ВЫСОКОКАЧЕСТВЕННЫЕ КОНТРОЛЛЕРЫ ДЛЯ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КУЛЕРОВ В СИСТЕМАХ ОПТИЧЕСКИХ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ

06.12.2022 |

Параметры полупроводниковых лазеров в телекоммуникационных системах, которые используются в передатчиках или применяются в оптических усилителях как источники энергии, существенно зависят от температуры окружающей среды. Это касается в первую очередь длины волны и выходной мощности. Длина волны каждого лазера должна находиться в определенном оптическом окне, чтобы оптический демультиплексор мог отличить один лазерный луч от другого в одном световоде. В эрбиевых оптических усилителях полупроводниковый лазер используется как лазер накачки. Кроме того, пассивные оптические компоненты, такие, например, как фильтры или волноводы, тоже чувствительны к изменению температуры. Поэтому для стабилизации параметров оптических телекоммуникационных систем необходимо поддерживать температуру окружающей среды в заданном диапазоне.
Термоэлектрический кулер на основе эффекта Пельтье может обеспечивать нагрев и охлаждение окружающей среды в телекоммуникационных системах. По сравнению с другими устройствами устройства на основе эффекта Пельтье имеют следующие преимущества: легко управляют температурой окружающей среды в небольших объемах, имеют небольшие размеры, не имеют подвижных компонентов, не излучают шумы и имеют большой срок эксплуатации. Постоянное напряжение прикладывается к двум сторонам такого кулера. В зависимости от направления тока одна сторона кулера вырабатывает тепло, а другая холод. Размеры кулера на основе эффекта Пельтье составляют от 2×2×1.5 мм до 50×50×4 мм. Большинство кулеров на основе эффекта Пельтье, которые используются в оптических системах телекоммуникаций, имеют размеры от 5×5×2 мм до 10×10×3 мм. Диапазон потребляемой мощности кулера составляет от 0.5 до 16 Вт, диапазоны напряжений находится в пределах от 1 до 5 В. В идеальных Пельтье-кулерах стабилизация температуры может достигать 0.00001°С. В оптических телекоммуникационных системах диапазон управления температурой может задаваться в пределах ±0.02…0.1 °С, что определяется типом лазера и диапазоном длин волн. Требования к стабилизации температуры пассивных оптических компонентов имеют более широкий температурный диапазон: от ±0.001 до ± 5 °С.
На рис. 1 приведена структурная схема контроллера для управления термоэлектрическим кулером. Температурный сенсор (Temperature Sensor) измеряет температуру на холодной стороне кулера.

Рис. 1. Функциональная схема контроллера для термоэлектрического кулера

Как правило, в качестве чувствительного элемента сенсора используется термистор. Дифференциальный усилитель (Difference Amplifier) сравнивает напряжение на входе термистора, соответствующее текущему значению температуры, с опорным напряжением, соответствующим заданному значению температуры. Усиленное разностное напряжение с выхода усилителя поступает в узел компенсации (Compensation Network), в котором учитывается запаздывание переноса тепла по фазе. Если окажется, что измеренная температура ниже заданной, драйвер кулера на основе Н-моста (H-Bridge) обеспечит увеличение температуры окружающей среды так, чтобы она стала равной заданной. Отметим, что термисторы, используемые в температурном сенсоре, имеют временной дрейф ± 0.1% в год и погрешность измерения ±1%. Для более точного измерения температуры могут быть использованы платиновые термометры сопротивления. Компания Analog Devices выпускает семейство контроллеров для управления термоэлектрическими кулерами типа: ADN8835, ADN8834 и др. Функциональная схема контроллера соответствует схеме, приведенной на рис. 1. К основным преимуществам контроллера относятся следующие: выделение минимально необходимого тепла для нагрева окружающего пространства, уменьшение мощности потребления кулера и, как правило, снижение температуры окружающей среды, что повышает надежность системы, уменьшение размеров системы управления связи с отсутствием дополнительных теплоотводов.

Рис. 2. Зависимость размеров печатной платы
контроллера от частоты коммутации

Для оптимизации параметров контроллера необходимо, чтобы он обеспечивал высокую температурную стабильность, высокий КПД, минимальные пульсации тока нагрева, имел дружественный интерфейс, малые размеры печатной платы, поддерживал функции мониторинга параметров и обеспечивал индикацию обнаруженных отказов. При этом контроллер должен иметь невысокую стоимость. Обеспечение высокого КПД достигается выбором соответствующей частоты коммутации, при этом минимизируются размеры индуктивности и конденсатора выходного фильтра и, как следствие, размеры печатной платы. На рис. 2 приведена зависимость размеров печатной платы контроллера от частоты коммутации.

Рис. 3. Зависимость КПД контроллера
от частоты коммутации

Зависимость КПД контроллера от частоты коммутации приведена на рис. 3. Для обеспечения высокой точности и температурной стабильности параметров контроллер содержит auto-zero усилитель с напряжением смещения нуля 1 мкВ, который имеет высокую, температурную стабильность (Long-Term Stability) не хуже ± 0.01 °С. При уменьшении частоты коммутации растет уровень пульсаций, если при этом параметры фильтра остаются без изменения. Для того, чтобы уровень пульсаций не превышал заданную величину, при уменьшении частоты коммутации следует увеличивать индуктивность и емкости выходного фильтра, как показано на диаграмме (рис. 4).

Рис. 4. Зависимость индуктивности и емкости фильтра от частоты коммутации при заданном уровне пульсаций тока контроллера

Введение цепей коррекции в контроллер может привести к снижению температурной стабильности. Поэтому при использовании внешних цепей коррекции для повышения быстродействия усилителя следует учитывать их влияние на температурную стабильность в целом.

Температурные контроллеры могут быть объединены в мультисистему, в которой синхронизируется частоты коммутации нескольких контроллеров. В температурных контроллерах предусмотрена функция мониторинга, обеспечивающая слежение за заданной температурной погрешностью, максимальной величиной тока, режимом включения/выключения и т.д. Кроме того, предусмотрена индикация отказов или выхода параметров контроллера за заданные границы.

ВЫВОДЫ

Разработанные компанией Analog Devices микросхемы контроллеров для термоэлектрических кулеров на основе Эффекта Пельтье семейство ADN 8830 обеспечивают высокий уровень стабилизации температуры полупроводниковых лазеров и пассивных компонентов, применяемых в оптических телекоммуникациях.