專利名稱：高穩(wěn)定度恒溫控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電子線路技術(shù)領(lǐng)域，適用于各種恒溫度控制系統(tǒng)，特別適用于大 功率激光二極管的溫度控制。
背景技術(shù)：
光纖通信系統(tǒng)中的各類放大器均使用激光二極管作為光源，半導(dǎo)體激光器作 為一種高功率密度并且具有極高量子效率的器件，盡管其是高效率的電子一光子 轉(zhuǎn)換器件，但由于不可避免地存在各種非輻射復(fù)合損耗、自由載流子吸收等損耗 機(jī)制，使其外微分量子效率只能達(dá)到20% 30%，這意味著相當(dāng)部分注入的電 功率將轉(zhuǎn)化為熱量，引起激光器溫度升高。溫度對(duì)激光器的影響主要有以下幾個(gè) 方面
(1) 溫度對(duì)閾值電流的影響。隨著溫度的升高將引起閾值電流的增大，使 輸出功率下降，從而給激光器驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)帶來困難。
(2) 溫度對(duì)V—I關(guān)系的影響。當(dāng)注入電流相等時(shí)，溫度高的激光器對(duì)應(yīng)的 正向壓降也大，這會(huì)給半導(dǎo)體激光器恒流源的設(shè)計(jì)帶來困難。
(3) 溫度對(duì)輸出波長(zhǎng)的影響。由于有源層材料的禁帶寬度隨溫度升高而變 窄，使激射波長(zhǎng)向長(zhǎng)波方向移動(dòng)，即紅移現(xiàn)象。紅移量與器件的結(jié)構(gòu)和有源區(qū)材 料有關(guān)，約為0.2 0.3nmTC。因此，可以用適當(dāng)?shù)臏囟瓤刂苼砦⒄{(diào)激光的峰值 波長(zhǎng)，以滿足對(duì)波長(zhǎng)要求嚴(yán)格的一些應(yīng)用。
(4) 溫度對(duì)P—I曲線非線性的影響。理想情況下，半導(dǎo)體激光器的P—I 應(yīng)該是線性曲線，PN結(jié)過熱是產(chǎn)生非線性的原因之一。除此之外，來自于有源 區(qū)中橫(側(cè))模的不穩(wěn)定性，來自外部的反射光(如從連接器，尾纖端等部位) 以及與光強(qiáng)有關(guān)的飽和等因素也能造成非線性。其中模式的不穩(wěn)定性是出現(xiàn)P-I 曲線扭折的主要原因，這種不穩(wěn)定性除了與激光器本身的結(jié)構(gòu)有關(guān)外，還與溫度 有很大關(guān)系。
除此之外溫度升高還會(huì)增加內(nèi)部缺損，嚴(yán)重地影響器件的壽命，給應(yīng)用帶來 很大困難。如果不將所產(chǎn)生的熱量移去，將造成一種惡性循環(huán)，使激光器很快失 效。試驗(yàn)表明，溫度每增加25'C，器件的壽命減少一半，即使工作電流在數(shù)十
毫安的半導(dǎo)體激光器，它卻承受了 1(^A/cm左右的光電流密度。所以工作溫度對(duì) 于激光器十分重要，必須給激光器提供恒定而且能夠精密調(diào)整的工作溫度，才能 保證激光器具有最大的效率和最小的功率波動(dòng)。
以前對(duì)大功率激光器往往采用冰水循環(huán)方式制冷，通過調(diào)節(jié)熱沉中循環(huán)管道 內(nèi)冰水的流量來達(dá)到溫控的目的。這種控制方法精度不高，使用也不方便。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)巧妙的溫度控制裝置，不需要改變驅(qū) 動(dòng)電流的方向就可以自動(dòng)實(shí)現(xiàn)升溫和降溫兩種功能，能夠簡(jiǎn)單方便地實(shí)現(xiàn)大功率 激光二極管恒定溫度的控制。除用于大功率激光二極管的恒溫度控制外，本發(fā)明 高穩(wěn)定度恒溫控制器在現(xiàn)代科技的其它領(lǐng)域中應(yīng)用也十分廣泛。在生物制藥、動(dòng) 植物物種保護(hù)、重要人體組織或器官的保存、儀表與電子器件試驗(yàn)、工程材料的 低溫性能測(cè)試等領(lǐng)域都需要穩(wěn)定的恒溫環(huán)境，通過調(diào)整適當(dāng)?shù)目刂茀?shù)此恒溫控 制器亦可很好地應(yīng)用于上述領(lǐng)域中。
上述的目的通過以下的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)
高穩(wěn)定度恒溫控制器，其組成包括半導(dǎo)體制冷器(TEC)、電壓基準(zhǔn)電路
(1) 、溫度設(shè)置電路(2)、溫度測(cè)量電路(3)、 PI控制電路(4)、限幅保護(hù)電 路(5)、顯示電路(6)和TEC驅(qū)動(dòng)電路(7);
所述的電壓基準(zhǔn)電路(1)與溫度設(shè)置電路(2)相連，所述的溫度設(shè)置電路
(2) 與顯示電路(6)相連，所述的溫度測(cè)量電路(3)與PI控制電路(4)相 連，所述的溫度設(shè)置電路(2)與PI控制電路(4)相連，所述的PI控制電路(4) 與限幅保護(hù)電路(5)相連，所述的限幅保護(hù)電路(5)與TEC驅(qū)動(dòng)電路(7)相 連。所述的溫度測(cè)量電路(3)與顯示電路(6)相連；
所述的電壓基準(zhǔn)電路(1)包括穩(wěn)壓管，電位器和電阻，穩(wěn)壓管的陰極電 壓為電壓基準(zhǔn)；
所述溫度設(shè)置電路(2)包括與電壓基準(zhǔn)電路(1)相連的滑動(dòng)變阻器，由 滑動(dòng)變阻器設(shè)定溫度值，經(jīng)過運(yùn)放和電壓跟隨器，把設(shè)定的電壓輸出到控制輸入 端和顯示切換端，控制輸入端經(jīng)過運(yùn)放與減法器相連，顯示切換端與顯示電路(6) 相連；
所述溫度測(cè)量電路(3)包括恒流源的電流進(jìn)入溫度傳感器，溫度傳感器 兩端的電壓經(jīng)過電壓跟隨器輸出到控制輸入端和顯示切換端，控制輸入端經(jīng)過運(yùn) 放與減法器相連，顯示切換端與顯示電路(6)相連；
所述的PI控制電路(4)包括并聯(lián)的放大電路和積分電路；溫度設(shè)置電路 (2)的輸出與溫度測(cè)量電路(3)的輸出輸入到減法器，經(jīng)放大電路和積分電路 后輸出的電壓作為驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體制冷器(TEC)工作的信號(hào)；
所述的限幅保護(hù)電路(5)包括運(yùn)放和在運(yùn)放兩邊連接的兩個(gè)負(fù)極相接的 穩(wěn)壓二極管；驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體制冷器(TEC)工作的信號(hào)通過運(yùn)放、穩(wěn)壓二極管，使 輸出的電壓不會(huì)太高或太低，起到限幅保護(hù)后續(xù)電路的作用；
所述顯示電路(6)包括溫度設(shè)定和溫度測(cè)量電路的輸出經(jīng)過單刀雙擲開 關(guān)連接到顯示電路上；通過單刀雙擲開關(guān)可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)溫度值的切換顯示；
所述的TEC驅(qū)動(dòng)電路(7)是，經(jīng)限幅保護(hù)電路(5)輸出的驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體制 冷器(TEC)的驅(qū)動(dòng)電壓與比較器U5A正向輸入端相連；所述的比較器U5A的 輸出通過電阻R21與同相放大器U6A的反相輸入端相連；所述同相放大器U6A 的反相輸入端通過電阻R22與輸出端相連；所述同相放大器U6A的輸出與用參 數(shù)互補(bǔ)的達(dá)林頓管組成橋式電路相連；所述的橋式電路的構(gòu)成包括 一個(gè)NPN 型大功率達(dá)林頓管Q2的集電極接外部直流電壓；所述的NPN型大功率達(dá)林頓 管Q2的發(fā)射極與PNP型大功率達(dá)林頓管Q3的發(fā)射極相連；所述的PNP型大 功率達(dá)林頓管Q3的集電極接地；所述的NPN型大功率達(dá)林頓管Q2的發(fā)射極通 過取樣電阻R25和半導(dǎo)體制冷器(TEC)與對(duì)應(yīng)的另一半橋相連；取樣電阻R25 的電壓通過同相放大器把信號(hào)反饋回驅(qū)動(dòng)電路的比較器U5A的負(fù)向輸入端；所 述的反饋放大器包括 一個(gè)與取樣電阻一端和運(yùn)放U5B負(fù)向輸入端相連的電阻 R26; —個(gè)與運(yùn)放U5B負(fù)向輸入端和輸出端相連的電阻R28; —個(gè)與取樣電阻另 一端和運(yùn)放U5B正向輸入端相連的電阻.R27; —個(gè)與運(yùn)放U5B正向輸入端和外 部直流參考電壓相連的電阻R29; —個(gè)與運(yùn)放U5B輸出端和比較器U5A相連的 電阻R30。
這個(gè)技術(shù)方案有以下有益效果
1. 本發(fā)明的恒溫控制器的驅(qū)動(dòng)電路不需要改變電流的方向即可使TEC加熱 或制冷。
2. 本發(fā)明的恒溫控制器使用一個(gè)液晶顯示器可以切換顯示設(shè)置溫度值和實(shí)
際溫度值，減少了設(shè)備，節(jié)省了成本。
3. 本發(fā)明的恒溫控制器抗干擾能力強(qiáng)，性能穩(wěn)定工作可靠，正常使用不會(huì) 出現(xiàn)誤動(dòng)作。
4. 采用限幅過流保護(hù)，降低了瞬時(shí)高電壓和瞬時(shí)強(qiáng)電流所引起的擊穿破壞， 有效保護(hù)了儀器的穩(wěn)定工作。
5. 本恒溫控制器決定了激光器輸出功率的穩(wěn)定性和光譜的純度。
6. 本恒溫控制器不僅可以用于半導(dǎo)體激光器的溫度控制中，而且還可以應(yīng) 用于其它需要控制溫度的小環(huán)境場(chǎng)合。
7. 此恒溫控制器的穩(wěn)定性較高，適用于激光器的長(zhǎng)期工作。
因此，本發(fā)明的溫度控制器不僅可以用于半導(dǎo)體激光器的溫度控制中，而且 還可以應(yīng)用于其它需要控制溫度的小環(huán)境場(chǎng)合，因此具有非常廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。 其溫度控制范圍可以達(dá)到0'C-80'C，短期穩(wěn)定度為0.02'C，長(zhǎng)期穩(wěn)定度為0.05°C。


圖1是本發(fā)明的高穩(wěn)定度恒溫控制器基本原理框圖。 圖2是本發(fā)明的電壓基準(zhǔn)電路(1)與溫度設(shè)置電路(2)原理圖。
圖3是本發(fā)明的溫度測(cè)量電路(3)原理圖。
圖4是本發(fā)明的減法器電路原理圖。
圖5是本發(fā)明的PI控制電路(4)原理圖。
圖6是本發(fā)明的限幅保護(hù)電路(5)原理圖。
圖7是本發(fā)明的TEC驅(qū)動(dòng)電路(7)原理圖。
圖8是本發(fā)明的顯示電路(6)原理圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明的結(jié)構(gòu)和有益效果。
實(shí)施例1本發(fā)明的高穩(wěn)定度恒溫控制器的基本結(jié)構(gòu)及工作原理
如圖l所示電壓基準(zhǔn)電路(1)中的電位器抽頭輸出與運(yùn)放相連，作為溫
度設(shè)置電路(2)，其輸出與顯示電路(6)相連。恒流源與溫度傳感器串聯(lián)，測(cè) 量電壓端與顯示電路(6)相連，溫度設(shè)置電路(2)和溫度測(cè)量電路(3)均與 減法器相連，減法器與PI控制電路(4)，即PI控制模塊相連，PI控制模塊與限 幅保護(hù)電路(5)相連。限幅保護(hù)電路(5)的輸出與TEC驅(qū)動(dòng)電路(7)相連。 本發(fā)明的工作原理簡(jiǎn)述如下
高穩(wěn)定度恒溫控制器實(shí)際溫度測(cè)量時(shí)需要給定一個(gè)恒流源，這個(gè)恒流源的精 度和穩(wěn)定度直接影響了整個(gè)儀器的精度和穩(wěn)定度，所以制作是難度很高。本發(fā)明 利用運(yùn)放的"虛短"和三極管的特性設(shè)計(jì)出了簡(jiǎn)單實(shí)用的恒流源發(fā)生電路。而且通 過改變反饋電阻的大小還可以改變恒流源的值。
溫度設(shè)定也是以電壓的形式給出的，并用跟隨器隔離，減少了漏電流所產(chǎn)生 的誤差。該溫度控制器可以配有4位半的數(shù)碼顯示器，且顯示的數(shù)值可以在設(shè)置 溫度和實(shí)際溫度之間切換。本發(fā)明用一個(gè)開關(guān)S2實(shí)現(xiàn)兩種溫度值的切換，減少 了電路結(jié)構(gòu)。
溫度設(shè)定值和實(shí)際溫度測(cè)定值的差是半導(dǎo)體制冷器(TEC)驅(qū)動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)，利 用溫差可以有很多驅(qū)動(dòng)電流的控制方法，本發(fā)明選擇PI控制方法。適當(dāng)選擇控 制參數(shù)，可以達(dá)到超調(diào)量小，震蕩時(shí)間短的目的。PI控制方法的缺點(diǎn)是在初始 控制時(shí)刻驅(qū)動(dòng)電壓幅度可能很大，很容易擊穿后面的運(yùn)放或橋式電路，因此本發(fā) 明引入一對(duì)反向擊穿電壓為5.1V的穩(wěn)壓管，并與運(yùn)放的反饋電阻并聯(lián)，從而有 效控制了驅(qū)動(dòng)信號(hào)的幅度，保護(hù)了后續(xù)電路的安全穩(wěn)定工作。
由于本發(fā)明所設(shè)計(jì)的高穩(wěn)定度恒溫控制器能夠使溫度上升或者下降從而最 后穩(wěn)定在設(shè)定的溫度值。要實(shí)現(xiàn)此功能可以利用半導(dǎo)體制冷器(TEC)，當(dāng)TEC 中電流正方向流動(dòng)時(shí)TEC制冷，而當(dāng)TEC中電流反方向流動(dòng)時(shí)TEC加熱。因 此只要利用驅(qū)動(dòng)電流控制TEC中電流流動(dòng)的方向和大小就可以有效控制TEC的 溫度，從而實(shí)現(xiàn)激光二極管的恒溫控制。實(shí)現(xiàn)電流控制TEC中電流流動(dòng)方向和 大小的電路是由四個(gè)達(dá)林頓三極管構(gòu)成的橋式電路，橋式電路中取樣電阻所產(chǎn)生 的反饋信號(hào)使得驅(qū)動(dòng)TEC的電流更加快速和平穩(wěn)。溫度傳感器從半導(dǎo)體激光器 內(nèi)部感應(yīng)到LD的溫度變化，然后轉(zhuǎn)化為電信號(hào)作為負(fù)反饋再與預(yù)置溫度信號(hào)在 減法器中做減法運(yùn)算，將產(chǎn)生的差值送到PI控制電路中進(jìn)行處理。
本發(fā)明所設(shè)計(jì)的高穩(wěn)定度恒溫控制器為了適應(yīng)不同溫度傳感器(包括熱電 偶、熱敏電阻、電阻式溫度探測(cè)器、集成溫度傳感器等)的工作，給出了四種恒 流源的電流值，他們可以通過四個(gè)并聯(lián)電阻的通斷進(jìn)行選擇。同時(shí)為了適應(yīng)不同 功率激光二極管的要求，給出了四種電壓電流變換關(guān)系，最大控制電流可以達(dá)到 2.5A，既縮短了溫度控制時(shí)間，又沒有超出TEC的工作電流。
實(shí)施例2電壓基準(zhǔn)電路(1)與溫度設(shè)置電路(2)的結(jié)構(gòu) 如圖2所示，本發(fā)明的電壓基準(zhǔn)電路(1)與溫度設(shè)置電路(2)包括外部
直流供電電源(Vcc)接一 9.1k電阻再接一精密的電壓基準(zhǔn)模塊(LM336)接地 本發(fā)明的溫度設(shè)置電路(2)是在LM336并接一 10k電位器，其抽頭與運(yùn)放U7B 同相輸入端相連；運(yùn)放U7B反相輸入端接一 10k電阻接地，又接一 22k電阻接 U7B輸出。另外為提高驅(qū)動(dòng)能力在U7B輸出端又加了一由U2B組成的電壓跟隨 器，U2B同相輸入端接U7B輸出，U2B反相輸入端與其輸出端相連。 實(shí)施例3本發(fā)明的溫度測(cè)量電路(3)的結(jié)構(gòu)
如圖3所示，本發(fā)明的溫度測(cè)量電路(3)包括外部直流供電電源(Vcc) 接2.5V穩(wěn)壓管Dl;穩(wěn)壓管Dl陽極與運(yùn)放U1A的同相輸入端和9.1k電阻R5 相連；電阻R5另一端接地；運(yùn)放U1A的輸出端與lk電阻R39和470pF電容 C18相連；電容C18與運(yùn)放U1A的反相輸入端相連，并通過單刀四擲開關(guān)與四 個(gè)電阻(R1，R2，R3,R4)相連，并與三極管Ql的射極相連；上述四個(gè)電阻 (R1,R2，R3，R4)與外部直流電源(Vcc)相連；電阻R39與三極管Q1的基極相 連；三極管Q1的射極與受控系統(tǒng)中的溫度傳感器相連，溫度傳感器的另一端接 地。另外為提高驅(qū)動(dòng)能力在三極管Ql的射極輸出端又加了一由U1B組成的電 壓跟隨器，U1B同相輸入端接三極管Ql的射極，U1B反相輸入端與其輸出端相 連。其中Rl=250k、 R2=25k、 R3=2.5k、 R4=0.25k; Ql的型號(hào)為9012。
上述的溫度測(cè)量電路(3)主要由分壓電路和穩(wěn)定電流電路組成。由運(yùn)放虛 短的原理三極管Ql的發(fā)射極電壓與由穩(wěn)壓管Dl和電阻R5分外部直流電壓所 得的電壓值相等，三極管Q1動(dòng)態(tài)導(dǎo)通，三極管Q1的集電極輸出電流即為給定 的恒流源，此恒流源通過溫度傳感器即可測(cè)得環(huán)境溫度值；由于采用運(yùn)放和三極 管結(jié)合的方法得到恒流源，電流起伏小，精確穩(wěn)定，適于測(cè)量高精度溫度環(huán)境。
實(shí)施例4本發(fā)明的減法器電路的結(jié)構(gòu)
如圖4所示，本發(fā)明的減法器電路包括上述由U1B組成的電壓跟隨器的 輸出和由U2B組成的電壓跟隨器的輸出分別通過100k電阻R6、 R8與運(yùn)放U2A 的同相輸入端和反相輸入端相連；所述的減法器U2A的輸出為設(shè)定電壓和測(cè)量 電壓的差值；運(yùn)放U2A的同相輸入端又與一 100k電阻R7相連再接外部直流參
考電壓^Rc;運(yùn)放U2A的反相輸入端又與一 100k電阻R9相連再接運(yùn)放U2A 2
的輸出。實(shí)施例5本發(fā)明的PI控制電路(4)的結(jié)構(gòu)
如圖5所示，本發(fā)明的PI控制電路(4)包括上述減法器電路的輸出通過
10k電位器R20與外部直流參考電壓丄Fcc相連；電位器R20的抽頭通過由U1B
2
組成的電壓跟隨器與比例放大電路相連；所述比例放大電路包括 一個(gè)與由U1B 組成的電壓跟隨器輸出端和運(yùn)放U3B反相輸入端相連的電阻R12， 一個(gè)與運(yùn)放 U3B反相輸入端和輸出端相連的電阻R13;上述的減法器電路(3)的輸出與積 分電路相連;所述的積分電路包括:減法器U2A的輸出通過電阻Rll與運(yùn)放U4B 的反相輸入端相連; 一個(gè)電容C4和一個(gè)0.22歐姆電阻R14串聯(lián)后連接運(yùn)放U4B
的反相輸入端和輸出端；運(yùn)放U4B的同相輸入端接外部直流參考電壓lrcc。其
2
中電阻R12、電阻R13、電阻Rll及電容C4的值決定了溫度控制器的PI控制參 數(shù)，可根據(jù)不同受控系統(tǒng)的具體情況調(diào)整其取值。 實(shí)施例6本發(fā)明的限幅保護(hù)電路(5)的結(jié)構(gòu)
如圖6所示，本發(fā)明的限幅保護(hù)電路(5)包括上述PI控制電路(4)的 比例放大電路輸出通過10k電阻R16與PI控制電路(4)的積分電路輸出通過 10k電阻R15相連，并連接運(yùn)放U4A的反相輸入端；運(yùn)放U4A的同相輸入端接
外部直流參考電壓lrcc;由兩個(gè)相反方向串連的5.1V穩(wěn)壓管D2、 D3并聯(lián)10k 2
電阻R17構(gòu)成負(fù)反饋,連接運(yùn)放U4A的反相輸入端和輸出端；運(yùn)放U4A的輸出
端通過3.6k電阻R38與10k電位器R18相連再接外部直流參考電壓丄Fcc;電位器R18的抽頭電壓即為限幅保護(hù)電路(5)的輸出。 實(shí)施例7本發(fā)明的TEC驅(qū)動(dòng)電路(7)的結(jié)構(gòu)
如圖7所示，本發(fā)明的TEC驅(qū)動(dòng)電路(VCCS) (7)由驅(qū)動(dòng)橋式電路和溫度 值測(cè)量反饋電路組成。包括限幅保護(hù)電路(5)的輸出與運(yùn)放U5A同相輸入端 相連；運(yùn)放U5A的輸出端通過100k電阻R21與運(yùn)放U6A的反相輸入端相連；
運(yùn)放U6A的同相輸入端接外部直流參考電壓iFccr;運(yùn)放U6A的反相輸入端通
過100k電阻R22與輸出端相連；運(yùn)放U6A的輸出端與用參數(shù)互補(bǔ)的達(dá)林頓管 組成橋式電路相連；所述的橋式電路的構(gòu)成包括運(yùn)放U6A的輸出與NPN型大 功率達(dá)林頓管Q2及PNP型大功率達(dá)林頓管Q3的基極相連;NPN型大功率達(dá)林 頓管Q2的集電極接外部直流供電電源(Vcc); PNP型大功率達(dá)林頓管Q3的集
電極接地；NPN型大功率達(dá)林頓管Q2的發(fā)射極與PNP型大功率達(dá)林頓管Q3 的發(fā)射極相連后再通過1歐姆取樣電阻R25串接熱電致冷器(TEC)與NPN型 大功率達(dá)林頓管Q4及PNP型大功率達(dá)林頓管Q5的射極相連;NPN型大功率達(dá) 林頓管Q4的集電極接外部直流供電電源(Vcc); PNP型大功率達(dá)林頓管Q5的 集電極接地；運(yùn)放U6A的輸出經(jīng)一由U6B組成的反相器與NPN型大功率達(dá)林 頓管Q4及PNP型大功率達(dá)林頓管Q5的基極相連；所述反相器包括運(yùn)放U6A 的輸出經(jīng)100k電阻R24接運(yùn)放U6B的反相輸入端；運(yùn)放U6B的同相輸入端接
外部直流參考電壓丄F^;運(yùn)放U6B的反相輸入端通過100k電阻R23與輸出端 2
相連；1歐姆取樣電阻R25的電壓通過同相放大器，把信號(hào)反饋回TEC驅(qū)動(dòng)電 路(6)的運(yùn)放U5A的反相輸入端；所述的同相放大器包括與取樣電阻一端和 運(yùn)放U5B反相輸入端相連的20k電阻R26; —個(gè)與運(yùn)放U5B反相輸入端和輸出 端相連的200k電阻R28; —個(gè)與取樣電阻另一端和運(yùn)放U5B同相輸入端相連的
20k電阻R27; —個(gè)與運(yùn)放U5B同相輸入端和外部直流參考電壓1^^相連的
2
200k電阻R29; —個(gè)與運(yùn)放U5B輸出端和比較器U5A相連的10k電阻R30。 實(shí)施例8本發(fā)明的顯示電路(6)的結(jié)構(gòu)
如圖8所示，恒溫控制器的顯示電路(6)包括上述溫度設(shè)置電路(1)的 輸出和上述溫度測(cè)量電路(2)的輸出通過單刀雙擲選擇開關(guān)S2輸入到運(yùn)放U7A 的同相輸入端；運(yùn)放U7A的反相輸入端接輸出端；運(yùn)放U7A的輸出端通過串聯(lián) 的lk電阻R40和10k電位器R41接地；電位器R41的抽頭與顯示器J2相連。
實(shí)施例9 一組本發(fā)明電路的元件參數(shù)
綜合實(shí)施例2~8的各電路的電阻、電容的數(shù)值，就給出本發(fā)明的一組較好的 元件參數(shù)。具體為R33=9. 2k、 R34=10k、 R35=10K、 R36=22k、 R5=9.1k、 R39=lk、Rl=250k、R2=25k、R3=2.5k、R4=0.25k、 R6=R7= R8=R9=100k、R20=10k、 Rl4=0.22歐、R16=10k、 R15=10k、 R17=10k、 R38=3.6k、 R18=10k、 R21=R22=100k、 R25-0.1歐、R24=100k、 R23=100k、 R26=20k、 R28=200k、 R27=20k、 R29=200k、 R30=10k、 R40=lk、 R41=10k; C18=470pF; Ql的型號(hào)為9012。
本組電路參數(shù)最適用于大功率激光二極管恒定溫度控制，能夠簡(jiǎn)單方便地實(shí) 現(xiàn)對(duì)大功率激光二極管恒定溫度的控制。
權(quán)利要求
1、一種高穩(wěn)定度恒溫控制器，其特征在于，組成包括半導(dǎo)體制冷器(TEC)、電壓基準(zhǔn)電路(1)、溫度設(shè)置電路(2)、溫度測(cè)量電路(3)、PI控制電路(4)、限幅保護(hù)電路(5)、顯示電路(6)和TEC驅(qū)動(dòng)電路(7)；所述的電壓基準(zhǔn)電路(1)包括穩(wěn)壓管，電位器和電阻，穩(wěn)壓管的陰極電壓為電壓基準(zhǔn)；所述溫度設(shè)置電路(2)包括與電壓基準(zhǔn)電路(1)相連的滑動(dòng)變阻器，由滑動(dòng)變阻器設(shè)定溫度值，經(jīng)過運(yùn)放和電壓跟隨器，把設(shè)定的電壓輸出到控制輸入端和顯示切換端，控制輸入端經(jīng)過運(yùn)放與減法器相連，顯示切換端與顯示電路(6)相連；所述溫度測(cè)量電路(3)包括恒流源的電流進(jìn)入溫度傳感器，溫度傳感器兩端的電壓經(jīng)過電壓跟隨器輸出到控制輸入端和顯示切換端，控制輸入端經(jīng)過運(yùn)放與減法器相連，顯示切換端與顯示電路(6)相連；所述的PI控制電路(4)包括并聯(lián)的放大電路和積分電路；溫度設(shè)置電路(2)的輸出與溫度測(cè)量電路(3)的輸出輸入到減法器，經(jīng)放大電路和積分電路后輸出的電壓作為驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體制冷器(TEC)工作的信號(hào)；所述的限幅保護(hù)電路(5)包括運(yùn)放和在運(yùn)放兩邊連接的兩個(gè)負(fù)極相接的穩(wěn)壓二極管；驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體制冷器(TEC)工作的信號(hào)通過運(yùn)放、穩(wěn)壓二極管，使輸出的電壓不會(huì)太高或太低，起到限幅保護(hù)后續(xù)電路的作用；所述顯示電路(6)包括溫度設(shè)定和溫度測(cè)量電路的輸出經(jīng)過單刀雙擲開關(guān)連接到顯示電路上；通過單刀雙擲開關(guān)可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)溫度值的切換顯示；所述的TEC驅(qū)動(dòng)電路(7)是，經(jīng)限幅保護(hù)電路(5)輸出的驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體制冷器(TEC)的驅(qū)動(dòng)電壓與比較器U5A正向輸入端相連；所述的比較器U5A的輸出通過電阻R21與同相放大器U6A的反相輸入端相連；所述同相放大器U6A的反相輸入端通過電阻R22與輸出端相連；所述同相放大器U6A的輸出與用參數(shù)互補(bǔ)的達(dá)林頓管組成橋式電路相連；所述的橋式電路的構(gòu)成包括一個(gè)NPN型大功率達(dá)林頓管Q2的集電極接外部直流電壓；所述的NPN型大功率達(dá)林頓管Q2的發(fā)射極與PNP型大功率達(dá)林頓管Q3的發(fā)射極相連；所述的PNP型大功率達(dá)林頓管Q3的集電極接地；所述的NPN型大功率達(dá)林頓管Q2的發(fā)射極通過取樣電阻R25和半導(dǎo)體制冷器(TEC)與對(duì)應(yīng)的另一半橋相連；取樣電阻R25的電壓通過同相放大器把信號(hào)反饋回驅(qū)動(dòng)電路的比較器U5A的負(fù)向輸入端；所述的反饋放大器包括一個(gè)與取樣電阻一端和運(yùn)放U5B負(fù)向輸入端相連的電阻R26；一個(gè)與運(yùn)放U5B負(fù)向輸入端和輸出端相連的電阻R28；一個(gè)與取樣電阻另一端和運(yùn)放U5B正向輸入端相連的電阻R27；一個(gè)與運(yùn)放U5B正向輸入端和外部直流參考電壓相連的電阻R29；一個(gè)與運(yùn)放U5B輸出端和比較器U5A相連的電阻R30。
2、 按照權(quán)利要求1所述的高穩(wěn)定度恒溫控制器，其特征在于，所說的溫度 測(cè)量電路(3)中的恒流源電路結(jié)構(gòu)是，外部直流供電電源(Vcc)接2.5V穩(wěn)壓 管D1;穩(wěn)壓管Dl陽極與運(yùn)放UlA的同相輸入端和9.1k電阻R5相連；電阻R5 另一端接地；運(yùn)放U1A的輸出端與lk電阻R39和470pF電容C18相連；電容 C18與運(yùn)放U1A的反相輸入端相連，并通過單刀四擲開關(guān)與四個(gè)電阻(R1，R2,R3,R4)相連，并與三極管Ql的射極相連；上述四個(gè)電阻(R1,R2,R3,R4) 與外部直流電源(Vcc)相連；電阻R39與三極管Ql的基極相連；三極管Ql 的射極與受控系統(tǒng)中的溫度傳感器相連，溫度傳感器的另一端接地。另外為提高 驅(qū)動(dòng)能力在三極管Ql的射極輸出端又加了一由U1B組成的電壓跟隨器，U1B 同相輸入端接三極管Q1的射極，U1B反相輸入端與其輸出端相連。
3、 按照權(quán)利要求1或2所述的高穩(wěn)定度恒溫控制器，其特征在于，電路中 元件的參數(shù)為R33-9.2k、 R34=10k、 R35=10K、 R36=22k、 R5=9.1k、 R39=lk、 Rl=250k、 R2=25k、 R3=2.5k、 R4=0.25k、 R6=R7= R8=R9=100k、 R20=10k、 R14-0.22歐、R16=10k、 R15=10k、 R17=10k、 R38=3.6k、 R18=10k、 R21=R22=100k、 R25-0.1歐、R24=100k、 R23=100k、 R26=20k、 R28=200k、 R27=20k、 R29=200k、 R30=10k、 R40=lk、 R41=10k; C18=470pF; Ql的型號(hào)為9012。
全文摘要
本發(fā)明的高穩(wěn)定度恒溫控制器屬于電子線路技術(shù)領(lǐng)域。其組成包括電壓基準(zhǔn)電路(1)、溫度設(shè)置電路(2)、溫度測(cè)量電路(3)、PI控制電路(4)、限幅保護(hù)電路(5)、顯示電路(6)、TEC驅(qū)動(dòng)電路(7)；其中TEC驅(qū)動(dòng)電路(7)包括橋式電路和電壓負(fù)反饋電路。本發(fā)明抗干擾能力強(qiáng)，性能穩(wěn)定工作可靠，適于大功率激光二極管的溫度控制使其長(zhǎng)期工作，其溫度控制范圍達(dá)到0～80℃，短期穩(wěn)定度為0.02℃，長(zhǎng)期穩(wěn)定度為0.05℃。除用于大功率激光二極管的恒溫度控制外，通過調(diào)整適當(dāng)?shù)目刂茀?shù)，可以在現(xiàn)代科技的其它領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
文檔編號(hào)G05D23/20GK101201636SQ20071005591
公開日2008年6月18日 申請(qǐng)日期2007年7月27日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月27日
發(fā)明者單江東, 汝玉星, 田小建, 范文華 申請(qǐng)人:吉林大學(xué)