JP3293236B2 - サーモモジュール保護回路 - Google Patents
サーモモジュール保護回路Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、多数のペルチェ素子
で構成されるサーモモジュールにより温度を制御する場
合に、温度変化状態でオーバシュート的に発生する発熱
温度を検出し、温度上昇を一定値以下に抑制するサーモ
モジュール保護回路についてのものである。
で構成されるサーモモジュールにより温度を制御する場
合に、温度変化状態でオーバシュート的に発生する発熱
温度を検出し、温度上昇を一定値以下に抑制するサーモ
モジュール保護回路についてのものである。
【０００２】
【従来の技術】次に、従来技術によるサーモモジュール
の温度制御装置の構成を図１０に示す。図１０の１は電
源、２はサーモモジュール、２Ａと２Ｂは電極、２Ｃと
２Ｄは電気絶縁板、１１は温度調節器、１２は放熱器、
１３は伝熱体、１４はデバイスアダプタ、１５はデバイ
スである。サーモモジュール２は、Ｐ形半導体とｎ形半
導体を交互に多数接続したものであり、加えられる電流
の向きでペルチェ効果により半導体の片端では放熱し、
他端では吸熱する。サーモモジュール２の材料にはテル
ル化ビスマスが一般に用いられる。
の温度制御装置の構成を図１０に示す。図１０の１は電
源、２はサーモモジュール、２Ａと２Ｂは電極、２Ｃと
２Ｄは電気絶縁板、１１は温度調節器、１２は放熱器、
１３は伝熱体、１４はデバイスアダプタ、１５はデバイ
スである。サーモモジュール２は、Ｐ形半導体とｎ形半
導体を交互に多数接続したものであり、加えられる電流
の向きでペルチェ効果により半導体の片端では放熱し、
他端では吸熱する。サーモモジュール２の材料にはテル
ル化ビスマスが一般に用いられる。
【０００３】温度調節器１１の温度センサ１１Ａはデバ
イスアダプタ１４の中に取り付けられる。電源１は温度
調節器１１の出力で制御され、電源１の出力は出力端子
１Ａ・１Ｂからサーモモジュール２の電極２Ａ・２Ｂに
供給される。サーモモジュール２の片端に発生する吸熱
または放熱エネルギーは、電気絶縁板２Ｄから放熱器１
２により周囲温度に保たれる。サーモモジュール２の他
端に発生する吸熱または放熱エネルギーは電気絶縁板２
Ｃから伝熱体１３に供給され、伝熱体１３の温度はデバ
イスアダプタ１４からデバイス１５に伝導される。
イスアダプタ１４の中に取り付けられる。電源１は温度
調節器１１の出力で制御され、電源１の出力は出力端子
１Ａ・１Ｂからサーモモジュール２の電極２Ａ・２Ｂに
供給される。サーモモジュール２の片端に発生する吸熱
または放熱エネルギーは、電気絶縁板２Ｄから放熱器１
２により周囲温度に保たれる。サーモモジュール２の他
端に発生する吸熱または放熱エネルギーは電気絶縁板２
Ｃから伝熱体１３に供給され、伝熱体１３の温度はデバ
イスアダプタ１４からデバイス１５に伝導される。
【０００４】デバイスアダプタ１４の温度は温度センサ
１１Ａで測定され、温度調節器１１により目的の温度に
制御される。図１０の電極２Ａから電極２Ｂの方向に電
流を加えれば、デバイス１５側には電流に比例した放熱
エネルギーが伝わり、放熱器１２側には吸熱エネルギー
が伝わり、電流の向きを逆に加えれば熱エネルギーも逆
になる。
１１Ａで測定され、温度調節器１１により目的の温度に
制御される。図１０の電極２Ａから電極２Ｂの方向に電
流を加えれば、デバイス１５側には電流に比例した放熱
エネルギーが伝わり、放熱器１２側には吸熱エネルギー
が伝わり、電流の向きを逆に加えれば熱エネルギーも逆
になる。
【０００５】次に、図１０の温度制御状態における熱エ
ネルギーの伝達状態を図１１により説明する。図１１の
目標の制御温度と周囲温度との温度差に比べてサーモモ
ジュール２の両端の温度差は大きく、サーモモジュール
２の端面からの熱伝導距離が長いほど、また、熱伝導に
関係する材料の熱伝導率が小さくなるほど、さらに、サ
ーモモジュール２の両端の温度変化時間が早いほど温度
差は拡がる。
ネルギーの伝達状態を図１１により説明する。図１１の
目標の制御温度と周囲温度との温度差に比べてサーモモ
ジュール２の両端の温度差は大きく、サーモモジュール
２の端面からの熱伝導距離が長いほど、また、熱伝導に
関係する材料の熱伝導率が小さくなるほど、さらに、サ
ーモモジュール２の両端の温度変化時間が早いほど温度
差は拡がる。
【０００６】図１２は、図１０の温度制御装置の温度レ
スポンス図である。曲線アは図１０のサーモモジュール
２の電気絶縁板２Ｃ側の温度であり、曲線イは温度セン
サ１１Ａの温度である。サーモモジュール２の温度変化
時間が早いほど曲線アと曲線イの差は拡がり、サーモモ
ジュール２の放熱側の端面は短時間で高温になる。曲線
アの斜線部分はサーモモジュール２の破壊温度領域を示
す。
スポンス図である。曲線アは図１０のサーモモジュール
２の電気絶縁板２Ｃ側の温度であり、曲線イは温度セン
サ１１Ａの温度である。サーモモジュール２の温度変化
時間が早いほど曲線アと曲線イの差は拡がり、サーモモ
ジュール２の放熱側の端面は短時間で高温になる。曲線
アの斜線部分はサーモモジュール２の破壊温度領域を示
す。
【０００７】サーモモジュール２の放熱量ＱHは次の式
(1) で示される。
(1) で示される。
【０００８】 ＱH＝ＱC＋Ｉ2Ｒ＋Ｉ・αpn・△Ｔ…………(1) ここに、Ｉは加える電流、Ｒはサーモモジュールの抵
抗、αpnはサーモモジュールの熱起電力、△Ｔはサーモ
モジュール両端の温度差、ＱCはサーモモジュール内の
ペルチェ効果により発生する熱量で吸熱量に等しい。
抗、αpnはサーモモジュールの熱起電力、△Ｔはサーモ
モジュール両端の温度差、ＱCはサーモモジュール内の
ペルチェ効果により発生する熱量で吸熱量に等しい。
【０００９】サーモモジュール２の吸熱量ＱCは次の式
(2) で示される。
(2) で示される。
【００１０】 ＱC＝αpn・Ｔ・Ｉ−１／２・Ｉ2・Ｒ−Ｌ・△Ｔ………(2) ここに、Ｔはサーモモジュール２の吸熱側端面の温度、
Ｌはサーモモジュール２の熱コンダクタンスである。
Ｌはサーモモジュール２の熱コンダクタンスである。
【００１１】式(1) と式(2) から明らかなように、サー
モモジュール２の放熱エネルギーは加える電流と温度差
に比例して増え、加熱制御状態では容易にオーバーシュ
ート発熱になる。一方、吸熱エネルギーは温度差に反比
例し、加える電流についても一定値を越えると吸熱能力
は消滅し、ジュール熱が吸熱エネルギーを上回る。
モモジュール２の放熱エネルギーは加える電流と温度差
に比例して増え、加熱制御状態では容易にオーバーシュ
ート発熱になる。一方、吸熱エネルギーは温度差に反比
例し、加える電流についても一定値を越えると吸熱能力
は消滅し、ジュール熱が吸熱エネルギーを上回る。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】図１０の温度制御装置
では、サーモモジュール２内の素子端での急激な温度上
昇を検出する手段がなく、また、正確に温度を制御する
ためには、温度測定位置を被温度制御デバイス側に近づ
けて設けることが必要であるが、素子端からの温度伝達
距離が遠ざかることになり、熱伝達遅れ時間が増えてオ
ーバーシュート発熱の拡大に対する対策が困難である。
では、サーモモジュール２内の素子端での急激な温度上
昇を検出する手段がなく、また、正確に温度を制御する
ためには、温度測定位置を被温度制御デバイス側に近づ
けて設けることが必要であるが、素子端からの温度伝達
距離が遠ざかることになり、熱伝達遅れ時間が増えてオ
ーバーシュート発熱の拡大に対する対策が困難である。
【００１３】この発明は、サーモモジュール２と電源１
の間にスイッチ回路とスイッチング素子および発振回路
を有する温度制御回路を設け、この発振回路の出力でサ
ーモモジュール２と電源１の間を周期的に接断し、電源
１とサーモモジュール２の接続を断したときはサーモモ
ジュール２の熱起電力をスイッチング素子に加え、熱起
電力が過大なときは電源１の断状態を続けるサーモモジ
ュール保護回路の提供を目的とする。
の間にスイッチ回路とスイッチング素子および発振回路
を有する温度制御回路を設け、この発振回路の出力でサ
ーモモジュール２と電源１の間を周期的に接断し、電源
１とサーモモジュール２の接続を断したときはサーモモ
ジュール２の熱起電力をスイッチング素子に加え、熱起
電力が過大なときは電源１の断状態を続けるサーモモジ
ュール保護回路の提供を目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
にこの発明では、サーモモジュールと電源との間に接続
され、サーモモジュールを電源に接続あるいは第１の抵
抗の一端に接続するスイッチ回路と、発振出力が第２の
抵抗の一端に接続された発振回路と、前記第１の抵抗の
他端と第２の抵抗の他端とが入力に共通接続され、前記
スイッチ回路を駆動するスイッチング素子とからなり、
発振出力に基づくスイッチング素子の動作によってスイ
ッチ回路がサーモモジュールと電源とを断状態としてサ
ーモモジュールを第１の抵抗の一端に接続すると、サー
モモジュールの熱起電力が第１の抵抗を介してスイッチ
ング素子の入力に供給され、前記熱起電力に応じてサー
モモジュールと電源との断状態を継続するという手段を
採用する。また、上記手段において、電源の一端とサー
モモジュールとの間にダイオードを接続すると共に、ス
イッチング素子と発振回路との共通アースと電源の他端
との間にもダイオードを接続することにより、電源の出
力極性が反転した場合に逆極性電圧が印加されることを
防止するという手段を採用する。
にこの発明では、サーモモジュールと電源との間に接続
され、サーモモジュールを電源に接続あるいは第１の抵
抗の一端に接続するスイッチ回路と、発振出力が第２の
抵抗の一端に接続された発振回路と、前記第１の抵抗の
他端と第２の抵抗の他端とが入力に共通接続され、前記
スイッチ回路を駆動するスイッチング素子とからなり、
発振出力に基づくスイッチング素子の動作によってスイ
ッチ回路がサーモモジュールと電源とを断状態としてサ
ーモモジュールを第１の抵抗の一端に接続すると、サー
モモジュールの熱起電力が第１の抵抗を介してスイッチ
ング素子の入力に供給され、前記熱起電力に応じてサー
モモジュールと電源との断状態を継続するという手段を
採用する。また、上記手段において、電源の一端とサー
モモジュールとの間にダイオードを接続すると共に、ス
イッチング素子と発振回路との共通アースと電源の他端
との間にもダイオードを接続することにより、電源の出
力極性が反転した場合に逆極性電圧が印加されることを
防止するという手段を採用する。
【００１５】
【作用】この発明によれば、スイッチ回路３をスイッチ
ング素子４の出力で切り換え、スイッチング素子４を発
振回路７の出力で制御し、発振回路７の出力が高レベル
のときはスイッチング素子４をオンにし、スイッチ回路
３は電源１とサーモモジュール２の間を断にし、スイッ
チング素子４がオフのときはスイッチ回路３が電源１と
サーモモジュール２の間を接にする。
ング素子４の出力で切り換え、スイッチング素子４を発
振回路７の出力で制御し、発振回路７の出力が高レベル
のときはスイッチング素子４をオンにし、スイッチ回路
３は電源１とサーモモジュール２の間を断にし、スイッ
チング素子４がオフのときはスイッチ回路３が電源１と
サーモモジュール２の間を接にする。
【００１６】また、この発明によれば、スイッチ回路３
２をスイッチング素子４の出力で切り換え、スイッチン
グ素子４を発振回路６２の出力で制御し、発振回路６２
の出力が高レベルのときはスイッチング素子４をオンに
し、発振回路６２の出力が低レベルのときはスイッチン
グ素子４をオフにする。スイッチング素子４がオンのと
きはスイッチ回路３２が電源１とサーモモジュール２の
間を接にし、スイッチング素子４がオフのときはスイッ
チ回路３が電源１とサーモモジュール２の間を断にす
る。
２をスイッチング素子４の出力で切り換え、スイッチン
グ素子４を発振回路６２の出力で制御し、発振回路６２
の出力が高レベルのときはスイッチング素子４をオンに
し、発振回路６２の出力が低レベルのときはスイッチン
グ素子４をオフにする。スイッチング素子４がオンのと
きはスイッチ回路３２が電源１とサーモモジュール２の
間を接にし、スイッチング素子４がオフのときはスイッ
チ回路３が電源１とサーモモジュール２の間を断にす
る。
【００１７】
【実施例】次に、この発明によるサーモモジュール保護
回路の実施例を詳細に説明する。なお、以下この発明の
実施例として説明するサーモモジュール保護回路は、図
１０を用いて説明したサーモモジュールの温度制御装置
における電源端子１Ａ・１Ｂ、サーモモジュール端子２
Ａ・２Ｂ間に接続される。
回路の実施例を詳細に説明する。なお、以下この発明の
実施例として説明するサーモモジュール保護回路は、図
１０を用いて説明したサーモモジュールの温度制御装置
における電源端子１Ａ・１Ｂ、サーモモジュール端子２
Ａ・２Ｂ間に接続される。
【００１８】図１はこの発明によるサーモモジュール保
護回路の第１の実施例を示す回路図である。図１の３は
スイッチ回路、４はスイッチング素子、５と６は抵抗、
７は発振回路である。スイッチ回路３は電源１とサーモ
モジュール２の間に接続され、スイッチ回路３にはスイ
チッング素子４と抵抗５が接続される。スイッチング素
子４の入力と発振回路７の出力の間には抵抗６が接続さ
れる。スイッチ回路３はサーモモジュール２を電源１か
抵抗５に切り換えて接続し、発振回路７の出力が高レベ
ルのときにスイッチング素子４はオンになる。スイッチ
ング素子４がオンになると、スイッチ回路３はサーモモ
ジュール２を抵抗５に接続し、電源１とサーモモジュー
ル２の接続を断にする。
護回路の第１の実施例を示す回路図である。図１の３は
スイッチ回路、４はスイッチング素子、５と６は抵抗、
７は発振回路である。スイッチ回路３は電源１とサーモ
モジュール２の間に接続され、スイッチ回路３にはスイ
チッング素子４と抵抗５が接続される。スイッチング素
子４の入力と発振回路７の出力の間には抵抗６が接続さ
れる。スイッチ回路３はサーモモジュール２を電源１か
抵抗５に切り換えて接続し、発振回路７の出力が高レベ
ルのときにスイッチング素子４はオンになる。スイッチ
ング素子４がオンになると、スイッチ回路３はサーモモ
ジュール２を抵抗５に接続し、電源１とサーモモジュー
ル２の接続を断にする。
【００１９】スイッチング素子４がオンになると、抵抗
５の一端にサーモモジュール２が接続され、サーモモジ
ュール２の熱起電力は抵抗５からスイッチング素子４の
入力へ加えられる。発振回路７の出力が低レベルのとき
は、サーモモジュール２の熱起電力が抵抗５と抵抗６で
分圧され、スイッチング素子４の入力へ加えられる。加
えられた電圧がスイッチング素子４をオンするのに足り
ない場合は、スイッチング素子４はオフになり、スイッ
チ回路３はサーモモジュール２と電源１を接続する。加
えられた電圧がスイッチング素子４をオンするのに十分
なときは、スイッチング素子はオン状態を続け、サーモ
モジュール２と電源２の間は接続されない。
５の一端にサーモモジュール２が接続され、サーモモジ
ュール２の熱起電力は抵抗５からスイッチング素子４の
入力へ加えられる。発振回路７の出力が低レベルのとき
は、サーモモジュール２の熱起電力が抵抗５と抵抗６で
分圧され、スイッチング素子４の入力へ加えられる。加
えられた電圧がスイッチング素子４をオンするのに足り
ない場合は、スイッチング素子４はオフになり、スイッ
チ回路３はサーモモジュール２と電源１を接続する。加
えられた電圧がスイッチング素子４をオンするのに十分
なときは、スイッチング素子はオン状態を続け、サーモ
モジュール２と電源２の間は接続されない。
【００２０】次に、図１の波形図を図２により説明す
る。図２は図１に示された信号１０〜４０の波形図であ
る。発振回路７は、シュミット・トリガインバータ７Ｂ
による弛張発振回路であり、発振周期は抵抗７Ｃ・７Ｄ
とコンデンサ７Ａで設定される。ダイオード７Ｅは発振
出力の動作波形１０において、高レベルの時間を低レベ
ルに比べて十分短くする目的で使われる。
る。図２は図１に示された信号１０〜４０の波形図であ
る。発振回路７は、シュミット・トリガインバータ７Ｂ
による弛張発振回路であり、発振周期は抵抗７Ｃ・７Ｄ
とコンデンサ７Ａで設定される。ダイオード７Ｅは発振
出力の動作波形１０において、高レベルの時間を低レベ
ルに比べて十分短くする目的で使われる。
【００２１】第１の実施例では、たとえば抵抗７Ｃを68
ｋΩ、抵抗７Ｄを470 Ω、コンデンサ７を10μＦとし、
これによる発振周期は約 0.3ｓ、デューティ比は約１％
である。スイッチ回路３は、ｎチャネル電界効果トラン
ジスタ３Ａとｐｎｐトランジスタ３Ｂおよび抵抗３Ｃ・
３Ｄで構成され、電界効果トランジスタはオン抵抗が小
さく、ｐｎｐトランジスタはコレクタ・エミッタ間の飽
和電圧が小さいスイッチング用途のものを使用する。
ｋΩ、抵抗７Ｄを470 Ω、コンデンサ７を10μＦとし、
これによる発振周期は約 0.3ｓ、デューティ比は約１％
である。スイッチ回路３は、ｎチャネル電界効果トラン
ジスタ３Ａとｐｎｐトランジスタ３Ｂおよび抵抗３Ｃ・
３Ｄで構成され、電界効果トランジスタはオン抵抗が小
さく、ｐｎｐトランジスタはコレクタ・エミッタ間の飽
和電圧が小さいスイッチング用途のものを使用する。
【００２２】抵抗３Ｄの抵抗値は抵抗３Ｃの抵抗値より
大きくするのが望ましい。第１の実施例では抵抗３Ｃが
１ｋΩ、抵抗３Ｄが10ｋΩである。なお、スイッチ回路
３の代わりに制御入力をもつソリッドステートリレーを
用いることができる。スイッチング素子４は、実施例で
はｎｐｎトランジスタであるが、この代わりとしてＬＥ
Ｄとホト・トランジスタから構成されるホト・カップラ
等を用いることもできる。
大きくするのが望ましい。第１の実施例では抵抗３Ｃが
１ｋΩ、抵抗３Ｄが10ｋΩである。なお、スイッチ回路
３の代わりに制御入力をもつソリッドステートリレーを
用いることができる。スイッチング素子４は、実施例で
はｎｐｎトランジスタであるが、この代わりとしてＬＥ
Ｄとホト・トランジスタから構成されるホト・カップラ
等を用いることもできる。
【００２３】図２の波形４０は、スイッチング素子４が
オンのときに、スイッチ回路３により取り出されるサー
モモジュール２の熱起電圧波形であり、波形３０の最低
電圧波形に等しい。サーモモジュール２の熱起電圧波形
４０は抵抗５からスイッチング素子４の入力に加えら
れ、発振回路７の出力が低レベルに変化するときは、抵
抗５・６により分圧されるが、分圧された電圧がスイッ
チング素子４をオンにするのに十分なレベルなら、スイ
ッチング素子４のオン状態が続く。
オンのときに、スイッチ回路３により取り出されるサー
モモジュール２の熱起電圧波形であり、波形３０の最低
電圧波形に等しい。サーモモジュール２の熱起電圧波形
４０は抵抗５からスイッチング素子４の入力に加えら
れ、発振回路７の出力が低レベルに変化するときは、抵
抗５・６により分圧されるが、分圧された電圧がスイッ
チング素子４をオンにするのに十分なレベルなら、スイ
ッチング素子４のオン状態が続く。
【００２４】抵抗５・６は、サーモモジュール２の発生
温度の上限を制御するものであり、次の式(3) により決
定される。
温度の上限を制御するものであり、次の式(3) により決
定される。
【００２５】 ＶBE(sat) ≒（２Ｎ×αpn×△Ｔ−ＶCE(sat) −ＶOL）×Ｒｂ ÷（Ｒａ＋Ｒｂ）＋ＶOL……………(3) ここに、ＶBE(sat) はスイッチング素子４のオン入力電
圧、Ｎはサーモモジュール２のペルチェ素子の対数、α
pnは１素子当たりの熱起電力、△Ｔはサーモモジュール
２の両端での温度差、ＶCE(sat) はスイッチ回路３にお
けるトランジスタ３Ｂのオン状態のコレクタ・エミッタ
間飽和電圧、ＶOLは発振回路７の低レベル出力電圧、Ｒ
ａは抵抗５の抵抗値、Ｒｂは抵抗６の抵抗値である。
圧、Ｎはサーモモジュール２のペルチェ素子の対数、α
pnは１素子当たりの熱起電力、△Ｔはサーモモジュール
２の両端での温度差、ＶCE(sat) はスイッチ回路３にお
けるトランジスタ３Ｂのオン状態のコレクタ・エミッタ
間飽和電圧、ＶOLは発振回路７の低レベル出力電圧、Ｒ
ａは抵抗５の抵抗値、Ｒｂは抵抗６の抵抗値である。
【００２６】第１の実施例では、テルル化ビスマス（Ｂ
ｉ2 Ｔｅ3 ）のペルチェ素子を127対で構成したサーモ
モジュールを使用し、αpn＝ 0.2ｍＶ／℃である。次
に、△Ｔは75℃に、ＶBE(sat) ≒0.65Ｖ、ＶCE(sat) ＝
0.05Ｖ、ＶOL≒0.05Ｖとし、抵抗５は１ｋΩ、抵抗６は
5.1ｋΩである。
ｉ2 Ｔｅ3 ）のペルチェ素子を127対で構成したサーモ
モジュールを使用し、αpn＝ 0.2ｍＶ／℃である。次
に、△Ｔは75℃に、ＶBE(sat) ≒0.65Ｖ、ＶCE(sat) ＝
0.05Ｖ、ＶOL≒0.05Ｖとし、抵抗５は１ｋΩ、抵抗６は
5.1ｋΩである。
【００２７】図３はこの発明によるサーモモジュール保
護回路の第２の実施例の構成図であり、サーモモジュー
ル２を駆動する電源の出力極性が反転された場合に、逆
極性の電源が回路に加えられないようにしたものであ
る。図３のサーモモジュール２の発生温度の上限を決め
る抵抗５・６は次の式(4) で求められる。
護回路の第２の実施例の構成図であり、サーモモジュー
ル２を駆動する電源の出力極性が反転された場合に、逆
極性の電源が回路に加えられないようにしたものであ
る。図３のサーモモジュール２の発生温度の上限を決め
る抵抗５・６は次の式(4) で求められる。
【００２８】 ＶBE(sat) ≒（２Ｎ・αpn・△Ｔ−ＶF −ＶCE(sat) −ＶOL）・ Ｒｂ÷（Ｒａ＋Ｒｂ）＋ＶOL……………(4) ここに、ＶFはダイオード９の順方向電圧、ほかの記号
は式(3) と同じものである。
は式(3) と同じものである。
【００２９】図９は、図１０に図１の保護回路を併用し
た場合の温度レスポンス図である。図９の曲線アは図１
０のサーモモジュール２の電気絶縁板２Ｃに接する側の
温度を示し、曲線イは温度センサ１１Ａの温度を示す。
図９の曲線アは上部が飽和特性を示し、図１２の曲線ア
に示す斜線部分がない。このようにこの実施例を適用す
ればある一定以上に温度が上昇することが防げるため、
サーモモジュールの破壊を防止することが可能となる。
た場合の温度レスポンス図である。図９の曲線アは図１
０のサーモモジュール２の電気絶縁板２Ｃに接する側の
温度を示し、曲線イは温度センサ１１Ａの温度を示す。
図９の曲線アは上部が飽和特性を示し、図１２の曲線ア
に示す斜線部分がない。このようにこの実施例を適用す
ればある一定以上に温度が上昇することが防げるため、
サーモモジュールの破壊を防止することが可能となる。
【００３０】次に図４を用いて、この発明によるサーモ
モジュール保護回路の第３の実施例を説明する。この実
施例では図１の実施例と比較し、発振回路の構成が異な
っている。図４で、サーモモジュール２はスイッチ回路
３によりその接続先を電源１または抵抗５のいずれか一
方に切換えられる。スイッチ回路３はスイッチング素子
４が「オン」のときにサーモモジュールの接続先を抵抗
５に切換え、電源１との接続を切断する。
モジュール保護回路の第３の実施例を説明する。この実
施例では図１の実施例と比較し、発振回路の構成が異な
っている。図４で、サーモモジュール２はスイッチ回路
３によりその接続先を電源１または抵抗５のいずれか一
方に切換えられる。スイッチ回路３はスイッチング素子
４が「オン」のときにサーモモジュールの接続先を抵抗
５に切換え、電源１との接続を切断する。
【００３１】スイッチング素子４の入力は、発振回路６
１の出力と接続され、発振回路６１の出力が高レベルの
ときスイッチング素子４は「オン」になり、サーモモジ
ュールの熱起電力は抵抗５を介して発振回路６１の入力
へ接続される。発振回路６１の出力が高レベルのときは
トランジスタ６１Ｂが「オン」になり、トランジスタ６
１Ｂのコレクタと接続する抵抗６１Ｄの一端は低レベル
（０ボルト）に保たれる。
１の出力と接続され、発振回路６１の出力が高レベルの
ときスイッチング素子４は「オン」になり、サーモモジ
ュールの熱起電力は抵抗５を介して発振回路６１の入力
へ接続される。発振回路６１の出力が高レベルのときは
トランジスタ６１Ｂが「オン」になり、トランジスタ６
１Ｂのコレクタと接続する抵抗６１Ｄの一端は低レベル
（０ボルト）に保たれる。
【００３２】サーモモジュールの熱起電力は抵抗５と抵
抗６１Ｄにより分圧されて発振回路６１の入力に印加さ
れる。発振回路６１は、シュミットトリガ回路６１Ａと
トランジスタ６１Ｂおよび、抵抗６１Ｄ・６１Ｅ・６１
Ｆ、コンデンサ６１Ｃで構成され、入力電圧に対して出
力電圧はヒステリシス特性を有しており、入力に印加さ
れた電圧が、シュミットトリガ回路の低レベルしきい値
電圧より小さくなるときに出力電圧は高レベルから低レ
ベルに変化し、発振動作を継続する。
抗６１Ｄにより分圧されて発振回路６１の入力に印加さ
れる。発振回路６１は、シュミットトリガ回路６１Ａと
トランジスタ６１Ｂおよび、抵抗６１Ｄ・６１Ｅ・６１
Ｆ、コンデンサ６１Ｃで構成され、入力電圧に対して出
力電圧はヒステリシス特性を有しており、入力に印加さ
れた電圧が、シュミットトリガ回路の低レベルしきい値
電圧より小さくなるときに出力電圧は高レベルから低レ
ベルに変化し、発振動作を継続する。
【００３３】発振回路６１の入力に印加される電圧がシ
ュミットトリガ回路の低レベルしきい値電圧より大きい
場合は、出力電圧は高レベルに保たれ、スイッチ回路３
によりサーモモジュールは電源１から切り離された状態
を継続し、サーモモジュールの発熱温度は下がる。
ュミットトリガ回路の低レベルしきい値電圧より大きい
場合は、出力電圧は高レベルに保たれ、スイッチ回路３
によりサーモモジュールは電源１から切り離された状態
を継続し、サーモモジュールの発熱温度は下がる。
【００３４】図５は図４に示した第３の実施例の動作波
形図であり、図４の信号１０Ａ〜５０Ａの動作波形を図
５に対応させて示している。図５の動作波形に示すＶ1
・Ｖ2 は図４に示すシュミットトリガ６１Ａの低レベル
入力しきい値電圧、高レベル入力しきい値電圧と対応す
る。
形図であり、図４の信号１０Ａ〜５０Ａの動作波形を図
５に対応させて示している。図５の動作波形に示すＶ1
・Ｖ2 は図４に示すシュミットトリガ６１Ａの低レベル
入力しきい値電圧、高レベル入力しきい値電圧と対応す
る。
【００３５】図４の発振回路６１は、シュミットトリガ
回路６１Ａとトランジスタ６１Ｂによる弛張発振回路
で、発振周期は、抵抗６１Ｄ・６１Ｅとコンデンサ６１
Ｃで設定される。サーモモジュール２の熱起電力測定時
間は、サーモモジュール２を駆動する時間よりも十分短
くするのが望ましく、抵抗６１Ｄ・６１Ｅは、６１Ｅ＞
６１Ｄの関係に設定し、発振出力波形２０のデューティ
比は６１Ｄ÷（６１Ｄ＋６１Ｅ）である。
回路６１Ａとトランジスタ６１Ｂによる弛張発振回路
で、発振周期は、抵抗６１Ｄ・６１Ｅとコンデンサ６１
Ｃで設定される。サーモモジュール２の熱起電力測定時
間は、サーモモジュール２を駆動する時間よりも十分短
くするのが望ましく、抵抗６１Ｄ・６１Ｅは、６１Ｅ＞
６１Ｄの関係に設定し、発振出力波形２０のデューティ
比は６１Ｄ÷（６１Ｄ＋６１Ｅ）である。
【００３６】この実施例では、抵抗６１Ｄを１（ｋ
Ω）、抵抗６１Ｅを６８（ｋΩ）、コンデンサ６１Ｃを
１０（μＦ）とし、発振出力のデューティ比が１．５
（％）以下、発振周期は発振回路６１の電源＋Ｖが３
（Ｖ）のとき約0.3 （ｓｅｃ）である。スイッチ回路３
を構成するｎチャネル電界効果トランジスタ３Ａとｐｎ
ｐトランジスタ３Ｂは「オン」抵抗が小さく、スイッチ
ング用途のものが望ましい。
Ω）、抵抗６１Ｅを６８（ｋΩ）、コンデンサ６１Ｃを
１０（μＦ）とし、発振出力のデューティ比が１．５
（％）以下、発振周期は発振回路６１の電源＋Ｖが３
（Ｖ）のとき約0.3 （ｓｅｃ）である。スイッチ回路３
を構成するｎチャネル電界効果トランジスタ３Ａとｐｎ
ｐトランジスタ３Ｂは「オン」抵抗が小さく、スイッチ
ング用途のものが望ましい。
【００３７】なお、第３の実施例のスイッチ回路３の代
わりとして、制御入力を有する半導体スイッチを、ま
た、スイッチング素子４の代わりに発光素子と受光素子
から構成されるホト・カップラ等を用いることもでき
る。
わりとして、制御入力を有する半導体スイッチを、ま
た、スイッチング素子４の代わりに発光素子と受光素子
から構成されるホト・カップラ等を用いることもでき
る。
【００３８】次に、図５の動作波形４０Ａの最低電圧波
形は、サーモモジュール２の熱起電圧と同じであり、発
振回路６１の出力波形２０Ａが高レベルのときにスイッ
チ回路３により抽出され、抵抗５の一端に印加される電
圧に等しい。サーモモジュール内の熱起電圧Ｅは次の式
(5) で決定される。
形は、サーモモジュール２の熱起電圧と同じであり、発
振回路６１の出力波形２０Ａが高レベルのときにスイッ
チ回路３により抽出され、抵抗５の一端に印加される電
圧に等しい。サーモモジュール内の熱起電圧Ｅは次の式
(5) で決定される。
【００３９】 Ｅ＝２Ｎ×αｐｎ×△Ｔ …………(5) ここに、Ｎはサーモモジュール２のペルチェ素子の対
数、αｐｎは１素子当たりの熱起電力、△Ｔはサーモモ
ジュール２の両端での温度差である。サーモモジュール
２の発生温度△Ｔの上限は抵抗５で制限でき、次の式
(6) により決定される。
数、αｐｎは１素子当たりの熱起電力、△Ｔはサーモモ
ジュール２の両端での温度差である。サーモモジュール
２の発生温度△Ｔの上限は抵抗５で制限でき、次の式
(6) により決定される。
【００４０】 Ｖ1 ＝（Ｅ−ＶCE(sat) −ＶOL）・Ｒｂ÷（Ｒａ＋Ｒｂ）＋ＶOL………(6) ここに、Ｖ1 はシュミットトリガ６１Ａの低レベル入力
しきい値電圧、ＶCE(sat) はスイッチ回路３におけるト
ランジスタ３Ｂのオン状態のコレクタ・エミッタ間飽和
電圧、ＶOLはトランジスタ６１Ｂのオン状態のコレクタ
・エミッタ間飽和電圧、Ｒａは抵抗５の抵抗値、Ｒｂは
抵抗６１Ｄの抵抗値である。
しきい値電圧、ＶCE(sat) はスイッチ回路３におけるト
ランジスタ３Ｂのオン状態のコレクタ・エミッタ間飽和
電圧、ＶOLはトランジスタ６１Ｂのオン状態のコレクタ
・エミッタ間飽和電圧、Ｒａは抵抗５の抵抗値、Ｒｂは
抵抗６１Ｄの抵抗値である。
【００４１】この実施例では、テルル化ビスマス（Ｂｉ
２Ｔｅ３）のペルチェ素子を１２７対で構成したサーモ
モジュールを使用し、αｐｎ＝0.2 ｍＶ／℃である。ま
た、シュミットトリガ６１Ａの低レベル入力しきい値電
圧Ｖ１＝1.1 Ｖに△Ｔは75℃に、ＶCE(sat) ＝0.05Ｖ、
ＶOL＝0.05Ｖとし、抵抗５は2.5 ｋΩである。
２Ｔｅ３）のペルチェ素子を１２７対で構成したサーモ
モジュールを使用し、αｐｎ＝0.2 ｍＶ／℃である。ま
た、シュミットトリガ６１Ａの低レベル入力しきい値電
圧Ｖ１＝1.1 Ｖに△Ｔは75℃に、ＶCE(sat) ＝0.05Ｖ、
ＶOL＝0.05Ｖとし、抵抗５は2.5 ｋΩである。
【００４２】次に、図６を用いてこの発明によるサーモ
モジュール保護回路の第４の実施例を説明する。図６
で、サーモモジュール２はスイッチング素子４が「オ
ン」のときに電源１側に、「オフ」のときに抵抗５側に
スイッチ回路３２により切換えられる。スイッチング素
子４の入力は、発振回路６２の出力と接続され、発振回
路６２の出力が高レベルのときに「オン」になり、低レ
ベルのときに「オフ」になる。
モジュール保護回路の第４の実施例を説明する。図６
で、サーモモジュール２はスイッチング素子４が「オ
ン」のときに電源１側に、「オフ」のときに抵抗５側に
スイッチ回路３２により切換えられる。スイッチング素
子４の入力は、発振回路６２の出力と接続され、発振回
路６２の出力が高レベルのときに「オン」になり、低レ
ベルのときに「オフ」になる。
【００４３】サーモモジュールの熱起電力は抵抗５と抵
抗６２Ｄにより分圧されて発振回路６２の入力部を構成
するシュミットトリガインバータ６２Ａの入力に印加さ
れ、印加された電圧がシュミットトリガインバータ６２
Ａの低レベルしきい値電圧より大きい場合は、発振回路
６２の出力電圧が低レベルに保たれ、スイッチング素子
４をオフにし、スイッチ回路３２によりサーモモジュー
ル２は電源１から切り離されてサーモモジュール２の発
熱が止まる。
抗６２Ｄにより分圧されて発振回路６２の入力部を構成
するシュミットトリガインバータ６２Ａの入力に印加さ
れ、印加された電圧がシュミットトリガインバータ６２
Ａの低レベルしきい値電圧より大きい場合は、発振回路
６２の出力電圧が低レベルに保たれ、スイッチング素子
４をオフにし、スイッチ回路３２によりサーモモジュー
ル２は電源１から切り離されてサーモモジュール２の発
熱が止まる。
【００４４】サーモモジュール２の発生温度△Ｔは前述
の式(6) で決定でき、式(6) のＶOLは図６の発振回路６
２のオープンコレクタバッファ６２Ｂの低レベル出力飽
和電圧、抵抗６２Ｄ・６２Ｅは図４の抵抗６１Ｄ・６１
Ｅと同じ値である。
の式(6) で決定でき、式(6) のＶOLは図６の発振回路６
２のオープンコレクタバッファ６２Ｂの低レベル出力飽
和電圧、抵抗６２Ｄ・６２Ｅは図４の抵抗６１Ｄ・６１
Ｅと同じ値である。
【００４５】次に、図７はこの発明によるサーモモジュ
ール保護回路の第５の実施例であり、第４の実施例とは
発振回路の構成が異なっている。すなわち、サーモモジ
ュール２の熱起電力は抵抗５と抵抗６３Ｄ、ダイオード
６３Ｅの順方向電圧降下により分圧されて発振回路６３
の入力部を構成するシュミットトリガインバータ６３Ａ
の入力に印加され、図６に於ける場合と同様な作用を行
う。
ール保護回路の第５の実施例であり、第４の実施例とは
発振回路の構成が異なっている。すなわち、サーモモジ
ュール２の熱起電力は抵抗５と抵抗６３Ｄ、ダイオード
６３Ｅの順方向電圧降下により分圧されて発振回路６３
の入力部を構成するシュミットトリガインバータ６３Ａ
の入力に印加され、図６に於ける場合と同様な作用を行
う。
【００４６】この実施例において、サーモモジュール２
の発生温度△Ｔは次の式(7) により決定される。 Ｖ1 ＝（Ｅ−ＶCE(sat) −ＶOL−ＶF ）・Ｒｂ÷（Ｒａ＋Ｒｂ）＋ＶOL＋ＶF …………(7) ここに、Ｖ1 は図７におけるシュミットトリガインバー
タ６３Ａの低レベル入力しきい値電圧、ＶOLはシュミッ
トトリガインバータ６３Ａの低レベル出力電圧、ＶF は
ダイオード６３Ｅの順方向電圧、ＶCE(sat) はスイッチ
回路３２のトランジスタ３２Ｂにおけるオン状態のコレ
クタ・エミッタ飽和電圧、Ｒａは抵抗５の抵抗値、Ｒｂ
は抵抗６３Ｄの抵抗値である。
の発生温度△Ｔは次の式(7) により決定される。 Ｖ1 ＝（Ｅ−ＶCE(sat) −ＶOL−ＶF ）・Ｒｂ÷（Ｒａ＋Ｒｂ）＋ＶOL＋ＶF …………(7) ここに、Ｖ1 は図７におけるシュミットトリガインバー
タ６３Ａの低レベル入力しきい値電圧、ＶOLはシュミッ
トトリガインバータ６３Ａの低レベル出力電圧、ＶF は
ダイオード６３Ｅの順方向電圧、ＶCE(sat) はスイッチ
回路３２のトランジスタ３２Ｂにおけるオン状態のコレ
クタ・エミッタ飽和電圧、Ｒａは抵抗５の抵抗値、Ｒｂ
は抵抗６３Ｄの抵抗値である。
【００４７】図８は、この発明によるサーモモジュール
保護回路の第６の実施例であり、図４の実施例の変形で
ある。この実施例は、サーモモジュール２を駆動する電
源の出力極性が反転された場合に、逆極性の電源が回路
に加えられないようにしたものである。図８のサーモモ
ジュール２の発生温度△Ｔを制限する抵抗５は次の式
(8) で求められる。
保護回路の第６の実施例であり、図４の実施例の変形で
ある。この実施例は、サーモモジュール２を駆動する電
源の出力極性が反転された場合に、逆極性の電源が回路
に加えられないようにしたものである。図８のサーモモ
ジュール２の発生温度△Ｔを制限する抵抗５は次の式
(8) で求められる。
【００４８】 Ｖ1 ＝（Ｅ−ＶF −ＶCE(sat) −ＶOL）・Ｒｂ÷（Ｒａ＋Ｒｂ）＋ＶOL …………(8) ここに、ＶF はダイオード８の順方向電圧、他の記号は
式（６）と同じものである。
式（６）と同じものである。
【００４９】図１０に図４の保護回路を併用した場合の
温度レスポンス図は、図９と同様である。
温度レスポンス図は、図９と同様である。
【００５０】
【発明の効果】このように本発明のサーモモジュール保
護回路によれば、サーモモジュールと電源との間に接続
され、サーモモジュールを電源に接続あるいは第１の抵
抗の一端に接続するスイッチ回路と、発振出力が第２の
抵抗の一端に接続された発振回路と、前記第１の抵抗の
他端と第２の抵抗の他端とが入力に共通接続され、前記
スイッチ回路を駆動するスイッチング素子とからなり、
発振出力に基づくスイッチング素子の動作によってスイ
ッチ回路がサーモモジュールと電源とを断状態としてサ
ーモモジュールを第１の抵抗の一端に接続すると、サー
モモジュールの熱起電力が第１の抵抗を介してスイッチ
ング素子の入力に供給され、前記熱起電力に応じてサー
モモジュールと電源との断状態を継続するので、サーモ
モジュールが温度により破壊するのを防ぐことができ
る。
護回路によれば、サーモモジュールと電源との間に接続
され、サーモモジュールを電源に接続あるいは第１の抵
抗の一端に接続するスイッチ回路と、発振出力が第２の
抵抗の一端に接続された発振回路と、前記第１の抵抗の
他端と第２の抵抗の他端とが入力に共通接続され、前記
スイッチ回路を駆動するスイッチング素子とからなり、
発振出力に基づくスイッチング素子の動作によってスイ
ッチ回路がサーモモジュールと電源とを断状態としてサ
ーモモジュールを第１の抵抗の一端に接続すると、サー
モモジュールの熱起電力が第１の抵抗を介してスイッチ
ング素子の入力に供給され、前記熱起電力に応じてサー
モモジュールと電源との断状態を継続するので、サーモ
モジュールが温度により破壊するのを防ぐことができ
る。
【図１】この発明によるサーモモジュール保護回路の実
施例の構成図である。
施例の構成図である。
【図２】図１に示された実施例における信号１０〜４０
の波形図である。
の波形図である。
【図３】この発明によるサーモモジュール保護回路の他
の実施例の構成図である。
の実施例の構成図である。
【図４】この発明によるサーモモジュール保護回路の第
３の実施例の構成図である。
３の実施例の構成図である。
【図５】図４の信号１０Ａ〜５０Ａの波形図である。
【図６】この発明によるサーモモジュール保護回路の第
４の実施例の構成図である。
４の実施例の構成図である。
【図７】この発明によるサーモモジュール保護回路の第
５の実施例の構成図である。
５の実施例の構成図である。
【図８】この発明によるサーモモジュール保護回路の第
６の実施例の構成図である。
６の実施例の構成図である。
【図９】図１０に図１の温度制御回路を併用した場合の
温度レスポンス図である。
温度レスポンス図である。
【図１０】従来技術における温度制御装置の構成図であ
る。
る。
【図１１】図１０の温度制御状態における熱エネルギー
の伝達状態図である。
の伝達状態図である。
【図１２】図１０の温度制御装置の温度レスポンス図で
ある。
ある。
１ 電源 ２ サーモモジュール ３・３２ スイッチ回路 ４ スイッチング素子 ５・６ 抵抗 ７・６１・６２・６３ 発振回路 ８・９ ダイオード
Claims (2)
- 【請求項１】 サーモモジュールと電源との間に接続さ
れ、サーモモジュールを電源に接続あるいは第１の抵抗
の一端に接続するスイッチ回路と、 発振出力が第２の抵抗の一端に接続された発振回路と、 前記第１の抵抗の他端と第２の抵抗の他端とが入力に共
通接続され、前記スイッチ回路を駆動するスイッチング
素子とからなり、 発振出力に基づくスイッチング素子の動作によってスイ
ッチ回路がサーモモジュールと電源とを断状態としてサ
ーモモジュールを第１の抵抗の一端に接続すると、サー
モモジュールの熱起電力が第１の抵抗を介してスイッチ
ング素子の入力に供給され、前記熱起電力に応じてサー
モモジュールと電源との断状態を継続する ことを特徴と
するサーモモジュール保護回路。 - 【請求項２】 電源の一端とサーモモジュールとの間に
ダイオードを接続すると共に、スイッチング素子と発振
回路との共通アースと電源の他端との間にもダイオード
を接続することにより、電源の出力極性が反転した場合
に逆極性電圧が印加されることを防止することを特徴と
する請求項１記載のサーモモジュール保護回路。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP12056893A JP3293236B2 (ja) | 1992-04-24 | 1993-04-23 | サーモモジュール保護回路 |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP13166792 | 1992-04-24 | ||
| JP4-131667 | 1992-04-24 | ||
| JP12056893A JP3293236B2 (ja) | 1992-04-24 | 1993-04-23 | サーモモジュール保護回路 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0612134A JPH0612134A (ja) | 1994-01-21 |
| JP3293236B2 true JP3293236B2 (ja) | 2002-06-17 |
Family
ID=26458126
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP12056893A Expired - Fee Related JP3293236B2 (ja) | 1992-04-24 | 1993-04-23 | サーモモジュール保護回路 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3293236B2 (ja) |
-
1993
- 1993-04-23 JP JP12056893A patent/JP3293236B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0612134A (ja) | 1994-01-21 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
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|
| S111 | Request for change of ownership or part of ownership |
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