FI96262C - Järjestely elektronisten komponenttien lämpötilan säätämiseksi - Google Patents

Description

96262 Järjestely elektronisten komponenttien lämpötilan säätämiseksi .

Keksintö on järjestely elektronisten komponenttien 5 lämpötilan säätämiseksi, joka järjestely käsittää anturi-välineen elektronisen komponentin lämpötilan mittaamiseksi ja lämpötilaan verrannollisen ohjaussignaalin tuottamiseksi, elektroniseen komponenttiin lämpöäjohtavasti liitetyn peltier-elementin elektronisen komponentin lämpötilan sää-10 tämiseksi peltier-elementin läpikulkevan virran voimakkuudesta ja suuruudesta riippuvaisesti, teholähteen virran syöttämiseksi peltier-elementille, säätövälineen peltier-elementin läpi kulkevan virran suunnan säätämiseksi vasteena anturivälineen antamalle ohjaussignaalille,toi s e n 15 säätövälineen peltier-elementin läpi kulkevan virran suuruuden säätämiseksi vasteena anturivälineen antamalle ohjaussignaalille.

Tyypillinen teknikan tason mukainen ratkaisu elektronisten komponenttien lämpötilan säätämiseksi ja tehon 20 syöttämiseksi lämpötilaa säätävälle peltier-elementille on ollut kytkeä tavanomainen, esimerkiksi +-5 voltin jännitelähde, yhteen hakkuriteholähteen ja muita samalla piiri-kortilla olevia virtaa käyttäviä elementtejä syöttävän haaran kanssa. Tällöin elektronisten komponenttien, tyy-25 pillisesti laser-lähettimen, lämpötilaa säätävä peltier-elementti on ollut kytkettynä hakkuriteholähteen ulostuloon.

Tunnetun tekniikan mukaisen ratkaisun haittana on ollut se, että peltier-elementtiä syöttävä hakkuriteholäh-30 de on aiheuttanut peltier-elementille antamaansa tehoon nähden suuren tehohäviön. Tällaisen piirijärjestelyn ominaisena piirteenä on siis ollut se, että piirissä on ollut peltier-elementin tehonkulutuksen lisäksi hakkuriteholähteen tehonkulutus.

35 Tämän keksinnön tarkoituksena on aikaansaada aikai- 2 96262 sempaa edullisempi ja vähemmän tehoa kuluttava elektronisen komponentin lämmönsäätöpiiri peltier-elementtiä käyttäen.

Tämä uudentyyppinen järjestely elektronisten kom-5 ponenttien lämpötilan säätämiseksi saavutetaan keksinnön-mukaisella järjestelyllä, joka on tunnettu siitä, että peltier-elementtiä syöttävä teholähde on lämpötilaltaan säädettävän elektronisen komponentin teholähde; ja siitä, että peltier-elementti on kytketty sarjaan teholähteen 10 kanssa.

Keksintö perustuu siihen ajatukseen, että syötetään yhtä tai useampaa elektronista komponenttia peltier-ele-mentin kautta suoraan teholähteeltä.

Keksintö on erityisen edullinen optisissa lähet-15 timissä, joissa laserlähettimien tai vastaavien puolijohdekomponenttien lämpötiloja pyritään säätämään. Tekniikan tason mukaiselle ratkaisulle on ollut tyypillistä se, että peltier-elementtiä on syötetty eri teholähteellä, kuin varsinaista laser-lähetintä, eli on käytetty yhteensä kah-20 ta teholähdettä. Keksinnön mukaisessa ratkaisussa tarvi taan laser-lähetintä ja sen lämpötilaa säätävää peltier-elementtiä varten vain yksi teholähde. Tämä tekee laser-lähettimen lämmönsäädön toteuttamisen huomattavasti edullisemmaksi, koska tarvitaan vähemmän laitteistoja ja vä-25 hemmän tilaa niitä varten.

Keksinnön ensisijaisessa suoritusmuodossa Peltier-elementtiä ohjaava säätöväline käsittää siltakytkennän, jonka kahden navan väliin on kytketty vähintään yksi sar-jaankytketty peltier-elementti, sekä vertailijavälineen 30 tyypillisesti vahvistimen, joka vertaa anturivälineen i tuottamaa mittaussignaalia referenssiarvoon ja joka muo dostaa ohjaussignaalin. Ohjaussignaalilla ohjataan silta-kytkentää siten, että se syöttää peltier-elementin läpi virtaa ensimmäiseen suuntaan, kun mittaussignaali on pie-35 nempi kuin referenssiarvo, ja vastakkaiseen suuntaan, kun 3 96262 mittaussignaali on suurempi kuin referenssiarvo. Siltakyt-kentä on kokonaan syöttämättä virtaa peltier-elementteihin kun anturivälineen antama mittaussignaali on halutulla jännitealueella, siis referenssiarvon välittömässä lähei-5 syydessä. Tällöin keksinnön mukaisen järjestelyn etuna on, että se ei aiheuta vuotovirtoja ollessaan off-tilassa. Lisäksi keksinnönmukainen järjestely ei kuluta tehoa silloin, kun laser-lähetin on halutussa lämpötilassa. Hakkuriteholähteellä toteutettu piiri kuluttaa koko käytön ajan 10 tehoa, käyttöjännitteen synnyttämiseksi. Täten keksinnön mukainen järjestely on energiataloudellisesti tehokkaampi eikä vaadi niin suurta syöttötehoa.

Keksintöä selitetään lähemmin seuraavassa viitaten oheisiin piirustuksiin, joissa 15 kuvio 1 esittää keksinnön mukaisen järjestelyn pe riaatteellisen lohkokaavion, jossa laserdiodilähetintä syötetään samalla teholähteellä kuin peltier-elementtiä.

kuvio 2 esittää toteutuksen, jossa on eräs keksin-nönmukaisen järjestelyn toteutus.

20 Keksinnölle tyypillisessä, kuvassa 1 esitetyssä, ratkaisussa tavanomainen, tyypillisesti +-7 voltin, teholähde PS on kytketty säätövälineen SU, tyypillisesti rin-nakkaisvastuksen, ja peltier-elementin P rinnankytkentään. Teholähteen tehtävänä on muuttaa, tyypillisesti +48 vol-25 tin, ensiöjännite Vin laitteen sisäiseksi jännitteeksi Vout, tyypillisesti +5 voltiksi. Peltier-elementin läpi kulkevan virran suuntaa säädetään säätövälineen BC avulla. Se ohjaa, tyypillisesti siltakytkennän avulla, peltier-elementin läpi kulkevan virran suuntaa. Virran kulkiessa 30 peltier-elementin P läpi ensimmäiseen suuntaan peltier-1. elementti jäähdyttää itseään ja laserdiodilähetintä, johon se on lämpöäjohtavasti kytketty. Vastaavasti, virran kulkiessa toiseen suuntaan peltier-elementin P läpi, lämmittää peltier-elementti P itseään ja laserdiodilähetintä. 35 Laserdiodilähettimeen on peltier-elementin P lisäksi kyt- 4 96262 ketty lämpöäjohtavasti anturiväline TE, joka on tyypillisesti termistori. Termistorin toinen napa on kytketty syöttöjännitteeseen, esimerkiksi +5 volttiin. Termistori mittaa laserdiodilähettimen lämpötilaa ja kehittää mitat-5 tavaan lämpötilaan verrannollisen mittaussignaalin Ml, joka on kytketty vertailuelimen Ai, joka on tyypillisesti komparaattori, ensimmäiseen napaan sekä vastukseen Rl, joka muodostaa termistorin kanssa jännitteenjaon. Vertailuelimen toinen napa,tässä esimerkissä positiivinen + on 10 kytketty vertailujännitteeseen Vrefl. Vertailuelimen Ai ulostulo on kytketty säätövälineen eli rinnakkaisvastuksen SU ohjaimeen SC sekä toiseen säätövälineeseen BC, joka ohjaa siltakytkentää. Vertailuelin Ai on tyypillisesti vahvistin, jonka lähdöstä saadaan jännite, joka on verran-15 nollinen termistori TE / vastus Rl jännitejaon tuottaman jännitteen eli mittaussignaalin Ml ja vertailujännitteen Vrefl väliseen jännite-eroon. Tämä jännite ohjaa toista säätövälinettä BC ja rinnakkaisvastuksen SU ohjainta SC. Toinen säätöväline BC voi toimia esimerkiksi siten, että 20 kun vertailijavälineen Ai lähtöjännite on negatiivien ohjataan virta peltier-elmentin P kautta jäähdyttävään suuntaan ja kun vertailuelimen Ai lähtöjännite on positiivinen ohjataan virta peltier-elementin P läpi lämmittävään suuntaan. Esimerkissä voidaan olettaa, että tasapainotilassa, • 25 kun ei tarvita jäähdytystä eikä lämmitystä, on vertailu- elimen Ai lähtöjännite 0 V. Siten, mikäli termistorin TE mittaama lämpötila on liian matala, esimerkiksi 0 °C, vertailuelin Ai havaitsee sen termistorin TE lähettämästä mittaussignaalista Ml ja lähettää siltakytkentää ohjaaval-30 le toiselle säätövälineelle BC ohjesignaalin siitä, että toinen säätöväline BC ohjaa siltakytkentää siten, että siltakytkentä päästää virran kulkemaan peltier-elementin P läpi ensimmäiseen suuntaan siten, että peltier-elementti P lämmittää. Samalla vertailuelin Ai lähettää rinnakkaisvas-35 tuksen SU ohjaimeen SC ohjesignaalin. Ohjesignaali saa li 9620 5 rinnakkaisvastuksen SU suurentamaan omaa resistanssiaan, jolloin enemmän virtaa kulkee peltier-elementin läpi ja se lämmittää voimakkaammin. Jos taas termistorin TE mittaama lämpötila on sallituissa rajoissa, esimerkiksi 25 °C lä-5 hettyvillä, vertailuelin AI lähettää toiselle säätöväli-neelle BC ohjaussignaalin, joka saa siltakytkennän kytkemään peltier-elementin irti muista piirielimistä siten, että siihen ei kulje virtaa, eikä se näinmuodoin lämmitä, eikä jäähdytä ympäristöään. Vastaavasti, jos termistorin 10 TE mittaama lämpötila on liian korkea, esimerkiksi 50 °C, vertailuelin Ai havaitsee sen termistorin TE lähettämästä mittaussignaalista Ml ja lähettää siltakytkentää ohjaavalle toiselle säätövälineelle BC ohjesignaalin siitä, että toinen säätöväline BC ohjaa siltakytkentää siten, että 15 siltakytkentä päästää virran kulkemaan peltier-elementin P läpi toiseen suuntaan siten, että peltier-elementti P jäähdyttää. Samalla vertailuelin AI lähettää rinnakkaisvastuksen SU ohjaimeen SC ohjesignaalin, joka saa rinnakkaisvastuksen SU suurentamaan omaa resistanssiaan, jolloin 20 enemmän virtaa kulkee peltier-elementin läpi ja se jäähdyttää voimakkaammin. Piirijärjestelyn ulostulojännite Vout on kytketty takaisinkytkentäsilmukan FB kautta toisen vertailijaelimen A2, tyypillisesti differentiaalivahvistimen, ensimmäiseen sisääntuloon. Vertailijaelimen A2 eli 25 vahvistimen toiseen sisääntuloon on kytketty toinen vertailu jännite Vref2. Vertailijaelin A2 vertaa takaisinkytkentäsilmukan tuomaa jännitettä Vout vertailujännitteeseen Vref2 ja antaa ulostulonsa kautta ohjaussignaalin teholähteelle PS siten että jos Vout laskee tietyn rajan, esi-30 merkiksi vertailujännitteen Vref2, alapuolelle teholähde PS syöttää enemmän tehoa peltier-elementin P ja rinnakkaisvastuksen SU rinnankytkentään, ja vastaavasti, jos Vout on vertailujännitteen Vref2 yläpuolella teholähde PS syöttää vähemmän tehoa peltier-elementin P ja rinnakkais-35 vastuksen SU rinnankytkentään. Takaisinkytkentä silmukka 6 96262 FB ja toinen vertailijaelin A2 toteutetaan tyypillisesti teholähteen PS yhteydessä.

Kuvio 2 esittää toteutusta, jossa toinen säätöväli-ne BC ja rinnakkaisvastuksen SU ohjain SC on yhdistetty 5 yhteen differentiaalivahvistimeen. Vastuksen R5 toiseen napaan on kytketty käyttöjännite ja toiseen napaan vastus R4. Vastuksien väliin muodostuu referenssijännite Vrefl, joka ohjataan transistorin Q2 kannalle. Transistorit Ql, Q2 ja Q3 sekä vastukset R2, R3, R6, R7 ja R8 muodostavat 10 vertailijavälineen AI eli komparaattorin, eli käytännössä normaalin differentiaalivahvistimen. Sen lähtö on kytketty diodien D1-D4 kautta JFET:n Q4 hilalla. Tämä JFET toimii rinnakkaisvastuksena eli "sunttina". Diodit Dl - D4 mahdollistavat rinnakkaisvastuksen ohjauksen sekä silloin, 15 kun peltier-elementti jäähdyttää että silloin, kun pel-tier-elementti lämmittää. Peltier-elementin jäähdyttäessä on termistorihaaran jännite suurempi kuin Vrefl, joten transistorin Ql kollektorijännite on pienempi kuin transistorin Q2 kollektorijännite. Siten JFET Q4 saa ohjauksen 20 diodien D3 ja D4 kautta. Kun peltier-elementti lämmittää, saa JFET Q4 ohjauksensa diodien Dl ja D2 kautta. Siltakyt-kentää ohjaava toinen säätöväline BC on muodostettu transistoreilla Q5 ja Q6 sekä releellä RE1. Transistorien Q5 ja Q6 kollektorit on yhdistetty releen RE1 toiseen sisään-25 tuloon. Transistorin Q5 emittori on kytketty transistorin Q6 kannalle ja transistorin Q6 emitteri on kytketty maihin. Transistorin Q5 kannalle on kytketty vertailijavälineen AI ulostulojännite, joka ohjaa releen RE1 toimintaa. Releen RE1 koskettimet muodostavat siltakytkennän. Kun 30 peltier-elementin halutaan jäähdyttävän on transistorin Q2 kollektorijännite suurempi kuin kaksi diodijännitettä (Dl ja D2) sekä samalla riittävä ohjaamaan transistorit Q5 ja Q6 johtavaan tilaan, jolloin releelle RE1 syntyy vetovir-ta, joka kytkee virran kulkemaan haluttuun suuntaan pel-35 tier-elementin P läpi.

II

96262 7

Piirustukset ja niihin liittyvä selitys on tarkoitettu vain havainnollistamaan keksinnön ajatusta. Yksityiskohdiltaan voi keksinnön mukainen järjestely elektronisten komponenttien lämpötilan säätämiseksi vaihdella 5 patenttivaatimusten puitteissa. Vaikka keksintöä onkin edellä selitetty lähinnä laserlähettimien yhteydessä, voidaan järjestelyä käyttää muunkinlaisen elektronisen komponentin lämpötilan säätämistä varten.

t k

Claims (4)

96262 δ

1. Järjestely elektronisten komponenttien lämpötilan säätämiseksi, joka järjestely käsittää: 5 anturivälineen (TE) elektronisen komponentin lämpö tilan mittaamiseksi ja lämpötilaan verrannollisen ohjaussignaalin (Ml) tuottamiseksi, elektroniseen komponenttiin lämpöäjohtavasti liitetyn peltier-elementin (P) elektronisen komponentin lämpö-10 tilan säätämiseksi peltier-elementin (P) läpikulkevan virran voimakkuudesta ja suuruudesta riippuvaisesti, teholähteen (PS) virran syöttämiseksi peltier-ele-mentille (P); säätövälineen (BC) peltier-elementin (P) läpi kul-15 kevan virran suunnan säätämiseksi vasteena anturivälineen (TE) antamalle ohjaussignaalille (Ml), toisen säätövälineen (SU) peltier-elementin (P) läpi kulkevan virran suuruuden säätämiseksi vasteena anturi-välineen (TE) antamalle ohjaussignaalille (Ml), 20 tunnettu siitä, että peltier-elementtiä (P) syöttävä teholähde (PS) on lämpötilaltaan säädettävän elektronisen komponentin teholähde; ja siitä, että; peltier-elementti (P) on kytketty sarjaan teholähteen (PS) kanssa.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että säätöväline (SU) on säädettävä rinnakkaisvastus.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että säätöväline (SU) on peltier- 30 elementin (P) kanssa rinnan kytketty säädettävä vastus.

4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että teholähde (PS) on vasteelli-nen järjestelyn ulostulosta saatavalle ulostulojännitteelle (Vout), joka on kytketty takaisinkytkennän (FB) ja vah- 35 vistimen (A2) kautta ohjaamaan teholähdettä (PS). 9 96262