Diyot lazerlerde termoelektrik soğutma ile sıcaklık denetimi

Abstract

Termoelektrik soğutucular (TEC), küçük termal kapasiteli ve kararlı sıcaklık kontrolü gerektiren diyot lazerlerde yaygın olarak kullanılmaktadır. Bununla birlikte, yüksek güçlü diyot lazerlerin soğutma uygulamalarında düşük performans katsayısı (COP) nedeniyle sınırlı kalmaktadır. Termoelektrik soğutucu modüllerinin sürüş akımı, soğutma performanslarını artırma yöntemlerinden biridir. Doğru akım (DC) ve darbe genişlik modülasyonlu (PWM) sürüş yöntemleri ile termoelektrik modüllerin soğutma performansları artırılabilmektedir. Fakat bu yöntemlerin uygulamada termal kararlılık süresinin kısa olması ve yüksek anahtarlama frekanslarının elektromanyetik gürültü oluşturması gibi bazı sınırlamaları bulunmaktadır. TEC modülünün soğutma performansını ve termal kararlılığını artırmak için sabit görev döngüsüne ve düşük darbe frekansına (≤1000Hz) sahip bir kare dalga akımı ile yeni sürme yöntemi geliştirilmiştir. Bu amaçla termoelektrik modül, sinyal üreteci ve sıcaklık kontrol biriminden oluşan bir deney düzeneği kurulmuştur ve sistem farklı sürüş yöntemleri için aynı koşulları sağlayacak şekilde tasarlanmıştır. Ölçüm sonuçları, kare dalga akımı sürüş yönteminin DC sürüş yöntemine göre %19'a kadar modülün performans katsayısının arttığını göstermektedir. Kare dalga akımı sürüş yöntemi, kendine özgü yapısından dolayı yarıiletken uygulamaları alanındaki soğutma zorluklarına ve teknolojiye önemli bir katkı sağlayabileceğini göstermiştir.

Thermoelectric coolers (TECs) are used in a diode lasers that require low thermal capacity and extremely stable temperature control. However, their applications in cooling large thermal capacity of high power diode lasers have been limited due to low coefficient of performance (COP). Driving current of thermoelectric cooler modules is one of the methods to advance their cooling efficiency. Direct current (DC) and pulse width modulation (PWM) driving methods improve the coefficient of performance of thermoelectric module. However, some limitations of these methods exist in the application such as reducing the lasting time and electromagnetic interference of high switching frequencies. A novel rectangular pulse current (RPC) driving method which is the constant duty cycle was developed by optimising the input power due to low pulse frequency (≤1000Hz) of square wave to enhance the cooling efficiency and thermal stability of TEC modules. An experimental set up including thermoelectric module, signal generator and temperature control parts was constructed and the system provides the same conditions for different driving methods. The measurement results show that the coefficient of performance of TEC module with the RPC driving method was increased up to 19% as compared to DC driving method. The RPC driving method can be made a significant contribution to cooling challenges and technology in the field of semiconductor applications due to its particular properties.