CN106406386A - 一种双向tec自动高精度温度控制电路 - Google Patents

一种双向tec自动高精度温度控制电路 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种温度控制电路，属于激光设备领域，具体涉及一种双向TEC自动高精度温度控制电路。包括：NTC测温电路，与激光器相连，用于测量激光器温度并将测量数据送至单片机；单片机，用于接收NTC测温电路测量得到的温度数据并通过H桥电路和DAC恒流电路控制TEC热能转换器工作；激光器，与TEC热能转转换器相连；因此，本发明具有如下优点：在输出功率稳定性要求较高的情况下，功率波动较小，能更好地保护激光器以及延长激光器的使用寿命。

Description

一种双向TEC自动高精度温度控制电路
技术领域
本发明涉及一种温度控制电路，属于激光设备领域，具体涉及一种双向TEC自动高精度温度控制电路。
背景技术
作为应用于激光设备的核心部件，为达到保护激光器以及延长激光器的使用寿命的目的，激光器的工作和储存环境都有严格的温度要求。此外激光器的输出功率受温度波动影响较大，为使激光器工作时达到可靠稳定的功率输出，设计此高精度双向自动温度控制电路，提高系统性能的稳定可靠性。
发明内容
本发明主要是解决现有技术所存在的温度极其敏感型激光器，在输出功率稳定性要求较高的情况下，传统的单向TEC制冷温控出现的功率波动较大的问题，提供了一种双向TEC自动高精度温度控制电路，该电路能更好地保护激光器以及延长激光器的使用寿命。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：
一种双向TEC自动高精度温度控制电路，包括：
NTC测温电路，与激光器相连，用于测量激光器温度并将测量数据送至单片机；
单片机，用于接收NTC测温电路测量得到的温度数据并通过H桥电路和DAC恒流电路控制TEC热能转换器工作；
激光器，与TEC热能转转换器相连；
其中，所述H桥电路包括：
一H桥翻转控制电路，用于控制H桥电路翻转，具体包括：运放U1，其同向输入端分别连接R5、电容C3，电阻R4，所述电容C3和电阻R5并联后接地，所述电阻R4与电源VCC相连；其反向输入端通过电阻R2与单片机I/O口相连；其输出端连接电阻R1，电阻R30，电容C2，所述电容C2接地，所述电阻R1与运放U1的反向输入端相连；其正极与电源VCC相连并通过电容C1接地，其负级接地；
一H桥受控电路，受控于所述H桥翻转控制电路，具体包括：
MOS管Q1、MOS管Q2、MOS管Q3、MOS管Q4，所述MOS管Q1和MOS管Q3的栅级连接后通过三级管Q6与H桥翻转换制电路的制热输出端HOT相连；所述MOS管Q2和MOS管Q4的栅级连接后通过三级管Q5与H桥翻转换制电路的制冷输出端COL相连；所述MOS管Q1的源集连接MOS管Q3的漏极；所述MOS管Q2的源集连接MOS管Q4的漏极；所述MOS管Q1、MOS管Q2、MOS管Q3、MOS管Q4的源极和漏极之间分别连接二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5；所述二级管D2的正极和二级管D4的负极与电容C24的一端连接，电容C24的另一端与二极管D3的正极和二极管D5的负极连接；所述电容C24并联电容C25和电阻R29；所述电容C24的两端连接TEC热能转换器的输入端P5。
其中，所述DAC恒流电路包括：
DAC放大电路，包括：运放U1A，其同向输入端连接电阻R16,电容C17,电阻R12，其中，所述电阻R12的一端与单片机的输出口连接；所述运放U1A的反向输入端连接电阻R11，电阻R9，所述电阻R11接地，所述电阻R9连接运放U1A的输出端；
DAC恒流电路，包括一运放U3，其同向输入端连接电容C9，电阻R20，电阻R21，可调电阻W1；其中，所述电容C19和所述电阻R20接地，所述可调电阻连接DAC放大电路输出端；所述运放U3的反向输入端串联接电阻R6、电容C4、电阻R18后接地；所述电阻R18的一端连接运放U3的输出端，电阻R15，所述电阻R15、MOS管M1、电阻R22，电阻R21串联后与运放U3的反向输入端连接；所述运放U3的正级通过电阻R10与12V电源连接，所述运放U3的正极分别通过电容C6、电容C8接地。
其中，所述NTC测温电路包括：可控精密稳压源TLV431，其1脚与2脚间连接电阻R117，其1脚和3脚间连接电阻R119，其3脚接地；其2脚连接电阻R116，所述电阻R116的一端连接12V电源并通过电容C80接地；所述可控精密稳压源TLV431的2脚连接4.5V电源和电阻R118，所述电阻R118的一端通过电容C82接地；所述电阻R118的一端连接运放U16A的同向输入端，所述运放U16A的反向输入端连接其输出端并通过电阻R120和电容C83接地；所述电阻R120的一端连接单片机的AD口；所述运放U16A的正级连接5V电源并通过电容C81接地。
因此，本发明具有如下优点：在输出功率稳定性要求较高的情况下，功率波动较小，能更好地保护激光器以及延长激光器的使用寿命。
附图说明
附图1是本发明的一种原理图；
附图2是本发明的NTC测温电路图；
附图3是本发明的H桥翻转控制电路结构示意图；
附图4是本发明的H桥受控电路；
附图5是本发明的DAC放大电路；
附图6是本发明的DAC恒流电路。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例：
如图1所示，为本发明的结构图。包括:NTC测温电路，与激光器相连，用于测量激光器温度并将测量数据送至单片机；单片机，用于接收NTC测温电路测量得到的温度数据并通过H桥电路和DAC恒流电路控制TEC热能转换器工作；激光器，与TEC热能转转换器相连；
采用上述结构后，此电路通过软件PID算法调节实现TEC温度控制。高精度快响应的NTC电阻(温度传感器)(内置在激光器内部26℃—10K，或通过安装在激光器外部表面外置NTC电阻26℃—10K)通过高精度AD采样器电压实现对激光器的实际温度的精确测量。通过大功率H桥电路实现对TEC电流流向控制，达到控制制冷或制热效果。高精度DA调节型恒流源电路实现对TEC的电流高精度控制取代传统的PWM的调节方式。
如图2所示，为本发明的NTC测温电路。其结构包括：可控精密稳压源TLV431，其1脚与2脚间连接电阻R117，其1脚和3脚间连接电阻R119，其3脚接地；其2脚连接电阻R116，所述电阻R116的一端连接12V电源并通过电容C80接地；所述可控精密稳压源TLV431的2脚连接4.5V电源和电阻R118，所述电阻R118的一端通过电容C82接地；所述电阻R118的一端连接运放U16A的同向输入端，所述运放U16A的反向输入端连接其输出端并通过电阻R120和电容C83接地；所述电阻R120的一端连接单片机的AD口；所述运放U16A的正级连接5V电源并通过电容C81接地。
采用上述结构后，该NTC测温转换电路的工作原理是：
通过单片机的AD转换端口识别电压信号获取相应的环境温度。当温度变化时对应的NTC电阻发生变化，NTC电阻的分压发生变化，通过识别电压获取相应的温度。图2中的NTC_LD+为NTC电阻的输入。
NTC是Negative Temperature Coeffic ient的缩写，意思是负的温度系数，泛指负温度系数很大的半导体材料或元器件，所谓NTC热敏电阻器就是负温度系数热敏电阻器。它是以锰、钴、镍和铜等金属氧化物为主要材料，采用陶瓷工艺制造而成的。这些金属氧化物材料都具有半导体性质，因为在导电方式上完全类似锗、硅等半导体材料。温度低时，这些氧化物材料的载流子(电子和孔穴)数目少，所以其电阻值较高；随着温度的升高，载流子数目增加，所以电阻值降低。
如图3所示，为本发明的H桥翻转控制电路，用于控制H桥电路翻转，具体包括：运放U1，其同向输入端分别连接R5、电容C3，电阻R4，所述电容C3和电阻R5并联后接地，所述电阻R4与电源VCC相连；其反向输入端通过电阻R2与单片机I/O口相连；其输出端连接电阻R1，电阻R30，电容C2，所述电容C2接地，所述电阻R1与运放U1的反向输入端相连；其正极与电源VCC相连并通过电容C1接地，其负级接地。
如图4所示，为本发明的H桥受控电路，受控于所述H桥翻转控制电路，具体包括：MOS管Q1、MOS管Q2、MOS管Q3、MOS管Q4，所述MOS管Q1和MOS管Q3的栅级连接后通过三级管Q6与H桥翻转换制电路的制热输出端HOT相连；所述MOS管Q2和MOS管Q4的栅级连接后通过三级管Q5与H桥翻转换制电路的制冷输出端COL相连；所述MOS管Q1的源集连接MOS管Q3的漏极；所述MOS管Q2的源集连接MOS管Q4的漏极；所述MOS管Q1、MOS管Q2、MOS管Q3、MOS管Q4的源极和漏极之间分别连接二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5；所述二级管D2的正极和二级管D4的负极与电容C24的一端连接，电容C24的另一端与二极管D3的正极和二极管D5的负极连接；所述电容C24并联电容C25和电阻R29；所述电容C24的两端连接TEC热能转换器的输入端P5。
采用上述结构后，由单片机I/O口输出高低电平控制TEC制冷或者制热模式，单片机I/O口输出高低电平分别约为3.3V，0V，使用U1运输放大器，当逻辑电平COL＝1，HOT＝0。其中，当单片机I/O口电平为高，Q5NPN三极管导通，Q6NPN三极管截止。Q2，Q3MOS管截止，Q1，Q4MOS管导通，电流从P51脚流向2脚。使TEC有电流导通时达到制冷模式。反之，当单片机I/O口电平为低，Q5NPN三极管截止，Q6NPN三极管导通。Q2，Q3MOS管导通，Q1，Q4MOS管截止，电流从P52脚流向1脚。使TEC有电流导通时达到制热模式。
如图5所示，为本发明的DAC放大电路，包括：运放U1A，其同向输入端连接电阻R16,电容C17,电阻R12，其中，所述电阻R12的一端与单片机的输出口连接；所述运放U1A的反向输入端连接电阻R11，电阻R9，所述电阻R11接地，所述电阻R9连接运放U1A的输出端；
如图6所示，为本发明的DAC恒流电路，包括一运放U3，其同向输入端连接电容C9，电阻R20，电阻R21，可调电阻W1；其中，所述电容C19和所述电阻R20接地，所述可调电阻连接DAC放大电路输出端；所述运放U3的反向输入端串联接电阻R6、电容C4、电阻R18后接地；所述电阻R18的一端连接运放U3的输出端，电阻R15，所述电阻R15、MOS管M1、电阻R22，电阻R21串联后与运放U3的反向输入端连接；所述运放U3的正级通过电阻R10与12V电源连接，所述运放U3的正极分别通过电容C6、电容C8接地。电路中设置J1、J3等测试点，方便调试和测试使用。
采用上述结构后，本发明通过高精度的DAC口控制热能转换器(TEC)的电流大小从而调节制冷制热效果。通过U1(OPA2335)同比例运放输出相同的DAC电压，增加后端负载电流驱动能力。
运放U3(LM8261和mos管M1IRFP064N)，比较电阻0.01欧5w组成的恒流源电路，通过控制DAC电压线性控制IRFP064N的I ds。I ds＝aV(DAC)+b通过内置于激光器NTC电阻检测激光器温度变化，通过软件PID算法计算I/O电平以及DAC输出电压进而控制方向和强度。
本文中所描述的具体实施例仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (3)

1.一种双向TEC自动高精度温度控制电路，其特征在于，包括：
NTC测温电路，与激光器相连，用于测量激光器温度并将测量数据送至单片机；
单片机，用于接收NTC测温电路测量得到的温度数据并通过H桥电路和DAC恒流电路控制TEC热能转换器工作；
激光器，与TEC热能转转换器相连；
其中，所述H桥电路包括：
一H桥翻转控制电路，用于控制H桥电路翻转，具体包括：运放U1，其同向输入端分别连接R5、电容C3，电阻R4，所述电容C3和电阻R5并联后接地，所述电阻R4与电源VCC相连；其反向输入端通过电阻R2与单片机I/O口相连；其输出端连接电阻R1，电阻R30，电容C2，所述电容C2接地，所述电阻R1与运放U1的反向输入端相连；其正极与电源VCC相连并通过电容C1接地，其负级接地；
一H桥受控电路，受控于所述H桥翻转控制电路，具体包括：
MOS管Q1、MOS管Q2、MOS管Q3、MOS管Q4，所述MOS管Q1和MOS管Q3的栅级连接后通过三级管Q6与H桥翻转换制电路的制热输出端HOT相连；所述MOS管Q2和MOS管Q4的栅级连接后通过三级管Q5与H桥翻转换制电路的制冷输出端COL相连；所述MOS管Q1的源集连接MOS管Q3的漏极；所述MOS管Q2的源集连接MOS管Q4的漏极；所述MOS管Q1、MOS管Q2、MOS管Q3、MOS管Q4的源极和漏极之间分别连接二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5；所述二级管D2的正极和二级管D4的负极与电容C24的一端连接，电容C24的另一端与二极管D3的正极和二极管D5的负极连接；所述电容C24并联电容C25和电阻R29；所述电容C24的两端连接TEC热能转换器的输入端P5。
2.根据权利要求1所述的一种双向TEC自动高精度温度控制电路，其特征在于，所述DAC恒流电路包括：
DAC放大电路，包括：运放U1A，其同向输入端连接电阻R16,电容C17,电阻R12，其中，所述电阻R12的一端与单片机的输出口连接；所述运放U1A的反向输入端连接电阻R11，电阻R9，所述电阻R11接地，所述电阻R9连接运放U1A的输出端；
DAC恒流电路，包括一运放U3，其同向输入端连接电容C9，电阻R20，电阻R21，可调电阻W1；其中，所述电容C19和所述电阻R20接地，所述可调电阻连接DAC放大电路输出端；所述运放U3的反向输入端串联接电阻R6、电容C4、电阻R18后接地；所述电阻R18的一端连接运放U3的输出端，电阻R15，所述电阻R15、MOS管M1、电阻R22，电阻R21串联后与运放U3的反向输入端连接；所述运放U3的正级通过电阻R10与12V电源连接，所述运放U3的正极分别通过电容C6、电容C8接地。
3.根据权利要求1所述的一种双向TEC自动高精度温度控制电路，其特征在于，所述NTC测温电路包括：可控精密稳压源TLV431，其1脚与2脚间连接电阻R117，其1脚和3脚间连接电阻R119，其3脚接地；其2脚连接电阻R116，所述电阻R116的一端连接12V电源并通过电容C80接地；所述可控精密稳压源TLV431的2脚连接4.5V电源和电阻R118，所述电阻R118的一端通过电容C82接地；所述电阻R118的一端连接运放U16A的同向输入端，所述运放U16A的反向输入端连接其输出端并通过电阻R120和电容C83接地；所述电阻R120的一端连接单片机的AD口；所述运放U16A的正级连接5V电源并通过电容C81接地。
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