CN104181954B - 一种电子制冷器恒温控制电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电子制冷器恒温控制电路，包括温度传感电路、电压识别电路和晶体管电路；电子制冷器与晶体管电路连接；电压识别电路，依据电子制冷器温度的电压信号控制晶体管电路中晶体管的工作状态，对电子制冷器制冷或加热。与现有技术相比，本发明提供的一种电子制冷器恒温控制电路，能够自动对被控对象进行制冷或加热的恒温控制。

Description

一种电子制冷器恒温控制电路

技术领域

本发明涉及一种温度控制电路，具体涉及一种新型电子制冷器恒温控制电路。

背景技术

电子制冷器(Thermoelectric Cooler，TEC)，也称为半导体制冷器，它是利用半导体材料的珀尔帖效应制成的。所谓的珀尔帖效应是指当直流电流通过两种半导体材料组成的电偶时，其一端吸热，一端放热的现象。将许多热电偶串联起来，所有的热端集中在一边，冷端集中在另一边，就形成了制冷器的“热”侧与“冷”侧。实际应用中，电子制冷器是制冷还是加热，以及制冷、加热的速率，由通过它电流的方向和大小来决定。

电子制冷器是已知最小的制冷装置，广泛应用于体积小、重量轻的电子设备中。最典型的应用是对激光器进行恒温控制，众所周知激光器对于温度是非常敏感的，因此对电子制冷器的指标要求以及其电流控制要求都非常高。

激光器只有工作在其要求的恒定温度下，其输出的激光波长才不会变化，输出光功率稳定，同时还能够延长激光器的使用寿命。温度为激光器稳定工作的必要条件，对电子制冷器控制电路的研究一直是激光器应用研究的重要内容之一，因此需要提出一种具有结构简单、温度控制精度高、成本低、单电源供电、调试方便等优点的电子制冷器恒温控制电路。

发明内容

为了满足现有技术的需要，本发明提供了一种电子制冷器恒温控制电路，所述电路包括温度传感电路，所述电路包括与所述电子制冷器连接的晶体管电路；所述温度传感电路与所述晶体管电路之间连接有电压识别电路；

所述电压识别电路，依据电子制冷器温度信号的电压数据控制所述晶体管电路中晶体管的工作状态，对所述电子制冷器制冷或加热。

优选的，所述温度传感电路包括差动电桥单元和三运放放大电路单元；

所述差动电桥单元包括一个温敏电阻和三个固定电阻；所述固定电阻的阻值为电子制冷器在恒温设定值时所述温敏电阻的阻值；

所述三运放放大电路单元的输出端叠加设置电压值为Vcc/2的偏置电压，所述Vcc为差动电桥单元的电源端电压值；

优选的，所述电压识别电路包括第一比较器、第二比较器、第一减法器、第二减法器和四选一模拟开关；

优选的，所述第一比较器通过或门电路分别接入所述四选一模拟开关的地址输入端A和晶体管电路；所述第二比较器通过或门电路分别接入所述四选一模拟开关的地址输入端B和晶体管电路；

所述第一比较器的逻辑比较式为U_ao＜Vcc/2；

所述第二比较器的逻辑比较式为U_ao＞Vcc/2；所述U_ao为三运放放大电路单元的输出值；

所述或门电路的另一个输入端均接入所述电子制冷器的使能信号EN；

优选的，所述第一减法器接入所述四选一模拟开关的输入端X1，所述第二减法器接入所述四选一模拟开关的输入端Y2；

所述第一减法器的算术运算式为ΔU＝Vcc/2-U_ao；

所述第二减法器的算术运算式为ΔU＝U_ao-Vcc/2；

所述U_ao为三运放放大电路单元的输出值；

优选的，所述四选一模拟开关的输出端分别通过信号变换电路与晶体管电路连接；所述信号变换电路将所述输出端的电压信号转换为电流信号，所述电流信号的值为I＝k·ΔU；

优选的，所述信号变换电路包括第一信号变换电路和第二信号变换电路；

所述第一信号变换电路连接于与所述四选一模拟开关的输入端Y2相对应的输出端上，所述第二信号变换电路连接于与所述四选一模拟开关的输入端X1相对应的输出端上；

优选的，所述晶体管电路为H桥电路；所述H桥电路的每相桥臂均包括一个PNP型三极管和一个NPN型三极管；所述电子制冷器连接于所述PNP型三极管和NPN型三极管的连接点之间；

优选的，或门电路的输出信号分别控制H桥电路的每相桥臂中PNP型三极管的导通和闭锁；

信号变换电路的输出信号分别控制H桥电路的每相桥臂中NPN型三极管的导通和闭锁。

与最接近的现有技术相比，本发明的优异效果是：

1、本发明提供的一种电子制冷器恒温控制电路，能够自动对被控对象进行制冷或加热的恒温控制；

2、本发明提供的一种电子制冷器恒温控制电路，可在需要恒温控制时开启电子制冷器，不需要恒温控制时关闭电子制冷器；

3、本发明提供的一种电子制冷器恒温控制电路，模拟、数字混合电路，结构简单实现容易；

4、本发明提供的一种电子制冷器恒温控制电路，通过改变放大电路的增益可以调节温度控制的精度。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1是：本发明实施例中电子制冷器恒温控制电路的结构框图；

图2是：本发明实施例中电子制冷器恒温控制电路的内部示意图；

图3是：本发明实施例中电子制冷器恒温控制电路的温度闭环反馈控制示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本发明提供的电子制冷器恒温控制电路，通过控制H桥电路两对晶体管轮流导通，调整电子制冷器的电流方向以达到制冷或加热的目的，从而保证其温度恒定。

如图1所示，本实施例中恒温控制电路包括温度传感电路、电压识别电路和晶体管电路；电子制冷器与晶体管电路连接，温度传感器采集电子制冷器的温度信号，电压识别电路依据该温度信号控制晶体管电路中晶体管的工作状态，即晶体管的导通和闭锁，实现对电子制冷器制冷或加热。

一、温度传感电路；

如图2所示，温度传感电路包括差动电桥单元和三运放放大电路单元；

1、差动电桥单元包括一个温敏电阻NTC和三个固定电阻R1、R2、R3；

(1)温敏电阻NTC为负温度系数的温敏电阻；

(2)固定电阻R1、R2、R3的电阻值相同，其阻值大小为电子制冷器在恒温设定值时温敏电阻NTC的阻值；同时，当改变恒温设定值时，固定电阻R1、R2、R3的阻值变化值很小。

2、三运放放大电路单元用现有的三运放放大电路实现；

①：三运放放大电路包括两个输入端：

一个输入端连接于温敏电阻NTC与固定电阻R3的连接点，另一个输入端连接于固定电阻R1和R2的连接点；

②：三运放放大电路的输出端叠加设置电压值为Vcc/2的偏置电压，Vcc为差动电桥单元的电源端电压值；如当差动电桥单元输出电压U_do＝0时，三运放放大电路的输出值U_ao＝Vcc/2，即相当于只用一个正电源Vcc即可控制电路正常工作。

二、电压识别电路；

如图2所示，电压识别电路包括第一比较器、第二比较器、第一减法器、第二减法器和四选一模拟开关；

1、第一比较器和第二比较器；

(1)：第一比较器通过或门电路(1)分别与四选一模拟开关的地址输入端A和晶体管电路的晶体管Q2连接，用于驱动晶体管Q2；

第一比较器的逻辑比较式为U_ao＜Vcc/2，即将三运放放大电路单元的输出电压U_ao与Vcc/2进行比较，产生的小于信号S2驱动晶体管Q2。

(2)第一比较器通过或门电路(2)分别与四选一模拟开关的地址输入端A和晶体管电路的晶体管Q1连接，用于驱动晶体管Q1；

第二比较器的逻辑比较式为U_ao＞Vcc/2，即将三运放放大电路单元的输出电压U_ao与Vcc/2进行比较，产生的大于信号S1驱动晶体管Q1。

(3)或门电路的另一个输入端均接入电子制冷器的使能信号EN；

当EN＝1时，或门电路的逻辑运算使信号S1和信号S2都为高电平，晶体管Q1和Q2闭锁控制电路不工作；当EN＝0时，信号S1和信号S2能够驱动晶体管Q1和Q2导通，控制电路正常工作。

2、第一减法器和第二减法器；

(1)第一减法器接入四选一模拟开关的输入端X1；

第一减法器的算术运算式为ΔU₃＝Vcc/2-U_ao，即通过其输出的差值ΔU₃驱动晶体管Q3；

(2)第二减法器接入四选一模拟开关的输入端Y2；

第二减法器的算术运算式为ΔU₄＝U_ao-Vcc/2，即通过其输出的差值ΔU₄驱动晶体管Q4。

3、四选一模拟开关；

本实施例中四选一模拟开关采用型号为CD4052的四选一模拟开关，包括输入端、两个地址输入端和两个输出端；

(1)：输出端X和Y分别通过信号变换电路与晶体管电路连接；

①：信号变换电路将输出端的电压信号转换为电流信号，电流信号的值为I＝k·ΔU，k为变换系数；

②：第一信号变换电路连接于与四选一模拟开关的输入端Y2相对应的输出端Y上，第二信号变换电路连接于与四选一模拟开关的输入端X1相对应的输出端X上；

第一信号变换电路输出的电流信号值为I₁＝k₁·ΔU，第一信号变换电路输出的电流信号值为I₂＝k₂·ΔU；两个信号变换电路分别控制电子制冷器的制冷电流(I＝I₁₃)和加热电流(I＝I₂₄)，由于电子制冷器制冷或加热时效率不同，变换系数k₁和k₂也可以不同；

③：两个信号变换电路共用一个反馈电阻实现对电流I₁和I₂的准确控制。

(2)输入端和地址输入端；

本实施例中仅采用一组输入端，即输入端X1和输入端Y2，其余的输入端都接地；

(3)本实施例中四选一模拟开关的逻辑控制如下表所示：

		B(S1)	A(S2)	X	Y
						X0＝0	Y0＝0	0	0	0	0
X1＝ΔU3	Y1＝0	0	1	ΔU3	0
						X2＝0	Y2＝ΔU4	1	0	0	ΔU4
X3＝0	Y3＝0	1	1	0	0

如上表所示四选一模拟开关的工作过程为：

①：当地址输入端B、A的输入信号为“00”时，两个信号变换电路的参考电压均为地电位，晶体管Q3和Q4同时被闭锁，电子制冷器无电流流过；

②：当地址输入端B、A的输入信号为“01”时，晶体管Q1导通Q2闭锁；第二信号变换电路的参考电压为ΔU₃，晶体管Q3导通；第一信号变换电路的参考电压为地电位，晶体管Q4闭锁；H桥电路控制电子制冷器的电流方向为I₁₃，处于制冷状态，电流大小是I＝k₂×ΔU₃；

③：当地址输入端B、A的输入信号为“10”时，晶体管Q1闭锁Q2导通；第二信号变换电路的参考电压为地电位，晶体管Q3闭锁；第一信号变换电路的参考电压为ΔU₄，晶体管Q4导通；H桥电路控制电子制冷器的电流方向为I₂₄，处于加热状态，电流大小是I＝k₁×ΔU₄；

④：当地址输入端B、A的输入信号为“11”时，两个信号变换电路的参考电压均为地电位，晶体管Q3和Q4同时被闭锁，电子制冷器无电流流过。

三、晶体管电路；

晶体管电路为H桥电路；

本实施例中H桥电路的每相桥臂均包括一个PNP型三极管和一个NPN型三极管；即晶体管Q1和Q2为PNP型三极管，晶体管Q3和Q4为NPN型三极管；

电子制冷器连接于PNP型三极管和NPN型三极管的连接点之间，即连接于晶体管Q1和Q4的连接点与晶体管Q2和Q3的连接点之间。

本实施例中，或门电路的输出信号S1为晶体管Q1的驱动信号，输出信号S2为晶体管Q2的驱动信号；第一信号变换电路的输出信号S4为晶体管Q4的驱动信号，第二信号变换单路的输出信号S3为晶体管Q3的驱动信号。

四、如图3所示，本实施例中恒温控制电路的工作过程为：

(1)当电子元器件(如激光器)温度偏离恒温设定值并升高时，差动电桥单元的输出电压U_do负增大，三运放放大电路的输出值U_ao从Vcc/2开始下降，下降幅值ΔU₃＝Vcc/2-U_ao增大，经过第一信号变换电路变换，其输出的制冷电流I＝k₂×ΔU₃增大，制冷电流的增大会重新将电子元器件的温度逐渐降低到恒温设定值；

(2)当电子元器件(如激光器)温度偏离恒温设定值并降低时，差动电桥单元的输出电压U_do正增大，三运放放大电路的输出值U_ao从Vcc/2开始升高，升高幅值ΔU₄＝U_ao-Vcc/2增大，经过第二信号变换电路变换，其输出的加热电流I＝k₁×ΔU₄增大，加热电流的增大会重新将电子元器件的温度逐渐升高到恒温设定值。

最后应当说明的是：所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

Claims (6)

1.一种电子制冷器恒温控制电路，所述电路包括温度传感电路，其特征在于，所述电路包括与所述电子制冷器连接的晶体管电路；所述温度传感电路与所述晶体管电路之间连接有电压识别电路；

所述电压识别电路，依据电子制冷器温度信号的电压数据控制所述晶体管电路中晶体管的工作状态，对所述电子制冷器制冷或加热；所述电压识别电路包括第一比较器、第二比较器、第一减法器、第二减法器和四选一模拟开关；

所述第一比较器通过或门电路分别接入所述四选一模拟开关的地址输入端A和晶体管电路；所述第二比较器通过或门电路分别接入所述四选一模拟开关的地址输入端B和晶体管电路；

所述第一比较器的逻辑比较式为U_ao＜Vcc/2；

所述第二比较器的逻辑比较式为U_ao＞Vcc/2；所述U_ao为三运放放大电路单元的输出值；

所述或门电路的另一个输入端均接入所述电子制冷器的使能信号EN；

所述第一减法器接入所述四选一模拟开关的输入端X1，所述第二减法器接入所述四选一模拟开关的输入端Y2；

所述第一减法器的算术运算式为ΔU＝Vcc/2-U_ao；

所述第二减法器的算术运算式为ΔU＝U_ao-Vcc/2；

所述U_ao为三运放放大电路单元的输出值。

2.如权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述温度传感电路包括差动电桥单元和三运放放大电路单元；

所述差动电桥单元包括一个温敏电阻和三个固定电阻；所述固定电阻的阻值为电子制冷器在恒温设定值时所述温敏电阻的阻值；

所述三运放放大电路单元的输出端叠加设置电压值为Vcc/2的偏置电压，所述Vcc为差动电桥单元的电源端电压值。

3.如权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述四选一模拟开关的输出端分别通过信号变换电路与晶体管电路连接；所述信号变换电路将所述输出端的电压信号转换为电流信号，所述电流信号的值为I＝k·ΔU。

4.如权利要求3所述的控制电路，其特征在于，所述信号变换电路包括第一信号变换电路和第二信号变换电路；

所述第一信号变换电路连接于与所述四选一模拟开关的输入端Y2相对应的输出端上，所述第二信号变换电路连接于与所述四选一模拟开关的输入端X1相对应的输出端上。

5.如权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述晶体管电路为H桥电路；所述H桥电路的每相桥臂均包括一个PNP型三极管和一个NPN型三极管；所述电子制冷器连接于所述PNP型三极管和NPN型三极管的连接点之间。

6.如权利要求1、3或5所述的控制电路，其特征在于，或门电路的输出信号分别控制H桥电路的每相桥臂中PNP型三极管的导通和闭锁；

信号变换电路的输出信号分别控制H桥电路的每相桥臂中NPN型三极管的导通和闭锁。