Temperaturregler-Technologie und Anwendungen

Immer wenn ein Lasersystem betrieben wird, wird nur ein Teil der zugeführten Energie in ein Lichsignal umgewandelt. Der verbleibende Anteil wird als Wärme abgegeben, die — sofern sie nicht kontrolliert wird — Systemkomponenten beschädigen und die Lebensdauer verkürzen kann. Dies ist insbesondere bei Laserdioden sowie vielen anderen optoelektronischen Komponenten relevant.

Beispielsweise hat eine GaAs-Laserdioden, die im nahen Infrarot arbeitet, typischerweise eine Betriebsdauer von 10.000 Stunden, wenn die Temperatur mit einer Temperaturregelung auf 25 °C gehalten wird. Wird jedoch kein Temperaturregler eingesetzt, verkürzt sich dieser Wert um den Faktor 2 für jeweils 10 °C Temperaturüberschreitung. Daher ist der Einsatz eines durch einen Temperaturregler gesteuerten Kühlmoduls sinnvoll, um mögliche Schäden zu vermeiden und Kosten zu sparen. Zudem sichert dies die Strahlqualität Ihres Lasers, da überschüssige Wärme die emittierenden Facetten beeinträchtigen kann und dadurch sowohl die Menge als auch die Qualität des ausgesandten Lichts negativ beeinflusst.

Um dies zu vermeiden, empfiehlt sich die Verwendung eines geeigneten Temperaturreglers in Kombination mit einem passiven und/oder aktiven Kühlsystem.

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Ein passives Kühlsystem dient als Wärmesenke, an die überschüssige Wärme abgegeben wird (z.B. ein Wassertank mit Lüfter). Während dies bei einigen Systemen mit niedriger oder mittlerer Leistung ausreichend sein kann, bietet ein TEC-Regler mit Peltier-Element in der Regel eine sicherere Lösung und engere Temperaturstabilität.

Ein TEC (thermoelektrischer Kühler) ist ein aktives Keramikmodul, das unter Verwendung eines Temperaturreglers eine Seite kühlt und gleichzeitig die Wärme auf die gegenüberliegende Seite überträgt. Der Lasermount fungiert hierbei als Wärmetauscher auf der heißen Seite. Die kalte Seite wird üblicherweise über eine Kupfer- oder Aluminiumkühlplatte an das Lasermodul angebunden; Kupfer wird wegen seiner überlegenen thermischen Eigenschaften und gleichmäßigen Temperaturverteilung bevorzugt.

Der Regelkreis wird geschlossen, indem ein Temperatursensor des TEC-Controllers mit der Kühlplatte verbunden wird. Ein vorkonfiguriertes System mit einem speziellen Einlass für den Thermistor in der Kühlplatte gewährleistet eine schnelle Reaktionszeit durch Minimierung der thermischen Trägheit. Bei Anwendungen mit höherer Leistung kann auf der heißen Seite des TEC-Moduls ein Wasserkühler ergänzt werden. Eine breite Palette an professionellen Kühlmodulen, Peltier-Elementen und passenden TEC-Reglern kann für optimale Leistung kombiniert werden.

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Die grundlegendste Methode zum Schutz vor Wärmeschäden ist ein On/Off-Temperaturregler. Dieser schaltet nur dann ein, wenn die gemessene Temperatur über (Kühlen) oder unter (Heizen) einem voreingestellten Wert liegt. Es gibt keinen Zwischenzustand – der Regler gibt 100 % Leistung ab, bis der Sollwert erreicht ist. Diese einfache Steuerungsweise eignet sich für Systeme, die keine hochpräzise Temperaturregelung benötigen.

Der Einsatz eines PID-TEC-Reglers ist die effektivste Methode zum Schutz empfindlicher Geräte. PID-Regler werden in industriellen Prozessen umfassend eingesetzt und übertreffen — bei optimaler Einstellung — oftmals aufwendigere Regelkreise. Rund 95 % aller automatisierten industriellen Prozesse nutzen PID-Temperaturregler.

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PID-Komponenten:

• Proportional (P): Die Ausgangsleistung ist proportional zur Sollwertabweichung; ein höherer P-Anteil reduziert die Stellgröße bei gleichem Fehler.
• Integral (I): Beseitigt stationäre Abweichungen durch Integration des Fehlers über die Zeit; ein höherer I-Anteil verlangsamt den Aufbau dieses Terms.
• Derivativ (D): Prognostiziert zukünftige Abweichungen anhand der Änderungsrate; ein höherer D-Anteil verstärkt die Reaktion auf Störungen.

Insgesamt sorgt ein PID-Temperaturregler für eine schnelle, vorausschauende und präzise Temperaturführung mit rascher Anpassung an plötzliche Veränderungen — was die lange Lebensdauer und stabile Performance von Laserdioden und Optiken unterstützt.

Nehmen Sie gerne Kontakt auf, falls Sie Fragen oder spezifische Anforderungen an einen kundenspezifischen Temperaturregler haben.