CN105843274A - 基于热电致冷器的温控电路及采用其的量子级联激光器 - Google Patents

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Abstract

一种基于热电致冷器的温控电路，包括：温度采集模块，用于检测待检测区的温度并输出温度信号；控制器，用于根据所述温度采集模块输入的温度信号，对所述热电致冷器进行控制；以及热电致冷器，用于制冷。以及一种采用其的量子级联激光器。本发明温控电路的温度控制精度小于等于0.1℃，配合小型风冷装置，可以代替传统水冷系统，实现量子级联激光器在室温工作状态下稳定的温度控制，大大减少冷却系统体积，同时无机械振动，有利于系统稳定工作；此外，该温控电路体积小，安装方便，使用寿命长，操作简单，无噪声，特别适合于便携式激光器系统的温度控制。

Description

基于热电致冷器的温控电路及采用其的量子级联激光器
技术领域
本发明属于半导体器件及电子电路领域，更具体地涉及一种量子级联激光器(QCL)的温度控制电路，尤其是一种基于热电致冷器(TEC)的温控电路及采用其的量子级联激光器。
背景技术
量子级联激光器在气体检测、毒品与爆炸物检测、大气污染监测、红外对抗以及太赫兹成像等方面有着广泛的应用。由于量子级联激光器不同于一般的半导体激光器，其驱动电压更高(一般10V以上)，阈值电流更大(几百毫安至1安以上)，另外由于其转换效率低(10％左右)，所以发热量大，而且对温度控制的稳定性要求较高。通常量子级联激光器采用水冷系统，但由于其体积庞大，结构复杂，而且伴随机械振动和噪声，难以实现量子级联激光器的便携式应用。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在实现一种便携式的基于TEC的温控电路及采用其的量子级联激光器。
为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，本发明提供了一种基于热电致冷器的温控电路，包括：
温度采集模块，用于检测待检测区域的温度并输出温度信号；
控制器，用于根据所述温度采集模块输入的温度信号，对所述热电致冷器进行控制；以及
热电致冷器，用于制冷。
作为优选，所述温度采集模块包括：一热敏电阻，一端接地，另一端连接一第一电阻，所述热敏电阻与第一滤波电容和第二滤波电容同时并联；所述第一电阻的另一端连接电源电压；所述热敏电阻上的电压为所述温度采集模块的输出温度信号。
作为优选，所述控制器通过PID算法来对所述热电致冷器进行控制。
作为本发明的另一个方面，本发明还提供了一种采用如上所述基于热电致冷器的温控电路的量子级联激光器。
基于上述技术方案可知，本发明的温控电路及采用其的量子级联激光器具有如下有益效果：该温控电路采用5V电源供电，可以实现量子级联级联激光器在室温工作时准确而稳定的温度控制，在15-30℃范围内温度误差小于等于0.1℃；本发明配合小型风冷装置，可以代替传统水冷系统，实现量子级联激光器在室温工作状态下稳定的温度控制，大大减少冷却系统体积，同时无机械振动，有利于系统稳定工作，且制造成本低；本发明温控电路体积小，安装方便，使用寿命长，操作简单，无噪声，特别适合于便携式激光器系统的温度控制。
附图说明
图1为本发明的数模转换电路的模块接线图；
图2为本发明的TEC电流驱动电路的接线图；
图3为本发明的温度采集电路的接线图；
图4为本发明的控温电路的方框结构图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
本发明公开了一种基于热电致冷器(TEC)的温控电路，包括：
温度采集模块，用于检测待检测区域的温度并输出温度信号；
控制器，用于根据温度采集模块输入的温度信号，对热电致冷器进行控制；以及
热电致冷器，用于制冷。
其中，温度采集模块包括热敏电阻，例如负温度系数热敏电阻，阻值为10K-100KΩ。
作为一个优选实施例，温度采集模块包括：一热敏电阻，一端接地，另一端连接一第一电阻，阻值例如为10K-100KΩ，所述热敏电阻与第一滤波电容和第二滤波电容同时并联，电容值例如分别为0.01uF和1uF；所述第一电阻的另一端连接电源电压；所述热敏电阻上的电压为所述温度采集模块的输出温度信号。
其中，控制器例如为计算机，或者体积更小巧的微控制器，例如为单片机、单板机，或者可编程控制器。该控制器通过PID算法来对热电致冷器进行控制。
其中，温控电路还可以包括模数转换器(ADC)，用于将温度采集模块输出的模拟温度信号转换为数字温度信号，以及数模转换器(DAC)，用于将控制器输出的用于控制热电致冷器的数字控制信号转换成模拟控制信号。作为一个优选实施例，该数模转换器包括一12位高速数模转换芯片及一缓冲放大器，缓冲放大器含有两个独立的运算放大器，数模转换芯片的转换电压输出端与缓冲放大器的第3引脚相连，而缓冲放大器的另外两个引脚短接，使其成为电压跟随器，并从第1引脚输出电压。
其中，温控电路还可以包括一热电致冷器的驱动电路，作为一个优选实施例，该热电致冷器的驱动电路包括：一作为功率放大器的运算放大器，运算放大器的第5引脚连接输入电压Vin，第6引脚连接第一电阻和第一电容的一端，第一电阻和第一电容的另一端连接采样电阻；运算放大器的第7引脚经第二电阻连接一场效应管的栅极；热电致冷器的正极连接电源电压，负极连接场效应管的漏极；场效应管的源极与采样电阻与第一电阻和第一电容相连的一端相连，采样电阻的另一端接地；从而，流经热电致冷器的电流等于输入电压Vin除以采样电阻的阻值。
本发明还公开了一种采用如上所述基于热电致冷器的温控电路的量子级联激光器(QCL)。在该激光器中，温控电路的基本框架如图4所示，采用5V电源供电，通过热敏电阻检测TEC区域的温度，并通过模数转换器将温度信息传送至体积更小巧的微控制器，形成一个温度反馈，微控制器通过PID算法得到一个数字控制量，然后通过数模转换器转换成模拟控制量，该模拟控制量控制TEC电流驱动模块，使TEC制冷以稳定该量子级联激光器的工作温度。
作为本发明的一个优选实施例，本发明中所使用的微控制器例如为Atmel公司生产的高性能8位单片机ATmega-128A-AU。该单片机内部包含一个10位的模数转换器(ADC)，可以将温度传感器采集的模拟量转换成数字量，并通过数字PID算法产生一个数字的温度控制量。该控制量通过数模转换器DAC7621得到一个模拟的电压信号，该电压信号作用于电流驱动模块，产生相应的电流来驱动TEC制冷，进而稳定量子级联激光器的工作温度。
下面结合附图进一步阐述本发明的具体实施方式。
图1为本发明的数模转换(DAC)电路的模块接线图，本发明使用12位高速数模转换芯片DAC7621，其电路配置如图1所示，图中“DB0-DB11”为数字量输入端，依次连接芯片的6-17引脚；“PG0-PG2”为单片机控制端，依次连接芯片的20、19、18引脚，用于控制该芯片进行DA转换；“5V”为电源输入，连接第2引脚；芯片的第4、5引脚为接地端。芯片的第1引脚闲置，第3引脚为转换电压输出端，该端子连接至缓冲放大器LM833DR2的第3引脚(运放1，每片LM833DR2含两个独立的运放)，其第1和第2引脚短接，使其成为电压跟随器，并从引脚1输出电压。
图2为本发明的TEC电流驱动电路的接线图。该驱动电路是基于运算放大器LM833DR2(运放2)的电压-电流转换电路。输入电压“Vin”取自上述DA转换电路中的缓冲放大器的第1引脚，该电压连接至LM833DR2芯片的引脚5；引脚6连接电阻R23和电容C21的一端，电阻和电容的另一端连接采样电阻R5。运放芯片的引脚7经电阻R6后连接场效应管NDT455N的栅极以控制输出电流。TEC的正极连接“5V”电源电压，负极连接NDT455N的漏极，NDT455N的源极连接采样电阻R5，电阻R5的另一端接地。根据运算放大器“虚短路”原理，采样电阻的电压等于输入电压“Vin”，流经TEC的电流等于流经电阻R5的电流，也就是说流经TEC的电流完全被输入电压“Vin”和采样电阻R5的阻值决定，即ITEC＝Vin/R5，实现了电压-电流转换。
图3是本发明的温度采集电路的接线图。该温度采集电路包括温度传感器模块，其中温度传感器采用负温度系数(NTC)热敏电阻RT，其在25℃时阻值为10kΩ。热敏电阻RT的一段接地，另一端连接电阻R9，并与滤波电容C7和C8并联。电阻R9的另一端连接5V电源电压。根据电阻分压原理，热敏电阻RT上的电压与温度相关，即该电压被单片机的AD转换器采集，并转换成数字量，经过PID算法和DA转换后来控制流经TEC的电流值，最终获得稳定的温度。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于热电致冷器的温控电路，其特征在于，包括：
温度采集模块，用于检测待检测区域的温度并输出温度信号；
控制器，用于根据所述温度采集模块输入的温度信号，对所述热电致冷器进行控制；以及
热电致冷器，用于制冷。
2.如权利要求1所述的基于热电致冷器的温控电路，其特征在于，所述温度采集模块包括热敏电阻。
3.如权利要求2所述的基于热电致冷器的温控电路，其特征在于，所述热敏电阻为负温度系数热敏电阻，阻值为10K-100KΩ。
4.如权利要求2所述的基于热电致冷器的温控电路，其特征在于，所述温度采集模块包括：一热敏电阻，一端接地，另一端连接一第一电阻，所述热敏电阻与第一滤波电容和第二滤波电容同时并联；所述第一电阻的二另一端连接电源电压；所述热敏电阻上的电压为所述温度采集模块的输出温度信号。
5.如权利要求1所述的基于热电致冷器的温控电路，其特征在于，所述控制器为计算机、单片机、单板机或可编程控制器。
6.如权利要求1所述的基于热电致冷器的温控电路，其特征在于，所述控制器通过PID算法来对所述热电致冷器进行控制。
7.如权利要求1所述的基于热电致冷器的温控电路，其特征在于，所述温控电路还包括模数转换器和数模转换器，分别用于将所述温度采集模块输出的模拟温度信号转换为数字温度信号，以及将所述控制器输出的用于控制所述热电致冷器的数字控制信号转换成模拟控制信号。
8.如权利要求7所述的基于热电致冷器的温控电路，其特征在于，所述数模转换器包括一12位高速数模转换芯片及一缓冲放大器，所述缓冲放大器含有两个独立的运算放大器，所述数模转换芯片的转换电压输出端与所述缓冲放大器的第3引脚相连，而所述缓冲放大器的另外两个引脚短接，使其成为电压跟随器，并从第1引脚输出电压。
9.如权利要求1所述的基于热电致冷器的温控电路，其特征在于，所述温控电路还包括一热电致冷器的驱动电路，所述热电致冷器的驱动电路包括：一作为功率放大器的运算放大器，所述运算放大器的第5引脚连接输入电压Vin，第6引脚连接第一电阻和第一电容的一端，所述第一电阻和第一电容的另一端连接采样电阻；所述运算放大器的第7引脚经第二电阻连接一场效应管的栅极；所述热电致冷器的正极连接电源电压，负极连接所述场效应管的漏极；所述场效应管的源极与所述采样电阻与所述第一电阻和第一电容相连的一端相连，所述采样电阻的另一端接地；从而，流经所述热电致冷器的电流等于所述输入电压Vin除以所述采样电阻的阻值。
10.一种采用如权利要求1至9任意一项所述的基于热电致冷器的温控电路的量子级联激光器。
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