JP2013246687A - Temperature control circuit - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、温度を制御するための制御回路に関し、特にペルチェ素子を制御する温度制御回路に関する。 The present invention relates to a control circuit for controlling temperature, and more particularly to a temperature control circuit for controlling a Peltier element.
小型で精密な温度制御ができる温度制御装置として、ペルチェ素子を用いた温度制御装置が一般的によく知られている。
ペルチェ素子は、2枚の異なる金属を接合し、この間に電流を流すことにより、一方の金属から他方の金属へ熱を移動させるペルチェ効果を利用した素子である。
A temperature control device using a Peltier element is generally well known as a small and precise temperature control device capable of precise temperature control.
A Peltier element is an element that utilizes the Peltier effect in which heat is transferred from one metal to the other by joining two different metals and passing a current between them.
特許文献1には、レーザーダイオードの温度制御を実行する温度制御装置が開示されている。この温度制御装置は、ペルチェ素子を用いており、ペルチェ素子の制御を温度制御部によって実行している。
特許文献1の温度制御部は、サーミスタによって温度制御対象となるレーザーダイオードの温度を検出し、この検出温度に基づいてペルチェ素子に印加する電圧を制御している。具体的には、サーミスタによる検出温度と目標温度との偏差の算出を演算処理回路で行い、さらに算出された偏差に応じて最適なペルチェ素子のオン時間を算出する。そして、ペルチェ素子のオン時間を複数に分割したパルス電圧をパルス生成回路が生成し、パルス生成回路によって生成されたパルス電圧によってペルチェ素子の制御を実行している。
The temperature control part of
また、特許文献2にもペルチェ素子を用いた温度制御装置が開示されている。この温度制御装置によれば、ペルチェ素子の制御は、温度検出部によって検出された温度データに基づいて、所定の通電期間通電するようにしている。
上述した特許文献1及び特許文献2に開示されているように、従来のペルチェ素子の制御は、印加電圧を所定のパルス幅に分割し、目標温度に対してパルス幅を変更する、いわゆるPWM制御によって行われることが多い。
PWM制御は、一般的にはFETなどを用いてFETを所定のタイミングでオンオフすることにより、所定周期のパルス電圧を得るようにしている。ペルチェ素子の温度を変更する場合には、デューティー比を変更することにより行われる。
As disclosed in
In the PWM control, a pulse voltage having a predetermined cycle is generally obtained by turning on and off the FET at a predetermined timing using an FET or the like. Changing the temperature of the Peltier element is performed by changing the duty ratio.
しかし、PWM制御されたパルス電圧によってペルチェ素子を制御する場合、0V〜定格電圧までの間全てをパルス電圧によって制御しようとすると、電圧が高い領域ではペルチェ素子が機械的に歪んでしまい、寿命が短くなってしまうとともに、破損や故障の原因となるという課題がある。
では、パルス電圧ではなく、直流電圧を用いて制御しようとする場合、制御回路としてFETを用いると、ドレイン−ソース間の電圧が飽和電圧以下の低い領域ではFETが動作しないという問題があった。すなわち、印加電圧が0V付近の低い領域では、温度コントロールが困難になってしまうという課題がある。
However, when controlling a Peltier element with a pulse voltage that is PWM-controlled, if it is attempted to control everything from 0 V to the rated voltage with a pulse voltage, the Peltier element is mechanically distorted in a high voltage region, and the lifetime is shortened. There is a problem that it becomes shorter and causes damage and failure.
In the case where control is performed using a DC voltage instead of a pulse voltage, there is a problem that if the FET is used as a control circuit, the FET does not operate in a region where the drain-source voltage is lower than the saturation voltage. That is, there is a problem that temperature control becomes difficult in a region where the applied voltage is low near 0V.
そこで本発明は上記課題を解決すべくなされ、その目的とするところは、ペルチェ素子の機械的な歪みの発生を防止して長寿命化を図り、かつ低い電圧の領域でも良好に動作しうる温度制御回路を提供することにある。 Accordingly, the present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and an object of the present invention is to prevent the occurrence of mechanical distortion of the Peltier element, to extend the life, and to operate well even in a low voltage region. It is to provide a control circuit.
本発明にかかる温度制御回路によれば、ペルチェ素子によって温度制御を実行する温度制御回路において、ペルチェ素子へ供給する供給電圧を変化させるドライバ部と、前記ドライバ部を、0V〜予め設定された所定電圧までは、所定電圧の電圧値を振幅とするパルス電圧のデューティー比を変更して供給電圧を出力させ、所定電圧〜定格電圧までは、各電圧に対応する直流電圧を供給電圧として出力させるように制御する制御部とを具備することを特徴としている。
この構成を採用することによって、0Vから所定電圧までの範囲では、パルス電圧のデューティー比を変更して供給電圧を生成している。このときのパルス電圧の電圧値は所定電圧の電圧値であるから、0V付近における低い電圧でドライバ部を制御しなくても良いので、ドライバ部の動作の不安定な部分を使わないようにすることができる。
また、所定電圧から定格電圧までの範囲では、パルス電圧を供給電圧とするのではなく、直流電圧をペルチェ素子に印加させている。このようにすることで、定格電圧内における高電圧側ではパルス電圧を印加しないので、ペルチェ素子の機械的な歪みを生じさせないようにすることができる。このため、ペルチェ素子の破損や故障を防ぐことができる。
According to the temperature control circuit of the present invention, in the temperature control circuit that performs temperature control by the Peltier element, the driver unit that changes the supply voltage supplied to the Peltier element, and the driver unit are set to 0 V to a predetermined value set in advance. Until the voltage, the supply voltage is output by changing the duty ratio of the pulse voltage whose amplitude is the voltage value of the predetermined voltage, and the DC voltage corresponding to each voltage is output as the supply voltage from the predetermined voltage to the rated voltage. And a control unit for controlling.
By adopting this configuration, the supply voltage is generated by changing the duty ratio of the pulse voltage in the range from 0 V to a predetermined voltage. Since the voltage value of the pulse voltage at this time is a voltage value of a predetermined voltage, it is not necessary to control the driver unit with a low voltage in the vicinity of 0 V, so that the unstable operation part of the driver unit is not used. be able to.
Further, in the range from the predetermined voltage to the rated voltage, a DC voltage is applied to the Peltier element instead of using the pulse voltage as the supply voltage. By doing so, no pulse voltage is applied on the high voltage side within the rated voltage, so that mechanical distortion of the Peltier element can be prevented. For this reason, damage and failure of the Peltier element can be prevented.
前記所定電圧は、前記定格電圧の1/3の電圧値となるように設定されていることを特徴としてもよい。
この構成によれば、例えば、定格電圧15Vの場合には、0V〜5V又は0V〜−5Vの範囲では、振幅5V又は−5Vのパルス電圧のデューティー比を変更することによって、ペルチェ素子を制御する。そして、5V〜15V又は−5V〜−15Vの範囲では、その電圧値の直流電圧を供給して制御する。
The predetermined voltage may be set to have a voltage value that is 1/3 of the rated voltage.
According to this configuration, for example, when the rated voltage is 15 V, the Peltier element is controlled by changing the duty ratio of the pulse voltage having an amplitude of 5 V or −5 V in the range of 0 V to 5 V or 0 V to −5 V. . And in the range of 5V-15V or -5V-15V, it controls by supplying the DC voltage of the voltage value.
本発明によれば、ペルチェ素子の機械的な歪みの発生を防止し、かつ低い電圧の領域でも良好に動作させることができる。 According to the present invention, the mechanical distortion of the Peltier element can be prevented and the operation can be satisfactorily performed even in a low voltage region.
本発明に係る温度制御回路の全体構成を図1に示す。
なお、図1に示されている温度制御対象物、ペルチェ素子及び放熱器は、本発明の温度制御装置には含まれていない。
温度制御対象物5は、どのようなものであっても良いが、例えば理化学分野や半導体製造などに用いられる恒温槽などがある。温度制御対象物5には温度センサ8が設けられており、温度制御対象物5の温度を測定している。
ペルチェ素子6は、温度制御対象物5の温度を電子的に制御するための素子である。ペルチェ素子6自体は公知のものが採用される。
The overall configuration of the temperature control circuit according to the present invention is shown in FIG.
Note that the temperature control object, the Peltier element, and the radiator shown in FIG. 1 are not included in the temperature control device of the present invention.
The
The Peltier
なお、ペルチェ素子6の一方の面には温度制御対象物5に当接しており、他方の面には、放熱器9が設けられている。温度制御対象物5を冷却方向に温度制御する場合において、ペルチェ素子6の他方の面は高温となるため、放熱器9を設けることが好ましい。放熱器9としては、図1に示したように、空冷の放熱フィンであってもよいし、又は水冷式であってもよい。なお、加熱方向に温度制御する場合であっても、放熱器9を設けることが好ましい。
Note that one surface of the Peltier
温度制御回路10は、温度コントローラ12、ドライバ部14及び直流電源16を具備している。
温度コントローラ12は、温度制御対象物5の実際の温度と目標温度に基づいて、目標温度に到達させるために、ペルチェ素子6の定格電圧に対して何%の供給電圧を供給させるかを算出する。
具体的には、温度コントローラ12には、ADコンバータ21、CPU22及び目標温度入力部23が設けられている。ADコンバータ21には、温度センサ8で測定された温度データが入力される。ADコンバータ21は、アナログ値で入力された温度データをデジタル値に変換する。目標温度入力部23は、タッチパネルまたは操作盤として操作者が目標温度を入力可能な構成となっている。入力された目標温度は、CPU22に入力される。
The
Based on the actual temperature and the target temperature of the
Specifically, the
ADコンバータ21でデジタル値に変換された温度データは、CPU22に入力される。CPU22では、ドライバ部14からペルチェ素子6へ出力する供給電圧を決定する。供給電圧の決定は、CPU22が、目標温度入力部23から入力された目標温度と、測定された温度データとを比較し、PID制御により供給電圧値を決定する。CPU22は、決定した供給電圧値を制御信号としてドライバ部14へ出力する。
The temperature data converted into a digital value by the
ドライバ部14は、ペルチェ素子6の両面のいずれか一方側に接続して供給電圧を供給する第1スイッチング回路30と、ペルチェ素子6の他方側に接続して供給電圧を供給する第2スイッチング回路32とを有している。
第1スイッチング回路30は、PチャネルFET26のドレインと、NチャネルFET28のドレインとを接続して構成されている。PチャネルFET26のドレインとNチャネルFET28のドレインとの間からペルチェ素子6の一方側に接続ライン31が接続されている。接続ライン31によって、ペルチェ素子6の一方側に供給電圧が供給される。
The
The
第2スイッチング回路32も、第1スイッチング回路30と同じ構成を有している。すなわち、第2スイッチング回路32は、PチャネルFET27のドレインと、NチャネルFET29のドレインとを接続して構成されている。PチャネルFET27のドレインとNチャネルFET29のドレインとの間からペルチェ素子6の他方側に接続ライン33が接続されている。接続ライン33によって、ペルチェ素子6の他方側に供給電圧が供給される。
The second switching circuit 32 also has the same configuration as the
ドライバ部14には、温度コントローラ12からの制御信号を受信し、これに基づいて第1スイッチング回路30及び第2スイッチング回路32を制御する制御部36が設けられている。
そして、制御部36は、第1スイッチング回路30及び第2スイッチング回路32の各FETのゲートに印加するゲート電圧を出力することによって各FETのオンオフを実行することができる。
また、制御部36は、直流電源16へ直流電圧の出力可変指示信号を出力する。直流電源16は、直流電圧の出力可変指示信号に基づいて、第1スイッチング回路30と第2スイッチング回路32のドレイン−ソース間に所定の直流電圧を供給している。
このような制御部36の動作は、予めROMやRAM等のメモリ38に記憶された制御プログラムP1に基づいて実行される。
The
And the
In addition, the
Such an operation of the
直流電源16は、商用電源AC100V又はAC200Vを入力して、所定の直流電圧を出力することができる電源装置である。 The DC power supply 16 is a power supply device that can receive a commercial power supply AC100V or AC200V and output a predetermined DC voltage.
次に、制御部36の制御動作を説明する。
図2には、ペルチェ素子6の動作電圧(供給すべき電圧)に対する、ペルチェ素子6へ実際に供給する供給電圧の関係を示している。このグラフは、横軸がペルチェ素子の動作電圧(供給すべき電圧)であり、縦軸が実際の供給電圧を示している。図2では、具体的には定格電圧−15V〜15Vのペルチェ素子を制御する場合について示している。
ただし、本発明としては、ペルチェ素子の定格電圧を−15V〜15Vに限定するものではない。
Next, the control operation of the
FIG. 2 shows the relationship of the supply voltage actually supplied to the
However, in the present invention, the rated voltage of the Peltier element is not limited to -15V to 15V.
図2に示すように、本実施形態の温度制御回路10は、供給すべき電圧が0Vから予め設定された電圧までは、供給電圧として、振幅が予め設定された電圧値のパルス電圧をペルチェ素子6に供給する。
本実施形態では、予め設定された電圧として、±15Vの1/3の値である±5Vとしている。したがって、0V〜±5Vの範囲では、振幅±5Vのパルス電圧をペルチェ素子6に供給している。
As shown in FIG. 2, the
In the present embodiment, the preset voltage is ± 5 V, which is 1/3 of ± 15 V. Therefore, a pulse voltage with an amplitude of ± 5 V is supplied to the
まず、例えば0V〜5Vの範囲の電圧値を供給電圧としてペルチェ素子6に供給する場合について説明する。
必要な供給電圧が0V〜5Vの範囲である場合、制御部36は予め設定された5Vの電圧値の直流電圧を、第1スイッチング回路30及び第2スイッチング回路32の各ドレイン−ソース間に入力させるように、直流電源16に指示する。
直流電源16は、5Vの直流電圧を第1スイッチング回路30及び第2スイッチング回路32のドレイン−ソース間に入力する。
First, for example, a case where a voltage value in the range of 0 V to 5 V is supplied to the
When the necessary supply voltage is in the range of 0 V to 5 V, the
The DC power supply 16 inputs a DC voltage of 5V between the drain and source of the
さらに制御部36は、供給電圧がパルス電圧となるように、第1スイッチング回路30及び第2スイッチング回路32へ、ゲート信号を出力する。ゲート信号のオンオフによって第1スイッチング回路30及び第2スイッチング回路32がオンオフするので、振幅5Vのパルス電圧を生成できる。
また、ゲート信号のオンオフのタイミングによって、デューティ比が変更される。0V〜5Vの間でも、0Vに近い場合にはパルス電圧のオン時間を短く、オフ時間が長くなるように、デューティ比を変更する。5Vに近い場合には、パルス電圧のオン時間を長く、オフ時間を短くすることによって、パルス電圧での制御が実行される。
Further, the
Further, the duty ratio is changed depending on the ON / OFF timing of the gate signal. Even between 0V and 5V, when close to 0V, the duty ratio is changed so that the on time of the pulse voltage is shortened and the off time is lengthened. When the voltage is close to 5 V, the pulse voltage is controlled by increasing the ON time of the pulse voltage and decreasing the OFF time.
例えば、接続ライン31を+、接続ライン33を−としたときに0V〜+5Vの電圧を印加する場合には、制御部36は、第1スイッチング回路30のFET26をオンのままで制御し、FET28はオフのままで制御する。一方、制御部36は、第2スイッチング回路32のFET27をオフのまま、FET29を所定のタイミングでオンオフ制御する。このため、接続ライン31と接続ライン33との間に5Vのパルス電圧が印加される。
For example, when a voltage of 0 V to +5 V is applied when the connection line 31 is + and the
なお、0V〜−5Vの範囲の電圧値を供給電圧としてペルチェ素子6に供給する場合、制御部36が第1スイッチング回路30と第2スイッチング回路32へゲート信号を出力する点は同様であるが、上述した0V〜+5Vの場合から第1スイッチング回路30と第2スイッチング回路32の極性を切り換えて制御が行われる。
In addition, when supplying the voltage value of the range of 0V--5V to the
すなわち、接続ライン31を+、接続ライン33を−としたときに0V〜−5Vの電圧を印加する場合には、制御部36は、第1スイッチング回路30のFET26をオフのままで、FET28は所定のタイミングでオンオフ制御する。一方、制御部36は、第2スイッチング回路32のFET27をオンのままで制御し、FET29をオフのままで制御する。このため、接続ライン31と接続ライン33との間に−5Vのパルス電圧が印加される。
That is, when a voltage of 0 V to −5 V is applied when the connection line 31 is + and the
また、0V〜−5Vの範囲の電圧値を供給電圧としてペルチェ素子6に供給する場合も、ゲート信号のオンオフのタイミングによって、デューティ比が変更される。0V〜−5Vの間でも、0Vに近い場合にはパルス電圧のオン時間を短く、オフ時間が長くなるように、デューティ比を変更する。−5Vに近い場合には、パルス電圧のオン時間を長く、オフ時間を短くすることによって、パルス電圧での制御が実行される。
Also, when a voltage value in the range of 0 V to −5 V is supplied to the
このように動作電圧が0V〜±5Vの範囲では、振幅5Vのパルス電圧をペルチェ素子6に供給している。このため、ドライバ部14の第1スイッチング回路30及び第2スイッチング回路32の各FFTのドレイン−ソース間を飽和させた状態、すなわちFETが正常に動作できる状態となるので、ペルチェ素子6へ供給すべき電圧が低い場合であっても、温度コントロールを確実に実行できる。
As described above, when the operating voltage is in the range of 0 V to ± 5 V, a pulse voltage having an amplitude of 5 V is supplied to the
次に、5V〜15Vの範囲の電圧値を供給電圧としてペルチェ素子6に供給する場合について説明する。
必要な供給電圧が5V〜15Vの範囲である場合、制御部36は必要な電圧値の直流電圧を、第1スイッチング回路30及び第2スイッチング回路32の各ドレイン−ソース間に入力させるように、直流電源16に指示する。
直流電源16は、指示された直流電圧を第1スイッチング回路30及び第2スイッチング回路32のドレイン−ソース間に入力する。
Next, a case where a voltage value in the range of 5V to 15V is supplied to the
When the necessary supply voltage is in the range of 5V to 15V, the
The DC power supply 16 inputs the instructed DC voltage between the drain and source of the
さらに制御部36は、直流電源16からの電圧をそのままペルチェ素子6へ供給するように、第1スイッチング回路30及び第2スイッチング回路32がオンの状態を維持するようゲート信号を出力する。すなわち、制御部36は、第1スイッチング回路30及び第2スイッチング回路32がオンしっぱなしとなるように、オンオフしないゲート信号を出力している。
これにより、5V〜15Vの範囲では、ペルチェ素子6には、目標温度となるために必要な供給電圧を直流電圧として供給している。
Further, the
Thereby, in the range of 5V to 15V, the supply voltage necessary to reach the target temperature is supplied to the
例えば、接続ライン31を+、接続ライン33を−としたときに5V〜15Vの電圧を印加する場合には、制御部36は、第1スイッチング回路30のFET26をオンのまま、FET28はオフのままで制御する。一方、制御部36は、第2スイッチング回路32のFET27をオフのまま、FET29をオンのままで制御する。このため、接続ライン31と接続ライン33との間に5V〜15Vの直流電圧が印加される。
For example, when a voltage of 5 V to 15 V is applied when the connection line 31 is + and the
なお、必要な供給電圧が−5V〜−15Vの範囲である場合、制御部36は上述した+5Vの場合から第1スイッチング回路30と第2スイッチング回路32の極性を切り換えて制御が行われる。
When the necessary supply voltage is in the range of −5 V to −15 V, the
すなわち、接続ライン31を+、接続ライン33を−としたときに−5V〜−15Vの電圧を印加する場合には、制御部36は、第1スイッチング回路30のFET26をオフのまま、FET28はオンのままで制御する。一方、制御部36は、第2スイッチング回路32のFET27をオンのまま、FET29をオフのままで制御する。このため、接続ライン31と接続ライン33との間に−5V〜−15Vの直流電圧が印加される。
That is, when a voltage of −5 V to −15 V is applied when the connection line 31 is + and the
このように、予め設定した所定電圧から定格電圧までの間は、直流電圧でペルチェ素子6を制御している。もし、この間もパルス電圧で制御する場合には、ペルチェ素子6の機械的な歪みが大きくなってしまうが、オンオフしない直流電圧で制御することで、ペルチェ素子6への機械的な負担をかけることが無く制御できる。
As described above, the
なお、上述してきた実施形態では、温度コントローラ12とドライバ部14とを別体として説明してきた。しかし、温度コントローラ12とドライバ部14とを一体にした構成であってもよい。
さらに、温度コントローラ12のCPU22と、ドライバ部14の制御部36を別体にしなくてもよく、目標温度にするために供給すべき電圧値の算出・決定と、各スイッチング回路30,32の制御と、直流電源16への指示とを全て1つの制御部で実行するようにしてもよい。
In the embodiment described above, the
Furthermore, the
以上本発明につき好適な実施形態を挙げて種々説明したが、本発明はこの実施形態に限定されるものではなく、発明の精神を逸脱しない範囲内で多くの改変を施し得るのはもちろんである。 While the present invention has been described above with reference to a preferred embodiment, the present invention is not limited to this embodiment, and it goes without saying that many modifications can be made without departing from the spirit of the invention. .
5 温度制御対象物
6 ペルチェ素子
8 温度センサ
9 放熱器
10 温度制御回路
12 温度コントローラ
14 ドライバ部
16 直流電源
21 A/Dコンバータ
23 目標温度入力部
26,27 PチャネルFET
28,29 NチャネルFET
30 第1スイッチング回路
32 第2スイッチング回路
31,33 接続ライン
36 制御部
38 メモリ
P1 制御プログラム
5
28, 29 N-channel FET
30 first switching circuit 32
Claims (2)
ペルチェ素子へ供給する供給電圧を変化させるドライバ部と、
前記ドライバ部を、0V〜予め設定された所定電圧までは、所定電圧の電圧値を振幅とするパルス電圧のデューティー比を変更して供給電圧を出力させ、所定電圧〜定格電圧までは、各電圧に対応する直流電圧を供給電圧として出力させるように制御する制御部とを具備することを特徴とする温度制御回路。 In a temperature control circuit that performs temperature control by a Peltier element,
A driver unit for changing a supply voltage supplied to the Peltier element;
The driver unit outputs a supply voltage by changing the duty ratio of a pulse voltage whose amplitude is a voltage value of the predetermined voltage from 0 V to a predetermined voltage, and each voltage from the predetermined voltage to the rated voltage And a control unit that controls to output a DC voltage corresponding to the supply voltage as a supply voltage.
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CN104331102A (en) * | 2014-09-18 | 2015-02-04 | 杭州电子科技大学 | TEC-based laser temperature control circuit |
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