应用于光源的恒流电源的研制

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3.0 陈辉 2024-11-19 5 4 969.76KB 50 页 15积分

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第一章绪论

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第一章绪论

§1.1 恒流电源的应用

在工业控制中，在电子设备、仪器仪表及高新科技领域中，人们经常使用稳

压电源，因而稳压电源品种多、资料多，人们比较熟悉。而恒流电源相对于稳压

电源来说用的地方不多，因而介绍的资料较少，但实际上恒流电源涉足的范围越

来越宽，许多新兴科技领域如通信、超导、传感技术等电子设备用恒流源要比稳

压电源更好。

所谓恒流源，即对应于一定的电压变化所产生的电流变化趋于零，电流是一

个恒定值，有很高的动态输出电阻，具有这种特性的器件称之为恒流源。和稳压

电源一样，恒流源的应用范围非常广泛，并且在许多情况下是必不可少的[1-4]。

许多电真空器件：如示波管、显像管、功率发射管等，他们的灯丝电阻很小，

当用额定电压点燃时，在通电瞬间电流很大，常常超过灯丝额定电流的许多倍。

这样大的冲击电流容易使灯丝的寿命缩短。为了保护灯丝，最好采用恒流供电，

当灯丝从冷到热变化时，通过灯丝的电流保持稳定。对于价格昂贵的大功率发射

管或要求电真空器件的工作十分稳定时，恒流供电尤为必要。

在用通常的充电器充电时，随着蓄电池端电压的逐渐升高、充电电流相应减

小，为保证正常充电，必须随时提高充电机的输出电压。采用恒流充电，可以不

必调整，即使从充电装置中加入或移去部分蓄电池都不影响正常充电，从而使劳

动强度减低，生产效率提高。

在核物理实验装置中，如离子加速器、质谱仪、β谱仪以及云雾室中的磁场

均要求十分稳定，否则会造成严重的测量误差。如果采用稳压电源，由于电磁铁

线圈工作时发热等原因使其阻值改变，因而供电电流变化，导致磁场不稳定。用

恒流源供电就能克服上述缺点。因此凡是要求磁场十分稳定的装置，必须采用恒

流源供电。

半导体器件参数的测量常常用到恒流源。同样，半导体材料参数的测量也必

须采用恒流源。

目前，在科技和生产部门广泛应用的各类物型敏感器件：如热敏、力敏、光

敏、磁敏、湿敏等传感器，常常采用恒流源供电。这不仅因为许多敏感器件使用

半导体材料制成的，还因为这可避免连接传感器的导线电阻和接触电阻等的影响。

各种辉光放电电光源：如光谱仪中的氢灯、氘灯；电影放映机中的氙灯、铟

灯等，一旦被点燃，管内稀薄气体迅速电离。由于离化过程的不稳定性并恒有增

加倾向，放电管中的电流将随时上升。因此，在灯管上加以恒定电压时，它是不

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稳定的。最好采用恒流源供电。

恒流和稳压的关系十分密切，两者相辅相成并可互相转化。用恒定电流通过

一组精密电阻器可获得一系列稳定的基准电压，特别是可得到一般情况下难以获

得的低电压基准。用恒流源和稳压管组成的简单稳压器，其稳压性能大为改善。

在串联负反馈稳压电源的许多环节都可使用恒流源，它对提高稳压电源的稳定性、

减小温漂、缩短预稳时间和简化电路结构等方面都有明显的作用。

恒流源在电子线路和模拟集成电路中是应用最多的电路单元之一。主要用途

有下列几方面：a.作偏置电路，给晶体管提供稳定的偏流，起到稳定工作点的作用；

b.作集电极有源负载，可大幅提高放大器的增益；c.在电平移动电路和差分放大器

双端输入、单端输出电路中采用恒流源，可减小信号在传输过程中的损失；d.用恒

流源的基准电压电路是集成稳压器的重要组成部分。

§1.2 半导体激光器

§1.2.1 半导体激光器介绍

半导体激光器(LD)，是目前应用最广泛的光电子器件之一[5-7]。LD 最早大批量

应用起始于 90 年代初的音响 CD 演放器。此后,随着生长技术的进步、器件量产

化能力的提高、性能的改善及成本的下降。LD 陆续扩展到许多其它应用领域，包

括CDROM 驱动、激光打印、可擦除光存储驱动、条码扫描、文娱表演、光纤通

信，以及航空和军事应用(如军训模拟装置、测距机、照明器等)。由于 LD 的开

发始终与迅速增长的用户终端和消费市场，尤其是与计算机、通信技术和军事应

用市场紧密结合，其技术和市场一直呈现高速增长趋势。

LD 的关键技术外延生长

技术，由早期的 LPE（液相处延生长）发展到普遍采用的 MBE（分子束外延法）

和MOCVD（金属有机物化学气相沉积法），外延材料也因此由体材料演变到超

晶格或量子阱之类的人构能带工程材料。LD 的阈值电流、响应频率、输出功率、

工作温度等主要性能参数大幅度改进，新型器件层出不穷。面向下世纪信息传输

宽带化、信息处理高速化、信息存储大容量化,以及武器装备高精度化、小型化，

LD 借助于一系列先进技术将继续高速发展。

按照波长和应用领域，LD 可大致分为长波长和短波长两类。实用化短波长 LD

覆盖 635～950 nm 范围，以 GaAs 为衬底外延制作而成，是目前市场上用量最大的

器件。在 InP 衬底上制作的长波长 LD ,波长范围在 950-1550nm，以光纤通信应用

为主,其中 980nm 和1480nm 大功率 LD 用作光纤放大器的泵浦光源。短波长 LD

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对于不同的应用又可分成不同种类。780 nm 器件是最早的实用化 LD，输出功率

3mW，用普通的 F-P 腔结构，80 年代中期用 MOCVD 实现大批量生产，当时近 10

家日、美公司生产这种器件。用 MOCVD 每次可加工 30 片3英寸的 GaAs 外延

片,所以 780nm 波长 LD 已成为最廉价的激光产品。主要用于音响 CD 放机、

CDROM 计算机驱动、CDROM 电视游戏机、迷你放机(只读)和激光盘放机等。

随着对其物理机制的深入了解以及半导体工艺的革新，特别是在材料生长技术

上的突破，大功率半导体激光器在输出功率和可靠性方面都取得了巨大进步。到

2000 年，单条器件输出功率已经超过 100W，功率转换效率约为 40-60％，寿命长

达10000h。美国国防高技术研究计划署(DARPA)于2003 年启动了超高效率半导体

激光源项目(super high efficiency diode source，SHEDS)，目标是将功率转换效率提

升到 80%以上。在此项目推动下，最近几年中大功率半导体激光器的研究工作获

得了显著的进步，目前单条器件输出功率已经达到 400 W 以上，功率转换效率超

过70％[8,9]。而使用了 LD 阵列结构后，功率更可以达到 kW 量级[10]。

§1.2.2 半导体激光器特性

一、电流输入特性

阈值电流：是 LD 的基本特性之一,它标志着激光器的增益与损耗的平衡点,即

阈值以后激光器才开始出现净增益。LD 的阈值常用电流密度或电流大小表征。当

注入 p-n 结的电流较小时，只有自发辐射产生，增益也随电流值的增大而增大，达

到阈值电流时，p-n 结产生激光。影响阈值的几个因素：

（1）晶体的掺杂浓度越大，阈值越小。

（2）谐振腔的损耗小，如增大反射率，阈值就低。

（3）与半导体材料结型有关，异质结阈值电流比同质结低得多。目前，室温

下同质结的阈值电流大于 30000A/cm2；单异质结约为 8000A/cm2；双异质结约为

1600A/cm2。现在已用双异质结制成在室温下能连续输出几十毫瓦的半导体激光

器。

（4）温度愈高，阈值越高。100K 以上，阈值随 T的三次方增加。因此，半导

体激光器最好在低温和室温下工作。

激光二极管的特色之一，是能直接从电流调制其输出光的强弱[11-15]。因为输出

光功率与输入电流之间多为线性关系，所以激光二极管可以采用模拟或数字电流

直接调制输出光的强弱，省掉昂贵的调制器，使二极管的应用更加经济实惠。

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图1-1 a 为脉冲输入时的电流电压与输出功率特性曲线，图 1-1 b 为连续输入时

的电压电流与输出功率特性曲线，在一点范围内连续输入的输入电流电压与输出

有很好的线性关系。这就为利用输入电流来调制光功率输出提供了先决条件。

二、温度特性

LD 的温度特性主要表现在其阈值电流上。当温度升高时，其阈值电流也就上

升。当温度从 20℃上升到 50℃时，LD 的阈值电流会增加 1~2 倍。如图 1-2 所示：

图 1-1a 脉冲输入时的电流电压与输出功

率特性曲线

图 1-1 b 连续输入时的电压电流与输出功

率特性曲线

图 1-2 LD 温度特性曲线

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同时温度还影响到整个 LD 的发光效率η和功率效率η1 ：

发光效率η＝每秒发射的光子数／每秒到达结区的电子空穴对数

77K 时，GaAs 激光器量子效率达 70％－80％；300K 时，降到 30％左右。

功率效率η1＝辐射的光功率／加在激光器上的电功率

由于各种损耗，目前的双异质结器件，室温时的η1 最高为 10％，只有在低温

下才能达到 30％－40％。

三、光谱特性

由于半导体材料的特殊电子结构，受激复合辐射发生在能带（导带与价带）之

间，所以激光线宽较宽，GaAs 激光器，室温下谱线宽度约为几纳米，其单色性较

差。输出激光的峰值波长：77K 时为 840nm；300K 时为 902nm。

§1.3 其他光源

§1.3.1 LED

早在 1962 年,贝尔实验室、惠普、IBM 等公司就着手开发商用型发光二极管

(LED)，并于 1968 年利用 GaAsP 研制出了商用 655nm 红色 LED，1971 年， HP

公司推出了利用 GaAsP LED 作为显示器的 5300A 500MHz 便携式频率计。由于七

十年代 HP 公司、德州仪器公司出产的便携式计算器普遍采用数字显示器，LED

显示器便进入了它的兴盛时期。然而，数字手表的出现(更倾向于采用 LCD 显示器)

使LED 的用量大大减少。但是,由于 LED 是主动发光器件，它具有体积小、全固

体化、色彩丰富、低电压工作、易与 CMOS 电路接口等特点，被广泛用于替代白

炽灯、氖灯作状态指示，并成为仪表上标准的数字、字符显示器。在七十年代和

八十年代， LED 在消费类产品中的主要竞争对手是 VFD (真空荧光显示器),由于

VFD 的蓝-绿显示屏通过蓝色或绿色滤色器可提供较高的亮度和对比度。1967 年，

日本 ISE 公司发明了 VFD，从而使简单的单数字显示屏迅速进入台式计算器市场。

而随后推出的多数字显示屏由于进一步降低了制造商的成本又被广泛用于 Casio

的小型计算器中。VFD 的主要生产厂商有日本 Futaba、韩国三星、ISE 和浙江真

空电子有限公司(ZEC) ,以上几个公司占有全球 VFD 管95%的市场。进入八十年代

以后，LCD（液晶显示器）的发展势头十分强劲，并已成为 LED 和VFD 在消费

类产品、仪表和汽车等平板显示器市场的强大对手，LCD 具有低功耗、易定制等

优势，这对于电池供电产品都是显而易见的选择前提。但 LCD 自身不能发光,LED

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第一章绪论-1-第一章绪论§1.1恒流电源的应用在工业控制中，在电子设备、仪器仪表及高新科技领域中，人们经常使用稳压电源，因而稳压电源品种多、资料多，人们比较熟悉。而恒流电源相对于稳压电源来说用的地方不多，因而介绍的资料较少，但实际上恒流电源涉足的范围越来越宽，许多新兴科技领域如通信、超导、传感技术等电子设备用恒流源要比稳压电源更好。所谓恒流源，即对应于一定的电压变化所产生的电流变化趋于零，电流是一个恒定值，有很高的动态输出电阻，具有这种特性的器件称之为恒流源。和稳压电源一样，恒流源的应用范围非常广泛，并且在许多情况下是必不可少的[1-4]。许多电真空器件：如示波管、显像管、功率发射管等，他们...

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