CN101221450A - 仪器用恒温装置 - Google Patents
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Abstract
仪器用恒温装置集成了辅助开关电源、半桥开关电源、微控器、数字测温设备以及半导体制冷器，提升了整个仪器的工作效率。该装置包括辅助电源(1)、微控制器(2)、半桥式开关电源(3)、温度控制电路(4)、光耦反馈回路(5)；其中，辅助电源(1)的输出端分别接微控制器(2)、半桥式开关电源(3)、光耦反馈回路(5)，辅助电源(1)采用型号为“TOPSwitch－II”系列的三端隔离、反激式脉宽调制单片开关电源集成电路，微控制器(2)采用型号为“PIC16F877A”的微控制器电路，半桥式开关电源(3)采用型号为“SG3525”脉宽调制控制器和“IR2110”功率集成驱动芯片，温度控制电路(4)由四个场效应管组成。
Description
技术领域
本发明是一种用于恒温控制的装置，属于开关电源、温度控制技术领域。
背景技术
传统的温度控制***一般都包括供电***和温度控制***。在温度控制***里一般又分为控制制冷器工作的部分以及检测被控物体进行反馈控制的部分。这样电源的工作效率比较低。因为这样三个部分的结构，供电***往往只是起到一个提供电源的、输出能量的作用，而且电源只是在饱和状态下或截至状态下工作，温度的控制主要是靠控制制冷器工作的部分和检测被控物体进行反馈控制的部分来协调。这样电源将频繁的开启关闭，工作效率得不到提高。
在如今高效率的开关电源流行的情况下，将温控部分与供电的电源部分集成在一起，进一步提高了电源的效率，使整个电路的工作效率也得到了提高。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提供一种仪器用恒温装置，该装置集成了辅助开关电源、半桥开关电源、微控器、数字测温设备以及半导体制冷器，提升了整个仪器的工作效率。
技术方案：本发明的仪器用恒温装置包括辅助电源、微控制器、半桥式开关电源、温度控制电路、光耦反馈回路；其中，辅助电源的输出端分别接微控制器、半桥式开关电源、光耦反馈回路，其中辅助电源的电源公用端接半桥式开关电源的电源输入端，微控制器PWM控制输出端接半桥式开关电源的PWM控制接收端，微控制器的开关控制输出端接温度控制电路的开关控制输入端，半桥开关电源的大功率电压输出端接温度控制电路的大功率电压输入端，温度控制电路的电压检测输出端接光耦反馈回路的电压检测输入端，光耦反馈回路的反馈控制输出端接半桥式开关电源的反馈输入端。
辅助电源采用型号为“TOPSwitch-II”系列的三端隔离、反激式脉宽调制单片开关电源集成电路，微控制器采用型号为“PIC16F877A”的微控制器电路，半桥式开关电源采用型号为“SG3525”脉宽调制控制器和“IR2110”功率集成驱动芯片，温度控制电路由四个场效应管组成。
辅助电源中的开关电源集成电路的5V电压输出端接微控制器中微控制器电路的5V电压输入端，所述的辅助电源中的开关电源集成电路的15V电压输出端接半桥式开关电源中的15V电压第一输入端，所述的辅助电源中的开关电源集成电路的12V电压输出端和15V电压输出端接光耦反馈回路中的12V电压输入端和15V电压第二输入端。
辅助电源是基于三端隔离、反激式脉冲宽度调制器的双路输出的开关电源，辅助电源的反馈控制回路是从变压器次级输出端接第一二极管和第二二极管，再经过第一电阻，反馈到三端稳压器。
半桥式开关电源由脉宽调制控制器“SG3525”和功率集成驱动芯片“IR2110”以及两个大功率MOS开关管“IRFP460”组成，并且微控制器部分的PWM控制输出端直接控制半桥式开关电源的中的PWM控制接收端，通过由第一光耦、第二电阻和第三电阻、第一电容组成的反馈，送到脉宽调制控制器“SG3525”的关断引脚。
光耦反馈回路中，检测到的信号从温度控制电路的电压检测输出端送入电压检测输入端，经过由第四电阻、第五电阻、第六电阻、运放组成的比例放大器进行放后，经过第一三极管、第七电阻、第二光耦、第八电阻的调节后，从反馈控制输出端输出送入半桥式开关电源的反馈输入端。
有益效果：区别于传统温度控制中主要集中对温度控制电路的操作不同，本设计发明最显著的特点是电路的高度集成，主要体现在电源电路与温度控制电路通过反馈集成在一块。另外，微控制也可以通过PWM波直接控制电源的工作。具体的特点如下：
电路集成度高，将电源、控制电路、反馈电路、决策生成电路集成在一起。
反馈电路从温度控制电路中检测信号，直接反馈控制电源产生电路，使得电源输出为恒流源。
微控制器通过PWM直接控制电源产生电路，控制电源的工作来调控温度。
反馈部分、温度控制部分都是直接作用与电源产生电路，通过控制电源的工作，既使得温度控制电路在恒流下工作，有能调节、控制制冷器进行温度控制。
附图说明
图1是本发明的电路原理框图。
图2是辅助电源电路原理图。
图3是微控制器部分电路原理图。
图4是半桥开关电源电路原理图。
图5是温度控制电路电路原理图。
图6是光耦反馈电路原理图。
其中有：辅助电源1、微控制器2、半桥式开关电源3、温度控制电路4、光耦反馈回路5。
具体实施方式
辅助电源1：采用PI公司TOPSwitch-II系列的三端隔离、反激式脉宽调制单片开关电源集成电路，设计制作的电路的辅助电源。分别有12V和15V两路输出，其中15V输出的那路同时作为反馈。
这两路输出为别给控制电路(12V)和半桥开关电路电源工作电路(15V)供电。这个辅助电源的功率设计成10W左右。
另外，电路设计中控制部分与电源部分需要有效的隔离，也是这里将辅助电源设计成两路输出的原因。
微控制器2：微控器采用Microchip公司的PIC16F877A，工作电源由辅助电源的12V输出通过7805变换后提供。它主要负责提供按键、LED显示、与数字测温设备DS18b20通信采集实时温度大小、进行一定的算法的处理产生PWM波控制半桥开关电源的工作。
半桥式开关电源3：半桥开关电源的组成主要包括脉宽调制控制器SG3525，高压高速功率MOSFET驱动电路IR2110以及两个功率MOSFET开关管IRFP460。设计功率100W.
温度控制电路4：温度控制电路主要由四个场效应管组成，通过打开不同的管子变换电路中电流的流向，从而控制半导体制冷与制热。
反馈回路5：反馈部分通过采集检流电阻的电压，通过运放放大再经过光耦反馈到SG3525的反馈输入端。在运放与光耦之间用一个三极管衔接，这样可以通过调节运放反向输入端上的电阻的比例调节运放的放大倍数，从而可以调节半桥开关电源恒流输出的电流的大小。
辅助电源给电路板供电，可以根据需要调节反馈部分的运放的放大倍数，从而设定检流电阻两端的电压值。由于反馈控制直接作用于半桥式开关电源的脉宽调制控制器，从而直接控制半桥式电源的工作，是输出为恒流源，直接作用与半导体制冷器，使其在高效率下工作。
另外，微控器的PWM输出端也通过光耦直接控制于半桥开关电压的脉宽调制控制器的“关断”引脚，结合采集到的实时的温度变化，通过一定的PID算法控制电源的工作，从而对温度进行控制。
本发明的装置包括辅助电源1、微控制器2、半桥式开关电源3、温度控制电路4、光耦反馈回路5；其中，辅助电源1的输出端分别接微控制器2、半桥式开关电源3、光耦反馈回路5，其中辅助电源1的电源公用端1-2接半桥式开关电源1的电源输入端3-1，微控制器2PWM控制输出端2-2接半桥式开关电源3的PWM控制接收端3-4，微控制器2的开关控制输出端2-3接温度控制电路4的开关控制输入端4-2，半桥开关电源3的大功率电压输出端3-5接温度控制电路4的大功率电压输入端4-1，温度控制电路4的电压检测输出端4-3接光耦反馈回路5的电压检测输入端5-3，光耦反馈回路5的反馈控制输出端5-4接半桥式开关电源3的反馈输入端3-3。
于辅助电源1中的开关电源集成电路的5V电压输出端1-1接微控制器2中微控制器电路的5V电压输入端2-1，所述的辅助电源1中的开关电源集成电路的15V电压输出端1-3接半桥式开关电源3中的15V电压第一输入端3-2，所述的辅助电源1中的开关电源集成电路的12V电压输出端1-4和15V电压输出端1-3接光耦反馈回路5中的12V电压输入端5-2和15V电压第二输入端5-1。半桥式开关电源3由脉宽调制控制器“SG3525”和功率集成驱动芯片“IR2110”以及两个大功率MOS开关管“IRFP460”组成，并且微控制器2部分的PWM控制输出端2-2直接控制半桥式开关电源的3中的PWM控制接收端3-4，通过由第一光耦3-6、第二电阻3-7和第三电阻3-8、第一电容3-9组成的反馈，送到脉宽调制控制器“SG3525”的关断引脚3-10。光耦反馈回路5中，检测到的信号从温度控制电路4的电压检测输出端4-3送入电压检测输入端5-3，经过由第四电阻5-5、第五电阻5-6、第六电阻5-7、运放5-8组成的比例放大器进行放后，经过第一三极管5-9、第七电阻5-10、第二光耦(5-11)、第八电阻(5-12)的调节后，从反馈控制输出端5-4输出送入半桥式开关电源的反馈输入端3-3。
将反馈信号部分直接反馈到半桥开关电源，通过控制此开关电源的工作来控制制冷器的工作。另外，温度控制电路部分通过控制，使得给半导体制冷器的供电部分一直工作在恒流的状态下，通过PWM波调节控制的节奏。使得半导体制冷器的工作效率得到提高，同时提升了整个仪器的工作效率。
进行温度调节的主要部件是半导体制冷器帕尔帖，由于半导体的特性，这种制冷器工作在恒流情况下的效率最高。设计中将半桥开关电源、温度控制电路、反馈控制作为一个整体。在微控制器的统一决策下既能通过控制电路达到双向控温，又能保证电路工作在恒流状态下。电路的原理框图如图1。
电路直接接受220V的交流电，1是一个有两路输出的开关电源。功率较低，10W左右。2是微控制器部分，主要用来控制温控电路的工作以及人机交互。另外与3半桥开关电源部分有一接口，用来通过PWM控制半桥开关电源的工作。半桥开关电源3主要由脉宽调制控制器以及高压高速功率MOSFET驱动电路组成，并且通过检测4温度控制电路中的信号通过5反馈回3，达到协调统一控制的目的。4温度控制电路通过设计成双向桥，可以通过控制不同的开关的打开与关闭控制电流的流向，从而使半导体制冷器分别产生制冷制热功能。另外，功率部分与控制电路部分采用光电耦合电路隔开。
电路集成度高，将电源、控制电路、反馈电路、决策生成电路集成在一起。
反馈电路从温度控制电路中检测信号，直接反馈控制电源产生电路，使得电源输出为恒流源
微控制器通过PWM直接控制电源产生电路，控制电源的工作来调控温度。
反馈部分、温度控制部分都是直接作用与电源产生电路，通过控制电源的工作，既使得温度控制电路在恒流下工作，有能调节、控制制冷器进行温度控制。
Claims (6)
1.一种仪器用恒温装置，其特征在于该装置包括辅助电源(1)、微控制器(2)、半桥式开关电源(3)、温度控制电路(4)、光耦反馈回路(5)；其中，辅助电源(1)的输出端分别接微控制器(2)、半桥式开关电源(3)、光耦反馈回路(5)，其中辅助电源(1)的电源公用端(1-2)接半桥式开关电源(1)的电源输入端(3-1)，微控制器(2)PWM控制输出端(2-2)接半桥式开关电源(3)的PWM控制接收端(3-4)，微控制器(2)的开关控制输出端(2-3)接温度控制电路(4)的开关控制输入端(4-2)，半桥开关电源(3)的大功率电压输出端(3-5)接温度控制电路(4)的大功率电压输入端(4-1)，温度控制电路(4)的电压检测输出端(4-3)接光耦反馈回路(5)的电压检测输入端(5-3)，光耦反馈回路(5)的反馈控制输出端(5-4)接半桥式开关电源(3)的反馈输入端(3-3)。
2.根据权利要求1所述的仪器用恒温装置，其特征在于辅助电源(1)采用型号为“TOPSwitch-II”系列的三端隔离、反激式脉宽调制单片开关电源集成电路，微控制器(2)采用型号为“PIC16F877A”的微控制器电路，半桥式开关电源(3)采用型号为“SG3525”脉宽调制控制器和“IR2110”功率集成驱动芯片，温度控制电路(4)由四个场效应管组成。
3.根据权利要求2所述的仪器用恒温装置，其特征在于辅助电源(1)中的开关电源集成电路的5V电压输出端(1-1)接微控制器(2)中微控制器电路的5V电压输入端(2-1)，所述的辅助电源(1)中的开关电源集成电路的15V电压输出端(1-3)接半桥式开关电源(3)中的15V电压第一输入端(3-2)，所述的辅助电源(1)中的开关电源集成电路的12V电压输出端(1-4)和15V电压输出端(1-3)接光耦反馈回路(5)中的12V电压输入端(5-2)和15V电压第二输入端(5-1)。
4.根据权利要求2所述的仪用恒温装置，其特征在于辅助电源(1)是基于三端隔离、反激式脉冲宽度调制器的双路输出的开关电源，辅助电源(1)的反馈控制回路是从变压器次级输出端(1-5)接第一二极管(1-6)和第二二极管(1-7)，再经过第一电阻(1-8)，反馈到三端稳压器(1-9)。
5.根据权利要求2所述的仪器用恒温装置，其特征在于半桥式开关电源(3)由脉宽调制控制器“SG3525”和功率集成驱动芯片“IR2110”以及两个大功率MOS开关管“IRFP460”组成，并且微控制器(2)部分的PWM控制输出端(2-2)直接控制半桥式开关电源的(3)中的PWM控制接收端(3-4)，通过由第一光耦(3-6)、第二电阻(3-7)和第三电阻(3-8)、第一电容(3-9)组成的反馈，送到脉宽调制控制器“SG3525”的关断引脚(3-10)。
6.根据权利要求1所述的仪器用恒温装置，其特征在于光耦反馈回路(5)中，检测到的信号从温度控制电路(4)的电压检测输出端(4-3)送入电压检测输入端(5-3)，经过由第四电阻(5-5)、第五电阻(5-6)、第六电阻(5-7)、运放(5-8)组成的比例放大器进行放后，经过第一三极管(5-9)、第七电阻(5-10)、第二光耦(5-11)、第八电阻(5-12)的调节后，从反馈控制输出端(5-4)输出送入半桥式开关电源的反馈输入端(3-3)。
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