一种线性驱动 TEC 温控系统的设计

仪器研制与改进

项目来源：国家重大科学仪器设备开发专项(2013YQ140371)

一种线性驱动TEC温控系统的设计

何方洋蒋金锋刘平吴小胜

(北京勤邦生物技术有限公司，北京 102206)

摘要：设计了一种基于模拟控制技术的半导体制冷器(TEC)温控系统，具有响应速度快、精度高、效率高等优点，经过实验验证，该系统可在环境温度10~40℃范围内实现对孵育器的25℃控温，精度达到0.05℃，可满足化学发光免疫反应所需的条件。

关键词：模拟电路；PI调节器；TEC；温度控制

作者简介：何方洋，男，1969出生，高级研究员，博士，研究方向是食品安全检测技术研究，E-mail：qinbangjia@163.com。

DOI:10.3936/j.issn.1001-232x.2015.01.001

收稿日期：2014-08-12

基金项目：上海高校实验技术队伍建设计划(YJ0114205)，华东理工大学校级教改项目(YJ0126112)，华东理工大学网络教育研究项目(WJY2014012)

Design of a linear driving TEC temperature control system.HeFangyang,JiangJinfeng,LiuPing,WuXiaosheng(BeijingKwinbonBiotechnologyCo.，Ltd.,Beijing102206,China)

Abstract:In this paper, we introduce a temperature control system based on analog control technology. This system has the advantage of fast response, high accuracy and high efficiency. Experiments reveale that the system can successfully control the temperature of incubator to the target temperature of 25℃ when ambient temperature is 10-40℃. With the temperature accuracy of 0.05℃, the system can satisfy the requirement of chemiluminescence immunoreaction.

Key words：analog circuit; PI regulator; TEC; temperature control

1引言

化学发光免疫反应是在一定的温度环境下进行的，反应温度的高低及稳定性直接决定化学发光免疫分析结果的准确性，因此，恒温孵育器是全自动化学发光免疫分析仪器的核心模块之一。免疫反应所需的温度因试剂而异，目前在医学诊断领域广泛使用的化学发光试剂，普遍使用的孵育温度是37℃左右，温控系统只需完成单向的加热功能，我公司开发的化学发光检测试剂主要用于食品安全领域，孵育温度为25℃，因实际环境温度有可能高于也可能低于25℃，所以温控系统需设计成既可加热又可制冷的双向控温系统。此外，传统的温控器一般采用数字控制技术，用A/D对温度信号进行采集，PWM驱动功率器件输出[1]，存在容易产生高频干扰、精度低、影响TEC使用寿命等缺陷，本论文阐述了一套采用模拟电路做温度控制系统调节器的方案，采用该技术设计的温控器具有控温精准、稳定可靠、效率高等优点，目前已得到成功应用。

2系统组成及工作原理

如图1所示，温控系统主要由温度传感器、温控电路、电子制冷片、散热器等组成。传感器采用的是正温度系数PT100铂电阻，温控电路包括温度检测电路、差分放大电路、PID(比例、积分、微分)补偿网络、功率驱动电路等，电子制冷片夹在温控对象和散热器之间，散热器包括铝合金散热片和风扇。

图1　系统组成

整个系统的控温原理是：温度检测电路把PT100阻值的变化转换成代表控温对象实际温度的电压信号。设置温度电压是一个外部参考电压值，代表的是目标温度，设置温度电压和实际温度电压经过差分放大电路后得到的是误差电压，再经过补偿网络(包含比例、积分环节)，补偿网络的输出结果控制H桥驱动电路，H桥通过对电流和电压的实时采样，能同时控制TEC(半导体致冷器)电流的大小和方向以及所需的电源电压：当控温对象温度低于设置温度时，H桥驱动TEC进行加热，当控温对象温度高于设置温度时，H桥驱动TEC加热功率减小甚至电流换向进行制冷操作，当系统达到热平衡后，TEC的工作电流的大小和方向也基本趋于稳定。

3制冷片的选取

由于化学发光免疫反应要求的反应温度为25℃，而环境温度有可能低于也可能高于25℃，所以选择基于Peltier效应的TEC半导体制冷片正好可满足系统的加热制冷的双向控温需求[2]。

恒温装置内安装多片半导体制冷片，根据反应床的材质及尺寸大小，结合系统对升降温速度的要求，我们最终选择型号为TEC-12705的制冷片，具体规格参数如表1。

表1　制冷片TEC-12705参数

制冷片最终数量的确定，需要做热分析与计算。孵育器上电后需经过一段时间的预热，等温度达到25℃才可正常使用，根据升降温速度2℃/min的要求，假定室温为35℃，经过5分钟孵育器温度可降到25℃。

根据热能计算公式：

Q=c×m×Δt

(1)

公式(1)中，Q为放出或吸收的热量(单位J)，c是物质的比热容(单位J/kg·℃)，m是物质的质量(单位kg)，Δt是温度的变化量(单位℃)。

孵育模块采用铝合金材料，其比热容c为880J/kg·℃，模块孵育部分的重量m为2kg，温度变化量Δt为10℃，把以上值代入公式计算可得到：Q= 17600J。

根据热量和功率换算公式：

(2)

公式(2)中，P为热功率(单位W)，T为时间(单位s)。

把(1)式计算得到的Q及时间5min即300s代入(2)式，计算得到P= 8.7W。单个制冷片的最大制冷功率46.5W，所以最终采用2片TEC-12705串联，最大制冷功率为93 W，相比计算得出的58.7W，留有很大的余量，满足设计要求。

4系统硬件设计

4.1　供电设计

系统的电源通过一个DC15V/10A的开关电源得到，经LM7812芯片得到+12V，+12V再经电荷泵芯片ICL7662产生-12V，±12V主要供给运算放大器及外围电路使用。+15V经过LM2576芯片输出一动态调整的电源，提供给2片串联起来的制冷片使用，通过电压反馈，工作时功率驱动电路中的IRF540漏极和栅极两端电压会保持在0.8V(LM2576内部参考电压1.23V减去二极管正向压降)左右，有效的解决了功率器件过热，电源效率低的问题图2。

图2　供电电路原理图

4.2　温度检测电路设计

温度检测电路负责把PT100随温度变化的阻值转换成电压信号，如图3所示，采用的是经典的惠更斯直流电桥[3]，TL431的作用是产生固定的参考电压VREF，此电路后面接的运算放大器，同时起到100倍增益放大和阻抗变换的效果，测温电路输出的信号命名为TEMP_SIG。

图3　温度检测电路原理图

4.3　差分放大电路设计

差分放大电路的作用是把温度设定信号TEMP_SET和实测的温度信号TEMP_SIG做减法运算，得到误差信号TEMP_ERR，采用的是以下的差分放大电路，TEMP_ERR信号代表实际温度和设定温度的偏离程度。

TEMP_SET通过电位器调节得到，具体的电压值可通过以下方法得到：把PT100在25℃对应的阻值109.73Ω，代入图3的测温电路，得出的输出信号即为TEMP_SET，电路原理图见图4。

图4　差分放大电路原理图

4.4　比例积分电路设计

如图5所示，比例积分电路包括比例放大、积分和加法3个基本电路的组合，经过此环节，TEMP_ERR信号转换成PI_SIG信号，比例和积分常数通过反复的实验确定下来。

图5　比例积分电路原理图

4.5　恒流驱动电路设计

图6为恒流驱动电路，把PI_SIG转换成GDS+和GDS-信号来控制TEC制冷片的工作电流大小和方向。Is+和Is-信号是来自后面功率驱动电路的制冷片电流采样信号。

图6　恒流驱动电路原理图

4.6　功率驱动电路设计

功率驱动电路使用了IRF4905、IRF540和MTP3055各2个，搭了一个H桥[4]，此电路通过采样得到的Is+和Is-，和图2~图5的输出电流调整电路形成一个闭环控制回路，以恒流方式驱动半导体制冷片工作；通过的TEC+，TEC-信号反馈到图2中的供电电路，使得制冷片驱动电压TEC_PWR动态变化，减少了功率管的发热，提升了电源效率(图7)。

图7　功率驱动电路原理图

5结束语

提出了一种基于TEC的高精度温控系统，采用模拟电路进行设计，通过对工作电流和功率管电压的反馈，实现了线性、高效、高精度的控温，可满足化学发光免疫试剂对反应条件的要求，在生物、医学、工业控制等领域也具有广泛的应用前景。

参考文献

[1]黄岳巍,崔瑞祯,巩马理,陈刚. 基于TEC的大功率LD恒温控制系统的研究. 红外与激光工程，2006，(35)：143-147.

[2]刘繁明,赵亚凤. 一种新型的基于TEC的精密温控器设计. 中国惯性技术学报，2004，(12)：61-64.

[3]王博钰,贾文超. 基于半导体制冷器的激光器温度控制系统.长春工业大学学报(自然科学版)，2010，(31)：345-350.

[4]张华,龚义建. 一种微型高精度PWM温度控制器的设计. 光学与光电技术，2004，(2)：29-31.