Aplicaciones del controlador TEC en los sistemas de telecomunicaciones
Los diodos láser se utilizan en los sistemas de telecomunicaciones de fibra óptica como láseres de emisión para el envío de señales y láseres de bombeo para los amplificadores de fibra dopada con erbio (EDFA) y los amplificadores ópticos de semiconductores (SOA). En estas aplicaciones, las características del láser, como la longitud de onda, la potencia óptica media, la eficiencia y la relación de extinción, deben permanecer estables para garantizar el rendimiento global del sistema de telecomunicaciones. Sin embargo, estas características dependen de la temperatura del láser: a medida que la temperatura se desplaza, la longitud de onda cambia y la eficiencia de conversión se degrada. La estabilidad de temperatura requerida oscila entre ±0,001°C y ±0,5°C, y difiere según las aplicaciones.
Para el control de la temperatura se necesita un bucle formado por un termistor, un refrigerador termoeléctrico (TEC) y un controlador TEC. Como la resistencia del termistor cambia proporcionalmente a la temperatura (proporcionalidad negativa o positiva, según el tipo de termistor), puede utilizarse para convertir la temperatura en tensión cuando se configura como divisor de tensión. El controlador de la TEC comparará esta tensión de retroalimentación con la tensión de referencia, que representa la temperatura objetivo, y entonces ajustará la cantidad de calor que la TEC debe transferir controlando la corriente que la atraviesa.
El esquema general del sistema descrito anteriormente se muestra en la figura 1. El diodo láser, el TEC y el termistor se encuentran dentro del módulo láser. El controlador TEC ADN8833 o El ADN8834 leerá la tensión de retroalimentación del termistor y proporcionará una tensión de control al TEC. Se utiliza un microcontrolador para supervisar y controlar el bucle térmico. Ten en cuenta que el bucle térmico también puede incorporarse a un circuito analógico. El ADN8834 tiene dos amplificadores chopper de deriva cero integrados que pueden utilizarse como compensadores PID.
Figura 1: Sistema de control de la temperatura del módulo láser.
Este artículo describe la composición del sistema de control térmico de un diodo láser en un sistema de telecomunicaciones y presenta las especificaciones clave de los principales componentes. El objetivo es recorrer las consideraciones de diseño desde la perspectiva del sistema, proporcionando al diseñador una pauta general sobre cómo construir un sistema de alto rendimiento con buena precisión de control de la temperatura, bajas pérdidas y tamaño reducido.
TEC: Tecnología de refrigeración termoeléctrica
Un refrigerador termoeléctrico consta de dos placas superficiales de cerámica y conjuntos de semiconductores de tipo P y N colocados alternativamente entre ellas, como se muestra en la figura 2.
Figura 2: Módulo TEC con disipador de calor.
Cuando la corriente fluye a través de estos conductores, el calor se absorbe en un extremo y se libera en el otro, y cuando la dirección de la corriente se invierte, la transferencia de calor también se invierte. Este proceso se llama efecto Peltier. Los portadores en el semiconductor de tipo N son electrones, por lo que su portador y el calor fluyen desde el ánodo al cátodo. El semiconductor de tipo N, en cambio, tiene portadores huecos y el calor también fluye en sentido contrario.
Si tomas un par de semiconductores P-N y los conectas entre sí con placas metálicas como en la figura 3, el calor se transferirá en una dirección cuando fluya la corriente.
Figura 3: Efecto Peltier: flujo de calor de un par de semiconductores P-N.
La dirección de la transferencia de calor es reversible cambiando la polaridad de la tensión continua, y la cantidad transferida es proporcional a la magnitud de la tensión. Debido a su sencillez y robustez, la refrigeración termoeléctrica se aplica a una gran variedad de aplicaciones para el acondicionamiento térmico de los sistemas de telecomunicaciones.
Elegir un módulo TEC
Hay que tener en cuenta muchos factores del sistema a la hora de seleccionar los módulos TEC, como la temperatura ambiente, la temperatura objetivo del objeto, la carga térmica, la tensión de alimentación y las características físicas del módulo. La carga térmica debe estimarse cuidadosamente para garantizar que el módulo TEC seleccionado tiene suficiente capacidad para bombear el calor del sistema para mantener la temperatura objetivo. El fabricante del módulo TEC suele proporcionar dos curvas de rendimiento en la hoja de datos. Una de las curvas de rendimiento muestra la capacidad de transferencia de calor a una diferencia de temperatura diferente (ΔT) sobre la tensión de alimentación y la otra muestra la corriente de refrigeración/calentamiento necesaria bajo una combinación diferente de tensión de alimentación y ΔT. El diseñador puede estimar la capacidad de potencia del módulo y determinar si es suficiente para una aplicación concreta.
Funcionamiento del controlador TEC y diseño del sistema
Para compensar la temperatura con una TEC, el controlador de la TEC debe ser capaz de generar una tensión diferencial reversible basada en el error de retroalimentación, a la vez que proporciona límites de tensión y corriente adecuados. La figura 4 muestra un diagrama de bloques simplificado del sistema ADN8834. Los principales bloques funcionales incluyen un circuito de detección de la temperatura, un amplificador y compensador de errores, circuitos de detección y limitación de la tensión y la corriente del TEC, y un controlador de tensión diferencial.
Figura 4. Diagrama de bloques de un controlador monolítico ADN8834 FET.
Conductor de tensión diferencial
El controlador de la TEC emite una tensión diferencial para que la dirección de la corriente suministrada por la TEC pueda bombear el calor fuera del objeto unido a la TEC, o cambiar suavemente a la polaridad opuesta para calentar el objeto. El controlador de tensión puede ser de modo lineal, de modo conmutado o un puente híbrido. El conductor de modo lineal es más sencillo y pequeño, pero tiene una eficiencia pobre. Por otro lado, el controlador de modo conmutado tiene una buena eficiencia -hasta más del 90%-, pero requiere un inductor de filtro y un condensador adicionales en la salida. Los ADN8833 y ADN8834 utilizan una configuración mixta, con un controlador lineal y otro de conmutación, que reduce a la mitad el número de componentes de filtro voluminosos, manteniendo una alta eficiencia.
El diseño del controlador de tensión es fundamental para el controlador, ya que supone la mayor parte del consumo de energía y del espacio en la placa de circuito impreso. Un controlador óptimo puede ayudar a minimizar la pérdida de potencia, el tamaño del circuito, los requisitos del disipador de calor y el coste.
Detección de temperatura con termistor NTC
La figura 5 muestra la impedancia de un termistor de coeficiente de temperatura negativo (NTC) en función de la temperatura. Debido a su dependencia de la temperatura, puede utilizarse para transferir la temperatura a la tensión cuando se conecta como divisor de tensión. En la figura 6 se muestra una conexión típica, en la que el VFB varía con la temperatura al cambiar la RTH. Añadiendo Rx en serie con el termistor, se puede linealizar la función de transferencia temperatura-tensión respecto a VREF es importante que se coloque en estrecho acoplamiento con el láser dentro de la carcasa del módulo, aislado de las perturbaciones de temperatura externas para que pueda detectar la temperatura con precisión.
Figura 5: Curva de impedancia del NTC en función de la temperatura.
Figura 6. Termistor NTC conectado como divisor de tensión para leer la temperatura
Figura 7. VFB en la temperatura.
Amplificador y compensador de errores
El bucle de retroalimentación térmica analógica tiene dos etapas formadas por dos amplificadores, como se muestra en la figura 8. El primer amplificador toma la tensión de retroalimentación térmica (VFB) y convierte o regula la entrada en una salida de tensión lineal. Esta tensión representa la temperatura del objeto y se envía al amplificador de compensación, donde se compara con una tensión de consigna de temperatura, creando una tensión de error proporcional a la diferencia. El segundo amplificador se suele utilizar para construir un compensador PID que consta de un polo a frecuencias muy bajas, dos ceros separados a frecuencias más altas y dos polos a frecuencias altas, como se muestra en la figura 8.
Figura 8. Diagrama del bucle de retroalimentación térmica que utiliza dos amplificadores chopper dentro del DNA8834.
El compensador PID puede determinarse matemáticamente o empíricamente. Para modelar matemáticamente el bucle térmico, hay que conocer las constantes térmicas precisas del TEC, el diodo láser, los conectores y el disipador de calor, que no son fáciles de obtener. Lo más habitual es ajustar el compensador de forma empírica. Aplicando una función escalonada al terminal de consigna de temperatura y cambiando la temperatura objetivo, el diseñador puede ajustar la red de compensación para minimizar el tiempo de asentamiento de la temperatura del TEC.
Un compensador agresivo reacciona rápidamente a las perturbaciones térmicas, pero también se vuelve fácilmente inestable, mientras que un compensador conservador se estabiliza lentamente, pero puede tolerar las perturbaciones térmicas con menos posibilidades de rebasamiento. Es importante encontrar un equilibrio entre la estabilidad del sistema y el tiempo de respuesta.
Actuaciones clave del sistema de control TEC
Precisión del control de la temperatura
A veces queda un error de estado estacionario incluso cuando el compensador PID está bien diseñado. Hay algunos factores que pueden contribuir a este error
- Presupuesto de potencia térmica de la TEC: La TEC y la tensión de alimentación son dos de los primeros elementos que se seleccionan al diseñar el sistema. Sin embargo, la selección puede no ser correcta porque la carga térmica no es fácil de calcular. En algunos casos, cuando se ha aplicado la máxima potencia eléctrica al TEC y todavía no se alcanza la temperatura objetivo, esto puede significar que el presupuesto de potencia térmica no es suficiente para manejar la carga térmica. Aumentar la tensión de alimentación o elegir un TEC de mayor potencia puede resolver el problema.
- Consistencia de la referencia de tensión: La referencia de tensión deriva con la temperatura y el tiempo, lo que no suele ser un problema si el bucle térmico está cerrado. Sin embargo, sobre todo en los sistemas controlados digitalmente, la referencia de tensión del controlador TEC y del microcontrolador pueden derivar de forma diferente, provocando un error que el compensador no verá. Se recomienda utilizar la misma referencia para ambos circuitos, utilizando la tensión con mayor capacidad de accionamiento para anular la otra.
- Detección de la temperatura: La detección precisa de la temperatura de la carga es esencial para minimizar el error de temperatura. Cualquier error de retroalimentación se introducirá en el sistema y no podrá ser corregido por el compensador. Utiliza un termistor de alta precisión y un amplificador de autocero para evitar errores. La ubicación del termistor también es importante. Asegúrate de que está conectado al láser para que pueda leer la temperatura real que estamos controlando.
Eficiencia
La etapa del driver consume la mayor parte de la pérdida de potencia en el controlador TEC. En el ADN8833/ADN8834, la disipación de potencia del driver lineal es sencilla de calcular, dada su caída de tensión de entrada-salida y la corriente de carga. La pérdida del conductor de conmutación es más complicada y puede desglosarse en pérdida de conducción, pérdida de conmutación y pérdida de transición. La pérdida de conducción es proporcional a la RDSEN la resistencia de los FET y la resistencia de CC del inductor del filtro. Se puede reducir seleccionando componentes de baja resistencia. Las pérdidas de conmutación y de transición dependen en gran medida de la frecuencia de conmutación. A frecuencias más altas, las pérdidas son mayores, pero se puede reducir el tamaño de los componentes pasivos. Para conseguir un diseño óptimo, hay que tener muy en cuenta las compensaciones entre eficiencia y espacio.
Ruido y ondulación
El controlador de conmutación ADN8833/ADN8834 conmuta a 2 MHz y el rápido flanco de reloj de conmutación PWM contiene un amplio espectro de frecuencias, lo que crea ondulaciones en la tensión a través del TEC y ruido en todo el sistema. El ruido y el rizado pueden reducirse añadiendo condensadores de desacoplamiento y supresión de rizado adecuados.
En el carril de la tensión de alimentación, el rizado está causado principalmente por el corte de corriente discontinuo de los FETs PWM en la topología buck, comúnmente utilizada para la fuente de alimentación conmutada. Utiliza múltiples condensadores cerámicos SMT en paralelo para reducir la ESR (resistencia equivalente en serie) y desacoplar localmente la tensión de alimentación. En el nodo de salida del conductor conmutado, la ondulación de la tensión está causada por la ondulación de la corriente del inductor del filtro. Para suprimir esta ondulación, coloca varios condensadores cerámicos SMT en paralelo desde la salida del driver a tierra. Dado que la tensión de rizado viene determinada principalmente por el producto de la ESR del condensador y la corriente de rizado del inductor: ΔV_TEC = ESR × ΔI_L. Utilizar varios condensadores en paralelo puede reducir eficazmente la ESR equivalente.
Conclusión
El diseño de un sistema de control TEC para diodos láser en sistemas de telecomunicaciones es una tarea compleja. Aparte de los retos relacionados con la precisión térmica, el tamaño del paquete suele ser muy pequeño y la tolerancia de disipación de energía es baja. En general, un controlador FET bien diseñado debe tener los siguientes méritos
- Control preciso de la temperatura
- Alta eficiencia
- Tamaño de panel pequeño
- Poco ruido
- Control y protección de la corriente y la tensión
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