 0,5…0,1%; за первые 60 месяцев хранения AR = 0,5… 1%, за последующие 140 месяцев AR < 0,5…0,1 % [70]. Это означает, что точность измерения выше, чем 0,1…0,5 °С, не достигается никакими схемами на основе этих термисторов, но даже для ее достижения требуется заново калибровать хранившийся более пяти лет тсрморсзистор и лишь после этого использовать в схеме.

Рис. 19.8. Система стабилизации температуры.

Датчик температуры на основе термопары требует измерения температуры второго спая, поэтому применение термопары целесообразно только при высоких температурах.

Самые точные преобразователи температуры изготавливаются на основе проволочных терморезисторов, которые позволяют измерять температуру с погрешностью около 0,001 °С [70]. Сопротивление платиновых терморезисторов в диапазоне температур от нуля до +650 °С выражается соотношением.

где /?₀ — сопротивление при Т = 0 °C, Т — температура в градусах Цельсия. Для платиновой проволоки, применяемой в промышленных термометрах сопротивления, А = 3,96 847 -10^_3 • 1 /°С, В = -5,847−10^-7 -1/°С². В интервале от нуля до -200 °С зависимость сопротивления платины от температуры имеет вид.

где С = -4,22−10^-12 -1/°С³.

При расчете сопротивления медных проводников в диапазоне от -50 °С до +180 °С можно пользоваться формулой.

где А = 4,26−10^-3 -1 / °С.

Погрешности, возникающие при измерении температуры термометрами сопротивления, вызываются нестабильностью во времени начального сопротивления Яо и его ТКС (коэффициент А); изменением сопротивления линии, соединяющей термометр с измерительным прибором, и прогревом термометра измерительным током.

Отечественной промышленностью выпускаются полупроводниковые датчики температуры К1019ЕМ1, выходное напряжение которых пропорционально температуре Кельвина с чувствительностью 10 мВ/К. Погрешность измерения температуры указывается изготовителем на уровне 1 °C, стабильность характеристики за 8… 12 часов может оказаться выше в малом диапазоне температур.

Зарубежной промышленностью выпускается ряд микросхем, формирующих напряжение или ток, пропорциональные температуре. Мы можем рекомендовать датчики /Ш780, /Ш590, Ай592 как надежные, простые в использовании и достаточно точные [48].

Точность измерительной схемы также определяется погрешностью измерения температуры. Измерение значения сопротивления в схеме сбалансированного моста позволяет ослабить влияние нестабильности питающего напряжения. Для устранения влияния проводов в мостовой схеме применяют трехпроводную и четырехпроводную схемы. В четырехпроводной схеме два провода от датчика служат для соединения его с остальными элементами моста, а два других — для соединения концов датчика со входами инструментального усилителя. В этом случае ток по двум последним проводникам пренебрежимо мал (из-за высокого входного сопротивления ИУ), поэтому падение напряжения на первых двух проводниках не влияет на результат измерения.

Альтернатива — питание термометра стабильным током и сравнение падения напряжения на нем с эталонным напряжением. В этом случае упрощается задача управления (в том числе цифрового) температурой, но высокие требования предъявляются к источнику тока, источнику эталонного напряжения и инструментальному усилителю. Протекающий через термометр ток должен быть достаточно мал, чтобы уменьшить рассеиваемую на нем мощность. При этом паление напряжения на термометре также будет малым, измерение приращения этого напряжения требует применения инструментального усилителя с малым дрейфом. Так, если через медный датчик с величиной сопротивления Д₀ = 100 Ом протекает ток 1_п = 1 мА, то изменение температуры на 0,001 °С вызовет изменение падения напряжения на нем на величину.

0,426 мкВ. Измерение такого приращения следует осуществлять с помощью сверхирецизионного ОУ (например, ОР11П^, имеющего температурный дрейф входного напряжения на уровне 0,03 мкВ / °С). При этом нестабильность тока на уровне А/ = 10 нА (т. е. сП = КГ⁵) вызовет приращение напряжения Ди = 1 мкВ, что породит погрешность измерения температуры Д/ = 0,0023 °С. Источник тока с такой стабильностью следует отнести к классу прецизионных.

В случае применения специальных полупроводниковых датчиков температуры сложной схемы для их питания не требуется.

Узел сравнения может быть совмещен с измерительной схемой (как в мостовой схеме) или выполнен в виде аппаратной или программной части. Если падение напряжения на датчике сравнивается с опорным напряжением, то последнее следует формировать также с точностью 5−6 порядков. В случае если один источник опорного напряжения используется для формирования тока через датчик и для измерения падения напряжения на нем, а также если величина напряжения источника линейно входит в выражение тока и в предписываемое значение, то требования к стабильности опорного источника снижаются. Такая ситуация обеспечивается при измерении напряжения на датчике с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП) с внешней опорой (если АЦП организован по типу поразрядного уравновешивания или на основе сигма-дельта модуляции).

Сопоставление истинного значения температуры с предписанной величиной может быть выполнено и в цифровом виде как вычитание соответствующих кодов.

В случае включения резистивного датчика в мостовую схему последняя сочетает в себе функции схемы сравнения с предписанным значением, роль уставки температуры выполняет регулируемое опорное сопротивление во втором плече моста. Достоинством такого решения является пониженная зависимость точности поддержания рабочей точки от величины питающего мост напряжения.

Ниже приведены недостатки мостовой схемы.

• 1. Необходимость пространственного совмещения термозадающего резистора с объектом. В противном случае существенную роль в снижении точности измерения играют подводящие провода. Частично этот недостаток преодолевается применением четырехпроводной схемы, позволяющей вынести датчик на расстояние нескольких метров без существенного ухудшения точности.
• 2. Невысокая воспроизводимость результата. Точка термостатирования задается положением движка нотенциомефа. Это положение меняется механическим способом, что Офаничивает плавность регулировки и делает невозможным прецизионное сканирование и возврат в исходное положение; кроме того, рабочая точка может смещаться при микропсрсмсщсниях движка вслсдствие механических вибраций. Этот недостаток может быть преодолен применением потенциометров немеханического типа (в этом случае вся схема измерения температуры может быть пересмотрена, и в результате возникают иные схемотехнические решения).
• 3. Ограниченный диапазон регулирования. Ограничение состоит прежде всего в том, что мостовая схема эффективна по сравнению с иными схемами при приблизительном равенстве сопротивлений всех четырех плеч моста.
• 4. Отсутствие сведений об истинном значении температуры (сигнал с моста пропорционален разности между предписываемой и истинной температурой).
• 5. Сложность конструкции: опорный резистор должен быть доступен для целей управления, измерительный резистор следует размещать как можно ближе к объекту, поэтому элементы моста разнесены в пространстве.

На рис. 19.9 показана трехпроводная мостовая схема для измерения приращения сопротивления терморезистора Я₄.

Рис. 19.9. Мостовая схема для измерения приращения сопротивления терморезистора /?₄ по отношению к предписанному значению Л_3.

При равенстве этого сопротивления предписанному значению, устанавливаемому потенциометром /?з, выходной сигнал моста равен нулю. Выходное напряжение нелинейно зависит от приращения сопротивления терморезистора. На рис. 19.10 показана схема термометра на основе моста со стабилизацией тока терморезистора на сдвоенном ОУ [4]. В этой схеме обеспечивается линеаризация зависимости выходного напряжения от приращения сопротивления за счет поддержания фиксированного тока через тсрморсзистор. Здесь применена трехпроводная схема, позволяющая разделить цепи соединения резистора /?] с резистором Я₂ (провод /'₃) и с усилителем (провод г₂). Ненулевое питание моста достигается разбалансом верхнего ОУ.

Если разместить термистор и лазер в непосредственной близости от нагревателя, уменьшив тем самым тепловые задержки, то стабильность на уровне 1 мК можно обеспечить при помощи довольно простой схемы с мостовым измерителем, показанным на рис. 19.11 [4]. Описание систем регулирования температуры для диодных лазеров можно найти в работе [4].

Рис. 19.10. Термометр на основе моста со стабилизацией тока тсрморезистора.

Термоэлектрический модуль (микрохолодильник) состоит из батареи элементов, работающих на основе эффекта Пельтье [4]. Он отводит тепло от одной рабочей плоскости к другой в зависимости от направления протекания тока. Применение микрохолодильника позволяет стабилизировать температуру выше или ниже температуры окружающей среды. Хладопроизводительность как функция протекаемого тока складывается из линейного члена, характеризующего величину отводимой от рабочей грани мощности, и квадратичного члена, описывающего выделяемую на сопротивлении мощность. Результирующая имеет максимум в области значения тока, выше которого эффективность охлаждения падает (рис. 19.12). До этой точки охлаждение эффективно, при более высоких токах эффективность охлаждения падает.

При работе на нафев эти составляющие складываются, поэтому микрохолодильник нагревает эффективнее, чем резистор такого же номинала. Поэтому при большом диапазоне температур управления или при различных тепловых условиях объект описывается нелинейными нестационарными дифференциальными уравнениями. С некоторым приближением его можно описать линейной моделью с нестационарными коэффициентами (в простейшем случае — с переменным коэффициентом усиления). Необходимо обеспечить устойчивость системы при изменении этих коэффициентов в заданных пределах, для чего рассчитать корректирующее устройство с требуемым запасом устойчивости по этим параметрам. Приведенная на рис. 19.12 характеристика нестационарна, так как зависит то того, насколько эффективно радиатор отводит тепло от второй грани холодильника. Если бы радиатора не было вообще, то все тепло, отводимое от рабочей грани, оставалось бы на второй грани холодильника, и омическое тепло выделялось бы в добавление к этому. В этом случае холодильник вовсе не был бы холодильником. В другом предельном случае, если тепло от второй грани холодильника отводится полностью, эффективность холодильника увеличивается, область эффективного охлаждения расширяется.

Рис. 19.12. Зависимость хлалопроизволителыюсти микрохолодильника Р от тока /:

• 1 - квадратичный член; 2 — линейный член;
• 3 — суммарная кривая; 4 — область эффективного охлаждения

В лазерной физике часто используется водяное охлаждение радиатора. Конструкция радиатора может быть чрезвычайно простой и эффективной (например, в радиаторе сверлят три сквозных отверстия в виде буквы П, затем на все отверстия, кроме первого и последнего, ставятся заглушки, в первое и последнее вкручиваются патрубки для ввода и вывода воды. Такой радиатор может при относительно малых габаритах обеспечить весьма эффективный отвод тепла, но применение такого лазера при отсутствии проточной воды будет невозможно, при этом вода должна быть достаточно холодной. Также для увеличения эффективности малогабаритного радиатора может быть применен теплопровод в виде короткого медного жгута, один конец которого имеет достаточный тепловой контакт с радиатором, а второй конец, например.

с массивным основанием всей конструкции лазерной системы. Для увеличения диапазона управления температурой могут применяться термоэлектрические батареи, т. е. конструкция из двух или более микрохолодильников, установленных один на другой. Ток в них может протекать последовательно, что более удобно, так как увеличивает сопротивление батареи и нс требует увеличения тока, тогда как параллельное включение уменьшило бы сопротивление батареи и потребовало бы увеличения тока.

Если требуется только нагревание, в системах термостабилизации может быть применен любой нафевательный элемент.

Структу рная схема модели микрохолодильника с полупроводниковым лазером дана в работе [4]. Синтез регулятора осуществляется методами теории автоматического управления [6, 9, 15, 16, 20].

Выходной каскад (согласующий усилитель) служит для преобразования сигнала с выхода операционного усилителя (или кода в цифровом устройстве) в ток нагревательного и (или) охлаждающего элемента. Для преобразования сигнала в ток произвольной полярности целесообразно воспользоваться усилителем мощности.

При значительном токе управления возникает искушение использовать экономичные схемы с широтно-импульсной (ШИМ) или времяимпульсной (ВИМ) модуляцией, однако необходимость борьбы с дополнительными помехами делает это решение не только малопривлекательным, но и опасным, так как это чрезвычайно увеличивает вероятность порчи лазера за счет высокочастотных наводок в цепи тока.

На рис. 19.13 приведена принципиальная схема системы термостабилизации.

Рис. /9.13. Система термостабилизации Блок цифрового вольтметра собран на однокристальном АЦП КР572ПВ2А, в последующих модификациях использованы АЦП на 4,5 десятичного разряда — 1С1Л 29 и 1СЫ135.

Указанная схема многократно использована в реальных физических установках.