SLD光源温度控制及恒流驱动电路设计

【摘要】本文针对反射式光纤电流传感器所使用的SLD光源设计了相应的温度控制电路以及恒流驱动电路。温控稳定度可达0.2℃，电流稳定度可达0.02%，从而保证了传感器的精度。

【关键词】光纤电流传感器；SLD光源；温度控制；恒流驱动

1.SLD光源简介

SLD光源（Super Luminescent Diode）能在宽谱范围自发辐射光子，再受激放大产生激光，和一般的带宽光源比，它具有功率高、光谱宽、体积小、重量轻的特点。其辐射特性具备了半导体激光器和半导体发光二极管的优点，具有较短的时间相干性和较长的空间相干性，能有效的耦合进单模光纤。如今SLD光源广泛应用于光纤传感、光纤通讯、临床医学等。但由于其功率稳定性和光谱稳定性易受光源管芯温度以及驱动电流影响，因此我们需要针对光源进行温度控电路以及恒流驱动电路的设计。

本文所用的SLD光源主要有3个部分组成：发光管芯、热敏电阻、半导体致冷器（TEC）其中发光管芯发出光，是光源的最主要部分；热敏电阻通过其阻值变化来反应温度，从而起到温度探测器的作用；而TEC在相应的驱动电流作用下发热或者制冷，从而控制和稳定光源管芯的温度。

2.温度控制电路设计

如上文所言，我们所使用的是热电致冷器（Thermoelectric Cooler，TEC）。TEC是利用帕帖尔效应制成的，所谓帕提尔效应是指电流流过由两种不同的材料制成的半导体电偶时，一端吸热一端放热的现象。在实际电路中，可以通过控制流经TEC的电流方向而使TEC加热或者制冷从而对目标器件进行温控。

本文所使用的温度探测器种类是热敏电阻，其阻值会随着温度的变化发生明显的改变，我们可以用Steinhart-Hart方程来描述其阻值随着温度改变而发生改变的情况。

（上面即为Steinhat-Hart方程，其中R为热敏电阻在某温度下的阻值，单位为欧姆，A、B、C为热敏电阻的Steinhart-Hart系数，T为该对应温度，单位为摄氏度。）

我们实际所用电路工作流程如下，首先我们设定一个高精度设置点电压，然后调节温度控制器输出给热敏电阻一个高精度恒流，则该热敏电阻上的电压反映光源管芯的温度，当实际温度不等于设置点温度时，也就是设置点电压和实际工作温度电压不同时，则电压差值会通过比例积分微分电路（Proportion Integrator Differentiator，PID，该电路位于控制器内部）调节后最终使温度控制器输出给TEC一个驱动电流，该电流方向与上述电压差正负情况相关，从而使TEC制冷或者加热，最终使光源管芯的实际温度电压达到设置点电压，也就是实际温度达到设置点温度，从而完成我们的温度控制目的。

3.恒流驱动电路设计

因恒流电路的设计思路和基本调节原理和温控电路类似，这里不再赘述。我们所使用的恒流源具有体积小、稳定性高、精度高、方面调节的优点，同时在其内部也有比较完备的防过载保护电路，能够保证SLD在工作时的安全性。使用时直接按照相关说明把该恒流源接入电流并调节输出电流大小即可。

4.实验数据分析

利用上面所示电路驱动我们的8脚的中心波长1310nmSLED光源，经过将近20分钟，待温度基本稳定以后，使用采集卡采集相关数据。由于采集卡的频率是1000Hz，所以在计算时我们每取1000个点求一次平均，最终处理的结果如下。

4.1 温度控制电路

如图2所示，以某次将近50分钟的测试情况来看，温度基本在33.9℃附近。经过计算，我们最终得出的温度稳定度为：0.1968℃，符合我们的0.2℃的指标。多次重复实验后，结果与此类似，稳定度都在0.2℃以内。

4.2 恒流驱动电路

如图3所示，经过将近50分钟的测试，输出电流在123.4mA左右。进一步计算得出电路稳定度为0.01438%，符合我们0.02%的指标。同样经过多次实验，结果也均类似，均未超过0.02%。

5.结论

我们对所设计的SLD光源驱动电路进行了一系列的测试，结果表明，温度控制电路和恒流驱电路动具有较高的稳定性，同时结合光谱仪的相关测试结果，表明上述电路能够保证光的输出功率稳定和光谱稳定。

参考文献

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[2]李清东，鲁军，刘军.光纤陀螺用SLD光源的控制方法研究[J].光学仪器，2011，8：70-73

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