基于热电制冷器的宽电源功耗限制型恒温控制器.pdf

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摘要
申请专利号:

CN201010270102.7

申请日:

2010.09.02

公开号:

CN101950186A

公开日:

2011.01.19

当前法律状态:

终止

有效性:

无权

法律详情:

未缴年费专利权终止IPC(主分类):G05D 23/20申请日:20100902授权公告日:20121003终止日期:20130902|||授权|||实质审查的生效IPC(主分类):G05D 23/20申请日:20100902|||公开

IPC分类号:

G05D23/20; H01S5/024

主分类号:

G05D23/20

申请人:

吉林大学

发明人:

汝玉星; 田小建; 单江东; 高博; 吴戈

地址:

130012 吉林省长春市高新技术开发区前进大街2699号

优先权:

专利代理机构:

长春吉大专利代理有限责任公司 22201

代理人:

王恩远

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内容摘要

本发明的基于热电制冷器的宽电源功耗限制型恒温控制器属于电子技术的技术领域。结构有温度设置电路(2)和温度取样电路(4)通过选择开关连接显示驱动电路(3);温度设置电路和温度取样电路通过减法器相减后,输出信号送到PI控制电路(5),PI控制电路的输出信号送到限流电路(6)进行限流,限流后的信号送到功率控制电路(7),功率控制电路产生的控制信号送到功率输出电路(8),由功率输出电路输出功率用于驱动热电制冷器(TEC)。本发明双重负反馈结构使控温精确度在±0.1℃,稳定度在±0.002℃;功率输出电路采用多管扩流技术是最大输出功率高达150W;限流电路能有效保护仪器的稳定工作。

权利要求书

1: 一种基于热电制冷器的宽电源功耗限制型恒温控制器, 结构包括前面板 (1)、 温度 设置电路 (2)、 温度取样电路 (4) 和热电制冷器 (TEC) ; 温度设置电路 (2) 和温度取样电路 (4) 通过选择开关连接显示驱动电路 (3), 由显示驱动电路 (3) 显示设置温度值或实际温度 值; 其特征在于, 结构还有 PI 控制电路 (5)、 限流电路 (6)、 功率控制电路 (7) 和功率输出电 路 (8) ; 温度设置电路 (2) 和温度取样电路 (4) 通过减法器相减后, 输出信号送到 PI 控制 电路 (5), PI 控制电路 (5) 的输出信号送到限流电路 (6) 进行限流, 限流后的信号送到功率 控制电路 (7), 功率控制电路 (7) 产生的控制信号送到功率输出电路 (8), 由功率输出电路 (8) 输出功率用于驱动热电制冷器 (TEC) ; 所述的温度设置电路 (2)、 显示驱动电路 (3)、 温度取样电路 (4)、 PI 控制电路 (5)、 限 流电路 (6)、 功率控制电路 (7) 和功率输出电路 (8), 均采用双电源供电, 供电电压范围为 ±5V ~ ±16V, 各电路中的正电源 VCC 和负电源 VEE 的大小相同, 符号相反 ; 各电路中所有 集成运放均采用 LM358 型号, 所有集成运放的 8 脚均接正电源 VCC, 并经过 0.33u 的电容接 地, 所有集成运放的 4 脚均接负电源 VEE, 并经过 0.33u 的电容接地 ; 所述的 PI 控制电路 (5) 是 : 集成运放 U3B 的 5 脚经电阻 R12 接地, 并经电阻 R11 接温 度取样电路 (4) 中的端口 “Real_T” , 6 脚经电阻 R10 接温度设置电路 (2) 中的端口 “Set_ T” , 6 脚经电阻 R13 接 7 脚, 7 脚接端口 “K_Full” ; 端口 “K_Full” 是前面板 (1) 中 “增益调 节” 电位器的满电阻端, “增益调节” 电位器的零电阻端接地, 可变电阻端 “K_ADJ” 接集成运 放 U4B 的 5 脚 ; 集成运放 U4B 的 6 脚接 7 脚, 并经电阻 R15 接集成运放 U5B 的 6 脚 ; 集成运 放 U5B 的 5 脚接地, 6 脚经电阻 R16 接 7 脚, 7 脚经电阻 R17 接端口 “V_Sum” ; 集成运放 U3B 的 7 脚经电阻 R14 接集成运放 U4A 的 2 脚 ; 集成运放 U4A 的 3 脚接地, 2 脚经电容 C8 接 1 脚, 1 脚经电阻 R18 接端口 “V_Sum” ; 端口 “V_Sum” 作为限流电路 (6) 的输入 ; 所述的限流电路 (6) 是 : 集成运放 U5A 的 3 脚接地, 2 脚接 PI 控制电路 (5) 的输出信 号 “V_Sum” , 并经电阻 R19 接 1 脚, 2 脚接稳压二极管 D3 的阳极 ; 稳压二极管 D3 的阴极接稳 压二极管 D4 的阴极, 稳压二极管 D4 的阳极接集成运放 U5A 的 1 脚 ; 集成运放 U5A 的 1 脚经 电阻 R20 接端口 “C_Full” ; 端口 “C_Full” 是前面板 (1) 中 “限流预置” 电位器的满电阻端, “限流预置” 电位器的零电阻端接地, 可变电阻端接端口 “C_Limit” , 作为功率控制电路 (7) 的输入信号 ; 所述的功率控制电路 (7) 是 : 集成运放 U6A 的 3 脚经电阻 R21 接端口 “C_Limit” , 端口 “C_Limit” 接前面板 (1) 中 “限流预置” 电位器的可变电阻端, 集成运放 U6A 的 2 脚经电容 C15 接 1 脚, 1 脚接端口 “H_Left” , 并且经电容 C16 接地, 1 脚经电阻 R23 接集成运放 U6B 的 6脚; 集成运放 U6B 的 5 脚接地, 6 脚经电阻 R22 接 7 脚, 7 脚接端口 “H_Right” , 并经电容 C17 接地 ; 集成运放 U7A 的 2 脚经电阻 R28 接地, 2 脚经电阻 R27 接功率输出电路 (8) 的信 号 “Rs-” , 集成运放 U7A 的 3 脚经电阻 R26 接功率输出电路 (8) 的信号 “Rs+” , 3 脚经电阻 R25 接 1 脚, 1 脚经电阻 R24 接集成运放 U6A 的 2 脚 ; 所述的功率输出电路 (8) 是 : 达林顿管 Q1、 达林顿管 Q2、 达林顿管 Q3、 达林顿管 Q4 均采 用 TIP132 型号, 达林顿管 Q5、 达林顿管 Q6、 达林顿管 Q7、 达林顿管 Q8 均采用 TIP137 型号 ; 达林顿管 Q1 的 2 脚接正电源 VCC, 1 脚接达林顿管 Q5 的 1 脚, 并且经电阻 R30 接功率控制 电路 (7) 的控制信号 “H_Left” ; 达林顿管 Q2 的 2 脚接正电源 VCC, 1 脚接达林顿管 Q6 的 1 脚, 并且经电阻 R29 接功率控制电路 (7) 的控制信号 “H_Left” ; 达林顿管 Q1 的 3 脚接达林 2 顿管 Q2 的 3 脚、 接达林顿管 Q5 的 3 脚、 接达林顿管 Q6 的 3 脚、 接端口 “Rs+” 、 经电阻 Rs 接 端口 “TEC” 的1脚; 端口 “TEC” 的 1 脚接端口 “Rs-” ; 端口 “TEC” 是前面板 (1) 中的 “TEC 输出” 接口 ; 达林顿管 Q4 的 2 脚接正电源 VCC, 1 脚接达林顿管 Q8 的 1 脚, 并且经电阻 R32 接功率控制电路 (7) 的控制信号 “H_Right” ; 达林顿管 Q3 的 2 脚接正电源 VCC, 1 脚接达林 顿管 Q7 的 1 脚, 并且经电阻 R31 接功率控制电路 (7) 的控制信号 “H_Right” ; 达林顿管 Q4 的 3 脚接达林顿管 Q3 的 3 脚、 接达林顿管 Q8 的 3 脚、 接达林顿管 Q7 的 3 脚、 接端口 “TEC” 的2脚; 达林顿管 Q5 的 2 脚、 达林顿管 Q6 的 2 脚、 达林顿管 Q7 的 2 脚和达林顿管 Q8 的 2 脚接负电源 VEE。
2: 按照权利要求 1 所述的基于热电制冷器的宽电源功耗限制型恒温控制器, 其特征在 于, 所述的温度设置电路 (2) 是 : 基准电源 D1 采用 LM336 型号 2.5V 电源, 基准电源 D1 的 3 脚接地, 2 脚通过电阻 R1 接正电源 VCC, 基准电源 D1 的 2 脚接端口 “T_Ref” , 端口 “T_Ref” 是前面板 (1) 中 “温度预置” 电位器的满电阻端 ; 集成运放 U1B 的 5 脚接端口 “T_Set” , 端口 “T_Set” 是前面板 (1) 中 “温度预置” 电位器的可变电阻端, 集成运放 U1B 的 6 脚经过电阻 R2 接地, 经电阻 R3 接集成运放 U1B 的 7 脚, 集成运放 U1B 的 7 脚接集成运放 U1A 的 3 脚 ; 集 成运放 U1A 的 2 脚接 1 脚、 接端口 “Set_T” ; 端口 “Set_T” 是显示驱动电路 (3) 中 ARP-2216 型号的双刀双掷开关 S1 的 1 引脚。
3: 按照权利要求 1 所述的基于热电制冷器的宽电源功耗限制型恒温控制器, 其特征在 于, 所述的显示驱动电路 (3) 是 : 电阻 R4 的一端接正电源 VCC, 另一端接端口 “LED+” , 并经 电阻 R5 接地 ; 端口 “LED+” 接前面板 (1) 中 “设置温度” 和 “实际温度” 两个 LED 指示灯的 阳极, 电位器 P1 的满电阻端接地, 并接端口 “Display” 的 1 脚, 端口 “Display” 的 1 脚是前 面板 (1) 中数字表头的信号地端, 电位器 P1 的可变电阻端接端口 “Display” 的 2 脚, 端口 “Display” 的 2 脚是前面板 (1) 中数字表头的信号输入端, 电位器 P1 的零电阻端经电阻 R6 接集成运放 U2A 的 1 脚和 2 脚, 集成运放 U2A 的 3 脚接双刀双掷开关 S1 的 2 脚, 双刀双掷 开关 S1 是前面板 (1) 中的 “显示选择” 开关 ; 双刀双掷开关 S1 的 1 脚接温度设置电路 (2) 中的端口 “Set_T” , 3 脚接温度取样电路 (4) 中的端口 “Real_T” , 4 脚接地, 5 脚接前面板 (1) 中 “设置温度” LED 的阴极, 6 脚接前面板 (1) 中 “实际温度” LED 的阴极。
4: 按照权利要求 1 所述的基于热电制冷器的宽电源功耗限制型恒温控制器, 其特征在 于, 所述的温度取样电路 (4) 是 : 基准电源 D2 采用 LM336 型号 2.5V 电源, 基准电源 D2 的 3 脚接集成运放 U2B 的 5 脚, 并经电阻 R8 接地, 2 脚接正电源 VCC, 并经电阻 R7 接集成运放 U2B 的6脚; 集成运放 U2B 的 6 脚接三极管 M1 的发射极, 经电容 C5 接集成运放 U2B 的 7 脚 ; 集 成运放 U2B 的 7 脚经电阻 R9 接三极管 M1 的基极, 三极管 M1 的集电极接集成运放 U3A 的 3 脚, 并且接端口 “NTC” , 端口 “NTC” 是前面板 (1) 中 “NTC 输入” 接口的 1 脚, 前面板 (1) 中 “NTC 输入” 接口的 2 脚接地 ; 集成运放 U3A 的 2 脚接集成运放 U3A 的输出端, 接端口 “Real_ T” , 端口 “Real_T” 是显示驱动电路 (3) 中双刀双掷开关 S1 的 3 脚。

说明书


基于热电制冷器的宽电源功耗限制型恒温控制器

    【技术领域】
     本发明属于电子技术的技术领域。特别涉及用于激光器制冷的恒温控制装置。背景技术 在光纤通信、 国防工业等领域中, 各类放大器、 调制器广泛使用半导体激光器作为 光源, 而半导体激光器是一种高功率密度、 高量子效应的器件, 由于存在着各种非辐射复合 损耗、 自由载流子吸收等损耗机制, 使其电光转换效率只能达到 20%~ 30%, 这意味着相 当部分注入的电功率将转化为热量, 引起激光器温度升高, 而温度的升高对激光器将产生 很多不利的影响, 主要有以下几个方面 :
     1、 温度对阈值电流的影响 :
     随着温度的升高将引起阈值电流的增大, 使输出功率下降。
     2、 温度对 V-I 关系的影响 :
     当注入电流相等时, 温度高的激光器对应的正向压降也大, 这会给半导体激光器 恒流源的设计带来困难。
     3、 温度对输出波长的影响 :
     由于有源层材料的禁带宽度随温度升高而变窄, 使激射波长向长波方向移动, 即 红移现象。红移量与器件的结构和有源区材料有关, 约为 0.2 ~ 0.3nm/℃。因此, 可以用适 当的温度控制来微调激光的峰值波长, 以满足对波长要求严格的一些应用。
     4、 温度对 P-I 曲线非线性的影响 :
     理想情况下, 半导体激光器的 P-I 应该是线性曲线, PN 结过热是产生非线性的原 因之一。除此之外, 来自于有源区中横 ( 侧 ) 模的不稳定性, 来自外部的反射光 ( 如从连接 器, 尾纤端等部位 ) 以及与光强有关的饱和等因素也能造成非线性。其中模式的不稳定性 是出现 P-I 曲线扭折的主要原因, 这种不稳定性除了与激光器本身的结构有关外, 还与温 度有很大关系。
     除此之外温度升高还会增加内部缺损, 严重地影响器件的寿命, 给应用带来很大 困难。如果不将所产生的热量移去, 将造成一种恶性循环, 使激光器很快失效。试验表明, 温度每增加 25℃, 器件的寿命将减少一半, 所以工作温度对于激光器十分重要, 必须给激光 器提供恒定而且能够精密调整的工作温度, 才能保证激光器具有最大的效率和最小的功率 波动以及最他的使用寿命。
     以前对大功率激光器往往采用冰水循环方式制冷, 通过调节热沉中循环管道内冰 水的流量来达到温控的目的。 这种控制方在操控性、 精确性以及稳定性等各方面都很落后。 本发明便是在这种背景下诞生的。本发明利用半导体热电制冷器 (TEC, Thermoelectric Cooler) 对激光器进行制冷和控温。 半导体制冷器是一种固体制冷方式, 与通常压缩机制冷 系统相比, 其优点是没有机械转动部分, 无需制冷剂, 无噪声、 无污染、 体积小, 可靠性高, 寿 命长, 易于恒温等。控制部分采用双重负反馈结构, 有效提高了控温精度和温度稳定性, 供 电电源采用宽电源可变直流输入的方式, 针对不同特性的被控系统和不同参数的 TEC, 选取
     不同的供电电源, 有效限制了控制器自身的内部功耗, 大大提高了电源效率。 本发明不但可 应用于对激光器进行控温, 还可应用于其它热系统的温度控制。
     目前国内外已有类似产品, 如:
     台湾致惠科技股份有限公司的 CDS 系列热电模组控制器, 该产品的特性包括 :
     1、 温控范围 -50 ~ +150℃, 精确度 ±0.3℃, 稳定度 ±0.01 ~ 0.05℃。
     2、 温度设定与读值解析度 0.01℃。
     3、 可单机操作或连接 PC 软体操作。
     4、 整合控制器与驱动器, 并拥有两组 T-type 热电偶。
     5、 可搭配客制化温控平台, 适用于电子元件测试、 光电检测、 材料研究、 生物科技 等。
     美 国 Wavelength Electronics Inc. 的 LFI3751 Temperature Control Instrument, 该产品的特性包括 :
     1、 24 小时温度稳定度 : 0.003℃。
     2、 最大 TEC 驱动电流输出 : ±5 安培。
     3、 比例系数增益范围 : 1 ~ 100。
     4、 积分时间常数范围 : 1 ~ 10 秒。
     5、 微分时间常数范围 : 1 ~ 100 秒。
     6、 供电电压 : +115V ~ +230V。
     7、 RS-232 接口。
     美国 ThermOptics Inc. 的 DN1220 Thermoelectric Cooler Controller, 该产品 的特性包括 :
     1、 比例和积分控制。
     2、 增益与积分时间常数由一个电位器控制 ( 无需外部提供积分电容 )。
     3、 单电源供电 : 直流 +5V ~ +12V。
     4、 驱动电流 : ±2 安培。
     5、 温度稳定度高于 0.01℃。
     但是, 上述的产品只有产品性能的介绍, 而没有见到具体结构的公开。 发明内容 本发明要解决的技术问题是, 设计一种用于对激光器进行控温的基于热电制冷器 的宽电源功耗限制型恒温控制器, 通过采用双重负反馈结构、 宽电源电压输入、 多管扩流技 术的末级功率输出电路和限幅过流保护电路, 实现提高温度控制的精确度、 提高激光器输 出功率稳定性和光谱纯度、 延长激光器使用寿命的目的。
     本发明利用热电制冷器能够双向制冷加热特点, 将温度传感器反馈回的电压与设 定电压作比较, 将差值通过 PI 算法处理, 再将处理后的电压信号输入到双向恒流源, 利用 双向恒流源的输出电流控制热电制冷器, 使其对被控激光器进行加热或制冷, 最终使实际 温度与设定温度相等, 实现对激光器控温。
     本发明的具体的技术方案是 :
     一种基于热电制冷器的宽电源功耗限制型恒温控制器, 结构包括前面板 1、 温度设
     置电路 2、 温度取样电路 4 和热电制冷器 TEC ; 温度设置电路 2 和温度取样电路 4 通过选择 开关连接显示驱动电路 3, 由显示驱动电路 3 显示设置温度值或实际温度值 ; 结构还有 PI 控制电路 5、 限流电路 6、 功率控制电路 7 和功率输出电路 8 ; 温度设置电路 2 和温度取样电 路 4 通过减法器相减后, 输出信号送到 PI 控制电路 5, PI 控制电路 5 的输出信号送到限流 电路 6 进行限流, 限流后的信号送到功率控制电路 7, 功率控制电路 7 产生的控制信号送到 功率输出电路 8, 由功率输出电路 8 输出功率用于驱动热电制冷器 TEC ;
     所述的温度设置电路 2、 显示驱动电路 3、 温度取样电路 4、 PI 控制电路 5、 限流电路 6、 功率控制电路 7 和功率输出电路 8, 均采用双电源供电, 供电电压范围为 ±5V ~ ±16V, 各电路中的正电源 VCC 和负电源 VEE 的大小相同, 符号相反 ; 各电路中所有集成运放均采用 LM358 型号, 所有集成运放的 8 脚均接正电源 VCC, 并经过 0.33u 的电容接地, 所有集成运放 的 4 脚均接负电源 VEE, 并经过 0.33u 的电容接地 ;
     所述的 PI 控制电路 5 是 : 集成运放 U3B 的 5 脚经电阻 R12 接地, 并经电阻 R11 接 温度取样电路 4 中的端口 “Real_T” , 6 脚经电阻 R10 接温度设置电路 2 中的端口 “Set_T” , 6 脚经电阻 R13 接 7 脚, 7 脚接端口 “K_Full” ; 端口 “K_Full” 是前面板 1 中 “增益调节” 电 位器的满电阻端, “增益调节” 电位器的零电阻端接地, 可变电阻端 “K_ADJ” 接集成运放 U4B 的5脚; 集成运放 U4B 的 6 脚接 7 脚, 并经电阻 R15 接集成运放 U5B 的 6 脚 ; 集成运放 U5B 的 5 脚接地, 6 脚经电阻 R16 接 7 脚, 7 脚经电阻 R17 接端口 “V_Sum” ; 集成运放 U3B 的 7 脚 经电阻 R14 接集成运放 U4A 的 2 脚 ; 集成运放 U4A 的 3 脚接地, 2 脚经电容 C8 接 1 脚, 1脚 经电阻 R18 接端口 “V_Sum” ; 端口 “V_Sum” 作为限流电路 6 的输入 ; 所述的限流电路 6 是 : 集成运放 U5A 的 3 脚接地, 2 脚接 PI 控制电路 5 的输出信号 “V_Sum” , 并经电阻 R19 接 1 脚, 2 脚接稳压二极管 D3 的阳极 ; 稳压二极管 D3 的阴极接稳压 二极管 D4 的阴极, 稳压二极管 D4 的阳极接集成运放 U5A 的 1 脚 ; 集成运放 U5A 的 1 脚经电 阻 R20 接端口 “C_Full” ; 端口 “C_Full” 是前面板 1 中 “限流预置” 电位器的满电阻端, “限 流预置” 电位器的零电阻端接地, 可变电阻端接端口 “C_Limit” , 作为功率控制电路 7 的输 入信号 ;
     所述的功率控制电路 7 是 : 集成运放 U6A 的 3 脚经电阻 R21 接端口 “C_Limit” , 端 口 “C_Limit” 接前面板 1 中 “限流预置” 电位器的可变电阻端, 集成运放 U6A 的 2 脚经电容 C15 接 1 脚, 1 脚接端口 “H_Left” , 并且经电容 C16 接地, 1 脚经电阻 R23 接集成运放 U6B 的 6脚; 集成运放 U6B 的 5 脚接地, 6 脚经电阻 R22 接 7 脚, 7 脚接端口 “H_Right” , 并经电容 C17 接地 ; 集成运放 U7A 的 2 脚经电阻 R28 接地, 2 脚经电阻 R27 接功率输出电路 8 的信号 “Rs-” , 集成运放 U7A 的 3 脚经电阻 R26 接功率输出电路 8 的信号 “Rs+” , 3 脚经电阻 R25 接 1 脚, 1 脚经电阻 R24 接集成运放 U6A 的 2 脚 ;
     所述的功率输出电路 8 是 : 达林顿管 Q1、 达林顿管 Q2、 达林顿管 Q3、 达林顿管 Q4 均 采用 TIP132 型号, 达林顿管 Q5、 达林顿管 Q6、 达林顿管 Q7、 达林顿管 Q8 均采用 TIP137 型 号; 达林顿管 Q1 的 2 脚接正电源 VCC, 1 脚接达林顿管 Q5 的 1 脚, 并且经电阻 R30 接功率 控制电路 7 的控制信号 “H_Left” ; 达林顿管 Q2 的 2 脚接正电源 VCC, 1 脚接达林顿管 Q6 的 1 脚, 并且经电阻 R29 接功率控制电路 7 的控制信号 “H_Left” ; 达林顿管 Q1 的 3 脚接达林 顿管 Q2 的 3 脚、 接达林顿管 Q5 的 3 脚、 接达林顿管 Q6 的 3 脚、 接端口 “Rs+” 、 经电阻 Rs 接 端口 “TEC” 的1脚; 端口 “TEC” 的 1 脚接端口 “Rs-” ; 端口 “TEC” 是前面板 1 中的 “TEC 输
     出” 接口 ; 达林顿管 Q4 的 2 脚接正电源 VCC, 1 脚接达林顿管 Q8 的 1 脚, 并且经电阻 R32 接 功率控制电路 (7) 的控制信号 “H_Right” ; 达林顿管 Q3 的 2 脚接正电源 VCC, 1 脚接达林顿 管 Q7 的 1 脚, 并且经电阻 R31 接功率控制电路 7 的控制信号 “H_Right” ; 达林顿管 Q4 的 3 脚接达林顿管 Q3 的 3 脚、 接达林顿管 Q8 的 3 脚、 接达林顿管 Q7 的 3 脚、 接端口 “TFC” 的2 脚; 达林顿管 Q5 的 2 脚、 达林顿管 Q6 的 2 脚、 达林顿管 Q7 的 2 脚和达林顿管 Q8 的 2 脚接 负电源 VEE。
     本发明的上述结构中, 热电制冷器 TEC 可以使用在制冷领域中常用的双向制冷加 热的制冷器 ; 温度设置电路 2、 温度取样电路 4 和显示驱动电路 3 可以在现有技术中选择具 有相同功能的电路, 也可以选择本发明实施例给出的电路。
     本发明基于热电制冷器的宽电源功耗限制型恒温控制器有以下有益效果 :
     1、 本发明采用双重负反馈结构, 有效提高了温度稳定性, 进而提高了激光器输出 功率的稳定性和光谱纯度 ;
     2、 宽电源电压输入范围 : 直流 ±5V ~ ±16V, 有利于提高工作效率和精确度 ;
     3、 末级功率输出电路采用多管扩流技术, 将最大输出电流提高到 ±7.5A, 使得最 大输出功率可高达 150W ; 4、 采用限幅过流保护, 降低了瞬时高电压和瞬时强电流所引起的击穿破坏, 有效 保护了仪器的稳定工作 ;
     5、 可设定温控范围 -50 ~ +120℃, 精确度 ±0.1℃, 稳定度 ±0.002℃。
     附图说明
     图 1 是本发明的总体结构框图。 图 2 是本发明的温度设置电路 2 原理图。 图 3 是本发明的显示驱动电路 3 原理图。 图 4 是本发明的温度取样电路 4 原理图。 图 5 是本发明的 PI 控制电路 5 原理图。 图 6 是本发明的限流电路 6 原理图。 图 7 是本发明的功率控制电路 7 原理图。 图 8 是本发明的功率输出电路 8 原理图。 图 9 是本发明的前面板 1 结构图。具体实施方式
     下列各实施例中的电路均采用双电源供电, 其中 VCC 为电路中的正电源, 其供电 范围为 5V ~ 16V, VEE 为电路中的负电源, 其取值与正电源 VCC 相同, 符号相反 ; 下列各实施 例中的所有集成运放的 8 脚均接正电源 VCC, 并经过 0.33u 的电容接地, 所有运放的 4 脚均 接负电源 VEE, 并经过 0.33u 的电容接地。
     在下列各实施例中, 各元器件后面括号内的符号或数字均为该元器件的型号或该 元器件的标称值的大小 ; 并且为优选的元器件的型号和标称值。
     实施例 1 本发明的整个系统的结构
     结合图 1 说明本发明的基于热电制冷器的宽电源功耗限制型恒温控制器的结构。如图 1 所示, 本发明由温度设置电路 2、 显示驱动电路 3、 温度取样电路 4、 PI 控制电路 5、 限 流电路 6、 功率控制电路 7 和功率输出电路 8 组成。各电路装置在机壳内, 由前面板 1 对整 个系统进行操作、 显示。
     如图 1 所示, 温度设置电路 2 和温度取样电路 4 通过减法器相减后, 输出信号送到 PI 控制电路 5, PI 控制电路 5 的输出信号送到限流电路 6 进行限流, 限流后的信号送到功 率控制电路 7, 功率控制电路 7 产生的控制信号送到功率输出电路 8, 由功率输出电路 8 输 出功率用于驱动热电制冷器 TEC, 另外, 温度设置电路 2 和温度取样电路 4 通过选择开关送 到显示驱动电路 3, 由显示驱动电路 3 显示设置温度值或实际温度值。
     图 9 给出了一种前面板 1 的配置图。其中, 显示屏由 “显示选择” 开关 ( 可以选择 双刀双掷开关 S1) 控制显示设置温度 (“设置温度” 灯亮 ) 或激光器的实际温度 (“实际 温度” 灯亮 ) ; “温度预置” 电位器与温度设置电路 2 连接 ; “增益调节” 电位器与 PI 控制电 路 5 连接 ; “限流预置” 电位器与限流电路 6 连接 ; “TEC 输出” 接口与功率输出电路 8 连接, “NTC 输入” 接口与温度取样电路 4 连接。各电位器和接口的具体连接方式在后面的实施例 里给出。
     实施例 2 本发明的温度设置电路 2 如图 2 所示, 温度设置电路 2 包括 : 基准电源 D1(LM336_2.5V) 的 3 脚接地, 2 脚通 过电阻 R1(5.1k) 接正电源 VCC, 基准电源 D1 的 2 脚接端口 “T_Ref” , 即前面板 1 中 “温度预 置” 电位器 (10k) 的满电阻端, “温度预置” 电位器的零电阻端接地, 集成运放 U1B(LM358) 的 5 脚接端口 “T_Set” , 即前面板 1 中 “温度预置” 电位器的可变电阻端, 集成运放 U1B 的 6 脚经过电阻 R2(10k) 接地, 经电阻 R3(22k) 接 U1B(LM358) 的 7 脚, 集成运放 U1B 的 7 脚接 集成运放 U1A(LM358) 的 3 脚, 集成运放 U1A 的 2 脚接 U1A 的 1 脚, 接端口 “Set_T” , 即显示 驱动电路 3 中双刀双掷开关 S1(ARP-2216) 的 1 引脚。
     实施例 3 本发明的显示驱动电路 3
     如图 3 所示, 显示驱动电路 3 包括 : 电阻 R4(2k) 的 1 脚接正电源 VCC, 另一脚接端 口 “LED+” , 经电阻 R5(2k) 接地, 端口 “LED+” 接前面板 1 中 “设置温度” 和 “实际温度” 两个 LED 指示灯的阳极, 电位器 P1(10k) 的 1 脚 ( 满电阻端 ) 接地, 接端口 “Display” 的 1 脚, 即前面板 1 中数字表头的信号地端, 电位器 P1 的 2 脚 ( 可变电阻端 ) 接端口 “Display” 的 2 脚, 即前面板 1 中数字表头的信号输入端, 电位器 P1 的 3 脚 ( 零电阻端 ) 经电阻 R6(1k) 接集成运放 U2A(LM358) 的 1 脚, 接集成运放 U2A 的 2 脚, 集成运放 U2A 的 3 脚接双刀双掷 开关 S1(ARP-2216) 的 2 脚, 双刀双掷开关 S1 即前面板 1 中 “显示选择” 开关, 开关 S1 的 1 脚接温度设置电路 2 中的端口 “Set_T” , 开关 S1 的 3 脚接温度取样电路 4 中的端口 “Real_ T” , 开关 S1 的 4 脚接地, 开关 S1 的 5 脚接前面板 1 中 “设置温度” LED 的阴极 (LED1-), 开 关 S1 的 6 脚接前面板 1 中 “实际温度” LED 的阴极 (LED2-)。
     实施例 4 本发明的温度取样电路 4
     如图 4 所示, 温度取样电路 4 包括 : 基准电源 D2(LM336_2.5V) 的 3 脚接集成运 放 U2B(LM358) 的 5 脚, 经电阻 R8(5.1k) 接地, 基准电源 D2 的 2 脚接正电源 VCC, 经电阻 R7(24k) 接集成运放 U2B 的 6 脚, 集成运放 U2B 的 6 脚接三极管 M1(9012) 的发射极, 经电 容 C5(470p) 接集成运放 U2B 的 7 脚, 集成运放 U2B 的 7 脚经电阻 R9(1k) 接三极管 M1 的基 极, 三极管 M1 的集电极接集成运放 U3A(LM358) 的 3 脚, 接端口 “NTC” , 即前面板 1 中 “NTC
     输入” 接口 (BNC) 的 1 脚, 前面板 1 中 “NTC 输入” 接口的 2 脚接地, 集成运放 U3A 的 2 脚接 集成运放 U3A 的输出端, 接端口 “Real_T” , 即显示驱动电路 3 中开关 S1 的 3 脚。
     实施例 5 本发明的 PI 控制电路 5
     如图 5 所示, PI 控制电路 5 包括 : 集成运放 U3B(LM358) 的 5 脚经电阻 R12(100k) 接地, 集成运放 U3B 的 5 脚经电阻 R11(100k) 来自接温度取样电路 4 中的端口 “Real_T” , 集成运放 U3B 的 6 脚经电阻 R10(100k) 接来自温度设置电路 2 中的端口 “Set_T” , 集成运 放的 6 脚经电阻 R13 接集成运放 U3B 的 7 脚, 集成运放 U3B 的 7 脚接端口 “K_Full” , 即前 面板 1 中 “增益调节” 电位器 (10k) 的满电阻端, “增益调节” 电位器的零电阻端接地, 可变 电阻端 “K_ADJ” 接集成运放 U4B(LM358) 的 5 脚, 集成运放 U4B 的 6 脚接 U4B 的 7 脚, 经电 阻 R15(10k) 接集成运放 U5B(LM358) 的 6 脚, 集成运放 U5B 的 5 脚接地, 集成运放 U5B 的 6 脚经电阻 R16(500k) 接集成运放 U5B 的 7 脚, 集成运放 U5B 的 7 脚经电阻 R17(10k) 接端口 “V_Sum” , 集成运放 U3B 的 7 脚经电阻 R14(1M) 接集成运放 U4A(LM358) 的 2 脚, 集成运放 U4A 的 3 脚接地, 集成运放 U4A 的 2 脚经电容 C8(1u) 接集成运放 U4A 的 1 脚, 集成运放 U4A 的 1 脚经电阻 R18 接端口 “V_Sum” , 端口 “V_Sum” 作为限流电路 6 的输入。
     实施例 6 本发明的限流电路 6
     如图 6 所示, 限流电路 6 包括 : 集成运放 U5A(LM358) 的 3 脚接地, 集成运放 U5A 的 2 脚接来自 PI 控制电路 5 的输出信号 “V_Sum” , 经电阻 R19(10k) 接集成运放 U5A 的 1 脚, 集成运放 U5A 的 2 脚接稳压二极管 D3(5.1V) 的阳极, 稳压二极管 D3 的阴极接稳压二极管 D4(5.1V) 的阴极, 稳压二极管 D4 的阳极接集成运放 U5A 的 1 脚, 经电阻 R20(36k) 接端口 “C_Full” , 即前面板 1 中 “限流预置” 电位器 (10k) 的满电阻端, “限流预置” 电位器的零电 阻端接地, 可变电阻端接端口 “C_Limit” , 作为功率控制电路 7 的输入信号。
     实施例 7 本发明的功率控制电路 7
     如图 7 所示, 功率控制电路 7 包括 : 集成运放 U6A(LM358) 的 3 脚经电阻 R21(10k) 接端口 “C_Limit” , 端口 “C_Limit” 接前面板 1 中 “限流预置” 电位器 (10k) 的可变电阻端, 集成运放 U6A 的 2 脚经电容 C15(0.47u) 接集成运放 U6A 的 1 脚, 集成运放 U6A 的 1 脚接端 口 “H_Left” , 经电容 C16(0.47u) 接地, 集成运放 U6A 的 1 脚经电阻 R23(100k) 接集成运放 U6B(LM358) 的 6 脚, 集成运放 U6B 的 5 脚接地, 集成运放 U6B 的 6 脚经电阻 R22(100k) 接集 成运放 U6B 的 7 脚, 集成运放 U6B 的 7 脚接端口 “H_Right” , 经电容 C17(0.47u) 接地, 集成 运放 U7A(LM358) 的 2 脚经电阻 R28(200k) 接地, 集成运放 U7A 的 2 脚经电阻 R27(20k) 接 来自功率输出电路 8 的信号 “Rs-” , 集成运放 U7A 的 3 脚经电阻 R26(20k) 接来自功率输出 电路 8 的信号 “Rs+” , 集成运放 U7A 的 3 脚经电阻 R25(200k) 接集成运放 U7A 的 1 脚, 集成 运放 U7A 的 1 脚经电阻 R24(10k) 接集成运放 U6A 的 2 脚。
     实施例 8 本发明的功率输出电路 8
     如图 8 所示, 功率输出电路 8 包括 : 达林顿管 Q1(TIP132) 的 2 脚接正电源 VCC, 达 林顿管 Q1 的 1 脚接达林顿管 Q5(TIP137) 的 1 脚, 经电阻 R30(0.1k) 接来自功率控制电路 7 的控制信号 “H_Left” , 达林顿管 Q5 的 2 脚接负电源 VEE, 达林顿管 Q2(TIP132) 的 2 脚接 正电源 VCC, 达林顿管 Q2 的 1 脚接达林顿管 Q6(TIP137) 的 1 脚, 经电阻 R29(0.1k) 接来自 功率控制电路 (7) 的控制信号 “H_Left” , 达林顿管 Q6 的 2 脚接负电源 VEE, 达林顿管 Q1 的 3 脚接达林顿管 Q2 的 3 脚, 接达林顿管 Q5 的 3 脚, 接达林顿管 Q6 的 3 脚, 接端口 “Rs+” , 经电阻 Rs(0.1Ω) 接端口 “TEC” 的 1 脚, 端口 “TEC” 的 1 脚接端口 “Rs-” , 端口 “TEC” 即前面 板 (1) 中的 “TEC 输出” 接口 (BNC), 达林顿管 Q4(TIP132) 的 2 脚接正电源 VCC, 达林顿管 Q4 的 1 脚接达林顿管 Q8(TIP137) 的 1 脚, 经电阻 R32(0.1k) 接来自功率控制电路 7 的控制 信号 “H_Right” , 达林顿管 Q8 的 2 脚接负电源 VEE, 达林顿管 Q3(TIP132) 的 2 脚接正电源 VCC, 达林顿管 Q3 的 1 脚接达林顿管 Q7(TIP137) 的 1 脚, 经电阻 R31(0.1k) 接来自功率控 制电路 7 的控制信号 “H_Right” , 达林顿管 Q7 的 2 脚接负电源 VEE, 达林顿管 Q4 的 3 脚接 达林顿管 Q3 的 3 脚, 接达林顿管 Q8 的 3 脚, 接达林顿管 Q7 的 3 脚, 接端口 “TEC” 的 2 脚。

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1、10申请公布号CN101950186A43申请公布日20110119CN101950186ACN101950186A21申请号201010270102722申请日20100902G05D23/20200601H01S5/02420060171申请人吉林大学地址130012吉林省长春市高新技术开发区前进大街2699号72发明人汝玉星田小建单江东高博吴戈74专利代理机构长春吉大专利代理有限责任公司22201代理人王恩远54发明名称基于热电制冷器的宽电源功耗限制型恒温控制器57摘要本发明的基于热电制冷器的宽电源功耗限制型恒温控制器属于电子技术的技术领域。结构有温度设置电路2和温度取样电路4通过选择开。

2、关连接显示驱动电路3;温度设置电路和温度取样电路通过减法器相减后,输出信号送到PI控制电路5,PI控制电路的输出信号送到限流电路6进行限流,限流后的信号送到功率控制电路7,功率控制电路产生的控制信号送到功率输出电路8,由功率输出电路输出功率用于驱动热电制冷器TEC。本发明双重负反馈结构使控温精确度在01,稳定度在0002;功率输出电路采用多管扩流技术是最大输出功率高达150W;限流电路能有效保护仪器的稳定工作。51INTCL19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书2页说明书7页附图6页CN101950189A1/2页21一种基于热电制冷器的宽电源功耗限制型恒温控制器,结构包括。

3、前面板1、温度设置电路2、温度取样电路4和热电制冷器TEC;温度设置电路2和温度取样电路4通过选择开关连接显示驱动电路3,由显示驱动电路3显示设置温度值或实际温度值;其特征在于,结构还有PI控制电路5、限流电路6、功率控制电路7和功率输出电路8;温度设置电路2和温度取样电路4通过减法器相减后,输出信号送到PI控制电路5,PI控制电路5的输出信号送到限流电路6进行限流,限流后的信号送到功率控制电路7,功率控制电路7产生的控制信号送到功率输出电路8,由功率输出电路8输出功率用于驱动热电制冷器TEC;所述的温度设置电路2、显示驱动电路3、温度取样电路4、PI控制电路5、限流电路6、功率控制电路7和功。

4、率输出电路8,均采用双电源供电,供电电压范围为5V16V,各电路中的正电源VCC和负电源VEE的大小相同,符号相反;各电路中所有集成运放均采用LM358型号,所有集成运放的8脚均接正电源VCC,并经过033U的电容接地,所有集成运放的4脚均接负电源VEE,并经过033U的电容接地;所述的PI控制电路5是集成运放U3B的5脚经电阻R12接地,并经电阻R11接温度取样电路4中的端口“REAL_T”,6脚经电阻R10接温度设置电路2中的端口“SET_T”,6脚经电阻R13接7脚,7脚接端口“K_FULL”;端口“K_FULL”是前面板1中“增益调节”电位器的满电阻端,“增益调节”电位器的零电阻端接地。

5、,可变电阻端“K_ADJ”接集成运放U4B的5脚;集成运放U4B的6脚接7脚,并经电阻R15接集成运放U5B的6脚;集成运放U5B的5脚接地,6脚经电阻R16接7脚,7脚经电阻R17接端口“V_SUM”;集成运放U3B的7脚经电阻R14接集成运放U4A的2脚;集成运放U4A的3脚接地,2脚经电容C8接1脚,1脚经电阻R18接端口“V_SUM”;端口“V_SUM”作为限流电路6的输入;所述的限流电路6是集成运放U5A的3脚接地,2脚接PI控制电路5的输出信号“V_SUM”,并经电阻R19接1脚,2脚接稳压二极管D3的阳极;稳压二极管D3的阴极接稳压二极管D4的阴极,稳压二极管D4的阳极接集成运放。

6、U5A的1脚;集成运放U5A的1脚经电阻R20接端口“C_FULL”;端口“C_FULL”是前面板1中“限流预置”电位器的满电阻端,“限流预置”电位器的零电阻端接地,可变电阻端接端口“C_LIMIT”,作为功率控制电路7的输入信号;所述的功率控制电路7是集成运放U6A的3脚经电阻R21接端口“C_LIMIT”,端口“C_LIMIT”接前面板1中“限流预置”电位器的可变电阻端,集成运放U6A的2脚经电容C15接1脚,1脚接端口“H_LEFT”,并且经电容C16接地,1脚经电阻R23接集成运放U6B的6脚;集成运放U6B的5脚接地,6脚经电阻R22接7脚,7脚接端口“H_RIGHT”,并经电容C1。

7、7接地;集成运放U7A的2脚经电阻R28接地,2脚经电阻R27接功率输出电路8的信号“RS”,集成运放U7A的3脚经电阻R26接功率输出电路8的信号“RS”,3脚经电阻R25接1脚,1脚经电阻R24接集成运放U6A的2脚;所述的功率输出电路8是达林顿管Q1、达林顿管Q2、达林顿管Q3、达林顿管Q4均采用TIP132型号,达林顿管Q5、达林顿管Q6、达林顿管Q7、达林顿管Q8均采用TIP137型号;达林顿管Q1的2脚接正电源VCC,1脚接达林顿管Q5的1脚,并且经电阻R30接功率控制电路7的控制信号“H_LEFT”;达林顿管Q2的2脚接正电源VCC,1脚接达林顿管Q6的1脚,并且经电阻R29接功。

8、率控制电路7的控制信号“H_LEFT”;达林顿管Q1的3脚接达林权利要求书CN101950186ACN101950189A2/2页3顿管Q2的3脚、接达林顿管Q5的3脚、接达林顿管Q6的3脚、接端口“RS”、经电阻RS接端口“TEC”的1脚;端口“TEC”的1脚接端口“RS”;端口“TEC”是前面板1中的“TEC输出”接口;达林顿管Q4的2脚接正电源VCC,1脚接达林顿管Q8的1脚,并且经电阻R32接功率控制电路7的控制信号“H_RIGHT”;达林顿管Q3的2脚接正电源VCC,1脚接达林顿管Q7的1脚,并且经电阻R31接功率控制电路7的控制信号“H_RIGHT”;达林顿管Q4的3脚接达林顿管Q。

9、3的3脚、接达林顿管Q8的3脚、接达林顿管Q7的3脚、接端口“TEC”的2脚;达林顿管Q5的2脚、达林顿管Q6的2脚、达林顿管Q7的2脚和达林顿管Q8的2脚接负电源VEE。2按照权利要求1所述的基于热电制冷器的宽电源功耗限制型恒温控制器,其特征在于,所述的温度设置电路2是基准电源D1采用LM336型号25V电源,基准电源D1的3脚接地,2脚通过电阻R1接正电源VCC,基准电源D1的2脚接端口“T_REF”,端口“T_REF”是前面板1中“温度预置”电位器的满电阻端;集成运放U1B的5脚接端口“T_SET”,端口“T_SET”是前面板1中“温度预置”电位器的可变电阻端,集成运放U1B的6脚经过电。

10、阻R2接地,经电阻R3接集成运放U1B的7脚,集成运放U1B的7脚接集成运放U1A的3脚;集成运放U1A的2脚接1脚、接端口“SET_T”;端口“SET_T”是显示驱动电路3中ARP2216型号的双刀双掷开关S1的1引脚。3按照权利要求1所述的基于热电制冷器的宽电源功耗限制型恒温控制器,其特征在于,所述的显示驱动电路3是电阻R4的一端接正电源VCC,另一端接端口“LED”,并经电阻R5接地;端口“LED”接前面板1中“设置温度”和“实际温度”两个LED指示灯的阳极,电位器P1的满电阻端接地,并接端口“DISPLAY”的1脚,端口“DISPLAY”的1脚是前面板1中数字表头的信号地端,电位器P1。

11、的可变电阻端接端口“DISPLAY”的2脚,端口“DISPLAY”的2脚是前面板1中数字表头的信号输入端,电位器P1的零电阻端经电阻R6接集成运放U2A的1脚和2脚,集成运放U2A的3脚接双刀双掷开关S1的2脚,双刀双掷开关S1是前面板1中的“显示选择”开关;双刀双掷开关S1的1脚接温度设置电路2中的端口“SET_T”,3脚接温度取样电路4中的端口“REAL_T”,4脚接地,5脚接前面板1中“设置温度”LED的阴极,6脚接前面板1中“实际温度”LED的阴极。4按照权利要求1所述的基于热电制冷器的宽电源功耗限制型恒温控制器,其特征在于,所述的温度取样电路4是基准电源D2采用LM336型号25V电。

12、源,基准电源D2的3脚接集成运放U2B的5脚,并经电阻R8接地,2脚接正电源VCC,并经电阻R7接集成运放U2B的6脚;集成运放U2B的6脚接三极管M1的发射极,经电容C5接集成运放U2B的7脚;集成运放U2B的7脚经电阻R9接三极管M1的基极,三极管M1的集电极接集成运放U3A的3脚,并且接端口“NTC”,端口“NTC”是前面板1中“NTC输入”接口的1脚,前面板1中“NTC输入”接口的2脚接地;集成运放U3A的2脚接集成运放U3A的输出端,接端口“REAL_T”,端口“REAL_T”是显示驱动电路3中双刀双掷开关S1的3脚。权利要求书CN101950186ACN101950189A1/7页。

13、4基于热电制冷器的宽电源功耗限制型恒温控制器技术领域0001本发明属于电子技术的技术领域。特别涉及用于激光器制冷的恒温控制装置。背景技术0002在光纤通信、国防工业等领域中,各类放大器、调制器广泛使用半导体激光器作为光源,而半导体激光器是一种高功率密度、高量子效应的器件,由于存在着各种非辐射复合损耗、自由载流子吸收等损耗机制,使其电光转换效率只能达到2030,这意味着相当部分注入的电功率将转化为热量,引起激光器温度升高,而温度的升高对激光器将产生很多不利的影响,主要有以下几个方面00031、温度对阈值电流的影响0004随着温度的升高将引起阈值电流的增大,使输出功率下降。00052、温度对VI关。

14、系的影响0006当注入电流相等时,温度高的激光器对应的正向压降也大,这会给半导体激光器恒流源的设计带来困难。00073、温度对输出波长的影响0008由于有源层材料的禁带宽度随温度升高而变窄,使激射波长向长波方向移动,即红移现象。红移量与器件的结构和有源区材料有关,约为0203NM/。因此,可以用适当的温度控制来微调激光的峰值波长,以满足对波长要求严格的一些应用。00094、温度对PI曲线非线性的影响0010理想情况下,半导体激光器的PI应该是线性曲线,PN结过热是产生非线性的原因之一。除此之外,来自于有源区中横侧模的不稳定性,来自外部的反射光如从连接器,尾纤端等部位以及与光强有关的饱和等因素也。

15、能造成非线性。其中模式的不稳定性是出现PI曲线扭折的主要原因,这种不稳定性除了与激光器本身的结构有关外,还与温度有很大关系。0011除此之外温度升高还会增加内部缺损,严重地影响器件的寿命,给应用带来很大困难。如果不将所产生的热量移去,将造成一种恶性循环,使激光器很快失效。试验表明,温度每增加25,器件的寿命将减少一半,所以工作温度对于激光器十分重要,必须给激光器提供恒定而且能够精密调整的工作温度,才能保证激光器具有最大的效率和最小的功率波动以及最他的使用寿命。0012以前对大功率激光器往往采用冰水循环方式制冷,通过调节热沉中循环管道内冰水的流量来达到温控的目的。这种控制方在操控性、精确性以及稳。

16、定性等各方面都很落后。本发明便是在这种背景下诞生的。本发明利用半导体热电制冷器TEC,THERMOELECTRICCOOLER对激光器进行制冷和控温。半导体制冷器是一种固体制冷方式,与通常压缩机制冷系统相比,其优点是没有机械转动部分,无需制冷剂,无噪声、无污染、体积小,可靠性高,寿命长,易于恒温等。控制部分采用双重负反馈结构,有效提高了控温精度和温度稳定性,供电电源采用宽电源可变直流输入的方式,针对不同特性的被控系统和不同参数的TEC,选取说明书CN101950186ACN101950189A2/7页5不同的供电电源,有效限制了控制器自身的内部功耗,大大提高了电源效率。本发明不但可应用于对激光。

17、器进行控温,还可应用于其它热系统的温度控制。0013目前国内外已有类似产品,如0014台湾致惠科技股份有限公司的CDS系列热电模组控制器,该产品的特性包括00151、温控范围50150,精确度03,稳定度001005。00162、温度设定与读值解析度001。00173、可单机操作或连接PC软体操作。00184、整合控制器与驱动器,并拥有两组TTYPE热电偶。00195、可搭配客制化温控平台,适用于电子元件测试、光电检测、材料研究、生物科技等。0020美国WAVELENGTHELECTRONICSINC的LFI3751TEMPERATURECONTROLINSTRUMENT,该产品的特性包括00。

18、211、24小时温度稳定度0003。00222、最大TEC驱动电流输出5安培。00233、比例系数增益范围1100。00244、积分时间常数范围110秒。00255、微分时间常数范围1100秒。00266、供电电压115V230V。00277、RS232接口。0028美国THERMOPTICSINC的DN1220THERMOELECTRICCOOLERCONTROLLER,该产品的特性包括00291、比例和积分控制。00302、增益与积分时间常数由一个电位器控制无需外部提供积分电容。00313、单电源供电直流5V12V。00324、驱动电流2安培。00335、温度稳定度高于001。0034但是。

19、,上述的产品只有产品性能的介绍,而没有见到具体结构的公开。发明内容0035本发明要解决的技术问题是,设计一种用于对激光器进行控温的基于热电制冷器的宽电源功耗限制型恒温控制器,通过采用双重负反馈结构、宽电源电压输入、多管扩流技术的末级功率输出电路和限幅过流保护电路,实现提高温度控制的精确度、提高激光器输出功率稳定性和光谱纯度、延长激光器使用寿命的目的。0036本发明利用热电制冷器能够双向制冷加热特点,将温度传感器反馈回的电压与设定电压作比较,将差值通过PI算法处理,再将处理后的电压信号输入到双向恒流源,利用双向恒流源的输出电流控制热电制冷器,使其对被控激光器进行加热或制冷,最终使实际温度与设定温。

20、度相等,实现对激光器控温。0037本发明的具体的技术方案是0038一种基于热电制冷器的宽电源功耗限制型恒温控制器,结构包括前面板1、温度设说明书CN101950186ACN101950189A3/7页6置电路2、温度取样电路4和热电制冷器TEC;温度设置电路2和温度取样电路4通过选择开关连接显示驱动电路3,由显示驱动电路3显示设置温度值或实际温度值;结构还有PI控制电路5、限流电路6、功率控制电路7和功率输出电路8;温度设置电路2和温度取样电路4通过减法器相减后,输出信号送到PI控制电路5,PI控制电路5的输出信号送到限流电路6进行限流,限流后的信号送到功率控制电路7,功率控制电路7产生的控制。

21、信号送到功率输出电路8,由功率输出电路8输出功率用于驱动热电制冷器TEC;0039所述的温度设置电路2、显示驱动电路3、温度取样电路4、PI控制电路5、限流电路6、功率控制电路7和功率输出电路8,均采用双电源供电,供电电压范围为5V16V,各电路中的正电源VCC和负电源VEE的大小相同,符号相反;各电路中所有集成运放均采用LM358型号,所有集成运放的8脚均接正电源VCC,并经过033U的电容接地,所有集成运放的4脚均接负电源VEE,并经过033U的电容接地;0040所述的PI控制电路5是集成运放U3B的5脚经电阻R12接地,并经电阻R11接温度取样电路4中的端口“REAL_T”,6脚经电阻R。

22、10接温度设置电路2中的端口“SET_T”,6脚经电阻R13接7脚,7脚接端口“K_FULL”;端口“K_FULL”是前面板1中“增益调节”电位器的满电阻端,“增益调节”电位器的零电阻端接地,可变电阻端“K_ADJ”接集成运放U4B的5脚;集成运放U4B的6脚接7脚,并经电阻R15接集成运放U5B的6脚;集成运放U5B的5脚接地,6脚经电阻R16接7脚,7脚经电阻R17接端口“V_SUM”;集成运放U3B的7脚经电阻R14接集成运放U4A的2脚;集成运放U4A的3脚接地,2脚经电容C8接1脚,1脚经电阻R18接端口“V_SUM”;端口“V_SUM”作为限流电路6的输入;0041所述的限流电路6。

23、是集成运放U5A的3脚接地,2脚接PI控制电路5的输出信号“V_SUM”,并经电阻R19接1脚,2脚接稳压二极管D3的阳极;稳压二极管D3的阴极接稳压二极管D4的阴极,稳压二极管D4的阳极接集成运放U5A的1脚;集成运放U5A的1脚经电阻R20接端口“C_FULL”;端口“C_FULL”是前面板1中“限流预置”电位器的满电阻端,“限流预置”电位器的零电阻端接地,可变电阻端接端口“C_LIMIT”,作为功率控制电路7的输入信号;0042所述的功率控制电路7是集成运放U6A的3脚经电阻R21接端口“C_LIMIT”,端口“C_LIMIT”接前面板1中“限流预置”电位器的可变电阻端,集成运放U6A的。

24、2脚经电容C15接1脚,1脚接端口“H_LEFT”,并且经电容C16接地,1脚经电阻R23接集成运放U6B的6脚;集成运放U6B的5脚接地,6脚经电阻R22接7脚,7脚接端口“H_RIGHT”,并经电容C17接地;集成运放U7A的2脚经电阻R28接地,2脚经电阻R27接功率输出电路8的信号“RS”,集成运放U7A的3脚经电阻R26接功率输出电路8的信号“RS”,3脚经电阻R25接1脚,1脚经电阻R24接集成运放U6A的2脚;0043所述的功率输出电路8是达林顿管Q1、达林顿管Q2、达林顿管Q3、达林顿管Q4均采用TIP132型号,达林顿管Q5、达林顿管Q6、达林顿管Q7、达林顿管Q8均采用TI。

25、P137型号;达林顿管Q1的2脚接正电源VCC,1脚接达林顿管Q5的1脚,并且经电阻R30接功率控制电路7的控制信号“H_LEFT”;达林顿管Q2的2脚接正电源VCC,1脚接达林顿管Q6的1脚,并且经电阻R29接功率控制电路7的控制信号“H_LEFT”;达林顿管Q1的3脚接达林顿管Q2的3脚、接达林顿管Q5的3脚、接达林顿管Q6的3脚、接端口“RS”、经电阻RS接端口“TEC”的1脚;端口“TEC”的1脚接端口“RS”;端口“TEC”是前面板1中的“TEC输说明书CN101950186ACN101950189A4/7页7出”接口;达林顿管Q4的2脚接正电源VCC,1脚接达林顿管Q8的1脚,并且。

26、经电阻R32接功率控制电路7的控制信号“H_RIGHT”;达林顿管Q3的2脚接正电源VCC,1脚接达林顿管Q7的1脚,并且经电阻R31接功率控制电路7的控制信号“H_RIGHT”;达林顿管Q4的3脚接达林顿管Q3的3脚、接达林顿管Q8的3脚、接达林顿管Q7的3脚、接端口“TFC”的2脚;达林顿管Q5的2脚、达林顿管Q6的2脚、达林顿管Q7的2脚和达林顿管Q8的2脚接负电源VEE。0044本发明的上述结构中,热电制冷器TEC可以使用在制冷领域中常用的双向制冷加热的制冷器;温度设置电路2、温度取样电路4和显示驱动电路3可以在现有技术中选择具有相同功能的电路,也可以选择本发明实施例给出的电路。004。

27、5本发明基于热电制冷器的宽电源功耗限制型恒温控制器有以下有益效果00461、本发明采用双重负反馈结构,有效提高了温度稳定性,进而提高了激光器输出功率的稳定性和光谱纯度;00472、宽电源电压输入范围直流5V16V,有利于提高工作效率和精确度;00483、末级功率输出电路采用多管扩流技术,将最大输出电流提高到75A,使得最大输出功率可高达150W;00494、采用限幅过流保护,降低了瞬时高电压和瞬时强电流所引起的击穿破坏,有效保护了仪器的稳定工作;00505、可设定温控范围50120,精确度01,稳定度0002。附图说明0051图1是本发明的总体结构框图。0052图2是本发明的温度设置电路2原理。

28、图。0053图3是本发明的显示驱动电路3原理图。0054图4是本发明的温度取样电路4原理图。0055图5是本发明的PI控制电路5原理图。0056图6是本发明的限流电路6原理图。0057图7是本发明的功率控制电路7原理图。0058图8是本发明的功率输出电路8原理图。0059图9是本发明的前面板1结构图。具体实施方式0060下列各实施例中的电路均采用双电源供电,其中VCC为电路中的正电源,其供电范围为5V16V,VEE为电路中的负电源,其取值与正电源VCC相同,符号相反;下列各实施例中的所有集成运放的8脚均接正电源VCC,并经过033U的电容接地,所有运放的4脚均接负电源VEE,并经过033U的电。

29、容接地。0061在下列各实施例中,各元器件后面括号内的符号或数字均为该元器件的型号或该元器件的标称值的大小;并且为优选的元器件的型号和标称值。0062实施例1本发明的整个系统的结构0063结合图1说明本发明的基于热电制冷器的宽电源功耗限制型恒温控制器的结构。说明书CN101950186ACN101950189A5/7页8如图1所示,本发明由温度设置电路2、显示驱动电路3、温度取样电路4、PI控制电路5、限流电路6、功率控制电路7和功率输出电路8组成。各电路装置在机壳内,由前面板1对整个系统进行操作、显示。0064如图1所示,温度设置电路2和温度取样电路4通过减法器相减后,输出信号送到PI控制电。

30、路5,PI控制电路5的输出信号送到限流电路6进行限流,限流后的信号送到功率控制电路7,功率控制电路7产生的控制信号送到功率输出电路8,由功率输出电路8输出功率用于驱动热电制冷器TEC,另外,温度设置电路2和温度取样电路4通过选择开关送到显示驱动电路3,由显示驱动电路3显示设置温度值或实际温度值。0065图9给出了一种前面板1的配置图。其中,显示屏由“显示选择”开关可以选择双刀双掷开关S1控制显示设置温度“设置温度”灯亮或激光器的实际温度“实际温度”灯亮;“温度预置”电位器与温度设置电路2连接;“增益调节”电位器与PI控制电路5连接;“限流预置”电位器与限流电路6连接;“TEC输出”接口与功率输。

31、出电路8连接,“NTC输入”接口与温度取样电路4连接。各电位器和接口的具体连接方式在后面的实施例里给出。0066实施例2本发明的温度设置电路20067如图2所示,温度设置电路2包括基准电源D1LM336_25V的3脚接地,2脚通过电阻R151K接正电源VCC,基准电源D1的2脚接端口“T_REF”,即前面板1中“温度预置”电位器10K的满电阻端,“温度预置”电位器的零电阻端接地,集成运放U1BLM358的5脚接端口“T_SET”,即前面板1中“温度预置”电位器的可变电阻端,集成运放U1B的6脚经过电阻R210K接地,经电阻R322K接U1BLM358的7脚,集成运放U1B的7脚接集成运放U1A。

32、LM358的3脚,集成运放U1A的2脚接U1A的1脚,接端口“SET_T”,即显示驱动电路3中双刀双掷开关S1ARP2216的1引脚。0068实施例3本发明的显示驱动电路30069如图3所示,显示驱动电路3包括电阻R42K的1脚接正电源VCC,另一脚接端口“LED”,经电阻R52K接地,端口“LED”接前面板1中“设置温度”和“实际温度”两个LED指示灯的阳极,电位器P110K的1脚满电阻端接地,接端口“DISPLAY”的1脚,即前面板1中数字表头的信号地端,电位器P1的2脚可变电阻端接端口“DISPLAY”的2脚,即前面板1中数字表头的信号输入端,电位器P1的3脚零电阻端经电阻R61K接集成。

33、运放U2ALM358的1脚,接集成运放U2A的2脚,集成运放U2A的3脚接双刀双掷开关S1ARP2216的2脚,双刀双掷开关S1即前面板1中“显示选择”开关,开关S1的1脚接温度设置电路2中的端口“SET_T”,开关S1的3脚接温度取样电路4中的端口“REAL_T”,开关S1的4脚接地,开关S1的5脚接前面板1中“设置温度”LED的阴极LED1,开关S1的6脚接前面板1中“实际温度”LED的阴极LED2。0070实施例4本发明的温度取样电路40071如图4所示,温度取样电路4包括基准电源D2LM336_25V的3脚接集成运放U2BLM358的5脚,经电阻R851K接地,基准电源D2的2脚接正电。

34、源VCC,经电阻R724K接集成运放U2B的6脚,集成运放U2B的6脚接三极管M19012的发射极,经电容C5470P接集成运放U2B的7脚,集成运放U2B的7脚经电阻R91K接三极管M1的基极,三极管M1的集电极接集成运放U3ALM358的3脚,接端口“NTC”,即前面板1中“NTC说明书CN101950186ACN101950189A6/7页9输入”接口BNC的1脚,前面板1中“NTC输入”接口的2脚接地,集成运放U3A的2脚接集成运放U3A的输出端,接端口“REAL_T”,即显示驱动电路3中开关S1的3脚。0072实施例5本发明的PI控制电路50073如图5所示,PI控制电路5包括集成运。

35、放U3BLM358的5脚经电阻R12100K接地,集成运放U3B的5脚经电阻R11100K来自接温度取样电路4中的端口“REAL_T”,集成运放U3B的6脚经电阻R10100K接来自温度设置电路2中的端口“SET_T”,集成运放的6脚经电阻R13接集成运放U3B的7脚,集成运放U3B的7脚接端口“K_FULL”,即前面板1中“增益调节”电位器10K的满电阻端,“增益调节”电位器的零电阻端接地,可变电阻端“K_ADJ”接集成运放U4BLM358的5脚,集成运放U4B的6脚接U4B的7脚,经电阻R1510K接集成运放U5BLM358的6脚,集成运放U5B的5脚接地,集成运放U5B的6脚经电阻R16。

36、500K接集成运放U5B的7脚,集成运放U5B的7脚经电阻R1710K接端口“V_SUM”,集成运放U3B的7脚经电阻R141M接集成运放U4ALM358的2脚,集成运放U4A的3脚接地,集成运放U4A的2脚经电容C81U接集成运放U4A的1脚,集成运放U4A的1脚经电阻R18接端口“V_SUM”,端口“V_SUM”作为限流电路6的输入。0074实施例6本发明的限流电路60075如图6所示,限流电路6包括集成运放U5ALM358的3脚接地,集成运放U5A的2脚接来自PI控制电路5的输出信号“V_SUM”,经电阻R1910K接集成运放U5A的1脚,集成运放U5A的2脚接稳压二极管D351V的阳极。

37、,稳压二极管D3的阴极接稳压二极管D451V的阴极,稳压二极管D4的阳极接集成运放U5A的1脚,经电阻R2036K接端口“C_FULL”,即前面板1中“限流预置”电位器10K的满电阻端,“限流预置”电位器的零电阻端接地,可变电阻端接端口“C_LIMIT”,作为功率控制电路7的输入信号。0076实施例7本发明的功率控制电路70077如图7所示,功率控制电路7包括集成运放U6ALM358的3脚经电阻R2110K接端口“C_LIMIT”,端口“C_LIMIT”接前面板1中“限流预置”电位器10K的可变电阻端,集成运放U6A的2脚经电容C15047U接集成运放U6A的1脚,集成运放U6A的1脚接端口“。

38、H_LEFT”,经电容C16047U接地,集成运放U6A的1脚经电阻R23100K接集成运放U6BLM358的6脚,集成运放U6B的5脚接地,集成运放U6B的6脚经电阻R22100K接集成运放U6B的7脚,集成运放U6B的7脚接端口“H_RIGHT”,经电容C17047U接地,集成运放U7ALM358的2脚经电阻R28200K接地,集成运放U7A的2脚经电阻R2720K接来自功率输出电路8的信号“RS”,集成运放U7A的3脚经电阻R2620K接来自功率输出电路8的信号“RS”,集成运放U7A的3脚经电阻R25200K接集成运放U7A的1脚,集成运放U7A的1脚经电阻R2410K接集成运放U6A。

39、的2脚。0078实施例8本发明的功率输出电路80079如图8所示,功率输出电路8包括达林顿管Q1TIP132的2脚接正电源VCC,达林顿管Q1的1脚接达林顿管Q5TIP137的1脚,经电阻R3001K接来自功率控制电路7的控制信号“H_LEFT”,达林顿管Q5的2脚接负电源VEE,达林顿管Q2TIP132的2脚接正电源VCC,达林顿管Q2的1脚接达林顿管Q6TIP137的1脚,经电阻R2901K接来自功率控制电路7的控制信号“H_LEFT”,达林顿管Q6的2脚接负电源VEE,达林顿管Q1的3脚接达林顿管Q2的3脚,接达林顿管Q5的3脚,接达林顿管Q6的3脚,接端口“RS”,经说明书CN1019。

40、50186ACN101950189A7/7页10电阻RS01接端口“TEC”的1脚,端口“TEC”的1脚接端口“RS”,端口“TEC”即前面板1中的“TEC输出”接口BNC,达林顿管Q4TIP132的2脚接正电源VCC,达林顿管Q4的1脚接达林顿管Q8TIP137的1脚,经电阻R3201K接来自功率控制电路7的控制信号“H_RIGHT”,达林顿管Q8的2脚接负电源VEE,达林顿管Q3TIP132的2脚接正电源VCC,达林顿管Q3的1脚接达林顿管Q7TIP137的1脚,经电阻R3101K接来自功率控制电路7的控制信号“H_RIGHT”,达林顿管Q7的2脚接负电源VEE,达林顿管Q4的3脚接达林顿管Q3的3脚,接达林顿管Q8的3脚,接达林顿管Q7的3脚,接端口“TEC”的2脚。说明书CN101950186ACN101950189A1/6页11图1图2说明书附图CN101950186ACN101950189A2/6页12图3图4说明书附图CN101950186ACN101950189A3/6页13图5图6说明书附图CN101950186ACN101950189A4/6页14图7说明书附图CN101950186ACN101950189A5/6页15图8说明书附图CN101950186ACN101950189A6/6页16图9说明书附图CN101950186A。

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