基于熱電制冷器的恒溫電路設(shè)計(jì)

丁 林

(中國船舶重工集團(tuán)750試驗(yàn)場,云南昆明,650000)

光電測量中，光敏元件對(duì)環(huán)境溫度的穩(wěn)定性要求極高，溫度的變化會(huì)器件的輸出特性發(fā)生改變，帶來測量誤差。為了穩(wěn)定器件的輸出特性，提高測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，通常采用溫度控制電路來保證器件所處的環(huán)境擁有良好的溫度穩(wěn)定性。本文針對(duì)光電探測器G5852，使用其內(nèi)部集成的熱電制冷器（TEC）對(duì)光電探測器進(jìn)行恒溫控制，介紹了兩種TEC的驅(qū)動(dòng)電路，并對(duì)其恒溫性能進(jìn)行了測試。

1 熱電制冷技術(shù)原理

熱電制冷技術(shù)是基于Peltire效應(yīng)的一種電制冷方法，當(dāng)對(duì)熱電制冷器加載直流電流時(shí)，熱量就會(huì)從元件的一端流到另一端。此時(shí)，制冷器的一端溫度就會(huì)降低，而另一端的溫度就會(huì)同時(shí)上升，溫度降低的一端被稱為“冷端”，溫度升高的一端被稱為“熱端”。而將兩端加載的直流電流反向時(shí)，就可以改變熱量流動(dòng)的方向，將熱量輸送到另一端，冷端變熱端，熱端變冷端。TEC轉(zhuǎn)移的熱量與兩端加載的電流大小成正比，但兩者之間的關(guān)系并不是一個(gè)線性的關(guān)系。由于在一個(gè)熱電制冷器上就可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)制冷和加熱兩種功能，因此，熱電制冷器可以用于精確的溫度控制。

圖1 熱電制冷器控制原理圖

2 基于LT1013的線性驅(qū)動(dòng)電路

G5852采用的是負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻，即電阻阻值隨著溫度的上升而下降， TEC的驅(qū)動(dòng)電流大小與制冷溫度成反比。當(dāng)溫度變化時(shí)，電路通過比較電路將熱敏電阻兩端的電壓與設(shè)定電壓相比較，所得電壓差值經(jīng)過差分放大后，通過V/I轉(zhuǎn)換電路驅(qū)動(dòng)TEC工作，從而實(shí)現(xiàn)TEC的恒溫控制。

2.1 溫度設(shè)定

溫度的設(shè)定通常有兩種方法：一種是由單片機(jī)設(shè)定相對(duì)于某一溫度的確定電壓數(shù)字量，通過D/A轉(zhuǎn)換為模擬量，通過單片機(jī)外掛的按鍵開關(guān)實(shí)現(xiàn)確定電壓的增減；另一種則是采用電阻分壓的方式直接設(shè)定溫度值。兩種方式各有優(yōu)劣，電阻分壓的方式相對(duì)較為簡單，但調(diào)節(jié)精度不高，而單片機(jī)設(shè)定方式電路更為復(fù)雜，成本更高，但精度較好。因此采用電阻分壓的方式進(jìn)行溫度的設(shè)定。

圖2 溫度設(shè)定電路

溫度的設(shè)定電壓由可變電阻R41跟R37分壓確定；熱敏電阻TR與R35串聯(lián)，當(dāng)NTC阻值發(fā)生變化時(shí)，NTC上的分壓也將隨之發(fā)生改變。此時(shí)LT1013作為電壓跟隨器使用，其目的是為了保證輸出電壓不受后級(jí)放大電路的影響。為了提高控制精度，將R35的阻值設(shè)定為5M，將電阻的變化量轉(zhuǎn)換為微小的電壓變化。

2.2 V/I轉(zhuǎn)換電路

熱電制冷器為電流驅(qū)動(dòng)，因此需要將電壓的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏鞯淖兓?。圖3為V/I轉(zhuǎn)換電路。

圖3中Uout為設(shè)定電壓與NTC反饋電壓經(jīng)差分放大之后的輸出電壓，為了建立Uout與TEC驅(qū)動(dòng)電流的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過V/I轉(zhuǎn)換電路將電壓的變化轉(zhuǎn)換為電流的變化，即：

I=Uout/5

由于實(shí)驗(yàn)需要將溫度設(shè)定在-25℃，意味著TEC需要較大的驅(qū)動(dòng)電流，而其內(nèi)阻僅有1Ω，大部分的功率將會(huì)消耗在功率管上，容易燒壞功率管。為了提高功率管的使用壽命，通過將TEC與4只并聯(lián)的20Ω大功率電阻相串聯(lián)，使部分功率消耗在大功率電阻上，減少功率管兩端的壓降。

3 基于ADN8830的PWM驅(qū)動(dòng)電路

ADN8830是美國ADI公司生產(chǎn)的高性能單片集成式TEC控制器，驅(qū)動(dòng)模式為半線性半PWM模式，即通過改變脈沖信號(hào)的占空比來控制輸出電流的大小。其外圍電路主要包括溫度設(shè)定電路，PID補(bǔ)償電路，頻/相控制電路，TEC驅(qū)動(dòng)電路四個(gè)部分。

3.1 溫度設(shè)定電路

熱敏電阻測溫時(shí)常采用H橋電路結(jié)構(gòu)，但H橋電路存在非線性誤差，不利于精確控制，本文采用恒流源橋式電路結(jié)構(gòu)。運(yùn)算放大器LT1013與三極管構(gòu)成Q5構(gòu)成恒流源電路，當(dāng)NTC的阻值變化ΔR時(shí)，NTC兩端電壓ΔV=IΔR，即ΔV隨著ΔR線性變換。

圖4 恒流源橋式電路

3.2 PID補(bǔ)償電路

PID補(bǔ)償電路是溫度控制電路的關(guān)鍵，其性能的好壞直接決定了溫度控制的精度。PID控制器由比例單元、積分單元和微分單元組成，數(shù)學(xué)模型為：

其中：Kp為比例系數(shù)，T1為積分時(shí)間常數(shù)，TD為微分時(shí)間常數(shù)。

ADN8830內(nèi)部集成了低噪補(bǔ)償放大器，通過TEMPCTL、COMPFB、COMPOUT三腳之間的電路構(gòu)成了一個(gè)PID補(bǔ)償電路。

3.3 頻/相控制電路

ADN8830內(nèi)部集成了振蕩器，可以為PWM控制提供精準(zhǔn)時(shí)鐘，其頻率由FREQ腳串聯(lián)電阻決定，本電路采用官方給定參考值R=150K，頻率為 1MHz。

3.4 TEC驅(qū)動(dòng)電路

ADN8830使用的TEC驅(qū)動(dòng)電路采用非對(duì)稱輸出模式，既減少了PWM紋波的影響，又提高了電源效率。P1與N1腳通過PWM模式驅(qū)動(dòng)MOS管工作在開關(guān)狀態(tài)，P2與N2腳通過線性模式驅(qū)動(dòng)MOS管。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1 線性驅(qū)動(dòng)電路實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)時(shí)室溫28.4℃，設(shè)定溫度-25.0℃，該溫度下NTC理論值為65kΩ，即設(shè)定電壓為64.2mV。電路上電后用數(shù)字萬用表測量NTC兩端電壓，每30s記錄一次，數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖5 NTC兩端電壓

由圖5可以得知，經(jīng)過約30s后電路達(dá)到穩(wěn)定，電壓值為57.5±1.2mV，通過電路參數(shù)計(jì)算可以得出NTC阻值為57.1kΩ～59.2kΩ。將熱敏電阻值與器件手冊(cè)相對(duì)比，獲知溫度波動(dòng)范圍約為-18.6℃～-19.6℃，穩(wěn)定溫度高于設(shè)定溫度。這是因?yàn)樵O(shè)定溫度遠(yuǎn)低于環(huán)境溫度，受環(huán)境溫度影響較大，從而提高了恒溫電路穩(wěn)定時(shí)的溫度值。

4.2 PWM驅(qū)動(dòng)電路實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)時(shí)室溫27.8℃，設(shè)定溫度-25.0℃，設(shè)定電壓58.3mV。由ADN8830的TEMPOUT腳監(jiān)測熱敏電阻兩端電壓，每30s監(jiān)測一次，20min內(nèi)測量所得電壓如圖6所示。

圖6 TEMPOUT管腳電壓

由圖6可以得知電路在90s左右達(dá)到穩(wěn)定，電壓51.7±0.9 mV。由于電路采用恒流源橋式電路，即R=U/I，其中I=2.5V/3×106Ω≈0.83mA。通過計(jì)算可以得知此時(shí)NTC阻值為61.2～63.4kΩ，與數(shù)據(jù)手冊(cè)比對(duì)后得知此時(shí)探測器內(nèi)部溫度為-21.4～-21.9℃。

5 結(jié)論

介紹了基于LT1013和基于ADN8830兩種常用的TEC溫度控制電路，并對(duì)兩種電路進(jìn)行了簡單的測試分析。將這兩種電路應(yīng)用在光電探測器G5852上，取得了較好的溫度控制效果，減小了環(huán)境溫度變化對(duì)探測器的影響，提高了測量精度。

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