Luận văn Nghiên cứu thiết kế chế tạo nguồn các dòng và bộ ổn định nhiệt độ cho laser bán dẫn công suất cao

er bán dẫn. b. Nguồn dòng một chiều Một nguồn dòng lý tưởng có dòng lối ra không đổi, tuyến tính, không nhiễu và có độ chính xác cao. Trong thực tế có rất nhiều loại nguồn dòng khác nhau. Nguồn dòng điện trở, nguồn dòng tích cực (sử dụng các thiết bị tích cực như transistor), 21 Luận văn thạc sỹ Nguyễn Thị Ngoan nguồn dòng RF(radio frequency), nguồn dòng DC(direct current) và nguồn dòng AC(Alternating Current). Mỗi loại sử dụng một cơ chế khác nhau để tạo ra và duy trì một dòng điện. Nguồn dòng điện trở có thể được xem là loại nguồn dòng đơn giản nhất. Chúng bao gồm một điện trở ghép nối tiếp với một nguồn thế. Dòng được tạo ra từ hệ thống này là tương đương với biên độ của thế, được chia ra bởi trở kháng của điện trở. Nguồn dòng điện trở thông thường thì không hiệu quả vì một lượng công suất rất lớn bị mất trong mỗi điện trở. Vì thế nguồn dòng tích cực đã thay thế một thành phần khác cho điện trở. Các thành phần khác này thường là transistor hoặc đèn điện tử chân không bởi vì chúng có thể đóng vai trò như nguồn dòng khi được cung cấp năng lượng. Bởi việc thay thế những phần này cho điện trở, hệ thống sẽ không mất một lượng công suất tiêu tán. Trên thực tế có thể dễ dàng tạo một nguồn dòng bằng cách sử dụng transistor. Một mạch nguồn dòng đơn giản sử dụng transistor đơn giản được chỉ ra trên hình 2.4. Mạch hoạt động đơn giản là khi ta đặt một điện thế VB tới cực base của transistor với VB>0.6V và khi đó transistor sẽ thông và điện thế tại cực emitter của transistor sẽ là VE=VB-0,6V[10]. Do đó, dòng emitter qua điện trở RE sẽ là: ܫா = ாܸܴா = ஻ܸ − 0,6ܸܴா (2.1) Ta có IE ≅ ܫ஼ nên IC= ௏ಳି଴,଺௏ ோಶ không phụ thuộc vào VC miễn là transistor không bão hòa (VC>VE + 0,2V) Điện áp ở cực base của transistor có thể được cấp bằng một vài cách. Hình 2.5 là hai nguồn dòng đơn giản sử dụng diode zener và LED để tạo một điện áp cấp vào cực base của transistor giúp tạo một dòng không đổi qua tải. Hình 2.4: Nguồn dòng đơn giản sử dụng transistor 22 Luận văn thạc sỹ Nguyễn Thị Ngoan a) b) Hình 2.5: Mạch nguồn dòng sử transistor đơn giản với điện áp tại cực base được cấp bằng những cách khác nhau: sử dụng diode zener (a), sử dụng LED(b) Trong hình 2.5a, một bộ ổn định điện áp zener (R1 và DZ1) điều khiển một dòng tới cực emitter của transistor Q1, cực emitter được nối với một điện trở không đổi R2 để cảm nhận dòng tải. Tải bên ngoài của nguồn dòng được kết nối tới cực collector của Q1 nên dòng qua tải và dòng qua điện trở R2 là gần bằng nhau. Transistor Q1 điều chỉnh dòng lối ra bởi vậy điện áp rơi trên điện trở không đổi R2 gần bằng với điện áp rơi gần như không đổi trên diode zener DZ1. Do đó, dòng lối ra gần như không đổi thậm chí điện trở tải hoặc điện áp thay đổi. Hoạt động của mạch hình 2.5 a như sau: khi diode zener được phân cực ngược thì có một điện áp rơi không đổi trên dòng không đáng kể chạy qua nó. Do đó, miễn là dòng zener (IZ) là trên một mức nào đó (gọi là dòng giữ), điện áp trên diode zener (VZ) là hằng số. Điện trở R1 cấp dòng zener và dòng qua cực base (IB) của transistor Q1. Điện áp zener không đổi được đặt trên cực base của Q1 và điện trở R2. Do đó điện áp điện áp trên R2(VR2) là VZ – VBE. Dòng emitter của Q1 cũng là dòng qua điện trở R2 và ta có [12]: ܫோଶ = ܫா = ௏ೃమோଶ = ௏ೋି௏ಳಶோଶ (2.2) VZ và VBE đều là hằng số, R2 không đồi, nên IR2 không đổi và IR2 ~Iload. Ta có thể thay thế diode zener bằng một diode bất kỳ nào khác, ví dụ như LED1 trong hình 2.5b. Tương tự ta có điện áp rơi trên LED (VD) không đổi và ta có [12]: ܫோଶ = ܫா = ௏ೃమோଶ = ௏ವି௏ಳಶோଶ (2.3) Các nguồn dòng đơn giản sử dụng transistor đã được trình bày ở trên là dòng lối ra không thể được điều chỉnh theo mong muốn. Để tạo một nguồn dòng có dòng lối ra có thể điều chỉnh được ta có thể thêm vào mạch một vòng phản hồi từ chuyển tiếp baser – emitter của transistor về lối vào của một khuếch đại thuật toán. Lối vào còn lại của khuếch đại thuật toán có thể thay đổi điện áp vào bằng một biến trở. Ta có thể xem 23 Luận văn thạc sỹ Nguyễn Thị Ngoan xét trên hình 2.6. Đây là loại nguồn dòng khá phổ biến trong các ứng dụng do tính chính xác và khả năng điều chỉnh được. Trong ứng dụng của mình, chúng tôi cần thiết kế một nguồn dòng có khả năng điều chỉnh được, có độ ổn định và chính xác cao. Chúng tôi đã nghiên cứu và thiết kế nguồn dòng nuôi laser dựa trên nguồn dòng cơ bản trên hình 2.6. Hình 2.6: Nguồn dòng sử dụng khuếch đại thuật toán có thể điều chỉnh dòng lối ra 2.2 Tìm hiểu về bộ điều khiển nhiệt độ cho laser bán dẫn công suất cao Như chúng ta đã xem xét trong chương 1, nhiệt độ có ảnh hưởng rất lớn tới các đặc trưng, hiệu suất và thời gian sống của laser. Để laser hoạt động ổn định, đảm bảo hiệu suất và sử dụng lâu dài, ta phải đảm bảo cho laser hoạt động ở một nhiệt độ ổn định. Chính vì vậy bộ ổn định nhiệt độ cho laser bán dẫn là rất cần thiết. Có rất nhiều phương pháp ổn định nhiệt độ cho laser hoạt động. Trong phần này chúng tôi sẽ trình bày về bộ ổn định nhiệt độ sử dụng peltier-làm mát nhiệt điện TEC (thermo-electric cooling) 2.2.1 Bộ làm lạnh pin nhiệt điện peltier Bởi vì hệ thống làm lạnh nhiệt điện thường được so sánh với một hệ thống truyền thống, cách tốt nhất để chỉ ra sự khác biệt trong hai phương pháp làm lạnh là mô tả hệ thống của chúng. Một hệ thống làm lạnh truyền thống chứa đựng 3 phần cơ bản : máy bay hơi, máy nén và bình ngưng. Máy bay hơi hoặc phần làm lạnh là phần mà chất làm lạnh điều áp được cho phép dãn nở, sôi và bay hơi. Trong suốt sự thay đổi trạng thái từ lỏng sang khí này, năng lương (nhiệt) được hấp thu. Máy nén đóng vai trò như bơm chất làm lạnh và tái nén khí thành chất lỏng. Bình ngưng đẩy nhiệt hấp thụ tại máy bay hơi cộng với nhiệt đã tạo ra trong suốt quá trình nén ra môi trường xung quanh. Thiết bị nhiệt điện có những phần tương tự. Tại mặt tiếp giáp lạnh, năng lượng (nhiệt) được hấp thu bởi điện tử khi chúng chuyển từ mức năng lượng thấp trong thành 24 Luận văn thạc sỹ Nguyễn Thị Ngoan phần bán dẫn loại p tới một mức năng lượng cao hơn trong thành phần bán dẫn loại n. Nguồn nuôi cho pin lạnh cấp một năng lượng để chuyển rời điện từ qua hệ thống. Tại tiếp giáp nóng, năng lượng được tiêu tán trên tấm tỏa nhiệt khi điện tử chuyển rời từ thành phần có mức năng lượng cao (loại n) tới thành phần có mức năng lượng thấp (loại p). Bộ làm lạnh nhiệt điện cũng là sự bơm nhiệt: bơm nhiệt ở trạng thái rắn, bơm nhiệt mà không di chuyển những phần chất lỏng hoặc khí. Một cách tương tự thường được sử dụng để giúp hiểu một hệ thống làm lạnh TEC là một cặp nhiệt điện tiêu chuẩn được sử dụng để đo nhiệt độ. Cặp nhiệt điện của loại này được làm bằng cách kết nối hai dây kim loại khác nhau, điển hình là đồng/ constantan, theo cách này hai tiếp giáp được tạo thành. Một tiếp giáp được giữ tại nhiệt độ tham chiếu, trong khi tiếp giáp còn lại được gắn tới vật được đo. Hệ thống được sử dụng khi hở mạch tại một điểm nào đó và điện áp sinh ra được đo. Ngược lại, ta tưởng tượng có một năng lượng điện được đặt vào một cặp tiếp giáp trên cố định làm cho một tiếp giáp trở nên lạnh trong khi tiếp giáp còn lại trở nên nóng [11]. Hình 2.7: Mặt cắt của bộ làm lạnh nhiệt điện điển hình Cặp làm lạnh nhiệt điện (Hình 2.7) được làm từ hai thành phần bán dẫn, cơ bản là Bismuth Telluride, được pha tạp mạnh để tạo ra hoặc là thừa điện tử (loại n) hoặc là thiếu điện tử (loại p). Nhiệt hấp thu tại mặt lạnh được bơm tới mặt nóng tại một tốc độ tương ứng với dòng qua mạch và số cặp nhiệt điện. Như vậy, thiết bị làm lạnh nhiệt điện là dựa trên hiệu ứng Peltier, mà sự chênh lệch nhiệt độ Δ ௠ܶ௔௫ được tạo ra giữa những bề mặt của những vật liệu khác nhau cấu thành nên một pin Peltier khi một dòng điện Imax chạy qua chúng. Thêm vào đó, nếu tồn tại một vật tỏa nhiệt đặt trên mặt lạnh của pin Peltier có công suất nhiệt Pth, công 25 Luận văn thạc sỹ Nguyễn Thị Ngoan suất nhiệt này sẽ được chuyển tới mặt nóng của pin Peltier. Quá trình này kèm theo sự giảm chênh lệch nhiệt độ tới Δܶ < Δ ௠ܶ௔௫. Kết hợp n pin Peltier bằng cách kết nối chúng nối tiếp về điện và song song về nhiệt, ta sẽ thu được một module peltier hoặc bộ làm lạnh nhiệt điện (TEC), module peltier này có thể truyền công suất nhiệt nhiều hơn n lần so với pin peltier đơn tại cùng một chênh lệch nhiệt độ. Điều kiện Δܶ = 0 tại dòng hoạt động của pin Peltier I=Imax được định nghĩa là công suất nhiệt lớn nhất Pth,max mà có thể được hấp thụ tại mặt lạnh của module peltier Ngược lại với chất dẫn nhiệt tự nhiên, hướng của dòng nhiệt bên ngoài qua module Peltier là song song với gradien nhiệt được tạo ra trong điều kiện Pth<Pth,max. Trong điều kiện này hoạt động thuận lợi này của TEC, trở kháng nhiệt của module Peltier là âm[3]: ܴ௧௛,௉೐ = − Δܶ ௧ܲ௛ (2.4) Do đó, việc đưa thêm vào module Peltier trong đường dẫn nhiệt của một hệ thống dẫn lạnh, trở kháng nhiệt có thể được giảm xuống đáng kể. Ví dụ của một hệ thống làm lạnh tăng cường như trên hình 2.8. Mặc dù nhiệt độ xung quang là 30oC, laser có thể vẫn hoạt động tại 55oC. Nếu không có sự hỗ trợ của TEC, nhiệt độ xung quanh phải thấp hơn 10oC. Một thuận lợi thứ hai của một TEC là nó có thể điều chỉnh được. Cảm biến nhiệt độ ghi lại nhiệt độ của laser diode trên đế tản nhiệt, giá trị điện thế trên cảm biến có thể được sử dụng như tín hiệu đầu vào của bộ điều khiển nhằm điều chỉnh dòng qua pin Peltier để thiết lập nhiệt độ laser mong muốn. Hình 2.8: Hệ thống làm lạnh bằng thiết bị nhiệt điên Peltier 26 Luận văn thạc sỹ Nguyễn Thị Ngoan Sự chênh lệch nhiệt độ đạt được giữa mặt nóng và mặt lạnh của Peltier module có thể được xác định từ các thông số của linh kiện TEC với dạng tổng quát như sau [3]: Δܶ = 1 − ݂( ܫܫ௠௔௫) ݃( ܫܫ௠௔௫) Δ ௠ܶ௔௫ ௧ܲ௛௧ܲ௛,௠௔௫ (2.5) f, g là hàm của I/Imax phụ thuộc vào hệ số chất lượng nhiệt điện bên trong. Ví dụ, tại I=Imax thì f=0 và g=1. Trong khi sự chênh lệch nhiệt độ được cố định cho mỗi cấu hình bộ làm lạnh TEC cho sẵn, thì nhiệt độ của mặt nóng TH và mặt lạnh Tc là không cố định. Những nhiệt độ này phụ thuộc rất nhạy vào trở kháng nhiệt mặt nóng của hệ thống, bởi vì tại mặt nóng của module Peltier cả công suất nhiệt Pth của laser diode và công suất điện toàn bộ PPe của TEC cần được tiêu tán. Vì công suất nhiệt có thể vận chuyển hay tiêu tán lớn nhất Pth,max tỉ lệ thuận với số module Peltier N và điện trở nhiệt mặt nóng giảm xuống khoảng 1/N nên công suất nhiệt lớn của laser có thể được tiêu tán bằng cách tăng số module Peltier. Trên hình 2.8 là cấu trúc của một bộ ổn định nhiệt độ sử dụng module peltier với sự thông gió hỗ trợ bằng quạt điện. Nhiệt độ và điện trở nhiệt của từng phần bộ ổn định nhiệt độ cũng được chỉ ra trên hình vẽ [3]. 2.2.2 Bộ điều khiển nhiệt độ cho pin peltier Bộ điều khiển nhiệt độ TEC là rất quan trọng để đảm bảo một nhiệt độ ổn định cho laser bán dẫn công suất cao hoạt động. Có rất nhiều hãng điện tử nổi tiếng trên thế giới đã đưa ra các sản phẩm về bộ điều khiển TEC có độ chính xác và độ ổn định cao. Ở phần này, chúng tôi xin trình bày một trong số nhiều phương pháp chế tạo bộ điều khiển nhiệt độ TEC. Điện trở có hệ số nhiệt âm NTC (negative temperature coeficient) là linh kiện cảm biến nhiệt độ có điện trở giảm khi nhiệt độ tăng. Khi được sử dụng trong bộ điều khiển nhiệt độ không đổi, một NTC có thể cung cấp độ nhạy cao thậm chí khi được phân cực tại điện áp rất thấp. Để cho phép đáp ứng tới bất kì sự biến đổi nào của điện áp nguồn nuôi, thiết kế mạch điều khiển nhiệt độ phải bao gồm 2 đường hồi tiếp song song (hình 2.9). Một bản gốm phẳng của TEC được đặt gần tiếp xúc nhiệt với đối tượng (trong trường hợp này là laser bán dẫn), và một mặt gốm khác cho phép nhiệt truyền tới môi trường xung quang. Sự truyền nhiệt này không nên bị cản trở và nếu cần thiết (khi gặp mức công suất nhiệt cao) nó cần được hỗ trợ bởi một quạt gió. Bởi vì sự rò rỉ nhiệt tại một mức 27 Luận văn thạc sỹ Nguyễn Thị Ngoan liên tục nào đó là không thể tránh khỏi, một lượng công suất điện tương ứng là cần thiết để bù cho sự rò rỉ để tạo trạng thái cân bằng [13]. Hình 2.9: Bộ điều khiển nhiệt độ pin nhiệt điện Để làm nhỏ nhất sự sai số liên quan tới sự chênh lệch cục bộ về nhiệt độ, cảm biến nhiệt độ nên được đặt gần nhất với đối tượng. Ở đây, nhiệt độ đo được và nhiệt độ mong muốn được so sánh bên trong một cầu Wheatstone. Bộ khuếch đại A không chỉ khuếch đại tín hiệu sai lệch đầu vào mà còn cung cấp tần số, pha và sự hiểu chỉnh độ khuếch đại cần thiết để ổn định vòng kín bên ngoài. Tại bất kì thời điểm nào, nó cấp cho vòng bên trong một giá trị của dòng qua TEC được yêu cầu để đạt được nhiệt độ phù hợp. Vòng bên trong điều chỉnh dòng trong TEC, dòng Imong muốn và dòng Iđo được được đưa vào bộ khuếch đại B. Bộ khuếch đại B sẽ đưa ra tín hiệu điều khiển bộ điều khiển độ rộng xung PWM (Pulse Width Modulation) trên cơ sở tín hiệu đầu vào. Bộ điều khiển PWM là trái tim của cả hệ thống, trong mạch này sử dụng IC MAX1637 của hãng Maxim. Tín hiệu lối ra là xung vuông có thể đổi độ rộng xung tùy thuộc vào tín hiệu đầu vào. Tín hiệu DH và DL là hai tín hiệu lối ra của bộ PWM có cực tính ngược nhau được đưa tới mạch cầu công suất H. Tín hiệu DH và DL điều khiển mạch cầu H để tạo ra dòng một chiều chạy qua TEC. Chiều dòng điện chạy qua TEC sẽ quyết định làm nóng hay làm lạnh đối tượng cần ổn định nhiệt độ. Như vậy, trong chương này chúng tôi đã tìm hiểu được những khái niệm cơ bản, những yếu tố ảnh hưởng tới nguồn cấp dòng và những mạch điện cơ sở của nguồn cấp dòng cho laser bán dẫn công suất cao. Đồng thời, chúng tôi cũng đưa ra nguyên lý làm việc cơ bản của pin nhiệt điện peltier và sơ đồ tổng quát của mạch điện điều khiển nhiệt độ pin peltier. 28 Luận văn thạc sỹ Nguyễn Thị Ngoan CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CHẾ TẠO NGUỒN CẤP DÒNG VÀ BỘ ỔN ĐỊNH NHIỆT ĐỘ CHO LASER BÁN DẪN CÔNG SUẤT CAO 3.1 Thiết kế chế tạo nguồn phát xung cấp dòng cho laser bán dẫn công suất cao Như đã trình bày trong mục 2.1, nguồn phát xung có nhiều ưu điểm như giảm đáng kể lượng nhiệt tạo ra trong quá trình hoạt động của laser do hoạt động ở chế độ xung và thời gian sống của linh kiện cũng tăng lên đáng kểChế tạo nguồn phát xung cấp dòng cho laser bán dẫn là rất cần thiết trong một số ứng dụng như sử dụng laser bán dẫn trong viễn thông, LIDAR, chụp ảnh tốc độ cao, đo khoảng cáchĐể nhận được xung quang cực ngắn với chất lượng cao, laser bán dẫn cần được điều khiển bởi xung điện cực hẹp. Ảnh hưởng của nguồn điều khiển hay nguồn xung nuôi laser bán dẫn lên đặc trưng quang lối ra là rất quan trọng. Trong những năm gần đây,người ta tập trung vào các khía cạnh như điều khiển tốc độ cao, dòng xung đỉnh cao, độ ổn định cao, nhiều mạch điện tử được phát triển trong công nghệ điều khiển laser, đặc biệt là trong nguồn dòng xung có đỉnh cao và hẹp. Chúng