بخشی از مقاله
آناليز عددي خنک سازي ليزر ديود با استفاده از ترموالکتريک و طراحي و سـاخت راه انـداز کنترل کننده دما مبتني بر المان TEC
چکيده
به دليل وابستگي ليزر ديودها به دما جهت عملکرد صحيح ، مشخصه هاي حرارتي ليزر ديودها بايد به طور دقيـق تحليـل شود. انبساط حرارتي ليزر ديود باعث تغييراتي در شکل پرتو مي شود که منجر به بروز مشکلاتي در رابطه با انتقـال پرتـو مي گردد. استفاده از TEC يکي از روشهايي ست که جهت کنترل دما بويژه در مورد ليزر ديودها به کار مـي رود. در ايـن مقاله طراحي و ساخت راه انداز کنترل کننده دما مبتني بر المان TEC بررسي مي شود. سپس آناليز انتقال حرارتي بـين ليزر ديود و TEC ارايه مي شود. و در پايان نيز اساس کنترل ترموالکتريک به همراه مدار کنترلـي بيـان مـي شـود. مـدار کنترل PI با توجه به دماي مطلوب و تعيين شده توسط کاربر، سيگنال هاي کنترلي را توليد ميکند. اين سيگنال ها پـس از اصلاح خطاي ماندگار به منظور افزايش سرعت پاسخ دهي سيستم بافر شده و به المان TEC وارد ميشوند.
مقدمه
گسترش سريع صنعت مخابرات براي انتقال اطلاعات نيازمند فناوري پيشرفته با سرعت بيشتر و ظرفيت بزرگتر مي باشد.
مخابرات نوري يکي از راه هايي ست که در ارتباط با الزامات و فناوري هاي مربوطه به طور گسترده ، توسعه يافته است . در اين راستا تکنولوژي صنعتي مرتبط با ليزر ديود مورد توجه محققين قرار گرفته و طي چند سال اخير ليزرهاي ديودي به توانايي خروجي بالاتر، ابعاد کوچکتر با کارايي بيشتر و اعتمادپذيري بيشتر دست يافته اند. ليزر ديودها ادوات نيمه هادي هستند که جهت توليد تابش همدوس ، فيدبک تقويت کننده اپتيکي را به يک نوسانگر تبديل مي کنند. در هنگام عملکرد ليزر ديود به دليل تبديل انرژي الکتريکي به انرژي نوري، مقداري گرما منتشر شده ، لذا انبساط حرارتي باعث تغييراتي در شکل پرتو مي شود که منجر به بروز مشکلاتي در رابطه با انتقال پرتو مي گردد. پاسخ فرکانسي و طول عمر اين ادوات به دماي آنها وابسته است . بنابراين جهت عملکرد صحيح و قابل اطمينان ليزر ديودها، مشخصه هاي حرارتي اين ادوات بايد به طور دقيق تحليل شود.
روشهاي مختلفي جهت کنترل دماي اين ادوات وجود دارد. مثل خنک سازي با آب ، خنک سازي با heat pipe خنک سازي با گرما گير، خنک سازي هدايتي يا انتشاري و خنک سازي با TEC که يکي از آخرين پيشرفتهاي رشته تخصصي تبريد استفاده از ترموالکتريک براي ايجاد سرما ميباشد. به اين معني که بجاي ماده مبرد از انرژي الکتريکي بعنوان يک حامل استفاده ميشود و حرارت از يک جهت به جهت ديگر منتقل ميگردد.
١- ترموالکتريک (TEC)
مواد نيمه هادي ترموالکتريک از آلياژ بيسموت تلورايد تهيه ميشوند. اين مواد يا از طريق فشرده سازي مواد و يا ذوب مستقيم کريستال ساخته و تهيه مي شوند. شکل (٢) فاکتور شايستگي مواد مختلف در طيف وسيعي از درجه حرارت را نشان مي دهد. شکل (٢) نشان مي دهد که عملکرد بيسموت تلورايد در محدوده اي از درجه حرارت جهت کاربردهاي خنک سازي مناسب تر است .
با توجه به ساختار کريستالي بلورهاي مواد بيسموت تلورايد، مواد بطور طبيعي ناهمگون هستند. از آنجا که در رفتار ناهمگوني مواد، خصوصيات مقاومت الکتريکي بيشتر از خصوصيات هدايت حرارتي است . در نتيجه مقاومت الکتريکي اين مواد بطور تقريبي در راستاي رشد کريستالي ٤ برابر بزرگتر از رشد کريستال در راستاي محور عمودي است .
١-١- ماکزيمم راندمان ترموالکتريک
ضريب عملکرد (COP) يک معيار مهم در انتخاب ماژول ترموالکتريک مي باشد. COP برابر است با نرخ حرارت پمپ شده بخش بر توان ورودي ماژول . در نتيجه ماکزيمم COP کمترين توان ورودي ماژول را به همراه خواهد داشت .
شکل (٤) ناحيه عملکرد COP در مقابل جريان اعمالي به ماژول ترموالکتريک در دماهاي مختلف را نشان مي دهد.
٢- مدل حرارتي ليزر ديود
تعدادي پارامتر مرتبط با مواد ترموالکتريک و ماژول هايي که بطور معمول در يک مدل رياضي در نظر گرفته ميشوند، وجود دارد.
عناصري که بايد در مدل سازي در نظر گرفته شوند عبارتند از: اثر ضريب سيبک (Sm)، مقاومت الکتريکي (RC) و هدايت حرارتي (KC). انرژي حرارتي توليد شده به وسيله ليزر ديود توسط رابطه مقابل تعريف مي شود. و نرخ حرارت جذب شده LDاز سطح سرد برابر است با که در آن Sm ضريب سي بک ، TC دماي جذب شده از سمت سرد و IC جريان جاري شده در طول TEC. حرارت رسانايي معکوس باعث مي شود يک گراديان دمايي از سمت گرم به سمت سرد به وجود آيد که اين نرخ حرارتي معکوس بوسيله قانون فوريه تعريف مي شود.
