Electronic Design
В оптоэлектронных системах часто требуется стабилизация температуры таких компонентов, как лазерные диоды, фотодиоды, призмы и линзы. Общепринятый метод стабилизации состоит в том, чтобы прикрепить резистивный датчик к компоненту для контроля его температуры, установить компонент на верхнюю поверхность термоэлектрического охладителя (TEC) и использовать специализированную микросхему контроллера TEC для поддержания заданного значения температуры компонента. Часто уставка бывает близка к комнатной температуре, и обычно это означает, что контроллер ТЕС должен иметь возможность отдавать положительный и отрицательный токи, чтобы обеспечивать как охлаждение, так и нагрев.
Для этой цели созданы и доступны специализированные контроллеры и драйверы TEC, например LTC1923, ADN8831, MAX1968 и DRV592. Но такие устройства могут быть дорогими или требовать значительного количества внешних цепей. Кроме того, для работы с небольшими тепловыми нагрузками, такими как линзы и фотодиоды, предпочтительны миниатюрные ТЕС, но они плохо сочетаются со специализированными контроллерами ТЕС. Миниатюрные ТЕС обычно работают при напряжении 2 В или меньше и токе не более 1 А, в то время как специальные контроллеры рассчитаны на управление гораздо более мощными устройствами.
Во многих ситуациях, когда можно отделить задачу нагрева от задачи охлаждения, может использоваться более простой контроллер ТЕС. Например, такой компонент, как лазерный диод, требующий стабилизации температуры, может сам по себе выделять достаточно тепла, чтобы исключить необходимость использования ТЕС для нагрева.
Достаточный нагрев также можно обеспечить с помощью обычного резистора для поверхностного монтажа, приклеенного между ТЕС и оптическим компонентом. Затем резистор можно подключить к стоку мощного MOSFET, управляемого выходом широтно-импульсного модулятора (ШИМ) микроконтроллера или ПЛИС, что, опять же, делает подогрев ТЕС ненужным.
Таким образом, если задачи охлаждения и нагрева разделены, управление TEC значительно упрощается. Вместо того чтобы вырабатывать как положительные, так и отрицательные токи, контроллер должен управлять током только в одном квадранте. Это делает задачу управления доступной для имеющейся на рынке микросхемы импульсного источника питания – монолитного драйвера светодиодов.
Один из типов светодиодных драйверов, которые также можно использовать в качестве драйвера TEC, – это LTC3454 компании Linear Technology, называемый «Драйвером светодиодных фонарей/вспышек». Устройство предназначено для питания постоянным током до 1 А одного мощного светодиода. Оно содержит синхронный понижающе-повышающий преобразователь, контур стабилизации тока, а также цепи мягкого запуска и защиты.
LTC3454 отличается от многих других драйверов светодиодов тем, что не содержит схемы защиты, отключающей устройство, когда выходное напряжение становится слишком низким, что происходит, если неисправность приводит к короткому замыканию светодиода. Вместо схемы отключения LTC3454 содержит схему ограничения тока для блокировки внутренних MOSFET в случае короткого замыкания.
Это различие позволяет использовать LTC3454 для управления TEC вместо светодиода. На маленьких ТЕС падает гораздо меньшее напряжение, чем на светодиодах, поэтому большинство драйверов светодиодов воспринимают ТЕС как короткое замыкание и активируют свои цепи отключения. Но LTC3454 с TEC в качестве нагрузки работает нормально.
Схема управления ТЕС довольно проста (см. Рисунок 1). В конфигурации ручного управления уставкой температуры (R1 соединен с R2) для нее требуется всего несколько компонентов. Альтернативная конфигурация (R1 подключен к R3) позволяет осуществлять активное управление уставкой посредством сигнала ШИМ, формируемого микропроцессором или ПЛИС.
 |
||
| Рисунок 1. | Когда для стабилизации температуры малопотребляющих электрооптических компонентов требуется только термоэлектрическое охлаждение, недорогим источником тока может служить драйвер светодиода, позволяющий осуществлять как активное, так и ручное управление уставкой температуры. |
|
Ручное управление уставкой полезно при небольшой тепловой нагрузке, когда стабильность температуры компонента может обеспечиваться за счет дозированного охлаждения и контролируемого нагрева. Тогда ток TEC определяется как
20-килоомный потенциометр, включенный последовательно с сопротивлением 3 кОм (R1 + R2), позволяет драйверу перекрывать выходной диапазон токов примерно от 150 мА до 1 А.
Однако, управляя током ТЕС в соответствии с изменениями нагрузки с помощью оптимизированного контура регулирования, схема может работать таким образом, чтобы минимизировать общую рассеиваемую мощность. Этот процесс активного управления уставкой требует подключения к затвору транзистора T1 вывода процессора или FPGA, несущего ШИМ сигнал с частотой несколько килогерц или выше и коэффициентом заполнения от 0 до 100%. В этом случае выходной ток, идущий через TEC, будет зависеть от коэффициента заполнения D следующим образом:
Поскольку ТЕС имеют более низкие сопротивления, чем светодиоды, можно ожидать, что КПД драйвера будет ниже довольно хороших значений, указанных в техническом описании для стандартных приложений. Для измерения КПД в качестве нагрузки, заменяющей TEC, был использован резистор 2 Ом. Это сопротивление примерно соответствует сопротивлению миниатюрного TEC 9503/023/020M, выпускаемого компанией Ferrotec. Тесты показали, что при 300 мА КПД составлял 50%, возрастая до 70% при 500 мА и до 75% при 700 мА и выше.
КПД этой схемы можно улучшить. Поскольку VIN >> VOUT, LTC3454 работает исключительно в понижающем режиме, и, согласно техническому описанию, один из внутренних ключей микросхемы постоянно замкнут. Соединение выводов 6 (SW2) и 7 (VOUT) шунтирует этот ключ, и его сопротивление исключается из схемы. Улучшение получается значительным: КПД при 300 мА становится равным 70%, повышаясь до 77% при 500 мА и до 80% при 700 мА и выше. Все измерения КПД выполнялись при VIN = 5 В. При VIN = 3.3 В значения КПД были на несколько процентов выше.
Купить LTC3454 на РадиоЛоцман.Цены
