基于電流調(diào)節(jié)的恒溫裝置

中國電子科技集團第十六研究所 趙 毅

1 引言

恒溫是提高電子裝置穩(wěn)定性和精度的重要途徑，本文設(shè)計了一種取材容易，制作簡單，性能優(yōu)良的恒溫裝置。目前，恒溫裝置在晶體振蕩器、噪聲源、高精度放大器、壓控振蕩器等領(lǐng)域有廣泛的應用[1-4]。在產(chǎn)品精細化不是很高，對產(chǎn)品電磁兼容要求不高，恒溫控制基本是通過占空比調(diào)節(jié)和電壓調(diào)節(jié)控制技術(shù)來實現(xiàn)溫度恒定，隨著科學技術(shù)的進步，對電子產(chǎn)品的電磁兼容性要求越來越高，對電子產(chǎn)品小型化的迫切需求，占空比調(diào)節(jié)和電壓調(diào)節(jié)在很多場合已經(jīng)不能滿足電磁兼容和小型化要求[5-7]。迫切需要一種能滿足電磁兼容和小型化要求的新型恒溫裝置。

占空比調(diào)節(jié)恒溫是通過改變固定加熱電阻的加載時間實現(xiàn)調(diào)整加熱功率，加熱電阻施加恒定電壓，間斷加熱，調(diào)節(jié)效率高，因為調(diào)節(jié)加熱功率是開關(guān)控制模式所以電磁干擾比較大、電磁兼容性很差。電壓調(diào)節(jié)恒溫是通過改變固定加熱電阻上的電壓實現(xiàn)調(diào)整加熱功率，特點是加熱電壓線性變化電磁兼容性好，但電壓調(diào)節(jié)器消耗功率大，加熱電阻和電壓調(diào)節(jié)器都需要用功率器件，體積大[8-11]。

針對以上問題，本文分析了目前恒溫裝置的缺點，設(shè)計了一種基于電流調(diào)節(jié)的恒溫裝置，克服了占空比調(diào)節(jié)恒溫和電壓調(diào)節(jié)恒溫裝置電磁干擾大、電磁兼容性差、功率大、體積大等不足，采取一種比較理想的恒溫控制方式，對傳統(tǒng)的恒溫裝置進行原理革新，最終設(shè)計出了一種基于電流調(diào)節(jié)的恒溫裝置。此種恒溫裝置優(yōu)勢在于采用電流調(diào)節(jié)，從而解決了電磁干擾大、電磁兼容性差、功率大、體積大的特點。顯而易見，在產(chǎn)品要求越來越智能，精細化程度越來越高的時代，這種基于電流調(diào)節(jié)的恒溫裝置能在晶體振蕩器、噪聲源、高精度放大器、壓控振蕩器等領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。

2 組成

基于電流調(diào)節(jié)的恒溫裝置是一種理想的恒溫控制方式，主要由五大模塊組成。分別為溫度測量模塊、溫度比較模塊、電壓調(diào)理模塊、電壓轉(zhuǎn)電流模塊、恒流加熱模塊五個模塊組成，如圖1所示。

圖1 基于電流調(diào)節(jié)的恒溫裝置的組成

五大模塊相輔相成，缺一不可。其中，溫度測量模塊是此裝置最先發(fā)揮作用的模塊?；跍囟葴y量穩(wěn)定性考慮和長期的實踐研究，溫度測量模塊采用技術(shù)比較成熟的二極管溫度傳感器，其中多個二極管相串聯(lián)，通過采取多點溫度測量，測算平均溫度，同時為了簡化電路，獲得更高的穩(wěn)定性，通過合理選擇二極管配置，省去了靈敏度放大電路，取得了良好的效果；通過使用LT431器件構(gòu)成控精密穩(wěn)壓源，實現(xiàn)基準電壓和誤差比較，簡潔有效；電壓調(diào)理模塊功能通過三極管構(gòu)成電壓調(diào)理電路來實現(xiàn)，從而實現(xiàn)合適的電壓輸出；通過多種方案比選，選擇指標參數(shù)比較優(yōu)異的三極管和電阻組成電壓電流轉(zhuǎn)換電路；恒流加熱模塊通過穩(wěn)壓集成塊LM317擔任，其中LM317采用恒流電路，取得了良好的恒流加熱效果。

3 恒溫裝置的電原理

本文提出的基于電流調(diào)節(jié)的恒溫裝置由五大部分組成，五大部分組合后電路圖如圖2所示。從圖2可以看出，電路構(gòu)成主要采用二極管、三極管和電阻等基礎(chǔ)元件構(gòu)成，通過合理選擇元件型號可獲得更高的穩(wěn)定性。

圖2 基于電流調(diào)節(jié)的恒溫裝置的電路圖。

溫度測量采用二極管作為溫度傳感器，二極管(1N4148)用作溫度測量的穩(wěn)定性、線性度都相當好，平均靈敏度約為－2mV/℃。

采用多個二極管D1～D6串聯(lián)進行溫度測量，一方面通過多點溫度測量獲得整個恒溫面積的平均溫度，提高溫度測量的準確性，另一方面可以增加溫度測量的靈敏度，靈敏度可以達到－12mV/℃，不必設(shè)置靈敏度放大電路，簡化了電路。

本著簡化的原則，基準電壓和誤差比較只使用一個器件IC1（LT431），LT431是可控精密穩(wěn)壓源，內(nèi)部集成有一個2.5V的電壓基準，且具有誤差比較功能，測量溫度電壓通過分壓電路輸入到TL431參考端，通過調(diào)整分壓比實現(xiàn)恒溫溫度的設(shè)定，經(jīng)過誤差比較后，LT431輸出溫度誤差電流通過三極管Q1、Q2組成的調(diào)理電路改變成合適的電壓輸出。

三極管Q3和電阻R10～R13組成電壓電流轉(zhuǎn)換電路，三極管Q3的集電極電流Ic和電壓的關(guān)系為：

Ic =（Vin-Vbe）/R

其中：Vb—三極管Q3基極電壓

Vbe—三極管發(fā)射結(jié)結(jié)電壓

R—電阻R10～R13并聯(lián)電阻

恒流加熱是穩(wěn)壓集成塊IC3（LM317）擔任，LM317采用恒流電路，三極管Q3的集電極電流Ic作為LM317的負載電流，LM317的輸出電流就是三極管Q3的集電極電流，加熱功率為Ic×Vcc，LM317輸出的最大電流決定于電阻R10～R13并聯(lián)電阻，電流I=1.25/R，電阻R10～R13為0805貼片電阻，每個電阻可以流過80mA電流，通過改變電阻阻值可以很容易地改變最大加熱功率。

穩(wěn)壓集成塊IC2（78L05）為溫度測量提供5V電壓，二極管D7（1N4007）提供防接錯保護，因為是電流加熱，二極管的結(jié)壓串聯(lián)在電流回路中，成為加熱的一部分，對電路沒有影響。

4 基于電流調(diào)節(jié)恒溫裝置的優(yōu)點

基于電流調(diào)節(jié)的恒溫裝置是在恒壓狀態(tài)下，通過改變電流調(diào)節(jié)加熱功率，加熱電流線性變化電磁兼容性好，加熱器件也是電流調(diào)節(jié)器件，兩者合二為一加熱效率很高，體積可以做到很?。?0mm×40mm），電壓適應性非常寬，由于是電流調(diào)節(jié)方式，在8V～24V電壓下都能穩(wěn)定工作，出色的靈活性，改變最大加熱功率非常容易，改變貼片電阻的阻值就能改變最大加熱功率，這是固定加熱電阻恒溫無法做到的，固定加熱電阻恒溫只能更換加熱電阻，在試驗中改變最大加熱功率是常常遇到的?；陔娏髡{(diào)節(jié)的恒溫裝置印制板圖如圖3所示，可以看出該電路恒溫控制精度可以達到±0.5℃，和傳統(tǒng)的恒溫裝置相對比，具有明顯的優(yōu)越性。

圖3 基于電流調(diào)節(jié)的恒溫裝置印制板圖

5 結(jié)論

本文通過對傳統(tǒng)占空比調(diào)節(jié)恒溫和電壓調(diào)節(jié)恒溫裝置原理的分析，設(shè)計了一種穩(wěn)定可靠，取材容易，制作簡單，性能優(yōu)良基于電流調(diào)節(jié)的恒溫裝置，從而克服了占空比調(diào)節(jié)恒溫和電壓調(diào)節(jié)恒溫的不足，采取一種比較理想的恒溫控制方式，最終設(shè)計出了一種基于電流調(diào)節(jié)的恒溫裝置。此種恒溫裝置優(yōu)勢在于采用電流調(diào)節(jié)，從而解決了電磁干擾大、電磁兼容性差、功率大、體積大的特點。在產(chǎn)品要求越來越智能，精細化程度越來越高的時代，這種基于電流調(diào)節(jié)的恒溫裝置能在晶體振蕩器、噪聲源、高精度放大器、壓控振蕩器等領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。

[1]涵明.簡單的電子管繼電器[J].化學通報,1958(01):13.

[2]錢人元,吳人潔,沈壽彭.電子管替繼器[J].化學通報,1956(06):40-43.

[3]蔡爾珠.恒溫加熱式氧化鋯在熱水鍋爐中的應用[J].儀表技術(shù),2005(6).

[4]馮素娟,孫長生.便攜式恒溫裝置在現(xiàn)場檢測中的應用分析[J].浙江電力,2009(4):56-59.

[5]耿玉磊.可調(diào)節(jié)自動恒溫裝置[J].商品與質(zhì)量,2010(8):143.

[6]黃賢武,鄭筱霞.傳感器原理與應用[M].北京:高等教育出版社(第2版),2004.

[7]紐曼.電子電路分析與設(shè)計[M].北京:清華大學出版社,2009.

[8]祝常紅.數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2008.

[9]康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)字部分[M].北京:高等教育出版社(第5版),2006.

[10]陶紅艷,余成波.傳感器與現(xiàn)代檢測技術(shù)[M].北京:清華大學出版社,2009.

[11]楊永旭.傳感器及其技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀[J].甘肅科技縱橫,2010,40(6):25-26.