CN108628365A - Tec温控电路 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种TEC温控电路，所述TEC温控电路包括单片机、温度检测单元、H桥电路以及TEC单元；所述温度检测单元与所述单片机连接；所述H桥电路包括两半桥驱动芯片，两所述半桥驱动芯片均分别与所述单片机以及所述TEC单元连接。本发明实施例的技术方案，采用单片机与半桥驱动芯片搭建TEC温控电路，由于半桥驱动芯片的电压、电流的限额都大幅提高，因此本发明实施例的TEC温控电路能够适用于大功率的TEC。另外由于半桥驱动芯片内部已经具有电流取样和过流保护功能，因此不需要额外设计电流取样和过流保护电路，极大地降低了H桥电路的复杂程度，提高系统稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及温控技术领域，尤其涉及一种TEC温控电路。
背景技术
半导体热电致冷器(Thermo Electric Cooler，简称TEC)是利用半导体材料的珀尔帖效应制成的器件。珀尔帖效应是指当电流流过由两种不同半导体材料组成的电偶对时，电偶对的一端放热、另一端吸热，如果改变电流流入的方向，放热和吸热的端也会随之交换，TEC的这个特性使其很方便地应用于小型恒温设备、制冷设备、高精度温控系统或散热器。这些设备具有体积小、无噪音、无污染等特点，广泛应用于航天、军事、光电、机电、医疗、汽车和通讯等领域。比如TEC温控系统已大量应用于中、小功率的半导体激光器，帮助激光器在小体积的前提下，实现稳定波长的激光输出。
小功率的TEC温控系统已经有了比较确定、便于实现、控制精度较高的方案，一般是基于ADN8830，LTC1923，MAX1978以及其它同系列不同型号的芯片，根据实际需求，进行外围电路的搭配。然而，由于ADN8830，LTC1923，MAX1978等芯片的电压、电流规格较小，因此采用这种方式只能适用于电压5V、电流4A以下的中小功率TEC片。
另外，在现有技术中，TEC温控系统中的H桥电路通常有两种做法，一是用4个N型MOS管构成；二是用2个P型MOS管作为上管，2个N型MOSFET作为下管来构成。此两种方法都需要4个PWM信号来控制，即每个MOSFET需要一个独立的PWM信号来控制其导通和截止。这样C语言编程的难度较大，并且用分立式元件，需要额外设计电流取样和过流保护电路，电路复杂度增加。
发明内容
本发明实施例所要解决的技术问题是如何提供一种可适用大功率TEC片的TEC温控电路以及降低TEC温控电路的复杂度。
为了解决上述问题，本发明实施例提出一种TEC温控电路，所述TEC温控电路包括单片机、温度检测单元、H桥电路以及TEC单元；所述温度检测单元与所述单片机连接；所述H桥电路包括两半桥驱动芯片，两所述半桥驱动芯片均分别与所述单片机以及所述TEC单元连接。
其进一步的技术方案为，所述温度检测单元包括温度传感器以及信号放大电路，所述信号放大电路分别与所述温度传感器以及所述单片机连接。
其进一步的技术方案为，所述TEC单元为一个TEC片或者多个TEC片串联或并联的组合；
所述TEC片包括致冷面以及致热面，所述TEC片的致冷面与一导热板的一面贴合，所述导热板的另一面与温度受控器件贴合；所述TEC片的致热面与一热沉贴合；
所述导热板上开设有容纳孔，所述温度传感器设于所述容纳孔内。
其进一步的技术方案为，所述单片机内部设有模数转换器，所述模数转换器与所述信号放大电路连接。
其进一步的技术方案为，所述TEC温控电路还包括模数转换器，所述模数转换器分别与所述信号放大电路以及所述单片机连接。
其进一步的技术方案为，所述半桥驱动芯片包括输入引脚、输出引脚、供电引脚、禁止引脚以及电流取样信号输出引脚，所述输入引脚与所述单片机连接，所述输出引脚与所述TEC单元连接，所述供电引脚与一电压源连接，所述禁止引脚与所述单片机连接，所述电流取样信号输出引脚与所述单片机连接。
其进一步的技术方案为，所述供电引脚与第一滤波单元连接，所述输出引脚与第二滤波单元连接。
其进一步的技术方案为，所述第一滤波单元包括多个互相并联的电容，所述第二滤波单元包括多个互相并联的电容。
其进一步的技术方案为，所述TEC温控电路还包括输入单元，所述输入单元与所述单片机连接。
其进一步的技术方案为，所述TEC温控电路还包括显示单元，所述显示单元与所述单片机连接。
通过应用本发明实施例的技术方案，采用单片机与半桥驱动芯片搭建TEC温控电路，由于半桥驱动芯片的电压、电流的限额都大幅提高，因此本发明实施例的TEC温控电路能够适用于大功率的TEC。另外由于半桥驱动芯片内部已经具有电流取样和过流保护功能，因此不需要额外设计电流取样和过流保护电路，极大地降低了H桥电路的复杂程度，提高系统稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种TEC温控电路的示意框图；
图2为本发明另一实施例提供的一种TEC温控电路的示意框图；
图3为图1提供的TEC温控电路的H桥电路的电路图。
图4为本发明实施例提供的TEC片的安装示意图。
附图标记
导热板100；容纳孔110；热沉200；温度受控器件300；单片机10；温度检测单元20；H桥电路30；TEC单元40；TEC片41；输入单元50；显示单元60；第一滤波单元70；第二滤波单元80；半桥驱动芯片31；温度传感器21；信号放大电路22；模数转换器11。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，附图中类似的组件标号代表类似的组件。显然，以下将描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
还应当理解，在此本发明实施例说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明实施例。如在本发明实施例说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
参见图1，其为本发明实施例提出的一种TEC温控电路的示意框图，由图可知，本发明实施例提出的TEC温控电路包括单片机10、温度检测单元20、H桥电路30以及TEC单元40，各主要部件的介绍如下：
温度检测单元20与单片机10连接，其将采集到的温度信号发送给单片机10，由单片机10对温度信号进行处理，以获取当前的温度信息。
H桥电路30包括两个半桥驱动芯片31，每一半桥驱动芯片31作为H桥电路30的一个半桥。两半桥驱动芯片31均分别与单片机10以及TEC单元40连接。半桥驱动芯片31内部集成了一个P型MOS管，一个N型MOS管以及一个驱动和控制核心，并且半桥驱动芯片31内部已经具有电流取样和过流保护功能，因此只需单片机10提供一个PWM信号以及一个I/O高低电平信号，就可以实现H桥电路30的双向电流控制功能，极大地降低了H桥电路30的复杂程度，提高系统稳定性。
通过对单片机10写入程序能够实现温度PID模糊控制算法以及PWM(脉冲宽度调制)信号发生器功能。PWM信号发生器根据PID计算结果产生占空比可调整的方波信号去驱动H桥电路30。
通过应用本发明实施例的技术方案，采用单片机10与半桥驱动芯片31搭建TEC温控电路，由于半桥驱动芯片31的电压、电流的限额都大幅提高，因此本发明实施例的TEC温控电路能够适用于大功率的TEC。另外由于半桥驱动芯片31内部已经具有电流取样和过流保护功能，因此不需要额外设计电流取样和过流保护电路，极大地降低了H桥电路30的复杂程度，提高系统稳定性。
参见图2，在某些实施例，例如本实施例中，温度检测单元20包括温度传感器21以及信号放大电路22，信号放大电路22分别与温度传感器21以及单片机10连接。温度传感器21可以为铂热电阻温度传感器(PT100以及PT1000等)或者负温度系数热敏电阻温度传感器(NTC)。
需要说明的是，信号放大电路22可参照现有资料实现，本发明实施例对此不做具体的限定。
进一步地，单片机10内部设有模数转换器11，模数转换器11与信号放大电路22连接，用于将信号放大电路22输出的模拟信号转换为数字信号。本实施例中，单片机10可采用AVR单片机，例如型号为ATMEGA128的AVR单片机，该型号的AVR单片机具有10bit的模数转换器，也带有PWM信号产生功能，使得电路和软件方面的设计都能得到简化。
或者在其它实施例中，单片机10不具有模数转换器，例如选用型号为89C51的单片机。在该实施例中，TEC温控电路还包括模数转换器11，模数转换器11分别与信号放大电路22以及单片机10连接。
进一步地，TEC温控电路还包括输入单元50以及显示单元60。
输入单元50与单片机10连接，用于供用户向单片机10输入设定温度。输入单元50可具体为按键或者人机交互界面等输入设备。
显示单元60与所述单片机10连接，用于显示温度信息，温度信息包括设定温度，以及当前系统实际温度。显示单元60可具体为显示管或者显示器等显示设备。
参见图3并结合图1，在某些实施例，例如本实施例中，H桥电路30包括半桥驱动芯片U8以及半桥驱动芯片U9。半桥驱动芯片U8以及半桥驱动芯片U9均包括输入引脚IN、输出引脚OUT、供电引脚VS、禁止引脚INH以及电流取样信号输出引脚IS。其中，输入引脚IN与单片机10连接；输出引脚OUT与TEC单元40连接，用于驱动TEC单元40工作；供电引脚VS与一电压源连接，该电压源小于45V；禁止引脚INH与单片机10连接，当禁止引脚INH接收到单片机10输出的高电平信号时，H桥电路30工作，当禁止引脚INH接收到单片机10输出的低电平信号时，H桥电路30停止工作；电流取样信号输出引脚IS与单片机10连接，用于将电流取样信号发送给单片机10。
半桥驱动芯片U8的输入引脚IN用于接收来自单片机10的PWM控制信号，半桥驱动芯片U9的输入引脚IN用于接收来自单片机10的高或低电平，用于提供H桥电流的两种工作方向。
需要说明的是，在本实施例中，半桥驱动芯片U8以及半桥驱动芯片U9的型号均为BTN7971B。
进一步地，供电引脚VS与一第一滤波单元70连接，输出引脚OUT与一第二滤波单元80连接。第一滤波单元70包括多个互相并联的电容，第二滤波单元80包括多个互相并联的电容。通过第一滤波单元70以及第二滤波单元80能够滤除电路中的高频杂波，提高电路的稳定性。
在本实施例中，与半桥驱动芯片U8连接的第一滤波单元70包括电容C18、电容C19以及电容C16。其中，电容C18的额定电压为50V，电容C18的电容值为0.1uF；电容C19的额定电压为50V，电容C19的电容值为10uF；电容C16的额定电压为50V，电容C16的电容值为470uF。
与半桥驱动芯片U8连接的第二滤波单元80包括电容C23、电容C24以及电容C22。其中，电容C23的额定电压为50V，电容C23的电容值为0.1uF；电容C24的额定电压为50V，电容C24的电容值为10uF；电容C22的额定电压为50V，电容C22的电容值为470uF。
与半桥驱动芯片U9连接的第一滤波单元70包括电容C20、电容C21以及电容C17。其中，电容C20的额定电压为50V，电容C20的电容值为0.1uF；电容C21的额定电压为50V，电容C21的电容值为10uF；电容C17的额定电压为50V，电容C17的电容值为470uF。
与半桥驱动芯片U9连接的第二滤波单元80包括电容C26、电容C27以及电容C25。其中，电容C26的额定电压为50V，电容C26的电容值为0.1uF；电容C27的额定电压为50V，电容C27的电容值为10uF；电容C25的额定电压为50V，电容C25的电容值为470uF。
进一步地，TEC单元40为一个TEC片；或者在其它实施例中，TEC单元40为多个TEC片串联或并联的组合。TEC片的两端接在半桥驱动芯片U8的输出电压TEC+以及半桥驱动芯片U9的输出电压TEC-之间。
参见图4，TEC片41包括致冷面以及致热面，TEC片41的致冷面与一导热板100(一般为金属导热板)的一面贴合，该导热板100的另一面与温度受控器件300贴合。通过该导热板100实现TEC片41与温度受控器件300之间的热量传递。TEC片41的致热面与一热沉200(一般为金属散热片)贴合，以散去TEC片41的致热面上的热量。
在导热板100上开设有容纳孔110，温度传感器设于容纳孔110内，以检测导热板100的温度。容纳孔110处于导热板100上靠近温度受控器件300的位置。通过密封胶密封容纳孔110，确保温度传感器固定的可靠性。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，尚且本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
以上所述，为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种TEC温控电路，其特征在于，所述TEC温控电路包括单片机、温度检测单元、H桥电路以及TEC单元；所述温度检测单元与所述单片机连接；所述H桥电路包括两半桥驱动芯片，两所述半桥驱动芯片均分别与所述单片机以及所述TEC单元连接。
2.根据权利要求1所述的TEC温控电路，其特征在于，所述温度检测单元包括温度传感器以及信号放大电路，所述信号放大电路分别与所述温度传感器以及所述单片机连接。
3.根据权利要求2所述的TEC温控电路，其特征在于，所述TEC单元为一个TEC片或者多个TEC片串联或并联的组合；
所述TEC片包括致冷面以及致热面，所述TEC片的致冷面与一导热板的一面贴合，所述导热板的另一面与温度受控器件贴合；所述TEC片的致热面与一热沉贴合；
所述导热板上开设有容纳孔，所述温度传感器设于所述容纳孔内。
4.根据权利要求2所述的TEC温控电路，其特征在于，所述单片机内部设有模数转换器，所述模数转换器与所述信号放大电路连接。
5.根据权利要求2所述的TEC温控电路，其特征在于，所述TEC温控电路还包括模数转换器，所述模数转换器分别与所述信号放大电路以及所述单片机连接。
6.根据权利要求1所述的TEC温控电路，其特征在于，所述半桥驱动芯片包括输入引脚、输出引脚、供电引脚、禁止引脚以及电流取样信号输出引脚，所述输入引脚与所述单片机连接，所述输出引脚与所述TEC单元连接，所述供电引脚与一电压源连接，所述禁止引脚与所述单片机连接，所述电流取样信号输出引脚与所述单片机连接。
7.根据权利要求5所述的TEC温控电路，其特征在于，所述供电引脚与第一滤波单元连接，所述输出引脚与第二滤波单元连接。
8.根据权利要求6所述的TEC温控电路，其特征在于，所述第一滤波单元包括多个互相并联的电容，所述第二滤波单元包括多个互相并联的电容。
9.根据权利要求1所述的TEC温控电路，其特征在于，所述TEC温控电路还包括输入单元，所述输入单元与所述单片机连接。
10.根据权利要求1所述的TEC温控电路，其特征在于，所述TEC温控电路还包括显示单元，所述显示单元与所述单片机连接。
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