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如何设计一个重复频率为1Hz,脉宽为20ms的脉冲半导体激光二极管驱动电路?

作者:五金加工
文章来源:本站

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  在设计之前首先要理解频率、脉宽的含义,还要知道半导体激光二极管的工作电压、电流要求。半导体激光二极管工作电流一般是几十毫安到几百毫安不等,使用三极管驱动即可。

  频率指每秒钟复重的次数,假如1秒种出现一次,那么频率就是1Hz,比如我们平常用的交流电为50Hz,那么意味着每秒出现50次重复的变化。

  周期指每一次变化所占用的时间,比如一个方波,它的高电平为20ms,低电平为80m,那么它的周期就是20ms+80ms=100ms了。

  脉宽指一个周期内,有效状态所占的时间,比如一个方波高电平为20ms,低电平为80ms,高电平为有效的工作状态,那么认为脉宽为20ms,如果利用低电平为有效的工作状态,那么就认为脉宽为80ms。

  占空比指有效状态与整个周期的比例,比如一个方波高电平为20ms,低电平为80ms,高电平为有效的工作状态,那么占空比=20/(20+80)=20%。

  因为需要用周期性的方波来控制激光二极管通断,利用单片机(MCU)产生PWM信号驱动三极管控制激光二极管的开和关是最简单的了,可以做到非常准确,如果时间精度要求不高,使用单片机内部的晶振就可以了,如果时间精度要求较高,可以使用外部晶振哦。

  只要选用一款带PWM输出的单片机即可,如果有需要还可以设计为频率可调,占空比可调,增加两个可调电阻作为调节控制。

  如果单片机没有PWM输出功能,也可以通过单片机的定时器计时,然后根据时间用GPIO模拟输出需要的方波就可以了。

  当然,使用单片机需要有一定的编程基础。

  使用时基集成芯片555来设计一个方波信号发生器,然后就推动三极管控制激光二极管的开关,也可以实现题主的要求哦。通过设置适当的电阻和电容来控制电容的充电和放电的时间就可以了,当然这种方法的时间精确度就会差很多了,便设计方便、简单,也不需要编程。

  充电时间计算:电阻RA和二极管D1对电容C进行充电,T充=0.7*RA*C

  放电时间计算:电阻RB和二极管DB对电容C进行放电,T放=0.7*RB*C

  当电路通电后,振荡器就会起振,电容C上的电压因为不能突变,时基集成芯片2脚起始是低电平,第3脚呈现为高电平,电容C通过电阻RA和二极管D1进行充电,当电容C充电到2/3Vdd电压后,时基集成芯片555就会复位,第3脚呈现为低电平状态,电容C通过电阻RB和二极管DB和555内部放电管进行放电。

  不知道大家更偏好于那种方法呢?

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  对于这样一个问题我来给出制作这种电路的方案,首先我们对题目重新审视一下,题目要求重复输出频率为1HZ,也就是周期为1秒。脉宽是20毫秒也就是脉冲的占空比为2%,因此在1秒的周期中高电平只持续20毫秒、低电平持续980毫秒的脉冲。

  单片机完成脉冲的输出是它的“强项”,因为在单片机内部有一种特殊寄存器可以用来进行“计数”或者“计时”,我们只要在这个寄存器中简单设置一下初始值就可以完成。这种控制的思路就好比用单片机实现PWM波形来对直流电机进行调速的思路是一样的,在程序编写时设置一个“标志位”即可,通过不停检测“标志位”状态对电平不停地翻转就会在单片机的I/O口输出我们想要的高低电平脉冲。这个脉冲通过单片机的外设驱动就可以驱动激光二极管。因此利用单片机产生周期为1秒的方波,其中高脉冲为20毫秒、低电平为980毫秒是很容易实现的。并且在程序中只要改变脉宽的计数值会很容易对脉宽进行的调节。单片机外围驱动激光二极管是非常简单的,电路图如下图所示。

  用NE555模数混合芯片也可以实现脉冲的输出,在下面的电路中电阻R1、R2、RP1、RP2、C1组成了一个频率可调的脉冲电路。在电路中输出的方波频率是由R1、 R2 、RP1、RP2、C1决定的,在电路中我们只需调节RP2就可以达到我们所需的要求。

  以上两种电路都可以对半导体激光二极管进行控制驱动,半导体激光二极管由于所消耗的功率低大约为2毫瓦,因此在驱动电路上不需要太高的电压。

  以上就是我对这个问题的回答,欢迎朋友们参与讨论。敬请关注电子及工控技术,欢迎大家转载、点赞!

  从你提问上看不出你使用激光器的具体参数,只能知道是脉冲式的;当然你说的频率1Hz,脉宽20ms时可用设计的;

  以前设计过一款脉冲式的半导体激光器驱动,你可用参考;

  具体激光器参数见下图:

  从上面图可用看出,这款激光工作时峰值功率比较大50W,但是它的脉冲宽度非常小只有200ns,占空比为0.1%,频率为5KHz,也就是说其脉冲能量是10uJ,平均功率为10uJx5KHz=50mW;所有虽然看起来峰值工功率大,实际使用时的平均功率还是比较小的。

  设计时最主要考虑的是,高电压(几十伏特),大功率,大电流,短脉冲;这种激光器封装比较小,大部分用在便携式设备上;这就要使用锂电池供电了;

  1. 高电压

  锂电池是3.7V电压,这离几十伏还差很远,最初考虑使用普通的升压IC,结果发现效果不好,比较升压IC电压最高也就二十几伏特,而且IC对输出电流有限制,结论是,虽然能驱动,但是效果不好,这个IC容易损坏;

  改进方案,就是采用原始的升压方式:

  其中,V+是锂电池输入,L5是储能电感,PW0开关频率(4KHz),Q1临时使用的开关管,D4是1N4007二极管;通过这个电路后,输出电压大约是在几十伏特,要注意的是,这个电压随着激光器点亮,会有变化;

  2. 短脉冲

  原始200ns,肯定是要单片机输出,这里对单片机的晶振要求高,内部有倍频的话最好,比如25M晶振,加上内部倍频可以达到百兆以上;

  3. 激光器驱动电路

  V0是锂电池升压后的电压,LASER时激光器;Q5:NCE0110K NMOS管,VDS=100V,Id=9.6A,Idm=58A;VGS=1.8V; PB5是脉冲输入;

  驱动电路尽量不要是用电容,200ns对电容很敏感,会影响波形;

  4. 示波器监测

  激光器上的电流(激光器串0.15欧电阻),测电阻上的电压变化:

  波形峰值5V,宽度约250ns左右,可以算出,激光器工作峰值电流约5V/0.15Ω=33A。因为这个激光器时不可见光,肉眼很难看到,我们可以用手机摄像头来看,就很容易看到点亮时的光,激光器点亮会发出“滋滋”的声音;

  设计脉冲激光器驱动电路,其实不难,器件选好,一步一步去调试,还是可以成功的调试时还是要注意点,激光器很容易烧坏,希望对你有用。

  用PWM啊,看我专题

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如何设计一个重复频率为1Hz,脉宽为20ms的脉冲半导体激光二极管驱动电路?

  

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