JP2004054869A

JP2004054869A - 温度制御回路

Info

Publication number: JP2004054869A
Application number: JP2002242688A
Authority: JP
Inventors: Minoru Miyashita; 宮下　実
Original assignee: NES KK
Current assignee: NES KK
Priority date: 2002-07-19
Filing date: 2002-07-19
Publication date: 2004-02-19

Abstract

【課題】制御素子１０９を駆動する矩形パルスの出力電圧が一定であるため、設定温度付近における制御素子１０９への供給電力が小さくできないことによる温度制御精度の低下を改善するという課題があった。
【解決手段】制御素子１０９に供給する電流の量および方向を矩形パルス波により制御する温度制御回路において、絶対値演算回路からの信号を入力として制御素子１０９に印加する電圧を可変することにより供給電力を小さくできる構成とした。
【選択図】　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、制御対象の温度を検出し、検出された温度と任意に設定される設定温度との差により温度制御素子を駆動し、制御対象の温度を一定に保つ温度制御回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図２に、従来の温度制御回路のブロック図を示す。図２に示される温度制御回路は、制御対象１０１の温度を制御するためのものである。
【０００３】
図２において制御対象１０１の温度は、温度検出部１０２によって検出される。温度検出部１０２は、具体的にはサーミスタや白金等の温度検出器が適している。この温度検出部によって制御対象１０１の温度を検出し、この検出した温度に比例した電圧を発生させる。この電圧を、温度検出部１０２の出力信号として用いる。
【０００４】
この温度検出部１０２の出力信号は、増幅器１０３に供給される。増幅器１０３は、温度検出部１０２から与えられた入力信号を増幅して、絶対値演算回路１０４に供給する。このとき、増幅器１０３の増幅率は、絶対値演算回路１０４、および後述する加熱／冷却判別回路１０６に適切な入力レベルとなるような値に設定されるべきであるのは勿論である。
【０００５】
絶対値演算回路１０４は、入力された電圧の絶対値をとり、これをデューティー発生回路１０５へ供給する。すなわち、温度検出部１０２において検出した温度と目標温度との差に相当する電圧を出力する。デューティー発生回路１０５は、供給された電圧の絶対値を制御素子１０９を駆動するためのＯＮ／ＯＦＦの時間比に変換して、制御ブロック１０８を駆動するための信号として出力する。
【０００６】
増幅器１０３の出力は、加熱／冷却判別回路１０６へもまた供給されている。加熱／冷却判別回路１０６は、増幅器１０３から入力された信号から、制御対象１０１の温度に相当する電圧を得る。この電圧を、あらかじめ与えられている基準電圧と比較することで、制御対象１０１の温度が目標値に対して高いか低いかを判別することができる。加熱／冷却判別回路１０６は、この比較結果を制御ブロック１０８へ送る。すなわち、絶対値演算回路１０４によって制御対象の温度と目標値との差が得られる。また、加熱／冷却判別回路１０６によって制御対象の温度と目標値との高低関係が得られる。
【０００７】
制御ブロック１０８は、制御素子１０９を駆動するための電流供給機能と、供給電流の方向を切り換える機能を有する。デューティー発生回路１０５、および加熱／冷却判別回路１０６から入力された信号により、トランジスタ等の増幅機能を用い制御素子１０９に電流を供給し、制御素子１０９を駆動する。制御素子１０９としては、ペルチェ素子が適当である。ペルチェ素子は、印加する電流の向きによって加熱あるいは冷却という効果を得ることができる。したがって、制御ブロック１０８のトランジスタ等のスイッチング機能を用いた制御により、制御対象１０１を加熱あるいは冷却することができる。
【０００８】
電源回路１１０ｂは、制御ブロック１０８および制御素子１０９に一定の電圧を供給し、前述した加熱および冷却に必要な電力を供給する。
【０００９】
図３は、デューティー発生回路１０５で発生した矩形パルス波の動作を説明するため、デューティー発生回路１０５への入力電圧Ｖ_ｉｎを増大させていった場合に、制御素子１０９への矩形パルス波がどのように変化するかを示す。図３において、縦軸は入力電圧Ｖ_ｉｎまたは矩形パルス波の出力電圧Ｖ_ｏｕｔを表す。また横軸は矩形パルス波の波形を示す。
【００１０】
デューティー発生回路１０５は、図３に示すように入力電圧Ｖ_ｉｎに対して出力電圧Ｖ_ｏｕｔを出力する。この出力電圧Ｖ_ｏｕｔは入力電圧Ｖ_ｉｎに応じてパルス幅、およびパルス発生周期が変化する矩形パルス波である。このパルスが発生している期間、制御ブロック１０８は制御素子１０９をＯＮとする。またパルスが発生していない期間は、制御ブロック１０８は制御素子１０９をＯＦＦとする。
【００１１】
すなわち、制御素子１０９のＯＮ時間は、出力電圧Ｖ_ｏｕｔのパルスの発生時間に等しい。このパルスの発生時間は、入力電圧Ｖ_ｉｎが高くなるにつれて長くなる。また制御素子１０９のＯＦＦ時間は、出力電圧Ｖ_ｏｕｔの、あるひとつのパルスと次のパルスとの間の時間に等しい。この時間は、入力電圧Ｖ_ｉｎが高くなるにつれて短くなる。前述したように、入力電圧Ｖ_ｉｎを供給する絶対値演算回路１０４は、制御対象１０１の温度と目標温度との差に応じた電圧を出力している。すなわち、差が大きければそれだけ高い入力電圧となり、差が小さければそれだけ低い入力電圧となる。
【００１２】
出力電圧Ｖ_ｏｕｔのパルスの立ち上がりから次のパルスの立ち上がりまでを１周期とすると、図３において、設定温度に比較的近い温度における入力電圧Ｖ_ｉｎがＶ_１（Ｖ）である場合、対応する矩形パルス波１１ｂにおける出力電圧Ｖ_ｏｕｔの周期はたとえばｔ_１となる。また設定温度から比較的離れた温度における入力電圧Ｖ_ｉｎがＶ_２（Ｖ）である場合、対応する矩形パルス波１２ｂにおける出力電圧Ｖ_ｏｕｔの周期はたとえばｔ_２となる。図から理解されるように、入力電圧Ｖ_ｉｎが増加するにつれて、すなわち設定温度から離れた温度になるにしたがって出力電圧Ｖ_ｏｕｔの１周期に占めるＯＮ時間の割合が増加している。この、出力電圧Ｖ_ｏｕｔの１周期に占めるＯＮ時間の割合を、デューティー比と定義する。すなわち、
デューティー比＝制御素子駆動ＯＮの時間／１周期の時間
と表すことができる。
【００１３】
すなわち制御対象１０１と目標温度との差が大きくなると、制御素子１０９を駆動する時間の割合が大きくなる。従ってそれだけ短時間で、制御対象１０１の温度制御を行うことができる。一方、温度差が小さければデューティー比が小さくなり、急激な加熱、あるいは冷却のされることによる熱的なオーバーシュートを抑制している。
【００１４】
ここで出力電圧Ｖ_ｏｕｔのデューティー比が大きくなると、１周期のほぼすべての時間が制御素子１０９のＯＮ時間となる可能性がある。この場合は、制御素子１０９の駆動をＯＮのままとし、制御素子１０９を連続的に駆動する。このとき、制御素子に流れる電流が最大値となる。
【００１５】
また、制御対象１０１の温度と目標温度とがほぼ一致した場合、１周期のほぼすべての時間が制御素子１０９のＯＦＦ時間となる可能性がある。この場合、制御素子１０９の駆動をＯＦＦとする。このようにして制御対象１０１を目標温度に制御している。
【００１６】
上記の動作を、式を用いて以下に説明する。制御素子１０９、たとえばペルチェ素子に流れる電流をＩ、印加電圧をＶとすると、ペルチェ素子への供給電力Ｐは、
Ｐ＝Ｉ×Ｖ
で与えられる。ここで電流Ｉはパルス振幅により制御しているため、周波数をｆ、パルス幅をτ、デューティーをＤとし、最大電流をＩ_ｍａｘとすると、デューティー比Ｄは、前述のように出力電圧Ｖ_ｏｕｔの１周期の時間ｔに占めるＯＮ時間の割合であるため、
Ｄ＝τ／ｔ＝τ×ｆ
と表すことができるので、電流Ｉは、
Ｉ＝Ｉ_ｍａｘ×Ｄ＝Ｉ_ｍａｘ×τ×ｆ
により与えられる。よって上記供給電力Ｐは、
Ｐ＝Ｉ_ｍａｘ×τ×ｆ×Ｖ
となる。すなわち、電圧Ｖが一定の場合は、設定温度に近づくにつれて周波数ｆおよびパルス幅τを小さくすることにより、供給電力を小さくすることができる。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記構成の温度制御回路では、制御素子１０９に印加する矩形パルスの出力電圧Ｖが一定であるため、設定温度付近における温度制御の精度は、周波数ｆおよびパルス幅τのみに依存するものである。また、周波数ｆおよびパルス幅τの最小値は、通常市販されている部品で構成した回路を用いた場合では、周波数ｆが約０．２〔Ｈｚ〕、パルス幅τが約０．５〔μｓ〕が限度であるため、設定温度付近における温度制御精度に限界があり、微小な温度調整ができないという欠点があった。
【００１８】
本発明は、以上述べた問題点を除去するため、制御素子１０９に印加する矩形パルス波の出力電圧を可変することにより、制御素子１０９に供給する電力を減少させ、設定温度付近における温度制御の精度の向上を図ることができる温度制御回路を提供することを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
この目的を解決するため、この発明は、温度制御素子に印加する矩形パルス波の出力電圧を可変する電源回路と、電源回路の出力電圧を制御する回路とを設け、絶対値演算回路からの信号を入力として、温度制御素子に印加する矩形パルス波の出力電圧を可変する構成とした。
【００２０】
以上の通り構成したことにより、設定温度への収束時間を劣化させることなく設定温度付近における温度制御の精度の向上を図ることができる温度制御回路を提供することが可能となる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
図１に、本発明の温度制御回路におけるブロック図を示す。図１において制御対象１０１の温度は、温度検出部１０２によって検出される。この温度検出部によって制御対象１０１の温度を検出し、この検出した温度に比例した電圧を発生させる。この電圧を、温度検出部１０２の出力信号として用いる。この温度検出部１０２の出力信号は、増幅器１０３に供給される。増幅器１０３は、温度検出部１０２から与えられた入力信号を増幅して、絶対値演算回路１０４に供給する。
【００２２】
絶対値演算回路１０４は、入力された電圧の絶対値をとり、これをデューティー発生回路１０５へ供給する。すなわち、温度検出部１０２において検出した温度と目標温度との差に相当する電圧を出力する。デューティー発生回路１０５は、供給された電圧の絶対値を、制御素子１０９を駆動するＯＮ／ＯＦＦの時間比に変換して制御ブロック１０８を駆動するための信号として出力する。絶対値演算回路１０４は、さらに後述する電源電圧制御回路へも出力する。
【００２３】
増幅器１０３の出力は、加熱／冷却判別回路１０６へもまた供給されている。加熱／冷却判別回路１０６は、増幅器１０３から入力された信号から、制御対象１０１の温度に相当する電圧を得る。この電圧を、あらかじめ与えられている基準電圧と比較することで、制御対象１０１の温度が目標値に対して高いか低いかを判別することができる。加熱／冷却判別回路１０６は、この比較結果を制御ブロック１０８へ送る。すなわち、絶対値回路１０４によって制御対象の温度と目標値との差が得られる。また、加熱／冷却判別回路１０６によって制御対象の温度と目標値との高低関係が得られる。
【００２４】
制御ブロック１０８は、制御素子１０９を駆動するための電流供給機能と、供給電流の方向を切り換える機能を有する。デューティー発生回路１０５、および加熱／冷却判別回路１０６から入力された信号により、トランジスタ等の増幅機能を用い制御素子１０９に電流を供給し、制御素子１０９を駆動する。制御素子１０９としては、ペルチェ素子が適当である。ペルチェ素子は、印加する電流の向きによって加熱あるいは冷却という効果を得ることができる。したがって、制御ブロック１０８のトランジスタ等のスイッチング機能を用いた制御により、制御対象１０１を加熱あるいは冷却することができる。
【００２５】
電源回路１１０ａは、後述する電源電圧制御回路１０７からの出力により、制御ブロック１０８および制御素子１０９に供給する電圧を可変し、前述した加熱および冷却に必要な電力を供給する。電源回路１１０ａにおいて出力電圧を可変させる方法としては、例えば３端子レギュレータを使用するのが一般的である。３端子レギュレータの調整端子に負荷される電圧を変化させる等により、出力電圧を容易に変化させることができる。
【００２６】
電源電圧制御回路１０７は、絶対値演算回路１０４の出力信号を入力し、入力電圧の大小により電源回路１１０ａの出力電圧を変化させる信号を送る機能を有する。具体的に説明すれば、設定温度から比較的離れた温度、すなわち入力電圧が大きい場合は電源回路１１０ａの出力電圧を大きくするようにし、逆に設定温度から比較的近い温度、すなわち入力電圧が小さい場合は電源回路１１０ａの出力電圧を小さくするように電源回路１１０ａを制御する信号を送る。電源回路１１０ａにおける出力電圧を可変する方法の例としては前述したとおりであるため、３端子レギュレータの調整端子に負荷すべき電圧に相当する信号を電源電圧制御回路１０７から送ることにより、電源回路１１０ａの出力電圧を変化させることができる。これにより、設定温度付近において制御素子に供給する電力を小さくすることができ、温度制御の精度が向上し、微小な温度調整が可能となる。
【００２７】
図４に、本発明による入力電圧Ｖ_ｉｎに対する矩形パルス波の変化を示す。図において、縦軸は入力電圧Ｖ_ｉｎまたは出力電圧Ｖ_ｏｕｔを表す。また横軸は矩形パルス波の波形を示す。設定温度から比較的離れた温度における入力電圧Ｖ_２に対する矩形パルス波１２ａにおける出力電圧Ｖ_ａ１２に比較し、設定温度に比較的近い温度における入力電圧Ｖ_１に対する矩形パルス波１１ａにおける出力電圧Ｖ_ａ１１が小さくなっている。
【００２８】
図３における従来の矩形パルス波１１ｂと、図４における本発明による矩形パルス波１１ａとの比較を、以下に式を用いて説明する。
本発明による矩形パルス波１１ａにおける電力をＰ_ａ１１、ペルチェ素子への供給電流をＩ_ａ、矩形パルス波の出力電圧をＶ_ａ１１、最大電流をＩ_ｍａｘａ、従来の矩形パルス波１１ｂにおける電力をＰ_ｂ１１、ペルチェ素子への供給電流をＩ_ｂ、矩形パルス波の出力電圧をＶ_ｂ１１、最大電流をＩ_ｍａｘｂ、および両者共通である矩形パルス波のパルス幅をτ、周波数をｆ、また、ペルチェ素子抵抗をＲとすると、従来の矩形パルス波と本発明による矩形パルス波の電力の比は、

となり、電圧の二乗に比例して小さくなる。また、ペルチェ素子の電力Ｐに対する変換温度係数をＫとすると、制御温度幅ΔＴは
ΔＴ＝Ｋ√Ｐ
と表すことができるため、電力を減少させた分だけ制御温度幅を小さくすることができる。一例として、従来の矩形パルスの電圧Ｖ_ｂ１１を３．３（Ｖ）、本発明による矩形パルスの電圧Ｖ_ａ１１を１（Ｖ）とした場合、従来の矩形パルスと本発明による矩形パルスの電力比Ｐ_ａ１１／Ｐ_ｂ１１は（１／３．３）^２となり、すなわち制御温度幅は本発明により約３．３倍の精度を実現することができる。
【００２９】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、絶対値演算回路からの信号を入力として温度制御素子を駆動する矩形パルス波の出力電圧を可変する構成としたことにより、設定温度付近における温度制御の精度が向上し、設定温度への収束時間を劣化させることなく微小な温度調整ができる温度制御回路を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の温度制御回路を示すブロック図である。
【図２】従来の温度制御回路を示すブロック図である。
【図３】従来のデューティー発生回路の入力／出力電圧を示す図である。
【図４】本発明のデューティー発生回路の入力／出力電圧を示す図である。
【符号の説明】
１０１　　制御対象
１０２　　温度検出回路
１０３　　増幅器
１０４　　制御演算回路
１０５　　デューティー発生回路
１０６　　加熱／冷却判別回路
１０７　　電源電圧制御回路
１０８　　制御ブロック
１０９　　制御素子
１１０ａ　電源回路

Claims

温度制御素子に供給する電流の量および方向を、矩形パルス波を用いて制御することにより前記温度制御素子に接続された制御対象の温度を目標温度に保持する温度制御回路において、
前記温度制御素子に印加する矩形パルス波の出力電圧を可変する電源回路と、
前記電源回路の出力電圧を制御する回路とを設け、
前記矩形パルス波の出力電圧を可変することにより、前記温度制御素子に供給する電力を可変することを特徴とする温度制御回路