基于热电制冷器的恒温电路设计

丁 林

(中国船舶重工集团750试验场,云南昆明,650000)

光电测量中，光敏元件对环境温度的稳定性要求极高，温度的变化会器件的输出特性发生改变，带来测量误差。为了稳定器件的输出特性，提高测量结果的准确性，通常采用温度控制电路来保证器件所处的环境拥有良好的温度稳定性。本文针对光电探测器G5852，使用其内部集成的热电制冷器（TEC）对光电探测器进行恒温控制，介绍了两种TEC的驱动电路，并对其恒温性能进行了测试。

1 热电制冷技术原理

热电制冷技术是基于Peltire效应的一种电制冷方法，当对热电制冷器加载直流电流时，热量就会从元件的一端流到另一端。此时，制冷器的一端温度就会降低，而另一端的温度就会同时上升，温度降低的一端被称为“冷端”，温度升高的一端被称为“热端”。而将两端加载的直流电流反向时，就可以改变热量流动的方向，将热量输送到另一端，冷端变热端，热端变冷端。TEC转移的热量与两端加载的电流大小成正比，但两者之间的关系并不是一个线性的关系。由于在一个热电制冷器上就可以同时实现制冷和加热两种功能，因此，热电制冷器可以用于精确的温度控制。

图1 热电制冷器控制原理图

2 基于LT1013的线性驱动电路

G5852采用的是负温度系数热敏电阻，即电阻阻值随着温度的上升而下降， TEC的驱动电流大小与制冷温度成反比。当温度变化时，电路通过比较电路将热敏电阻两端的电压与设定电压相比较，所得电压差值经过差分放大后，通过V/I转换电路驱动TEC工作，从而实现TEC的恒温控制。

2.1 温度设定

温度的设定通常有两种方法：一种是由单片机设定相对于某一温度的确定电压数字量，通过D/A转换为模拟量，通过单片机外挂的按键开关实现确定电压的增减；另一种则是采用电阻分压的方式直接设定温度值。两种方式各有优劣，电阻分压的方式相对较为简单，但调节精度不高，而单片机设定方式电路更为复杂，成本更高，但精度较好。因此采用电阻分压的方式进行温度的设定。

图2 温度设定电路

温度的设定电压由可变电阻R41跟R37分压确定；热敏电阻TR与R35串联，当NTC阻值发生变化时，NTC上的分压也将随之发生改变。此时LT1013作为电压跟随器使用，其目的是为了保证输出电压不受后级放大电路的影响。为了提高控制精度，将R35的阻值设定为5M，将电阻的变化量转换为微小的电压变化。

2.2 V/I转换电路

热电制冷器为电流驱动，因此需要将电压的变化转变为电流的变化。图3为V/I转换电路。

图3中Uout为设定电压与NTC反馈电压经差分放大之后的输出电压，为了建立Uout与TEC驱动电流的对应关系，通过V/I转换电路将电压的变化转换为电流的变化，即：

I=Uout/5

由于实验需要将温度设定在-25℃，意味着TEC需要较大的驱动电流，而其内阻仅有1Ω，大部分的功率将会消耗在功率管上，容易烧坏功率管。为了提高功率管的使用寿命，通过将TEC与4只并联的20Ω大功率电阻相串联，使部分功率消耗在大功率电阻上，减少功率管两端的压降。

3 基于ADN8830的PWM驱动电路

ADN8830是美国ADI公司生产的高性能单片集成式TEC控制器，驱动模式为半线性半PWM模式，即通过改变脉冲信号的占空比来控制输出电流的大小。其外围电路主要包括温度设定电路，PID补偿电路，频/相控制电路，TEC驱动电路四个部分。

3.1 温度设定电路

热敏电阻测温时常采用H桥电路结构，但H桥电路存在非线性误差，不利于精确控制，本文采用恒流源桥式电路结构。运算放大器LT1013与三极管构成Q5构成恒流源电路，当NTC的阻值变化ΔR时，NTC两端电压ΔV=IΔR，即ΔV随着ΔR线性变换。

图4 恒流源桥式电路

3.2 PID补偿电路

PID补偿电路是温度控制电路的关键，其性能的好坏直接决定了温度控制的精度。PID控制器由比例单元、积分单元和微分单元组成，数学模型为：

其中：Kp为比例系数，T1为积分时间常数，TD为微分时间常数。

ADN8830内部集成了低噪补偿放大器，通过TEMPCTL、COMPFB、COMPOUT三脚之间的电路构成了一个PID补偿电路。

3.3 频/相控制电路

ADN8830内部集成了振荡器，可以为PWM控制提供精准时钟，其频率由FREQ脚串联电阻决定，本电路采用官方给定参考值R=150K，频率为 1MHz。

3.4 TEC驱动电路

ADN8830使用的TEC驱动电路采用非对称输出模式，既减少了PWM纹波的影响，又提高了电源效率。P1与N1脚通过PWM模式驱动MOS管工作在开关状态，P2与N2脚通过线性模式驱动MOS管。

4 实验结果

4.1 线性驱动电路实验结果

实验时室温28.4℃，设定温度-25.0℃，该温度下NTC理论值为65kΩ，即设定电压为64.2mV。电路上电后用数字万用表测量NTC两端电压，每30s记录一次，数据如图5所示。

图5 NTC两端电压

由图5可以得知，经过约30s后电路达到稳定，电压值为57.5±1.2mV，通过电路参数计算可以得出NTC阻值为57.1kΩ～59.2kΩ。将热敏电阻值与器件手册相对比，获知温度波动范围约为-18.6℃～-19.6℃，稳定温度高于设定温度。这是因为设定温度远低于环境温度，受环境温度影响较大，从而提高了恒温电路稳定时的温度值。

4.2 PWM驱动电路实验结果

实验时室温27.8℃，设定温度-25.0℃，设定电压58.3mV。由ADN8830的TEMPOUT脚监测热敏电阻两端电压，每30s监测一次，20min内测量所得电压如图6所示。

图6 TEMPOUT管脚电压

由图6可以得知电路在90s左右达到稳定，电压51.7±0.9 mV。由于电路采用恒流源桥式电路，即R=U/I，其中I=2.5V/3×106Ω≈0.83mA。通过计算可以得知此时NTC阻值为61.2～63.4kΩ，与数据手册比对后得知此时探测器内部温度为-21.4～-21.9℃。

5 结论

介绍了基于LT1013和基于ADN8830两种常用的TEC温度控制电路，并对两种电路进行了简单的测试分析。将这两种电路应用在光电探测器G5852上，取得了较好的温度控制效果，减小了环境温度变化对探测器的影响，提高了测量精度。

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