Компонентный термоконтроллер для использования в твердотельных и полупроводниковых лазерах Российский патент 2025 года по МПК H01H37/08 H01H37/12 

Изобретение относится к областям электронной техники и оптического приборостроения, в частности к устройствам, которые востребованы в лабораториях, работающих над задачами разработки и исследования твердотельных и полупроводниковых лазеров. Также, оно может быть использовано как отдельный лабораторный блок термостабилизации в готовых лазерных модулях, выпускаемых профильными фирмами.

Известный термоконтроллер TEC-BT от фирмы OEM Tech представляет собой устройство в прямоугольном пластиковом корпусе с семисегментным дисплеем, кнопками управления и интерфейсом для подключения элемента Пельтье. Устройство хорошо выполняет свои функции для его технических характеристик и обладает не слишком дорогой ценой покупки (Регулятор температуры лазерного диода TEC-BT, URL: https://www.oem-tech.pl/catalog/thermocontrollers/tec-bt/ (дата обращения 12.07.2024)).

Недостатком известного решения является неспособность его использования для элементов Пельтье разных мощностей, достаточно малый диапазон температур термостабилизации, а также главный недостаток - отсутствие в данное время на российском рынке устройств, в связи с регистрацией фирмы за пределами Российской Федерации – в Республике Беларусь.

Наиболее близкой по техническим характеристикам является термоконтроллер REVTEC-1-150-24, выполненный в виде прямоугольного пластикового корпуса с цветным ЖК-дисплеем, энкодером управления, кнопкой запуска и выводом для подключения элемента Пельтье. (реверсивный одноканальный термоконтроллер REVTEC-1-150-24, URL: https://vk.com/wall-69080612_1339 (дата обращения 20.08.2023)).

Недостатком этого решения также как и прошлого является не способность его использования для элементов Пельтье разных мощностей, а также дороговизна, несмотря на отечественную принадлежность.

Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей за счет применения усовершенствованного алгоритма термостабилизации с использованием элементов Пельтье разных мощностей.

Сущность изобретения заключается в том, что компонентный термоконтроллер для использования в твердотельных и полупроводниковых лазерах состоит из блока питания с внешней регулировкой, который с помощью блока согласования осуществляет двунаправленное преобразование уровней сигналов, получение блоком питания информации об уставке тока и напряжения от блока управления и передача информации от блока питания о текущем токе и напряжении на нагрузке блоку управления, блока управления, содержащего микроконтроллерную часть устройства и обладающего функцией получения данных о температуре объекта управления с помощью подключенного к нему датчика температуры, а также управляющего блоком смены полярности, построенного по транзисторной мостовой схеме, путем подачи управляющего сигнала, объект управления, запитанного от блока питания через блок смены полярности и являющегося системой из элемента Пельтье и активного элемента. Блок согласования содержит два делителя напряжения, построенных на многооборотных подстроечных резисторах для согласования уровней сигналов с датчиков напряжения и токов из блока питания в блок управления, операционный усилитель, на котором построен буферный каскад для увеличения нагрузочной способности внешнего модуля цифроаналогового преобразователя из блока управления через блок согласования для усиления управляющего напряжения передающийся в блок питания и который запитан от параметрического стабилизатора напряжения, собранного на стабилитроне и биполярном транзисторе, и интегральный стабилизатор напряжения, использующийся для формирования питания 5 В. Блок управления представляет интерфейс управления компонентного термоконтроллера, выполненный на клавиатуре из пяти кнопок, подключенных к выводам микроконтроллера, опрашивающего их состояние на нажатие для навигации по меню, и выводящего информацию жидкокристаллического дисплея, функцию передачи информации на две микросхемы цифроаналоговых преобразователей, функцию считывания информации о текущей температуре объекта управления с помощью датчика температуры, функцию снятия отладочной информации о текущей температуре, которую можно передавать на персональный компьютер, функцию управления блоком смены полярности, выполненного на транзисторах и позволяющего менять полярность напряжения, подаваемого на объект управления, функцию передачи считанных значений с датчиков тока и напряжения во время работы компонентного термоконтроллера, а также вывод этих значений на жидкокристаллический дисплей, с блока управления через блок согласования, используя два канала аналого-цифрового преобразователя микроконтроллера, подключенных к его выводам.

На фиг. 1 изображена общая блок-схема компонентного термоконтроллера для использования в твердотельных и полупроводниковых лазерах; на фиг. 2 изображен блок согласования; на фиг. 3 показан блок управления; на фиг. 4 изображен график температурной стабилизации при 0 градусов цельсия при использовании элемента Пельтье TEC1-12705; на фиг. 5 изображен график температурной стабилизации при 10 градусов Цельсия при использовании элемента Пельтье TEC1-12705; на фиг. 6 изображен график температурной стабилизации при 20 градусов Цельсия при использовании элемента Пельтье TEC1-12705; на фиг. 7 изображен график температурной стабилизации при 60 градусов Цельсия при использовании элемента Пельтье TEC1-12705; на фиг. 8 изображен график температурной стабилизации при 0 градусов Цельсия при использовании элемента Пельтье DRIFT-0.8; на фиг. 9 изображен график температурной стабилизации при 10 градусов Цельсия при использовании элемента Пельтье DRIFT-0.8; на фиг. 10 изображен график температурной стабилизации при 20 градусов Цельсия при использовании элемента Пельтье DRIFT-0.8; на фиг. 11 изображен график температурной стабилизации при 60 градусов Цельсия при использовании элемента Пельтье DRIFT-0.8.

Компонентный термоконтроллер для использования в твердотельных и полупроводниковых лазерах (фиг. 1) состоит из блока питания 1 с внешней регулировкой, который с помощью блока согласования 2 осуществляет двунаправленное преобразование уровней сигналов, получение блоком питания 1 информации об уставке тока и напряжения от блока управления 3 и передача информации от блока питания 1 о текущем токе и напряжении на нагрузке блоку управления 3, блока управления 3, содержащего микроконтроллерную часть устройства и обладающего функцией получения данных о температуре объекта управления 4 с помощью подключенного к нему датчика температуры 5, а также управляющего блоком смены полярности 6, построенного по транзисторной мостовой схеме, путем подачи управляющего сигнала, объект управления 4, запитанного от блока питания 1 через блок смены полярности 6 и являющегося системой из элемента Пельтье и активного элемента. Активный элемент входит в состав объекта управления 4 и одновременно является частью полупроводникового или диодного лазера (на чертеже не обозначен).

Блок согласования 2 (фиг. 2) используется для согласования управляющих напряжений между блоком питания 1 и блоком управления 3. Блок согласования 2 содержит два делителя напряжения, построенных на многооборотных подстроечных резисторах R2 и R4 для согласования уровней сигналов с датчиков напряжения и токов из блока питания 1 в блок управления 3, операционный усилитель LM358 (DA1), на котором построен буферный каскад для увеличения нагрузочной способности внешнего модуля «цифро-аналоговый-преобразователь» из блока управления 3 через блок согласования 2 для усиления управляющего напряжения передающийся в блок питания 1 и который запитан от параметрического стабилизатора напряжения, собранного на стабилитроне Д814А1 (VD1) и биполярном транзисторе КТ815Г (VT1), и интегральный стабилизатор напряжения КР142ЕН5А (DA2), использующийся для формирования питания 5 Вольт.

Блок управления 3 (фиг. 3) представляет интерфейс управления компонентного термоконтроллера, выполненный на клавиатуре из пяти кнопок (SA1-SA5) с подтягивающими резисторами к питанию(R1-R5), и выводящего информацию жидкокристаллического дисплея (DA3). Пять кнопок подключены к выводам (PA3 - PA7) микроконтроллера, опрашивающего их состояние на нажатие для навигации по меню. Передача информации на дисплей осуществляется по шине I2C1, где выводы микроконтроллера PB7(SDA) – отвечает за передачу данных, а PB6(SCL) – за тактирование.

Помимо дисплея, к шине I2C1 подключены две микросхемы цифро-аналоговых преобразователей (DA1-DA2), с помощью которых, путем отправки различных двоичных кодов, осуществляется регулировка выходных параметров блока питания 1 через блок согласования 2, и выставления ограничений по току и напряжению для конкретного элемента Пельтье. Ограничения задаются пользователем через меню. Температура объекта управления 4 регулируется путем изменения выходных параметров блока питания 1 через блок согласования 2 с помощью двух цифро-аналоговых преобразователей (DA1 – отвечает за ток, DA2 – за напряжение).

Для считывания значений с датчиков тока и напряжения, передающихся с блока питания 1 через блок согласования 2 на блок управления 3, используются два канала аналого-цифрового преобразователя микроконтроллера, которые подключены к выводам PA1(напряжение) и PA2(ток), которые во время работы устройства будут выводиться на жидкокристаллический дисплей (DA3).

К Шине I2C2 подключен датчик температуры SHT31 (DA5), с помощью которого происходит считывание информации о текущей температуре объекта управления 4. На основе информации о температуре с датчиков, и введённой пользователем информации о температуре установке через меню, будет рассчитываться какое воздействие нужно подать на элемент Пельтье (входящего в объект управления 4) с помощью модуля «цифро-аналоговый преобразователь» через блок согласования 2 на блок питания 1.

Через USB-TTL переходник (DA6) компонентный термоконтроллер можно подключить по USB к персональному компьютеру (на схеме не обозначен) для снятия отладочной информации о текущей температуре, т.е. визуализация состояния, объекта управления 4.

С помощью выводов GPIO микроконтроллера PC14 и PC15 происходит управление блоком смены полярности 6, выполненной на транзисторах, что позволяет менять полярность напряжения, подаваемого на элемент Пельтье. В случае, когда на PC14 логический “0”, а на PC15 логическая “1” блок питания 1 работает в обычном режиме, и ток, проходящей через элемент Пельтье, охлаждает сторону, на которой находится активный элемент лазера. Если состояния выводов PC14 и PC15 инвертируются, это повлечет за собой смену полярности напряжения, подаваемого на элемент Пельтье (объект управления 4). Смена полярности напряжения повлечет за собой нагрев стороны с активного элемента лазера. Тем самым осуществляется режим нагрева или охлаждения.

Компонентный термоконтроллер для использования в твердотельных и полупроводниковых лазерах работает следующим образом. Интерфейс управления подразумевает наличие клавиатуры из 5 кнопок для навигации вверх-вниз, влево-вправо и кнопка выбора, а также вывод информации на жидкокристаллический четырехстрочный дисплей по 20 символов.

При запуске устройства на экране меню есть два подпункта: 1) «work» – для задания температуры стабилизации и старта работы; 2) «setting» – для установки характеристик элемента Пельтье, а также для просмотра или изменений значений пропорционально-интегрально-дифференцирующий регулятор (далее ПИД-регулятор).

Пользователь, зайдя в меню «Work», может выбрать подменю "Set temperature", где с помощью клавиатуры, имеет возможность выбирать разряды температуры, а также изменять их, с точность до десятых долей. Далее через пункт «Start» пользователь запускает алгоритм термостабилизации, который заключается в следующем: запускается таймер, который определяет интервалы времени, через которые будут посылаться команды по шине I2C на датчик температуры. После завершения времени преобразования, датчик отправляет данные на микроконтроллер в виде двоичной последовательности. После принятия данных срабатывает прерывание по приему данных I2C, где осуществляется конвертация полученного кода температуры в десятичное вещественное число.

После получения первого значения температуры, происходит сравнение температуры установки, введённой пользователем, с температурой, полученной с датчика. После этого формируется значение ошибки по установке температуры, которое пройдет через ПИД-регулятор для формирования двоичного кода. Этот двоичный код формирует выходное воздействие на блок питания, с помощью которого будет регулироваться температура.

Перед включением самого ПИД-регулятора, блок управления 3 выдает команду на подачу максимальной мощности на элемент Пельтье пытается достичь температуры установки (это достигается без нагрузки). В зависимости от знака функции ошибки включается режим охлаждения или нагрева: если функция ошибки положительна, то режим охлаждения, в ином случае – нагрева. ПИД-регулятор включается в работу одновременно с подключением нагрузки, после того как завершился первичный переходный процесс.

За счет включения ПИД-регулятора одновременно с нагрузкой настройка ПИД-регулятора осуществляется легче, что позволяет использовать единожды настроенный ПИД регулятор для разных элементов Пельтье. А также быстрый вывод устройства в рабочий режим функционирования (включение ПИД-регулятора.

Смена режима осуществляется за счет смены полярности напряжения с помощью блока смены полярности 6, который управляется сигналами с блока управления 3 путем выставления нужных логических уровней на выводах PC14 и PC15.

Регулировка температуры осуществляется следующим образом: датчик температуры циклически опрашивается, на входе ПИД-регулятора осуществляется расчёт значения функции ошибки, которая равна разности температур установки и текущей, а на выходе данного регулятора получается 12-битный двоичный код, который по протоколу I2C будет отправлен на ЦАП, отвечающий за регулировку тока блока питания 1. Во время работы алгоритма включение режима охлаждения или нагрева так же осуществляется блоком управления 3 за счет контроля знака функции ошибки.

Компонентный термоконтроллер для использования в твердотельных и полупроводниковых лазерах позволяет работать с разными элементами Пельтье за счет того, что можно регулировать подаваемую на них мощность. При превышении номинального тока у элемента Пельтье Джоулевы потери становятся сравнимы с холодопроизводительностью, снижается КПД охлаждения. При дальнейшем увеличении тока потери превышают холодопроизводительность и элемент Пельтье превращается в некий резистор, в котором вся подаваемая мощность переходит в тепловую энергию, что приводит к деградации элемента, а при очень высоких мощностях и к физическому разрушению активной части Пельтье. Для предотвращения такой ситуации применяется ограничение тока и напряжения подаваемые на элемент Пельтье. Данный функционал позволяет использовать достаточно мощные элементы Пельтье на небольших нагрузках: использование таких элементов Пельтье на полную мощность неизбежно вызовет срыв устойчивости, что означает невозможность стабильного поддержания температуры вблизи температуры установки. Данный функционал осуществляет при выборе в начальном меню подменю "Settings" в разделе "Peltier parameters", где присутствует строка изменения максимального подаваемого напряжения «Max U», максимального подаваемого тока «Max I», и строка применения данных значений «Apply». Также в меню установки максимальных значений показан диапазон допустимых значений, которое позволяет установить устройство.

Если значения не были выставлены, то они принимают выставленные по умолчанию минимальные значения для предотвращения выхода из строя элемента Пельтье. Также присутствует возможность ручного изменения коэффициентом ПИД-регулятора: в подменю "Settings" присутствует раздел «PID parameters», который позволяет вручную задавать коэффициенты ПИД-регулятора (Пропорциональную составляющую – «Kp», интегрирующую составляющую – «Ki», дифференцирующая составляющую – «Kd») если того требует система. Помимо этого, в раздел "PID parameters" присутствует функция сохранения выставленных параметров ПИД-регулятора «apply» и просмотра текущих «view coef» Это может быть использовано при высоких температурах. Данный функционал увеличивает количество различных элементов Пельтье, которые можно подключить к данному компонентному термоконтроллеру.

При нахождении в подменю "Work", в разделе "start" можно включить алгоритм термостабилизации. После включения алгоритма на дисплей выводятся следующие данные: считанные значения температуры с датчика температуры 5; значения, полученные с датчиков тока и напряжения; статично изображена температура установки; присутствует кнопка завершения работы, после которой алгоритм термостабилизации завершается.

На фиг.4-11 показаны результаты работы разработанного устройства и улучшенного алгоритма термостабилизации активной среды диодных и полупроводниковых лазеров в виде графиков термостабилизации на определенных температурах для двух разных элементов Пельтье, отличающихся техническими характеристиками, в частности максимальной мощностью, током и напряжением. Первый элемент Пельтье – это TEC1-12705, результаты его работы представлены на графиках (фиг.4-7). Второй элемент Пельтье – это DRIFT-0,8, результаты его работы представлены на графиках (фиг.8-11). Исходя из полученных данных работы двух разномощностных элементов Пельтье можно сделать вывод, что изобретение и улучшенный алгоритм термостабилизации полностью выполняют свою работу по стабилизации выставленного уровня температуры со средней погрешностью до 0,1 градус Цельсия.

Изобретение позволяет расширить функциональные возможности за счет применения усовершенствованного алгоритма термостабилизации с использованием элементов Пельтье разных мощностей.

Изобретение относится к области твердотельных и полупроводниковых лазеров. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей за счет применения усовершенствованного алгоритма термостабилизации с использованием элементов Пельтье разных мощностей. Для этого компонентный термоконтроллер для лазеров, в частности, содержит блок управления, выполненный на клавиатуре из пяти кнопок, подключенных к выводам микроконтроллера, опрашивающего их состояние на нажатие для навигации по меню и выводящего информацию жидкокристаллического дисплея, функцию передачи информации на две микросхемы цифроаналоговых преобразователей, функцию считывания информации о текущей температуре объекта управления с помощью датчика температуры, функцию снятия отладочной информации о текущей температуре, которую можно передавать на персональный компьютер, функцию управления блоком смены полярности, выполненным на транзисторах и позволяющим менять полярность напряжения, подаваемого на объект управления, функцию передачи считанных значений с датчиков тока и напряжения во время работы компонентного термоконтроллера, а также вывод этих значений на жидкокристаллический дисплей. 11 ил.

Компонентный термоконтроллер для использования в твердотельных и полупроводниковых лазерах, состоящий из блока питания с внешней регулировкой, который с помощью блока согласования осуществляет двунаправленное преобразование уровней сигналов, получение блоком питания информации об уставке тока и напряжения от блока управления и передачу информации от блока питания о текущем токе и напряжении на нагрузке блоку управления, блока управления, содержащего микроконтроллерную часть устройства и обладающего функцией получения данных о температуре объекта управления с помощью подключенного к нему датчика температуры, а также управляющего блоком смены полярности, построенным по транзисторной мостовой схеме, путем подачи управляющего сигнала, объекта управления, запитанного от блока питания через блок смены полярности и являющегося системой из элемента Пельтье и активного элемента, при этом блок согласования содержит два делителя напряжения, построенных на многооборотных подстроечных резисторах для согласования уровней сигналов с датчиков напряжения и токов из блока питания в блок управления, операционный усилитель, на котором построен буферный каскад для увеличения нагрузочной способности внешнего модуля «цифроаналоговый преобразователь» из блока управления через блок согласования для усиления управляющего напряжения, передающегося в блок питания, и который запитан от параметрического стабилизатора напряжения, собранного на стабилитроне и биполярном транзисторе, и интегральный стабилизатор напряжения, использующийся для формирования питания 5 В, а блок управления представляет интерфейс управления компонентного термоконтроллера, выполненный на клавиатуре из пяти кнопок, подключенных к выводам микроконтроллера, опрашивающего их состояние на нажатие для навигации по меню и выводящего информацию жидкокристаллического дисплея, функцию передачи информации на две микросхемы цифроаналоговых преобразователей, функцию считывания информации о текущей температуре объекта управления с помощью датчика температуры, функцию снятия отладочной информации о текущей температуре, которую можно передавать на персональный компьютер, функцию управления блоком смены полярности, выполненным на транзисторах и позволяющим менять полярность напряжения, подаваемого на объект управления, функцию передачи считанных значений с датчиков тока и напряжения во время работы компонентного термоконтроллера, а также вывод этих значений на жидкокристаллический дисплей с блока управления через блок согласования, используя два канала аналого-цифрового преобразователя микроконтроллера, подключенных к его выводам.