Lazer tabanlı fotodinamik terapi cihazlarının sıcaklık kontrolü için sistem tasarımı
Temperature controller design for laser system based photodynamic therapy devices
Yazar: OĞUZ KAAN KAZAN
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ MUSTAFA ZAHİD YILDIZ
Sakarya Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyomedikal Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Biyomedikal Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering ; Biyoteknoloji = Biotechnology ; Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Teknolojinin gelişmesiyle birlikte birçok elektronik devre özel çalışma alanlarına hizmet etmek üzere geliştirilip küçültülmektedir. Bu payda da karşılaşılan en temel problem ısınma problemidir. Bunun sebebi elektronik devrelerde kullanılan elemanların güç harcamaları üzerine oluşturdukları ısı yüküdür. Tasarlanan sistemlerin kararlı ve doğru çalışabilmesi için, belli sıcaklıklar arasında çalışması sağlanmalıdır. Cihaz sistemlerinin kararlı ve doğru çalışabilmesi için ihtiyaç duydukları sıcaklık aralıkları çalışma disiplinlerine göre değişiklik gösterebilmektedir.

 Bu çalışmanın temel amacı özel sıcaklık değerlerinde hassas çalışma özelliklerine sahip olan cihazların ihtiyaç duydukları dar sıcaklık aralığında çalışabilmesini sağlamaktır. Bu çalışmada uygulama olarak fotodinamik terapide kullanılmak üzere Intense M5215 lazer diyotu ısıl yük seçilerek istenilen sıcaklık aralığında uzun süreli çalışma durumunda sabit tutulması sağlanmıştır. Lazer diyotun belli bir sıcaklık değerine sabitlenmesi için dört farklı prototip gerçekleştirilmiştir. Her prototip bir önceki prototipin problemlerinin giderilmesiyle tasarlanmış olup, dördüncü prototipte nihai analog sıcaklık kontrol devre tasarımı gerçekleştirilmiştir.

Analog devre ısıl yükteki sıcaklık değerini sıcaklık sensörü aracılıyla algılar ve sıcaklık bilgisini mikroişlemciye aktarır. Sistemin çalışma süresi boyunca istenilen sıcaklık değeri ile mevcut sıcaklık, PID kontrolör tarafından karşılaştırılarak hata oranı hesaplanır. PID kontrolör, bu hata oranı bilgisi ile PWM sinyali üreterek termoelektrik malzemenin kademeli bir şekilde sürülmesini sağlamıştır. 

Sıcaklık kontrolörünün 24 ℃ 'lik oda sıcaklığında 5,3 A ve 8,1 V' luk maksimum değerlerde maksimum 27,5 W termal yüke kadar kontrol edebildiği gösterilmiştir. Sıcaklık kararlılığıyla, lazer diyotun ürettiği ışık kalitesi uzun süreli deneyler sonucunda kaydedilmiş ve literatür de kullanılan lazer sistemlerinin gereksinimleriyle karşılaştırılıp çok daha kısa oturma zamanına sahip olduğu gösterilmiştir. D sınıfı yükseltici filtrelerinden yararlanılmış, DC-DC dönüştürücü kullanımı ile muadili sıcaklık kontrolörlerine göre çok daha ucuza mal edilmiştir.

Abstract:
With the development of technology, many electronic circuits are being developed and reduced to serve specific work areas. The most basic problem encountered in this denominator is the problem of heating. For this reason, the heat load on the power consumptions of the elements used in the electronic circuits. Designed systems must be operated at certain temperatures to ensure stable and correct operation. The temperature ranges needed for device systems to operate steadily and accurately can vary according to the disciplines of operation.

 The main purpose of this work is to ensure that devices with precise operating characteristics at specific temperature values can operate in the narrow temperature range they need. In this study, Intense M5215 laser diode thermal load is selected for photodynamic therapy as application and it is ensured that it is kept constant in long working time at the desired temperature range. Four different prototypes have been implemented to fix the laser diode to a certain temperature value. Each prototype was designed by eliminating the problems of the previous prototype and the final analogue temperature control circuit design was implemented in the fourth prototype.

The analog circuit senses the temperature value of the thermal load through the temperature sensor and transfers the temperature information to the microprocessor. During the operation period of the system, the error rate is calculated by comparing the desired temperature value with the current temperature by the PID controller. The PID controller generates the PWM signal with this error rate information, enabling the thermoelectric material to be driven in a gradual manner.

It has been shown that the temperature controller can control up to 5.3 A at a room temperature of 24 ° C and a maximum thermal load of 27.5 W at a maximum value of 8.1 V. With temperature stability, the light quality produced by the laser diode has been recorded as a result of long-term experiments and has been shown to have a much shorter residence time compared to the requirements of the laser systems used in the literature. Class D amplifier filters were used, which were much cheaper than the equivalent temperature controllers with the use of DC-DC converters.