Електронні компоненти і системи 
Параметри напівпровідникових лазерів у телекомунікаційних системах
Параметри напівпровідникових лазерів у телекомунікаційних системах, які використовуються в передавачах або застосовуються в оптичних підсилювачах як джерела енергії, суттєво залежать від температури навколишнього середовища. Це стосується насамперед довжини хвилі та вихідної потужності. Довжина хвилі кожного лазера повинна знаходитися в певному оптичному вікні, щоб оптичний демультиплексор міг відрізнити один лазерний промінь від іншого в одному світловоді. В ербієвих оптичних підсилювачах напівпровідниковий лазер використовується як лазер накачування. Крім того, пасивні оптичні компоненти, такі, наприклад, як фільтри або хвилеводи, також чутливі до зміни температури. Тому для стабілізації параметрів оптичних телекомунікаційних систем необхідно підтримувати температуру навколишнього середовища в заданому діапазоні.
Термоелектричні кулери на основі ефекту Пельтьє
Термоелектричний кулер на основі ефекту Пельтьє може забезпечувати нагрів і охолодження навколишнього середовища в телекомунікаційних системах. Порівняно з іншими пристроями пристрої на основі ефекту Пельтьє мають такі переваги: легко керують температурою навколишнього середовища в невеликих об’ємах, мають невеликі розміри, не мають рухомих компонентів, не випромінюють шумів і мають великий термін експлуатації. Постійна напруга прикладається до двох сторін такого кулера. Залежно від напрямку струму одна сторона кулера виділяє тепло, а інша — холод. Розміри кулера на основі ефекту Пельтьє становлять від 2×2×1.5 мм до 50×50×4 мм. Більшість кулерів на основі ефекту Пельтьє, які використовуються в оптичних системах телекомунікацій, мають розміри від 5×5×2 мм до 10×10×3 мм. Діапазон споживаної потужності кулера становить від 0.5 до 16 Вт, діапазони напруг знаходяться в межах від 1 до 5 В. В ідеальних Пельтьє-кулерах стабілізація температури може досягати 0.00001°С. В оптичних телекомунікаційних системах діапазон керування температурою може задаватися в межах ±0.02…0.1 °С, що визначається типом лазера і діапазоном довжин хвиль. Вимоги до стабілізації температури пасивних оптичних компонентів мають ширший температурний діапазон: від ±0.001 до ± 5 °С.
Структурна схема контролера термоелектричного кулера
На рис. 1 наведена структурна схема контролера для керування термоелектричним кулером. Температурний сенсор (Temperature Sensor) вимірює температуру на холодній стороні кулера.
Принцип роботи елементів контролера
Як правило, як чутливий елемент сенсора використовується термістор. Диференційний підсилювач (Difference Amplifier) порівнює напругу на вході термістора, що відповідає поточному значенню температури, з опорною напругою, що відповідає заданому значенню температури. Підсилена різницева напруга з виходу підсилювача надходить у вузол компенсації (Compensation Network), у якому враховується запізнення переносу тепла за фазою. Якщо виявиться, що виміряна температура нижча за задану, драйвер кулера на основі Н-моста (H-Bridge) забезпечить підвищення температури навколишнього середовища так, щоб вона стала рівною заданій. Зазначимо, що термістори, які використовуються в температурному сенсорі, мають часовий дрейф ± 0.1% на рік і похибку вимірювання ±1%. Для більш точного вимірювання температури можуть бути використані платинові термометри опору. Компанія Analog Devices випускає сімейство контролерів для керування термоелектричними кулерами типу: ADN8835, ADN8834 та ін. Функціональна схема контролера відповідає схемі, наведеній на рис. 1. До основних переваг контролера належать такі: виділення мінімально необхідного тепла для нагріву навколишнього простору, зменшення споживаної потужності кулера і, як правило, зниження температури навколишнього середовища, що підвищує надійність системи, зменшення розмірів системи керування завдяки відсутності додаткових тепловідводів.
Для оптимізації параметрів контролера необхідно, щоб він забезпечував високу температурну стабільність, високий ККД, мінімальні пульсації струму нагріву, мав зручний інтерфейс, малі розміри друкованої плати, підтримував функції моніторингу параметрів і забезпечував індикацію виявлених відмов. При цьому контролер повинен мати невисоку вартість. Забезпечення високого ККД досягається вибором відповідної частоти комутації, при цьому мінімізуються розміри індуктивності та конденсатора вихідного фільтра і, як наслідок, розміри друкованої плати. На рис. 2 наведена залежність розмірів друкованої плати контролера від частоти комутації.
Залежність ККД контролера від частоти комутації наведена на рис. 3. Для забезпечення високої точності та температурної стабільності параметрів контролер містить auto-zero підсилювач із напругою зміщення нуля 1 мкВ, який має високу температурну стабільність (Long-Term Stability) не гірше ± 0.01 °С. При зменшенні частоти комутації зростає рівень пульсацій, якщо при цьому параметри фільтра залишаються без змін. Для того, щоб рівень пульсацій не перевищував задану величину, при зменшенні частоти комутації слід збільшувати індуктивність і ємності вихідного фільтра, як показано на діаграмі (рис. 4).
Вплив корекційних ланцюгів та моніторинг
Введення ланцюгів корекції в контролер може призвести до зниження температурної стабільності. Тому при використанні зовнішніх ланцюгів корекції для підвищення швидкодії підсилювача слід враховувати їх вплив на температурну стабільність загалом. Температурні контролери можуть бути об’єднані в мультисистему, у якій синхронізуються частоти комутації кількох контролерів. У температурних контролерах передбачена функція моніторингу, що забезпечує відстеження заданої температурної похибки, максимальної величини струму, режиму увімкнення/вимкнення тощо. Крім того, передбачена індикація відмов або виходу параметрів контролера за задані межі.
Висновки
Розроблені компанією Analog Devices мікросхеми контролерів для термоелектричних кулерів на основі ефекту Пельтьє сімейства ADN 8830 забезпечують високий рівень стабілізації температури напівпровідникових лазерів і пасивних компонентів, що застосовуються в оптичних телекомунікаціях.
