Chris Glaser, Texas Instruments
Для термоелектричного охолоджувача, стабілізуючого температуру лазерного діода, потрібно джерело живлення спеціальної конфігурації, реалізувати який можна за допомогою дуже простої схеми.
Лазерний діод є найважливішим елементом оптичних мереж, оскільки саме він відповідає за перетворення даних в світлові імпульси. Для стабілізації світового виходу діод вимагає ретельного управління, а довжина хвилі його випромінювання залежить, в першу чергу, від температури. Для виконання цієї стабілізації зазвичай використовуються термоелектричні охолоджувачі (Thermoelectric cooler - TEC). У зв'язку з великою різноманітністю TEC, що розрізняються споживаної потужністю, джерело живлення повинен розроблятися під кожен конкретний тип.
TEC переносять теплову енергію з однієї поверхні на іншу, через що температура першої поверхні підвищується або знижується. Сам TEC не споживає енергію; іншими словами, енергія не втрачається *). але енергія потрібна для роботи TEC. Моделлю TEC може служити звичайний резистор, здатний витримати певне падіння напруги на ньому і пропустити необхідний струм. Цією потужністю визначається максимальна різниця температур між двома поверхнями TEC. Чим більше прикладена потужність, тим вище різниця температур.
Важливою властивістю термоелектричних охолоджувачів є їх здатність як нагрівати, так і охолоджувати. У зв'язку з тим, що TEC постійно з'єднаний з лазером або іншим пристроєм, який потребує стабілізації температури, управляти температурою лазера може тільки одна поверхню. Інша поверхня повинна бути встановлена на тепловідвід, щоб відводити енергію, що йде з першої сторони. Для правильної роботи системи з обома поверхнями необхідно забезпечити хороший тепловий контакт.
Після установки в систему поміняти взаємне розташування поверхонь вже неможливо, і TEC повинен здійснювати охолодження і нагрівання, виходячи із заданої орієнтації. Ця додаткова функція реалізується зміною напрямку струму, що протікає через TEC. Струм, поточний в певному напрямку, охолоджує одну поверхню і нагріває іншу, тоді як при зміні його напрямку перша поверхня буде нагріватися, а друга охолоджуватися. Це розширює діапазон регулювання температури в порівнянні зі схемою, в якій струм тече лише в одному напрямку.
У зв'язку з тим, що для роботи TEC потрібно двонаправлений струм, джерело його живлення також повинен підтримувати два режими. Але більшість джерел живлення здатне віддавати тільки витікаючий струм. Це змушує розробляти спеціальну схему, комутуючу полярність підключення виводів джерела живлення до контактів TEC, коли охолодження необхідно замінити нагріванням, що істотно ускладнює конструкцію пристрою.
Альтернативним рішенням є джерело живлення, вихід якого без комутації підключення TEC міг би як і віддавати, так і приймати струм. Однак мікросхем, розрахованих на використання в такому режимі, випускається зовсім небагато. Крім того, джерело повинен надійно працювати поблизу нульового значення струму - звичайної робочої точки пристрою.
Схема показана на рисунку 1, здатна служити для малопотужного TEC джерелом впадає і витікає струму. Наприклад, для того, щоб генерувати струм необхідного напрямку, такий повишающе-понижуючий перетворювач як TPS63020 може знижувати або підвищувати напруга живлення. Топологією повишающе-понижуючого перетворювача забезпечується широкий діапазон вихідних напруг, в даному випадку - від 1.2 В до 5.5 В.
Цей зразок простої схеми (базовий проект PMP9759 компанії
Texas Instruments) формує двонаправлений ток управління TEC.
Ця схема, яка об'єднала в собі всі силові MOSFET і потребує лише в мінімальній кількості зовнішніх компонентів, більш краща для управління малопотужними TEC, коли першорядне значення набувають розміри пристрою, як, наприклад, в разі мініатюрних модулів оптичного зв'язку. Повишающе-понижуючий перетворювач живиться від загальної шини 3.3 В, наявної в модулях волоконно-оптичних мереж. Підключення TEC до джерела живлення (Малюнок 2) дозволяє регулювати різниця напруги між поверхнями TEC від +2.1 В до -2.2 В. Крім того, в такій конфігурації легко підтримувати робочу точку в області нульових струмів.
Ця схема формує двонаправлений струм через
TEC за допомогою єдиного перетворювача
і декількох зовнішніх компонентів.
Орієнтація TEC має вирішальне значення з точки зору режиму його використання - як нагрівача, або як охолоджувача. Сучасна електроніка часто сама є джерелом тепла, і нагріти її ще більше не представляє складності. Однак охолодити TEC настільки, щоб отримати необхідну довжину хвилі випромінювання лазера, зазвичай набагато важче. Тому краще підключати TEC таким чином, щоб охолодження відбувалося тоді, коли струм випливає з повишающе-понижуючого перетворювача. Це пов'язано з тим, що витікаючий струм, який можуть віддати багато перетворювачі, і TPS63020 в тому числі, більше впадає. З цієї ж причини для нагріву TEC повинен використовуватися впадає струм.
В закінченою схемою із замкнутою петлею регулювання
мікроконтролер зчитує показання датчика
температури і формує вихідний сигнал
управління перетворювачем для установки
необхідної температури.
В закінченою системі (Малюнок 3) мікроконтролер стежить за температурою, яка вимірюється датчиком, встановленим на TEC. Зіставляючи реальну і необхідну температури TEC, мікроконтролер керуючим сигналом на виведення VCTRL переміщує робочу точку перетворювача, примушуючи його віддавати або приймати більший або менший струм.