Đây là sơ đồ nguồn dòng được điều khiển bởi điện áp. Xung vuông từ lối ra
của IC1, sau khi qua các tầng khuếch đại, chỉnh sửa dạng xung gồm IC2, IC3, IC4, Q1 và Q2, sẽ được đưa đến các cổng của Transitor trường Q3, Q4, Q5, Q6. Dòng tải (dịng ni laser bán dẫn) là dòng cực nguồn của các transitor cơng suất này. Dịng này tỷ lệ với
13
R Vin
. Điện áp Vin có thể điều chỉnh được nhờ biến trở VR1. Do vậy, chúng ta có thể điều chỉnh được dịng ni laser bán dẫn nhờ điều chỉnh biến
Các transitor trường được sử dụng là IRFP260N của hãng International
Rectifier có thơng số kỹ thuật chính được mơ tả trong bảng 3.7. Bảng 3.7: Thông số kỹ thuật của IRFP260N
Thông số Ký hiệu Min Typ. Max Đơn vị
Dòng Source liên tục IS - - 50 A Dòng Source xung ISM - - 200 A
Điện áp phân cực thuận VSD - - 1,3 V
Thời gian phục hồi Trr - 268 402 ns Trong sơ đồ trên, chúng tơi cịn bố trí thêm một mạch phản hồi thơng qua
khuếch đại thuật tốn IC5. Nhờ đó, nguồn dịng ni laser bán dẫn được giữ ổn định. Khuếch đại thuật toán đã sử dụng là LM358 của hãng Motorola.
Hình ảnh của bo mạch được mơ tả trên hình 3.25.
Hình 3. 25: Nguồn dịng DC ni laser bán dẫn cơng suất cao
• Kiểm tra bo mạch:
Sau khi chế tạo xong bo mạch, chúng tôi đã tiến hành đánh giá, kiểm tra chất lượng bo mạch theo sơ đồ mơ tả trong hình 3.26.
Vcc Lối ra Multimeter Tải N Vin guồn dịng
Hình 3. 26: Sơ đồ kiểm tra, đánh giá chất lượng nguồn dịng ni laser bán dẫn Dịng qua tải có thể thay đổi được nhờ điều chỉnh biến trở VR1 trong sơ đồ Dịng qua tải có thể thay đổi được nhờ điều chỉnh biến trở VR1 trong sơ đồ mô tả trên hình 3.24.
Dịng điện qua tải được xác định bởi đồng hồ vạn năng SanWa PC510A
(hình 3.27).
Hình 3. 27: Xác định dịng ni mơ đun laser bán dẫn
Do mô đun laser bán đẫn có thể làm việc trong hai chế độ: chế độ liên tục và chế độ xung nên chúng tôi đã khảo sát nguồn dòng tương ứng với hai chế độ này.
Trong chế độ liên tục, chúng tôi đã điều chỉnh chiết áp sao cho dòng điện
qua tải thay đổi theo từng bước 200 mA và theo dõi độ ổn định của dòng điện trong khoảng 15 phút cho mỗi lần đo. Sau khi khảo sát chúng tôi thấy, nguồn dòng cho phép làm việc với dòng tối đa 20A, độ ổn định trung bình là ± 5mA.
của Hãng Tektronix. Để đánh giá mức độ thay đổi xung trước và sau khi có tải,
chúng tơi đã đo thơng số kỹ thuật của tín hiệu xung trước khi đưa đến mạch điều
chế laser và tín hiệu khi có tải (hình 3.28).
a)
b) Hình 3. 28: Thơng số kỹ thuật của xung vuông điều chế laser bán dẫn a) Thơng số kỹ thuật của tín hiệu xung khi chưa bị điều chế
b) Thông số kỹ thuật của tín hiệu xung sau khi điều chế
Nhìn vào hình 3.28 chúng ta thấy, độ rộng sườn xung đã thay đổi sau khi điều chế laser bán dẫn. Nếu trước khi điều chế, độ rộng sườn lên và sườn xuống lần
là 5 μs và 5,3 μs. Có sự thay đổi này chủ yếu là do chúng ta đã sử dụng khuếch đại thuật toán LM358 nên tần số làm việc 10kHz nằm trên đoạn đi xuống của đáp ứng tần số. Do vậy, độ rộng của cả sườn lên và sườn xuống đã bị tăng lên đáng kể. Lý do thứ hai là ảnh hưởng của mạch điều chế gồm các transitor trường và tải. Để
khắc phục hạn chế này, chúng ta có thể thay thế LM358 bằng khuếch đại thuật tốn khác có tần số cắt cao hơn.
Để đánh ảnh hưởng của tải đối với tín hiệu điều chế, chúng tơi đã khảo sát
các trường hợp khi thay đổi tải với các mức tín hiệu điều chế khác nhau. Tại mỗi mức tín hiệu điều chế Vp-p, tải lần lượt thay đổi các giá trị R1 = 1,00 Ω, R2 = 0,33
Ω, R3 = 0,17 Ω, R4 = 0,11 Ω, R5 = 0,08 Ω và R6 = 0,06 Ω (các giá trị điện trở này được xác lập từ việc mắc song song các trở 1 Ω và 0,33 Ω với nhau). Bảng 3.8 liệt
kê các kết quả đo đạc.
Bảng 3.8: Ảnh hưởng của tải lên mức tín hiệu điều chế
R Vp-p = 10 V Vp-p = 8 V Vp-p = 6 V R1 Mức cao: 4,80 V Mức thấp: 0,64 V Mức cao: 4,80 V Mức thấp: 0,64 V Mức cao: 4,80 V Mức thấp: 0,56 V R2 Mức cao: 4,80 V Mức thấp: 1,24 V Mức cao: 4,80 V Mức thấp: 1,26 V Mức cao: 4,80 V Mức thấp: 1,50 V R3 Mức cao: 4,80 V Mức thấp: 1,78 V Mức cao: 4,80 V Mức thấp: 1,84V Mức cao: 4,80 V Mức thấp: 2,50 V R4 Mức cao: 4,80 V Mức thấp: 2,12 V Mức cao: 4,80 V Mức thấp: 2,14 V Mức cao: 4,80 V Mức thấp: 2,94 V R5 Mức cao: 4,80 V Mức thấp: 2,26 V Mức cao: 4,80 V Mức thấp: 2,30 V Mức cao: 4,80 V Mức thấp: 3,16 V R6 Mức cao: 4,80 V Mức thấp: 2,38 V Mức cao: 4,80 V Mức thấp: 2,42 V Mức cao: 4,80 V Mức thấp: 3,32 V Nhìn vào bảng 3.8 chúng ta thấy, mặc dù thay đổi giá trị của trở tải hoặc mức tín hiệu điều chế nhưng điện áp mức cao vẫn không đổi và có giá trị xấp sỉ
mức nguồn ni laser bán dẫn (điện áp nuôi laser bán dẫn là 5 VDC). Trong khi đó,
điện áp mức thấp thay đổi nhiều theo giá trị của tải và mức tín hiệu điều chế lối
vào. Ảnh hưởng trên được thể hiện qua hình 3.39.
ẢNH HƯỞNG CỦA TẢI LÊN MỨC TÍN HIỆU ĐIỀU CHẾ
0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 Trở tải (Ohm) Đ i ệ n á p m ứ c t h ấ p (V o ltag e) V = 10V V = 8V V = 6V
Hình 3. 29: Ảnh hưởng của trở tải lên mức tín hiệu điều chế
Nhìn vào hình 3.29 chúng ta nhận thấy khi mức tín hiệu điều chế càng cao thì mức thấp của tín hiệu càng thay đổi theo trở tải. Ngoài ra, mức thấp càng ổn
định theo mức tín hiệu điều chế khi trở tải càng lớn.
3.4. Chế tạo nguồn điều khiển Peltier Cooler
Nhiệt độ ảnh hưởng nhiều tới hoạt động của laser bán dẫn. Để đảm bảo
laser bán dẫn có thể hoạt động tốt thì việc làm mát cho laser trong quá trình
laser hoạt động là một việc quan trọng. Để làm mát, chúng tôi đã sử dụng Peltier
kết hợp với sensor nhiệt. Mặt lạnh của Peltier tiếp xúc với mô đun laser. Loại Peltier chúng tôi sử dụng có thơng số kỹ thuật được mơ tả trong bảng 3.9.
Bảng 3.9: Thông số kỹ thuật của Peltier Cooler
Thông số Giá trị Đơn vị
Điện áp lớn nhất 7,5 V
Dịng ni 2 – 12 A
Công suất làm mát 10 – 50 W Chênh lệch nhiệt độ 67 0C
Loại sensor nhiệt đã sử dụng là sensor nhiệt NTC có điện trở là 10k ở 250C. Hình 3.30 mơ tả sơ đồ nguyên lý của nguồn điều khiển Peltier.
Hình 3. 30: Sơ đồ nguyên lý bộ điều khiển cấp dịng cho Peltier Cooler Trong q trình làm việc, nhiệt độ của mơ đun laser có thể thay đổi. Sự thay Trong quá trình làm việc, nhiệt độ của mơ đun laser có thể thay đổi. Sự thay
đổi nhiệt độ của mô đun laser được sensor nhiệt nhận biết. Điện áp trên sensor nhiệt
thay đổi, làm thay đổi điện áp điều khiển các MOSFET công suất. Trong sơ đồ trên, chúng tôi sử dụng 04 MOSFET công suất, được mắc thành 02 cặp: Q4 và Q7; Q5 và Q6 sao cho khi Q4 và Q7 thơng thì Q5 và Q6 cấm và ngược lại. Nhờ đó, dịng đi qua Peltier sẽ đổi chiều tùy thuộc vào điện áp điều khiển trên Emiter của Q1.
Giả sử trong quá trình hoạt động, nhiệt độ của mô đun laser tăng lên, làm cho
điện áp lối ra của các bộ khuếch đại thuật toán và điện áp Emiter của Q1 ở mức cao.
Kết quả là cặp Q5 và Q6 thông, cặp Q4 và Q7 cấm. Dòng điện sẽ đi qua Q6, qua Peltier và qua Q5. Do mặt lạnh của Peltier được tiếp xúc tốt với mô đun laser nên nhiệt độ của mô đun laser giảm đi. Ngược lại, nếu vì một lý do nào đó, nhiệt độ của mơ đun laser giảm đi, làm điện áp của các bộ khuếch đại thuật toán ở mức thấp, dẫn
đến cặp Q4 và Q7 thông, Q5 và Q6 cấm. Dòng điện Dòng điện sẽ đi qua Q4, qua
đầu. Do vậy, mặt lạnh trước kia lại trở thành mặt nóng. Kết quả là mơ đun laser được làm ấm lên.
Hình 3.31 mơ tả hình ảnh bo mạch điều khiển cấp nguồn cho Peltier Cooler.
Hình 3. 31: Bộ điều khiển cấp dịng cho Peltier Cooler
Nhiệt độ làm việc của mô đun laser được thiết lập khi điều chỉnh biến trở
VR1.
Để kiểm tra quá trình hoạt động của bộ điều khiển cấp dòng cho Peltier
Cooler, chúng tôi đã điều chỉnh biến trở VR1 để thay đổi điện áp so sánh, qua đó
thay đổi ngưỡng nhiệt độ điều khiển. Sensor nhiệt được đặt trong môi trường có thể thay đổi nhiệt độ. Tùy theo nhiệt độ môi trường, bộ điều khiển sẽ tự động cấp
nguồn theo hai chiều để duy trì mức nhiệt độ đặt trước.
Hình 3.32 biểu diễn một số hình ảnh thực tế trong quá trình điều khiển nhiệt
Hình 3.32: Hình ảnh thực tế trong quá trình điều khiển nhiệt độ Bảng 3.10 dưới đây liệt kê một số kết quả đo được. Bảng 3.10 dưới đây liệt kê một số kết quả đo được.
Bảng 3.10: Nhiệt độ điều khiển thay đổi theo mức điện áp so sánh
STT Điện áp so sánh (V) Nhiệt độ điều khiển (0C) STT Điện áp so sánh (V) Nhiệt độ điều khiển (0C) 1 1.80 45.00 5 2.80 25.00 2 2.00 40.00 6 3.10 20.00 3 2.20 35.00 7 3.40 15.00 4 2.50 30.00 8 3,7 10.00
Từ bảng số liệu 3.10, chúng ta có thể biểu diễn sự phụ thuộc giữa điện áp so sánh và nhiệt độ điều khiển như sau (hình 3.33)
ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ THEO ĐIỆN ÁP SO SÁNH
0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00 0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00 35.00 40.00 45.00 50.00 Nhiệt độ (0C) Đ i ệ n á p s o s ánh ( V ol ta ge )
3.5. Chế tạo bộ điều chế xung
Hiện nay trên thị trường có nhiều loại IC chuyên dụng cho phép điều chế xung PWM. Trong luận văn này, chúng tôi đã sử dụng IC LM555 của hãng Texas Instruments. IC LM555 được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực điều khiển. Nó có thể hoạt động ở nhiều chế độ khác nhau như:
• Chế độ tạo xung đơn (Monostable operation): IC tạo ra những xung đơn nhờ mắc thêm trở, tụ bên ngồi;
• Chế độ tạo dao động (Astable operation): IC tự động tạo xung triger và tự tạo xung đa hài. Độ rộng xung phụ thuộc vào trở, tụ mắc thêm bên ngồi;
• Làm việc với vai trò bộ chia tần (frequency divider): IC được sử dụng như một bộ chia tần số nhờ điều chỉnh độ dài chu kỳ xung;
• Chế độ điều chế độ rộng xung (Pulse width modulation): Khi đó, IC làm việc trong chế độ xung đơn và được giữ nhịp bởi một xung có thể điều chỉnh liên tục. Độ rộng của xung lối ra sẽ được điều chế theo tín hiệu bên ngồi;
• Chế độ điều chế vị trí xung (Pulse position modulation): IC được đấu như
trong sơ đồ tạo dao động (astable). Tín hiệu điều chế được đưa đến chân điều khiển điện áp của IC. Nhờ thay đổi điện áp và do đó thay đổi thời gian trễ, vị trí xung cũng bị thay đổi theo;
• Chế độ dao động với độ rộng xung 50% chu kỳ: IC tạo dao động có độ rộng xung bằng 50% chu kỳ. Độ rộng xung phụ thuộc vào các điện trở, tụ điện mắc thêm bên ngoài.
3.5.1. Sơ đồ nguyên lý
Trong luận văn này, chúng tôi đã thiết kế IC LM555 hoạt động trong chế độ
Hình 3. 34: LM555 trong chế độ dao động có độ rộng xung bằng 50% chu kỳ Thời gian xung ở mức cao t1 được tính theo cơng thức sau: Thời gian xung ở mức cao t1 được tính theo cơng thức sau:
C R
t2 =0,693.( A). (3.19) Thời gian xung ở mức thấp t2 được tính theo công thức sau:
( ) ( ) [ ] ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ − − + = A B A B B A B A R R R R C R R R R t 2 2 ln . / . 2 (3.20)
Chu kỳ dao động được tính theo cơng thức sau:
2 1 t t T = + (3.31) Tần số dao động sẽ là: T f = 1 (3.32)
Để tạo dao động tần số 10 kHz, chúng tôi đã lựa chọn các linh kiện với giá
trị như sau : RA = 30kΩ, RB = 20 kΩ, C = 100nF.
3.5.2. Đo đạc, kiểm tra chất lượng xung dao động
Hình ảnh thực tế của mạch dao động được mơ tả trên hình 3.34.
Sau khi chế tạo xong, chúng tôi đã tiến hành đo đạc các thông số kỹ thuật
của mạch dao động.
Mạch được cấp điện áp 12VDC. Dạng tín hiệu được quan sát trên
oscilloscope. Hình 3.36 mơ tả một số kết quả đo đạc được hiển thị trên màn hình.
Hình 3. 36: Dạng xung và thông số kỹ thuật của dao động 10 kHz
Các thông số kỹ thuật được hiển thị trên màn hình của oscilloscope cho thấy tần số dao động là 10kHz, xung có dạng xung vng với độ rộng xung là 50%, thời gian sườn lên và sườn xuống lần lượt là 89,15 ns và 28,92 ns.
KẾT LUẬN
Ngày nay, laser bán dẫn công suất cao đã được ứng dụng rộng khắp trên thế
giới nhờ có nhiều đặc điểm nổi trội hơn so với nhiều hệ laser khác như hiệu suất
chuyển đổi quang điện cao hơn; tuổi thọ cao hơn; kích thước gọn nhẹ hơn; yêu cầu về hệ thống làm mát đơn giản hơn; có ngưỡng dịng bơm thấp; có thể phát xạ trên nhiều dải sóng; dễ điều chế; cho phép hoạt động ở cả chế độ xung lẫn chế độ phát xạ liên tục, trong khi đó, vẫn đảm bảo độ tin cậy và chất lượng chùm tia.
Tại Việt Nam, laser bán dẫn cũng ngày càng trở nên phổ biến, đặc biệt trong lĩnh vực truyền thông (thông tin quang sợi, dẫn đường, đo xa bằng laser,…), trong
lĩnh vực y tế (thẩm mỹ, nội soi, quang châm, vật lý trị liệu, chăm sóc sắc đẹp,…), trong lĩnh vực cơng nghiệp (khắc, gia công vật liệu,…),….
Mặc dù công nghệ chế tạo chíp laser bán dẫn cơng suất cao đã đạt nhiều
thành tựu trong thời gian qua nhưng nhìn chung, cơng đoạn gia công mô đun laser bán dẫn công suất cao vẫn luôn là vấn đề thời sự.
Bên cạnh đó, để đảm bảo điều kiện cần thiết cho laser bán dẫn cơng suất cao hoạt động bình thường, việc duy trì nguồn bơm có dịng DC lớn, có độ tin cậy cao, việc giữ ổn định điểm làm việc và duy trì nhiệt độ làm việc trong khoảng cho phép là nhiệm vụ bắt buộc.
Trong luận văn này, chúng tôi đã chế tạo được 01 mô đun laser bán dẫn công suất cao; thiết kế, chế tạo nguồn cấp dịng cho mơ đun laser bán dẫn; thiết kế, chế tạo mạch phát xung, cho phép laser bán dẫn làm việc ở hai chế độ phát xạ liên tục và điều chế và thiết kế chế tạo mạch điều khiển và ổn định nhiệt độ làm việc của mô
đun laser bán dẫn. Sau đây là một số kết quả chính đã đạt được:
• Tìm hiểu một cách tổng quan về laser bán dẫn và công nghệ chế tạo laser bán dẫn công suất cao;
• Tìm hiểu về các cơ chế điều chế trực tiếp và điều chế gián tiếp laser bán dẫn;
• Chế tạo 01 mơ đun laser bán dẫn cơng suất cao từ chíp đơn với các cơng nghệ