基于熱電制冷器的恒溫電路設計

丁 林

(中國船舶重工集團750試驗場,云南昆明,650000)

光電測量中，光敏元件對環境溫度的穩定性要求極高，溫度的變化會器件的輸出特性發生改變，帶來測量誤差。為了穩定器件的輸出特性，提高測量結果的準確性，通常采用溫度控制電路來保證器件所處的環境擁有良好的溫度穩定性。本文針對光電探測器G5852，使用其內部集成的熱電制冷器（TEC）對光電探測器進行恒溫控制，介紹了兩種TEC的驅動電路，并對其恒溫性能進行了測試。

1 熱電制冷技術原理

熱電制冷技術是基于Peltire效應的一種電制冷方法，當對熱電制冷器加載直流電流時，熱量就會從元件的一端流到另一端。此時，制冷器的一端溫度就會降低，而另一端的溫度就會同時上升，溫度降低的一端被稱為“冷端”，溫度升高的一端被稱為“熱端”。而將兩端加載的直流電流反向時，就可以改變熱量流動的方向，將熱量輸送到另一端，冷端變熱端，熱端變冷端。TEC轉移的熱量與兩端加載的電流大小成正比，但兩者之間的關系并不是一個線性的關系。由于在一個熱電制冷器上就可以同時實現制冷和加熱兩種功能，因此，熱電制冷器可以用于精確的溫度控制。

圖1 熱電制冷器控制原理圖

2 基于LT1013的線性驅動電路

G5852采用的是負溫度系數熱敏電阻，即電阻阻值隨著溫度的上升而下降， TEC的驅動電流大小與制冷溫度成反比。當溫度變化時，電路通過比較電路將熱敏電阻兩端的電壓與設定電壓相比較，所得電壓差值經過差分放大后，通過V/I轉換電路驅動TEC工作，從而實現TEC的恒溫控制。

2.1 溫度設定

溫度的設定通常有兩種方法：一種是由單片機設定相對于某一溫度的確定電壓數字量，通過D/A轉換為模擬量，通過單片機外掛的按鍵開關實現確定電壓的增減；另一種則是采用電阻分壓的方式直接設定溫度值。兩種方式各有優劣，電阻分壓的方式相對較為簡單，但調節精度不高，而單片機設定方式電路更為復雜，成本更高，但精度較好。因此采用電阻分壓的方式進行溫度的設定。

圖2 溫度設定電路

溫度的設定電壓由可變電阻R41跟R37分壓確定；熱敏電阻TR與R35串聯，當NTC阻值發生變化時，NTC上的分壓也將隨之發生改變。此時LT1013作為電壓跟隨器使用，其目的是為了保證輸出電壓不受后級放大電路的影響。為了提高控制精度，將R35的阻值設定為5M，將電阻的變化量轉換為微小的電壓變化。

2.2 V/I轉換電路

熱電制冷器為電流驅動，因此需要將電壓的變化轉變為電流的變化。圖3為V/I轉換電路。

圖3中Uout為設定電壓與NTC反饋電壓經差分放大之后的輸出電壓，為了建立Uout與TEC驅動電流的對應關系，通過V/I轉換電路將電壓的變化轉換為電流的變化，即：

I=Uout/5

由于實驗需要將溫度設定在-25℃，意味著TEC需要較大的驅動電流，而其內阻僅有1Ω，大部分的功率將會消耗在功率管上，容易燒壞功率管。為了提高功率管的使用壽命，通過將TEC與4只并聯的20Ω大功率電阻相串聯，使部分功率消耗在大功率電阻上，減少功率管兩端的壓降。

3 基于ADN8830的PWM驅動電路

ADN8830是美國ADI公司生產的高性能單片集成式TEC控制器，驅動模式為半線性半PWM模式，即通過改變脈沖信號的占空比來控制輸出電流的大小。其外圍電路主要包括溫度設定電路，PID補償電路，頻/相控制電路，TEC驅動電路四個部分。

3.1 溫度設定電路

熱敏電阻測溫時常采用H橋電路結構，但H橋電路存在非線性誤差，不利于精確控制，本文采用恒流源橋式電路結構。運算放大器LT1013與三極管構成Q5構成恒流源電路，當NTC的阻值變化ΔR時，NTC兩端電壓ΔV=IΔR，即ΔV隨著ΔR線性變換。

圖4 恒流源橋式電路

3.2 PID補償電路

PID補償電路是溫度控制電路的關鍵，其性能的好壞直接決定了溫度控制的精度。PID控制器由比例單元、積分單元和微分單元組成，數學模型為：

其中：Kp為比例系數，T1為積分時間常數，TD為微分時間常數。

ADN8830內部集成了低噪補償放大器，通過TEMPCTL、COMPFB、COMPOUT三腳之間的電路構成了一個PID補償電路。

3.3 頻/相控制電路

ADN8830內部集成了振蕩器，可以為PWM控制提供精準時鐘，其頻率由FREQ腳串聯電阻決定，本電路采用官方給定參考值R=150K，頻率為 1MHz。

3.4 TEC驅動電路

ADN8830使用的TEC驅動電路采用非對稱輸出模式，既減少了PWM紋波的影響，又提高了電源效率。P1與N1腳通過PWM模式驅動MOS管工作在開關狀態，P2與N2腳通過線性模式驅動MOS管。

4 實驗結果

4.1 線性驅動電路實驗結果

實驗時室溫28.4℃，設定溫度-25.0℃，該溫度下NTC理論值為65kΩ，即設定電壓為64.2mV。電路上電后用數字萬用表測量NTC兩端電壓，每30s記錄一次，數據如圖5所示。

圖5 NTC兩端電壓

由圖5可以得知，經過約30s后電路達到穩定，電壓值為57.5±1.2mV，通過電路參數計算可以得出NTC阻值為57.1kΩ～59.2kΩ。將熱敏電阻值與器件手冊相對比，獲知溫度波動范圍約為-18.6℃～-19.6℃，穩定溫度高于設定溫度。這是因為設定溫度遠低于環境溫度，受環境溫度影響較大，從而提高了恒溫電路穩定時的溫度值。

4.2 PWM驅動電路實驗結果

實驗時室溫27.8℃，設定溫度-25.0℃，設定電壓58.3mV。由ADN8830的TEMPOUT腳監測熱敏電阻兩端電壓，每30s監測一次，20min內測量所得電壓如圖6所示。

圖6 TEMPOUT管腳電壓

由圖6可以得知電路在90s左右達到穩定，電壓51.7±0.9 mV。由于電路采用恒流源橋式電路，即R=U/I，其中I=2.5V/3×106Ω≈0.83mA。通過計算可以得知此時NTC阻值為61.2～63.4kΩ，與數據手冊比對后得知此時探測器內部溫度為-21.4～-21.9℃。

5 結論

介紹了基于LT1013和基于ADN8830兩種常用的TEC溫度控制電路，并對兩種電路進行了簡單的測試分析。將這兩種電路應用在光電探測器G5852上，取得了較好的溫度控制效果，減小了環境溫度變化對探測器的影響，提高了測量精度。

[1]胡楊,張亞軍,于錦泉.用于半導體激光器的溫控電路設計[J].紅外與激光工程, 2010, 39(5):839-842.

[2]周帥,張彤,崔一平.一種TEC溫度控制模塊的電路設計與仿真[J].電子器件,2008,31(5):1591-1594.

[3]殷智勇,汪岳峰,李剛等.基于熱電制冷的高性能溫控系統設計[J].計算機測量與控制, 2010, 18(6):1296-1297,1306.