CN108255211B - 一种tec制冷装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及制冷技术领域，具体公开一种TEC制冷装置，包括PID信号输出电路、差分电路、三角波发生器、PWM信号生成电路、H桥前臂电路、H桥后臂电路、TEC制冷电路；PID信号输出电路输出信号给差分电路，差分电路输出信号给PWM信号生成电路；三角波发生器输出三角波信号给所述PWM信号生成电路；PWM信号生成电路根据三角波发生器输出的三角波信号及差分电路输出的信号，输出PWM信号，并分别发送给H桥前臂电路及H桥后臂电路，TEC制冷电路正极与H桥前臂电路连接，TEC制冷电路负极与所述H桥后臂电路连接。本发明改善了电压调节的线性度差的难题，TEC工作在零点状态时，比较平稳，TEC工作电压只与设定值有关，与波动值无关。

Description

一种TEC制冷装置
技术领域
本发明涉及制冷技术领域，特别涉及一种TEC制冷装置。
背景技术
制冷技术在激光器中是至关重要的。激光器中激光晶体控温精度较高，需要制冷的精度也很高。
目前制冷技术有水冷、气冷和电制冷，本专利技术讨论为电制冷(TEC电制冷)技术。
半导体致冷器(Thermo Electric Cooler)是利用半导体材料的珀尔帖效应制成的。所谓珀尔帖效应，是指当直流电流通过两种半导体材料组成的电偶时，其一端吸热，一端放热的现象。重掺杂的N型和P型的碲化铋主要用作TEC的半导体材料，碲化铋元件采用电串联，并且是并行发热。TEC包括一些P型和N型对(组)，它们通过电极连在一起，并且夹在两个陶瓷电极之间；当有电流从TEC流过时，电流产生的热量会从TEC的一侧传到另一侧，在TEC上产生″热″侧和″冷″侧，这就是TEC的加热与致冷原理。
电制冷(TEC电制冷)技术通常的操作环境为，设置值设定后，根据温度采集值进行误差分析，得到温度偏差ΔT，PID算法根据ΔT计算出TEC驱动值(电压)，TEC驱动根据驱动值提供驱动电压和驱动方向，其中PID算法分为模拟和数字PID算法，目前比较常用的是数字PID算法，本发明专利中以此为数据驱动。数字PID算法一般为TEC驱动提供两路信号，一路为PWM(脉宽调制模式简称)信号，主要功能是控制TEC工作电压大小，决定了制冷***功率大小；另外一路是方向控制信号，控制TEC工作电压的方向，决定制冷***是工作在制冷状态还是加热状态。
请参阅图1，传统TEC驱动技术：制冷***关系到激光器工作稳定性，传统的作用采用H型桥控制TEC制冷，H桥作用是调电压方向，通过调整H型电压直至为0V，控制温度目标值与实际温度值之间的吻合关系直接关系到控温***的稳定性。H型控温办法线性度很差，导致电压波动，从而直接影响控温***的稳定性。具体如下图2所示。其工作流程为：当“方向控制信号”为1时，U1A使能，U1B一直输入为0，致使Q2和Q3一直处于关断状态，Q1和Q4执行QWM输出，电流从Q1经过L1再经过TEC+——Tec-——L2——Q4——GND，TEC处于制冷状态，制冷功率由PWM的占空比(D)决定；当方向状态信号为0时，U1A处于关断状态，U1B使能，致使Q1和Q4一直处于关断状态，Q2和Q3执行QWM输出，电流从Q3经过L2再经过TEC-——Tec+——L1——Q2——GND，TEC处于加热状态，制冷功率由PWM的占空比(D)决定。
传统TEC驱动技术的缺点：TEC工作电压在0附近时，方向信号频繁变动，给电控带来很大的不稳定；TEC工作电压除了受占空比控制外，还受到供电电压Vcc电压波动而波动。
发明内容
本发明旨在克服现有TEC制冷驱动技术的缺陷，增强稳定性，提供一种TEC制冷装置。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供一种TEC制冷装置，包括PID信号输出电路、差分电路、三角波发生器、PWM信号生成电路、H桥前臂电路、H桥后臂电路、TEC制冷电路；
所述PID信号输出电路输出信号给所述差分电路，所述差分电路输出信号给所述PWM信号生成电路；
所述三角波发生器输出三角波信号给所述PWM信号生成电路；
所述PWM信号生成电路根据所述三角波发生器输出的三角波信号及所述差分电路输出的信号，输出PWM信号，并分别发送给所述H桥前臂电路及H桥后臂电路，所述TEC制冷电路正极与所述H桥前臂电路连接，所述TEC制冷电路负极与所述H桥后臂电路连接；
所述三角波发生器、所述PWM信号生成电路、所述H桥前臂电路及所述H桥后臂电路的输入电压为VCC；所述差分电路输入电压为
Figure GDA0001603850700000031
基准电压为
Figure GDA0001603850700000032
所述TEC制冷电路电压UTEC为：
Figure GDA0001603850700000033
其中，A为所述差分电路的放大倍数。
一些实施例中，所述PID信号输出电路为数字PID信号输出电路，所述数字PID信号输出电路通过DA芯片输出模拟信号。
一些实施例中，所述PID信号输出电路的输出电压VPID为
Figure GDA0001603850700000034
时，所述H桥前臂电压U前为
Figure GDA0001603850700000035
所述H桥后臂电压U后为
Figure GDA0001603850700000036
所述TEC制冷电路电压UTEC为：
Figure GDA0001603850700000037
所述PID信号输出电路的输出电压VPID大于
Figure GDA0001603850700000038
时，所述TEC制冷电路电压UTEC为正值，所述TEC制冷电路处于制冷状态；
所述PID信号输出电路的输出电压VPID小于
Figure GDA0001603850700000039
时，所述TEC制冷电路电压UTEC为负值，所述TEC制冷电路处于加热状态。
一些实施例中，差分电路包括第一运算放大器，所述第一运算放大器的正极分别通过第一电阻与PID信号输出电路连接、通过第二电阻与1/2Vcc输入电源连接；所述第一运算放大器的负极分别通过第三电阻与1/2Vref基准电压连接、通过第四电阻与所述第一运算放大器输出端连接。
一些实施例中，所述三角波发生器包括第二运算放大器，以及与所述第二运算放大器连接的RC积分电路构成；
所述第二运算放大器正极通过第五电阻与Vcc输入电压连接，还通过所述第七电阻接地；所述第二运算放大器输出端通过所述第八电阻与所述Vcc输入电压连接，所述第二运算放大器正极与所述第二运算放大器输出端之间通过第六电阻连接；
所述第二运算放大器负极通过第九电阻与所述第二运算放大器的输出端连接，所述第二运算放大器负极与所述PWM信号生成电路连接，所述第二运算放大器负极还与第一电容一端连接，所述第一电容另一端接地；
所述第五电阻、所述第六电阻及所述第七电阻的值相等且远远大于第八电阻的值。
一些实施例中，所述PWM信号生成电路为第三运算放大器，所述第三运算放大器正极与所述第一运算放大器的输出端连接，所述第三运算放大器的负极与所述第二运算放大器的负极连接，所述第三运算放大器的输出端分别与所述H桥前臂电路、所述H桥后臂电路输入端连接。
一些实施例中，所述H桥前臂电路包括两个并联的第四放大器及第五放大器，所述第四放大器输出端与第一CMOS管输入端连接，所述第五放大器输出端与第二CMOS管栅极连接，所述第一CMOS管的源极与所述第二CMOS管的漏极连接，所述第一CMOS管的漏极连接输入电压VCC，所述第二CMOS管的源极接地，所述第一CMOS管源极与所述第二CMOS管漏极之间连接有第一LC电路，所述第一LC电路与所述TEC制冷电路阳极连接。
一些实施例中，所述H桥后臂电路包括两个并联的第六放大器及第七放大器，所述第六放大器输出端与第三CMOS管输入端连接，所述第七放大器输出端与第四CMOS管栅极连接，所述第三CMOS管的源极与所述第四CMOS管的漏极连接，所述第一CMOS管的漏极连接输入电压VCC，所述第四CMOS管的源极接地，所述第三CMOS管源极与所述第四CMOS管漏极之间连接有第二LC电路，所述第二LC电路与所述TEC制冷电路阴极连接。
本发明的有益效果在于：利用新型的双月型控温***调制办法，改善了电压调节的线性度差的难题；TEC工作零点1/2Vcc处，当TEC工作在零点状态时，比较平稳，TEC工作电压只与设定值有关，而与波动值无关，因此，可以根据软件方便设定TEC最大工作电压。
附图说明
图1示出传统TEC制冷装置的电路图。
图2为根据本发明一个实施例的TEC制冷装置的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
本发明利用新型的双月型控温***调制办法，改善电压调节的线性度差的难题，通过正向和反向调节电压，共有4个管子(每一个弯路上有2个管子，两个弯月形通路有4个管子)分布在4个象限中，通过线性调整输出电压值，设定弯月形两段电压为Vc，通过能够单独控制各自管子电压在0-1/2Vc之间线性变化，能够精确对准调整线性度，从而在弯月形中间实现稳定的0V，电压控制稳定度几乎可以忽略不计。
首先参考图2，示出根据本发明一个实施例的TEC制冷装置的结构示意图。本发明的TEC制冷装置包括PID信号输出电路、差分电路、三角波发生器、PWM信号生成电路、H桥前臂电路、H桥后臂电路、TEC制冷电路；
PID信号输出电路输出信号给差分电路，差分电路输出信号给PWM信号生成电路；
三角波发生器输出三角波信号给所述PWM信号生成电路；
PWM信号生成电路根据三角波发生器输出的三角波信号及所述差分电路输出的信号，输出PWM信号，并分别发送给所述H桥前臂电路及H桥后臂电路，所述TEC制冷电路正极与所述H桥前臂电路连接，所述TEC制冷电路负极与所述H桥后臂电路连接。
三角波发生器、PWM信号生成电路、H桥前臂电路及H桥后臂电路的输入电压为VCC；差分电路输入电压为
Figure GDA0001603850700000051
基准电压为
Figure GDA0001603850700000052
所述TEC制冷电路电压UTEC为：
Figure GDA0001603850700000061
其中，A为所述差分电路的放大倍数。
差分电路包括第一运算放大器，所述第一运算放大器的正极分别通过第一电阻R1与PID信号输出电路连接、通过第二电阻R2与1/2Vcc输入电源连接；所述第一运算放大器的负极分别通过第三电阻R3与1/2Vref基准电压连接、通过第四电阻R4与所述第一运算放大器输出端连接。
具体地，结合图2，本发明的三角波发生器包括第二运算放大器U2B，以及与所述第二运算放大器U2B连接的RC积分电路构成；
第二运算放大器U2B正极通过第五电阻R5与Vcc输入电压连接，还通过所述第七电阻R7接地；第二运算放大器U2B输出端通过第八电阻R8与Vcc输入电压连接，所述第二运算放大器U2B正极与第二运算放大器U2B输出端之间通过第六电阻R6连接。
第二运算放大器U2B负极通过第九电阻R9与第二运算放大器U2B的输出端连接，第二运算放大器U2B负极与PWM信号生成电路连接，第二运算放大器U2B负极还与第一电容C1一端连接，第一电容C1另一端接地；
第五电阻R5、第六电阻R6及第七电阻R7的值远远大于第八电阻R8的值。
PWM信号生成电路为第三运算放大器U3B，第三运算放大器U3B正极与第一运算放大器U1B的输出端连接，第三运算放大器U3B的负极与第二运算放大器U2B的负极连接，第三运算放大器U3B的输出端分别与H桥前臂电路、H桥后臂电路输入端连接。
H桥前臂电路包括两个并联的第四放大器U4A及第五放大器U5C，第四放大器U4A输出端与第一CMOS管Q1输入端连接，第五放大器U5C输出端与第二CMOS管Q2栅极连接，第一CMOS管Q1的源极与所述第二CMOS管Q2的漏极连接，第一CMOS管Q1的漏极连接输入电压VCC，第二CMOS管Q2的源极接地，第一CMOS管Q1源极与第二CMOS管Q2漏极之间连接有第一LC电路，第一LC电路与TEC制冷电路正极连接。
H桥后臂电路包括两个并联的第六放大器U6C及第七放大器U7A，所述第六放大器U6C输出端与第三CMOS管Q3输入端连接，所述第七放大器U7A输出端与第四CMOS管栅极连接，所述第三CMOS管Q3的源极与所述第四CMOS管Q4的漏极连接，所述第一CMOS管Q1的漏极连接输入电压VCC，所述第四CMOS管Q4的源极接地，所述第三CMOS管Q3源极与所述第四CMOS管Q4漏极之间连接有第二LC电路，所述第二LC电路与所述TEC制冷电路阴极连接。
本发明的工作条件为：将数字PID信号用DA芯片输出模拟信号。
具体的工作流程为：DA芯片输出的模拟信号经过图中A点的差分电路使DA输出1/2Vref与1/2Vcc重合，A部分输出电压为线性调节，B部分是三角波发生器，定义第五电阻R5、第六电阻R6及第七电阻R7的值远远大于第八电阻R8的值相等且远远大于R8，使三角波B部分的输出波形。A点放大倍数为R2/R1，在本发明的一个实施例中，使A点的放大倍数不大于2/3Vcc，最小值不小于1/3Vcc，将A信号和B信号进行比较后产生PWM信号(C点)。C点信号经过U4A和U5C使H桥前臂(Q1，Q2)产生输出电压，输出电压大小为U1＝Vcc*D；C点信号经过U6C和U7A使H桥后臂(Q3，Q4)产生输出电压，输出电压大小为U2＝Vcc*(1-D)，则TEC的电压Utec＝U1-U2＝Vcc*D-Vcc*(1-D)＝2Vcc(2D-1)。
本发明具体的计算过程为：
a.如果PID信号输出电路的输出电压为
Figure GDA0001603850700000071
那么H桥前臂电路的电压U前为
Figure GDA0001603850700000072
后臂电压也为
Figure GDA0001603850700000073
Figure GDA0001603850700000074
b.如果PID输出电压大于
Figure GDA0001603850700000075
那么A点电压为：
Figure GDA0001603850700000076
(A为电路放大倍数)
B点的占空比D为：
Figure GDA0001603850700000077
那么H桥前臂电路的输出电压U前为：
Figure GDA0001603850700000081
H桥后臂电路的输出电压U后为：
Figure GDA0001603850700000082
TEC的驱动电压为：
Figure GDA0001603850700000083
c.如果PID输出电压小于
Figure GDA0001603850700000084
根据上面的计算，同样得出：
Figure GDA0001603850700000085
Figure GDA0001603850700000086
为负值，则UTEC的驱动电压为负值，TEC处于加热状态。同时，TEC的驱动电压只与PID信号输出电路的输出电压UPID和电路中的放大倍数A有关，与供电电压VCC无关。当供电发生波动时，TEC驱动电压不会波动。同样，只要限制VPID电压，也就限制了TEC驱动电压的最大值。
本发明的有益效果：TEC工作零点1/2Vcc处，当TEC工作在零点状态时，比较平稳，TEC工作电压只与设定值有关，而与波动值无关，因此，可以根据软件方便设定TEC最大工作电压
以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种TEC制冷装置，其特征在于：包括PID信号输出电路、差分电路、三角波发生器、PWM信号生成电路、H桥前臂电路、H桥后臂电路、TEC制冷电路；
所述PID信号输出电路输出信号给所述差分电路，所述差分电路输出信号给所述PWM信号生成电路；
所述三角波发生器输出三角波信号给所述PWM信号生成电路；
所述PWM信号生成电路根据所述三角波发生器输出的三角波信号及所述差分电路输出的信号，输出PWM信号，并分别发送给所述H桥前臂电路及H桥后臂电路，所述TEC制冷电路正极与所述H桥前臂电路连接，所述TEC制冷电路负极与所述H桥后臂电路连接；
所述三角波发生器、所述PWM信号生成电路、所述H桥前臂电路及所述H桥后臂电路的输入电压为VCC；所述差分电路输入电压为
Figure FDA0002581034130000011
基准电压为
Figure FDA0002581034130000012
差分电路的输出电压为VA：
Figure FDA0002581034130000013
三角波发生器输出的占空比D为：
Figure FDA0002581034130000014
H桥前臂电路的输出电压U前为：
Figure FDA0002581034130000021
H桥后臂电路的输出电压U后为：
Figure FDA0002581034130000022
所述TEC制冷电路电压UTEC为：
Figure FDA0002581034130000023
其中，A为所述差分电路的放大倍数。
2.如权利要求1所述的TEC制冷装置，其特征在于：所述PID信号输出电路为数字PID信号输出电路，所述数字PID信号输出电路通过DA芯片输出模拟信号。
3.如权利要求1所述的TEC制冷装置，其特征在于：
所述PID信号输出电路的输出电压VPID为
Figure FDA0002581034130000024
时，所述H桥前臂电压U前为
Figure FDA0002581034130000025
所述H桥后臂电压U后为
Figure FDA0002581034130000026
所述TEC制冷电路电压UTEC为：
Figure FDA0002581034130000027
所述PID信号输出电路的输出电压VPID大于
Figure FDA0002581034130000028
时，所述TEC制冷电路电压UTEC为正值，所述TEC制冷电路处于制冷状态；
所述PID信号输出电路的输出电压VPID小于
Figure FDA0002581034130000029
时，所述TEC制冷电路电压UTEC为负值，所述TEC制冷电路处于加热状态。
4.如权利要求1所述的TEC制冷装置，其特征在于：差分电路包括第一运算放大器，所述第一运算放大器的正极分别通过第一电阻与PID信号输出电路连接、通过第二电阻与1/2Vcc输入电源连接；所述第一运算放大器的负极分别通过第三电阻与1/2Vref基准电压连接、通过第四电阻与所述第一运算放大器输出端连接。
5.如权利要求4所述的TEC制冷装置，其特征在于：所述三角波发生器包括第二运算放大器，以及与所述第二运算放大器连接的RC积分电路构成；
所述第二运算放大器正极通过第五电阻与Vcc输入电压连接，还通过第七电阻接地；所述第二运算放大器输出端通过第八电阻与所述Vcc输入电压连接，所述第二运算放大器正极与所述第二运算放大器输出端之间通过第六电阻连接；
所述第二运算放大器负极通过第九电阻与所述第二运算放大器的输出端连接，所述第二运算放大器负极与所述PWM信号生成电路连接，所述第二运算放大器负极还与第一电容一端连接，所述第一电容另一端接地；
所述第五电阻、所述第六电阻及所述第七电阻的值相等且远远大于第八电阻的值。
6.如权利要求5所述的TEC制冷装置，其特征在于：所述PWM信号生成电路为第三运算放大器，所述第三运算放大器正极与所述第一运算放大器的输出端连接，所述第三运算放大器的负极与所述第二运算放大器的负极连接，所述第三运算放大器的输出端分别与所述H桥前臂电路、所述H桥后臂电路输入端连接。
7.如权利要求1所述的TEC制冷装置，其特征在于：所述H桥前臂电路包括两个并联的第四放大器及第五放大器，所述第四放大器输出端与第一CMOS管输入端连接，所述第五放大器输出端与第二CMOS管栅极连接，所述第一CMOS管的源极与所述第二CMOS管的漏极连接，所述第一CMOS管的漏极连接输入电压VCC，所述第二CMOS管的源极接地，所述第一CMOS管源极与所述第二CMOS管漏极之间连接有第一LC电路，所述第一LC电路与所述TEC制冷电路正极连接。
8.如权利要求7所述的TEC制冷装置，其特征在于：所述H桥后臂电路包括两个并联的第六放大器及第七放大器，所述第六放大器输出端与第三CMOS管输入端连接，所述第七放大器输出端与第四CMOS管栅极连接，所述第三CMOS管的源极与所述第四CMOS管的漏极连接，所述第一CMOS管的漏极连接输入电压VCC，所述第四CMOS管的源极接地，所述第三CMOS管源极与所述第四CMOS管漏极之间连接有第二LC电路，所述第二LC电路与所述TEC制冷电路负极连接。
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