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Circuitos para lasers e coolers semicondutores (ART2872)

Os diodos LASER e os “coolers” semicondutores, com base no efeito Peltier, possuem características elétricas bastante semelhantes. Ambos se comportam como diodos semicondutores de alta corrente exigindo a alimentação por fontes de corrente constantes. Eventuais controles de potência podem ser elaborados com circuitos PWM ou ainda por um reostato eletrônico. Nesse artigo reunimos 4 circuitos sugeridos pela Burr-Brown que agora é a uma empresa que faz parte do grupo Texas Instruments (www.ti.com).

 

Obs. Artigo de 2006

 

Os diodos LASER nada mais são do que dispositivos semicondutores dotados de uma cavidade óptica ressonante e espelhamento apropriado que apresentam o efeito da inversão da população de átomos excitados, os quais ao devolverem os elétrons para os níveis originais de energia produzem a radiação que caracteriza o LASER.

Conforme mostra a figura 1, esses dispositivos se comportam como diodos comuns, mas precisam de uma corrente intensa para operar.

 


 

 

 

Essa corrente deve ser controlada para que não ocorra a sobrecarga do dispositivo, o que exige o emprego de dispositivo especial.

Os dispositivos refrigeradores (coolers) semicondutores se baseiam no efeito Peltier, conforme mostra a figura 2.

 


 

 

 

Quando uma corrente circula através de uma junção semicondutora ele “retira” o calor de um dos lados do material transportando-o para o outro. Temos então uma face do dispositivo que esfria e a outra que se aquece.

Com a circulação constante de uma corrente através do dispositivo, o calor pode ser retirado de um lado do dispositivo e dissipado do outro, colocando-se nesse local um radiador apropriado.

Dispositivos desse tipo têm sido usados tanto na refrigeração de circuitos eletrônicos, montados diretamente sobre componentes de alta potência como microprocessadores e microcontroladores, como também em aplicações de consumo tais como geladeiras de uso automotivo ou alimentadas por baterias e painéis solares.

Os dispositivos de efeito Peltier ou Thrmoelectric Coolers (TEC), se comportam como diodos semicondutores exigindo portanto fontes de corrente constante para sua alimentação, com configurações bastante semelhantes àquelas utilizadas na alimentação dos diodos LASER.

A seguir, baseados no Application Report SBEA001 da Burr-Brown, levamos ao leitor cinco circuitos práticos, sendo três para excitação de Coolers de modo linear e dois para a excitação de diodos LASER,

 

Driver Para Diodo Laser – 1

O circuito mostrado na figura 3 serve para alimentar um diodo LASER de com sinal ou ainda excitá-lo diretamente. O circuito se baseia numa bomba de corrente de Howland com um transistor que serve como amplificador.

 

 


 

 

 

O circuito tem por base um amplificador operacional CMOS OPA350 que através de um circuito de realimentação sensoria a corrente no diodo LASER de modo a proporcionar seu controle. O circuito mede a queda de tensão no resistor de shunt (Rshunt) que é ligado em série com o diodo LASER.

O fator de escala nesse circuito é de 1 V que corresponde a uma corrente de 1 A. Outros fatores de escala podem ser usados de acordo com as características do diodo LASER. O fator de escala V in/Iout pode ser calculado pela seguinte fórmula:

 

Vin/Vout = (R3/R4) x Rshunt e nesse circuito R1= R3 e R2 = R4

 

Na figura 4 temos um gráfico que mostra a corrente de saída em função da potência dissipada pelo transistor, para uma tensão de alimentação de 3,3 V.

 


 

 

 

O transistor usado no projeto vem em invólucro SOT-223 caso em que a montagem é feita de tal modo que a maior parte do calor gerado é dissipado pelas trilhas de cobre da placa de circuito impresso. Evidentemente transistores de características equivalentes podem ser utilizados.

 

Driver Para Diodo Laser – 2

O circuito mostrado na figura 5 consiste numa fonte de corrente controlada por tensão. O circuito se caracteriza pela possibilidade de alimentar um diodo LASER de baixíssimo ruído, podendo também ser utilizado como controle de potência PWM.

 

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Observe que o circuito necessita de tensões de 5 V simétricas para o amplificador operacional e também 3,3 V para o diodo LASER propriamente dito.

O circuito utiliza um amplificador operacional OPA227 de nível muito baixo de ruído, excitando um transistor de potência. Esse transistor dissipará uma potência da ordem de 1,5 W com uma alimentação de 3,3 V. O gráfico da figura 6 mostra a dissipação em função da tensão de entrada com alimentação de 3,3 V.

 


 

 

 

Da mesma forma que no circuito anterior, o fator de escala, ou seja, a relação entre a tensão de entrada (Vin) e a corrente de saída (Vout), podem ser alterados. A fórmula usada pode ser:

 

Vin/Vout = (R1/R2) x Rshunt

 

Driver Linear para TEC

O circuito apresentado na figura 7 serve para a excitação de um cooler semicondutor com uma corrente de +/- 2 A.

O circuito opera com uma fonte simples de 5 V excitando o transdutor refrigerador com uma corrente constante. Uma característica desse circuito é a montagem dos transistores em ponte de modo a se obter uma configuração BTL que inverte o sentido da corrente.

Veja que o dispositivo usado tem um circuito equivalente a dois diodos em paralelo e em oposição daí sua alimentação poder ser feita com correntes circulando em ambos os sentidos.

O circuito apresentado tem um offset de entrada de metade da tensão de alimentação, ou seja, +/- 2,5 V o que permite que os amplificadores oscilem nos dois sentidos da alimentação utilizando-se assim uma fonte simples.

Da mesma forma que nos circuitos anterior, existe um resistor de shunt em série com o dispositivo de refrigeração o qual é usado para fornecer o sinal de controle que realimenta o circuito.

 

 


 

 

 

O circuito foi projetado para alimentar TECs de 1 ohm a 2 Ω, operando com uma fonte de alimentação de 5 V. A corrente no elemento refregirador será de 2 A.

Na figura 8 temos um gráfico que mostra a eficiência do circuito com diversos tipos de TEC na faixa de resistências indicada.

 

 


 

 

 

Driver Linear de TEC – 2

O circuito mostrado na figura 9 fornece correntes de +1,5 A e – 1 A a um TEC. O circuito utiliza um amplificador de pequenos sinais que pode operar com fonte simples de 5 V.

A etapa de potência que alimenta diretamente o cooler (TEC) entretanto, é alimentada com uma tensão de 3,3 V. O modo de operação do cooler é em corrente constante com uma configuração em ponte (BTL).

 

 


 

 

 

A tensão de entrada Vin é amplificada por um amplificador operacional (U1) R-R CMOS do tipo INA155, que é especialmente projetado para aplicações em instrumentação. O amplificador U3 tem por finalidade sensoriar a corrente no elemento de refrigeração, fornecendo o sinal de controle para U1.

O circuito está calculado para uma corrente de 1 A, mas os valores dos componentes podem ser alterados para outras correntes. Basta alterar o fator de escala usando a formula:

 

Vin/Iout = Av x R4 onde Av é o ganho em V/V.

 

Na figura 10 temos a curva de corrente de saída para tensão de entrada para TECs de diferentes resistências.

 


 

 

 

Veja que alimentação do circuito de controle é feita com 5 V e a alimentação do circuito de potência é feita com 3,3 V.

 

Driver Linear de TEC - 3

Temos finalmente na figura 11 um driver linear para Cooler semicondutor capaz de fornecer uma corrente de +/- 2,5 A com resistências de carga de 1 a 2 Ω.

O circuito opera com uma fonte simétrica de +/- 2,5 A, fornecendo ao cooler uma corrente constante, o que é altamente desejável na alimentação desse tipo de dispositivo.

Usando uma fonte simétrica uma tensão de offset não é necessária para levar o amplificador a ter saídas percorrendo ambas as polaridades. Um circuito de transposição de nível é necessário para interfacear circuitos alimentados por tensão simples.

Nesse circuito temos um amplificador operacional CMOS R-R que contém uma etapa de potência simples em classe B, excitando um circuito em ponte com quatro transistores de potência.

O circuito contém uma etapa que sensoria a corrente na carga de modo a fornecer um sinal de controle para as etapas de potência. O cálculo da corrente n a carga ou fator de escala é calculado da mesma forma que vimos nos circuitos anteriores.

Da mesma forma que nos circuitos anteriores, a corrente nos elementos TEC pode ser controlada na mesma faixa a partir do sinal de entrada.

Veja que a corrente nesses elementos é diretamente dependente da tensão de controle aplicada à entrada.

 

 

 


 

 

 

Na figura 12 temos um gráfico em que mostramos a potência dissipada pelos transistores para diversas tensões de entrada e com TECs de resistências entre 1 e 2 Ω.

 

 


 

 

 

Conclusão

Diodos LASER e TECs (Coolers Semicondutores) exigem corrente constante na sua alimentação.

Nas aplicações mais críticas, essa corrente deve ter um controle absoluto, exigindo circuitos apropriados. Os circuitos que vimos são exemplos que podem ser aproveitados em projetos práticos.

Mais informações podem ser obtidas no site da própria empresa no Application Note que detalha esses e outros circuitos.

 

Artigo publicado originalmente em 2006

 

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