CN100527037C - 高稳定度恒温控制器 - Google Patents

Abstract

本发明的高稳定度恒温控制器属于电子线路技术领域。其组成包括：电压基准电路(1)、温度设置电路(2)、温度测量电路(3)、PI控制电路(4)、限幅保护电路(5)、显示电路(6)、TEC驱动电路(7)；其中TEC驱动电路(7)包括桥式电路和电压负反馈电路。本发明抗干扰能力强，性能稳定工作可靠，适于大功率激光二极管的温度控制使其长期工作，其温度控制范围达到0～80℃，短期稳定度为0.02℃，长期稳定度为0.05℃。除用于大功率激光二极管的恒温度控制外，通过调整适当的控制参数，可以在现代科技的其它领域得到广泛应用。

Description

高稳定度恒温控制器

技术领域

本发明属于电子线路技术领域，适用于各种恒温度控制系统，特别适用于大功率激光二极管的温度控制。

背景技术

光纤通信系统中的各类放大器均使用激光二极管作为光源，半导体激光器作为一种高功率密度并且具有极高量子效率的器件，尽管其是高效率的电子—光子转换器件，但由于不可避免地存在各种非辐射复合损耗、自由载流子吸收等损耗机制，使其外微分量子效率只能达到20％～30％，这意味着相当部分注入的电功率将转化为热量，引起激光器温度升高。温度对激光器的影响主要有以下几个方面：

(1)温度对阈值电流的影响。随着温度的升高将引起阈值电流的增大，使输出功率下降，从而给激光器驱动电源的设计带来困难。

(2)温度对V—I关系的影响。当注入电流相等时，温度高的激光器对应的正向压降也大，这会给半导体激光器恒流源的设计带来困难。

(3)温度对输出波长的影响。由于有源层材料的禁带宽度随温度升高而变窄，使激射波长向长波方向移动，即红移现象。红移量与器件的结构和有源区材料有关，约为0.2～0.3nm/℃。因此，可以用适当的温度控制来微调激光的峰值波长，以满足对波长要求严格的一些应用。

(4)温度对P—I曲线非线性的影响。理想情况下，半导体激光器的P—I应该是线性曲线，PN结过热是产生非线性的原因之一。除此之外，来自于有源区中横(侧)模的不稳定性，来自外部的反射光(如从连接器，尾纤端等部位)以及与光强有关的饱和等因素也能造成非线性。其中模式的不稳定性是出现P-I曲线扭折的主要原因，这种不稳定性除了与激光器本身的结构有关外，还与温度有很大关系。

除此之外温度升高还会增加内部缺损，严重地影响器件的寿命，给应用带来很大困难。如果不将所产生的热量移去，将造成一种恶性循环，使激光器很快失效。试验表明，温度每增加25℃，器件的寿命减少一半，即使工作电流在数十毫安的半导体激光器，它却承受了10²A/cm左右的光电流密度。所以工作温度对于激光器十分重要，必须给激光器提供恒定而且能够精密调整的工作温度，才能保证激光器具有最大的效率和最小的功率波动。

以前对大功率激光器往往采用冰水循环方式制冷，通过调节热沉中循环管道内冰水的流量来达到温控的目的。这种控制方法精度不高，使用也不方便。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，设计结构巧妙的温度控制装置，不需要改变驱动电流的方向就可以自动实现升温和降温两种功能，能够简单方便地实现大功率激光二极管恒定温度的控制。除用于大功率激光二极管的恒温度控制外，本发明高稳定度恒温控制器在现代科技的其它领域中应用也十分广泛。在生物制药、动植物物种保护、重要人体组织或器官的保存、仪表与电子器件试验、工程材料的低温性能测试等领域都需要稳定的恒温环境，通过调整适当的控制参数此恒温控制器亦可很好地应用于上述领域中。

上述的目的通过以下的技术方案实现：

高稳定度恒温控制器，其组成包括：半导体制冷器(TEC)、电压基准电路(1)、温度设置电路(2)、温度测量电路(3)、PI控制电路(4)、限幅保护电路(5)、显示电路(6)和TEC驱动电路(7)；

所述的电压基准电路(1)与温度设置电路(2)相连，所述的温度设置电路(2)与显示电路(6)相连，所述的温度测量电路(3)与PI控制电路(4)相连，所述的温度设置电路(2)与PI控制电路(4)相连，所述的PI控制电路(4)与限幅保护电路(5)相连，所述的限幅保护电路(5)与TEC驱动电路(7)相连。所述的温度测量电路(3)与显示电路(6)相连；

所述的电压基准电路(1)包括：稳压管，电位器和电阻，稳压管的阴极电压为电压基准；

所述温度设置电路(2)包括：与电压基准电路(1)相连的滑动变阻器，由滑动变阻器设定温度值，经过运放和电压跟随器，把设定的电压输出到控制输入端和显示切换端，控制输入端经过运放与减法器相连，显示切换端与显示电路(6)相连；

所述温度测量电路(3)包括：恒流源的电流进入温度传感器，温度传感器两端的电压经过电压跟随器输出到控制输入端和显示切换端，控制输入端经过运放与减法器相连，显示切换端与显示电路(6)相连；

所述的PI控制电路(4)包括：并联的放大电路和积分电路；温度设置电路(2)的输出与温度测量电路(3)的输出输入到减法器，经放大电路和积分电路后输出的电压作为驱动半导体制冷器(TEC)工作的信号；

所述的限幅保护电路(5)包括：运放和在运放两边连接的两个负极相接的稳压二极管；驱动半导体制冷器(TEC)工作的信号通过运放、稳压二极管，使输出的电压不会太高或太低，起到限幅保护后续电路的作用；

所述显示电路(6)包括：温度设定和温度测量电路的输出经过单刀双掷开关连接到显示电路上；通过单刀双掷开关可以实现两个温度值的切换显示；

所述的TEC驱动电路(7)是，经限幅保护电路(5)输出的驱动半导体制冷器(TEC)的驱动电压与比较器U5A正向输入端相连；所述的比较器U5A的输出通过电阻R21与同相放大器U6A的反相输入端相连；所述同相放大器U6A的反相输入端通过电阻R22与输出端相连；所述同相放大器U6A的输出与用参数互补的达林顿管组成桥式电路相连；所述的桥式电路的构成包括：一个NPN型大功率达林顿管Q2的集电极接外部直流电压；所述的NPN型大功率达林顿管Q2的发射极与PNP型大功率达林顿管Q3的发射极相连；所述的PNP型大功率达林顿管Q3的集电极接地；所述的NPN型大功率达林顿管Q2的发射极通过取样电阻R25和半导体制冷器(TEC)与对应的另一半桥相连；取样电阻R25的电压通过同相放大器把信号反馈回驱动电路的比较器U5A的负向输入端，所述的同相放大器包括：一个与取样电阻一端和运放U5B负向输入端相连的电阻R26；一个与运放U5B负向输入端和输出端相连的电阻R28；一个与取样电阻另一端和运放U5B正向输入端相连的电阻R27；一个与运放U5B正向输入端和外部直流参考电压相连的电阻R29；一个与运放U5B输出端和比较器U5A相连的电阻R30。

这个技术方案有以下有益效果：

1.本发明的恒温控制器的驱动电路不需要改变电流的方向即可使TEC加热或制冷。

2.本发明的恒温控制器使用一个液晶显示器可以切换显示设置温度值和实际温度值，减少了设备，节省了成本。

3.本发明的恒温控制器抗干扰能力强，性能稳定工作可靠，正常使用不会出现误动作。

4.采用限幅过流保护，降低了瞬时高电压和瞬时强电流所引起的击穿破坏，有效保护了仪器的稳定工作。

5.本恒温控制器决定了激光器输出功率的稳定性和光谱的纯度。

6.本恒温控制器不仅可以用于半导体激光器的温度控制中，而且还可以应用于其它需要控制温度的小环境场合。

7.此恒温控制器的稳定性较高，适用于激光器的长期工作。

因此，本发明的温度控制器不仅可以用于半导体激光器的温度控制中，而且还可以应用于其它需要控制温度的小环境场合，因此具有非常广泛的应用领域。其温度控制范围可以达到0℃-80℃，短期稳定度为0.02℃，长期稳定度为0.05℃。

附图说明

图1是本发明的高稳定度恒温控制器基本原理框图。

图2是本发明的电压基准电路(1)与温度设置电路(2)原理图。

图3是本发明的温度测量电路(3)原理图。

图4是本发明的减法器电路原理图。

图5是本发明的PI控制电路(4)原理图。

图6是本发明的限幅保护电路(5)原理图。

图7是本发明的TEC驱动电路(7)原理图。

图8是本发明的显示电路(6)原理图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的结构和有益效果。

实施例1 本发明的高稳定度恒温控制器的基本结构及工作原理

如图1所示：电压基准电路(1)中的电位器抽头输出与运放相连，作为温度设置电路(2)，其输出与显示电路(6)相连。恒流源与温度传感器串联，测量电压端与显示电路(6)相连，温度设置电路(2)和温度测量电路(3)均与减法器相连，减法器与PI控制电路(4)，即PI控制模块相连，PI控制模块与限幅保护电路(5)相连。限幅保护电路(5)的输出与TEC驱动电路(7)相连。

本发明的工作原理简述如下：

高稳定度恒温控制器实际温度测量时需要给定一个恒流源，这个恒流源的精度和稳定度直接影响了整个仪器的精度和稳定度，所以制作是难度很高。本发明利用运放的“虚短”和三极管的特性设计出了简单实用的恒流源发生电路。而且通过改变反馈电阻的大小还可以改变恒流源的值。

温度设定也是以电压的形式给出的，并用跟随器隔离，减少了漏电流所产生的误差。该温度控制器可以配有4位半的数码显示器，且显示的数值可以在设置温度和实际温度之间切换。本发明用一个开关S2实现两种温度值的切换，减少了电路结构。

温度设定值和实际温度测定值的差是半导体制冷器(TEC)驱动的标准，利用温差可以有很多驱动电流的控制方法，本发明选择PI控制方法。适当选择控制参数，可以达到超调量小，震荡时间短的目的。PI控制方法的缺点是在初始控制时刻驱动电压幅度可能很大，很容易击穿后面的运放或桥式电路，因此本发明引入一对反向击穿电压为5.1V的稳压管，并与运放的反馈电阻并联，从而有效控制了驱动信号的幅度，保护了后续电路的安全稳定工作。

由于本发明所设计的高稳定度恒温控制器能够使温度上升或者下降从而最后稳定在设定的温度值。要实现此功能可以利用半导体制冷器(TEC)，当TEC中电流正方向流动时TEC制冷，而当TEC中电流反方向流动时TEC加热。因此只要利用驱动电流控制TEC中电流流动的方向和大小就可以有效控制TEC的温度，从而实现激光二极管的恒温控制。实现电流控制TEC中电流流动方向和大小的电路是由四个达林顿三极管构成的桥式电路，桥式电路中取样电阻所产生的反馈信号使得驱动TEC的电流更加快速和平稳。温度传感器从半导体激光器内部感应到LD的温度变化，然后转化为电信号作为负反馈再与预置温度信号在减法器中做减法运算，将产生的差值送到PI控制电路中进行处理。

本发明所设计的高稳定度恒温控制器为了适应不同温度传感器(包括热电偶、热敏电阻、电阻式温度探测器、集成温度传感器等)的工作，给出了四种恒流源的电流值，他们可以通过四个并联电阻的通断进行选择。同时为了适应不同功率激光二极管的要求，给出了四种电压电流变换关系，最大控制电流可以达到2.5A，既缩短了温度控制时间，又没有超出TEC的工作电流。

实施例2 电压基准电路(1)与温度设置电路(2)的结构

如图2所示，本发明的电压基准电路(1)与温度设置电路(2)包括：外部直流供电电源(Vcc)接一9.1k电阻再接一精密的电压基准模块(LM336)接地；本发明的温度设置电路(2)是在LM336并接一10k电位器，其抽头与运放U7B同相输入端相连；运放U7B反相输入端接一10k电阻接地，又接一22k电阻接U7B输出。另外为提高驱动能力在U7B输出端又加了一由U2B组成的电压跟随器，U2B同相输入端接U7B输出，U2B反相输入端与其输出端相连。

实施例3 本发明的温度测量电路(3)的结构

如图3所示，本发明的温度测量电路(3)包括：外部直流供电电源(Vcc)接2.5V稳压管D1；稳压管D1阳极与运放U1A的同相输入端和9.1k电阻R5相连；电阻R5另一端接地；运放U1A的输出端与1k电阻R39和470pF电容C18相连；电容C18与运放U1A的反相输入端相连，并通过单刀四掷开关与四个电阻(R1，R2，R3，R4)相连，并与三极管Q1的射极相连；上述四个电阻(R1，R2，R3，R4)与外部直流电源(Vcc)相连；电阻R39与三极管Q1的基极相连；三极管Q1的射极与受控系统中的温度传感器相连，温度传感器的另一端接地。另外为提高驱动能力在三极管Q1的射极输出端又加了一由U1B组成的电压跟随器，U1B同相输入端接三极管Q1的射极，U1B反相输入端与其输出端相连。其中：R1＝250k、R2＝25k、R3＝2.5k、R4＝0.25k；Q1的型号为9012。

上述的温度测量电路(3)主要由分压电路和稳定电流电路组成。由运放虚短的原理三极管Q1的发射极电压与由稳压管D1和电阻R5分外部直流电压所得的电压值相等，三极管Q1动态导通，三极管Q1的集电极输出电流即为给定的恒流源，此恒流源通过温度传感器即可测得环境温度值；由于采用运放和三极管结合的方法得到恒流源，电流起伏小，精确稳定，适于测量高精度温度环境。

实施例4 本发明的减法器电路的结构

如图4所示，本发明的减法器电路包括：上述由U1B组成的电压跟随器的输出和由U2B组成的电压跟随器的输出分别通过100k电阻R6、R8与运放U2A的同相输入端和反相输入端相连；所述的减法器U2A的输出为设定电压和测量电压的差值；运放U2A的同相输入端又与一100k电阻R7相连再接外部直流参考电压

运放U2A的反相输入端又与一100k电阻R9相连再接运放U2A的输出。

实施例5 本发明的PI控制电路(4)的结构

如图5所示，本发明的PI控制电路(4)包括：上述减法器电路的输出通过10k电位器R20与外部直流参考电压

相连；电位器R20的抽头通过由U1B组成的电压跟随器与比例放大电路相连；所述比例放大电路包括：一个与由U1B组成的电压跟随器输出端和运放U3B反相输入端相连的电阻R12，一个与运放U3B反相输入端和输出端相连的电阻R13；上述的减法器电路(3)的输出与积分电路相连；所述的积分电路包括：减法器U2A的输出通过电阻R11与运放U4B的反相输入端相连；一个电容C4和一个0.22欧姆电阻R14串联后连接运放U4B的反相输入端和输出端；运放U4B的同相输入端接外部直流参考电压其中电阻R12、电阻R13、电阻R11及电容C4的值决定了温度控制器的PI控制参数，可根据不同受控系统的具体情况调整其取值。

实施例6 本发明的限幅保护电路(5)的结构

如图6所示，本发明的限幅保护电路(5)包括：上述PI控制电路(4)的比例放大电路输出通过10k电阻R16与PI控制电路(4)的积分电路输出通过10k电阻R15相连，并连接运放U4A的反相输入端；运放U4A的同相输入端接外部直流参考电压

由两个相反方向串连的5.1V稳压管D2、D3并联10k电阻R17构成负反馈，连接运放U4A的反相输入端和输出端；运放U4A的输出端通过3.6k电阻R38与10k电位器R18相连再接外部直流参考电压

电位器R18的抽头电压即为限幅保护电路(5)的输出。

实施例7 本发明的TEC驱动电路(7)的结构

如图7所示，本发明的TEC驱动电路(VCCS)(7)由驱动桥式电路和温度值测量反馈电路组成。包括：限幅保护电路(5)的输出与运放U5A同相输入端相连；运放U5A的输出端通过100k电阻R21与运放U6A的反相输入端相连；运放U6A的同相输入端接外部直流参考电压

运放U6A的反相输入端通过100k电阻R22与输出端相连；运放U6A的输出端与用参数互补的达林顿管组成桥式电路相连；所述的桥式电路的构成包括：运放U6A的输出与NPN型大功率达林顿管Q2及PNP型大功率达林顿管Q3的基极相连；NPN型大功率达林顿管Q2的集电极接外部直流供电电源(Vcc)；PNP型大功率达林顿管Q3的集电极接地；NPN型大功率达林顿管Q2的发射极与PNP型大功率达林顿管Q3的发射极相连后再通过1欧姆取样电阻R25串接热电致冷器(TEC)与NPN型大功率达林顿管Q4及PNP型大功率达林顿管Q5的射极相连；NPN型大功率达林顿管Q4的集电极接外部直流供电电源(Vcc)；PNP型大功率达林顿管Q5的集电极接地；运放U6A的输出经一由U6B组成的反相器与NPN型大功率达林顿管Q4及PNP型大功率达林顿管Q5的基极相连；所述反相器包括：运放U6A的输出经100k电阻R24接运放U6B的反相输入端；运放U6B的同相输入端接外部直流参考电压

运放U6B的反相输入端通过100k电阻R23与输出端相连；1欧姆取样电阻R25的电压通过同相放大器，把信号反馈回TEC驱动电路(6)的运放U5A的反相输入端；所述的同相放大器包括：与取样电阻一端和运放U5B反相输入端相连的20k电阻R26；一个与运放U5B反相输入端和输出端相连的200k电阻R28；一个与取样电阻另一端和运放U5B同相输入端相连的20k电阻R27；一个与运放U5B同相输入端和外部直流参考电压相连的200k电阻R29；一个与运放U5B输出端和比较器U5A相连的10k电阻R30。

实施例8 本发明的显示电路(6)的结构

如图8所示，恒温控制器的显示电路(6)包括：上述温度设置电路(1)的输出和上述温度测量电路(2)的输出通过单刀双掷选择开关S2输入到运放U7A的同相输入端；运放U7A的反相输入端接输出端；运放U7A的输出端通过串联的1k电阻R40和10k电位器R41接地；电位器R41的抽头与显示器J2相连。

实施例9 一组本发明电路的元件参数

综合实施例2～8的各电路的电阻、电容的数值，就给出本发明的一组较好的元件参数。具体为：R33＝9.2k、R34＝10k、R35＝10K、R36＝22k、R5＝9.1k、R39＝1k、R1＝250k、R2＝25k、R3＝2.5k、R4＝0.25k、R6＝R7＝R8＝R9＝100k、R20＝10k、R14＝0.22欧、R16＝10k、R15＝10k、R17＝10k、R38＝3.6k、R18＝10k、R21＝R22＝100k、R25＝0.1欧、R24＝100k、R23＝100k、R26＝20k、R28＝200k、R27＝20k、R29＝200k、R30＝10k、R40＝1k、R41＝10k；C18＝470pF；Q1的型号为9012。

本组电路参数最适用于大功率激光二极管恒定温度控制，能够简单方便地实现对大功率激光二极管恒定温度的控制。

Claims (3)

1、一种高稳定度恒温控制器，其特征在于，组成包括：半导体制冷器(TEC)、电压基准电路(1)、温度设置电路(2)、温度测量电路(3)、PI控制电路(4)、限幅保护电路(5)、显示电路(6)和TEC驱动电路(7)；

所述的电压基准电路(1)包括：稳压管，电位器和电阻，稳压管的阴极电压为电压基准；

所述温度设置电路(2)包括：与电压基准电路(1)相连的滑动变阻器，由滑动变阻器设定温度值，经过运放和电压跟随器，把设定的电压输出到控制输入端和显示切换端，控制输入端经过运放与减法器相连，显示切换端与显示电路(6)相连；

所述温度测量电路(3)包括：恒流源的电流进入温度传感器，温度传感器两端的电压经过电压跟随器输出到控制输入端和显示切换端，控制输入端经过运放与减法器相连，显示切换端与显示电路(6)相连；

所述的PI控制电路(4)包括：并联的放大电路和积分电路；温度设置电路

(2)的输出与温度测量电路(3)的输出输入到减法器，经放大电路和积分电路后输出的电压作为驱动半导体制冷器(TEC)工作的信号；

所述的限幅保护电路(5)包括：运放和在运放两边连接的两个负极相接的稳压二极管；驱动半导体制冷器(TEC)工作的信号通过运放、稳压二极管，使输出的电压不会太高或太低，起到限幅保护后续电路的作用；

所述显示电路(6)包括：温度设定和温度测量电路的输出经过单刀双掷开关连接到显示电路上；通过单刀双掷开关可以实现两个温度值的切换显示；

所述的TEC驱动电路(7)是，经限幅保护电路(5)输出的驱动半导体制冷器(TEC)的驱动电压与比较器U5A正向输入端相连；所述的比较器U5A的输出通过电阻R21与同相放大器U6A的反相输入端相连；所述同相放大器U6A的反相输入端通过电阻R22与输出端相连；所述同相放大器U6A的输出与用参数互补的达林顿管组成桥式电路相连；所述的桥式电路的构成包括：一个NPN型大功率达林顿管Q2的集电极接外部直流电压；所述的NPN型大功率达林顿管Q2的发射极与PNP型大功率达林顿管Q3的发射极相连；所述的PNP型大功率达林顿管Q3的集电极接地；所述的NPN型大功率达林顿管Q2的发射极通过取样电阻R25和半导体制冷器(TEC)与对应的另一半桥相连；取样电阻R25的电压通过同相放大器把信号反馈回驱动电路的比较器U5A的负向输入端，所述的同相放大器包括：一个与取样电阻一端和运放U5B负向输入端相连的电阻R26；一个与运放U5B负向输入端和输出端相连的电阻R28；一个与取样电阻另一端和运放U5B正向输入端相连的电阻R27；一个与运放U5B正向输入端和外部直流参考电压相连的电阻R29；一个与运放U5B输出端和比较器U5A相连的电阻R30。

2、按照权利要求1所述的高稳定度恒温控制器，其特征在于，所说的温度测量电路(3)中的恒流源电路结构是，外部直流供电电源(Vcc)接2.5V稳压管D1；稳压管D1阳极与运放U1A的同相输入端和9.1k电阻R5相连；电阻R5另一端接地；运放U1A的输出端与1k电阻R39和470pF电容C18相连；电容C18与运放U1A的反相输入端相连，并通过单刀四掷开关与四个电阻(R1，R2，R3，R4)相连，并与三极管Q1的射极相连；上述四个电阻(R1，R2，R3，R4)与外部直流电源(Vcc)相连；电阻R39与三极管Q1的基极相连；三极管Q1的射极与受控系统中的温度传感器相连，温度传感器的另一端接地；另外为提高驱动能力在三极管Q1的射极输出端又加了一由U1B组成的电压跟随器，U1B同相输入端接三极管Q1的射极，U1B反相输入端与其输出端相连。

3、按照权利要求1或2所述的高稳定度恒温控制器，其特征在于，电路中元件的参数为R33＝9.2k、R34＝10k、R35＝10K、R36＝22k、R5＝9.1k、R39＝1k、R1＝250k、R2＝25k、R3＝2.5k、R4＝0.25k、R6＝R7＝R8＝R9＝100k、R20＝10k、R14＝0.22欧、R16＝10k、R15＝10k、R17＝10k、R38＝3.6k、R18＝10k、R21＝R22＝100k、R25＝0.1欧、R24＝100k、R23＝100k、R26＝20k、R28＝200k、R27＝20k、R29＝200k、R30＝10k、R40＝1k、R41＝10k；C18＝470pF；Q1的型号为9012。

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