一種雙向TEC自動高精度溫度控制電路的制作方法

本發明涉及一種溫度控制電路，屬于激光設備領域，具體涉及一種雙向TEC自動高精度溫度控制電路。

背景技術：

作為應用于激光設備的核心部件，為達到保護激光器以及延長激光器的使用壽命的目的，激光器的工作和儲存環境都有嚴格的溫度要求。此外激光器的輸出功率受溫度波動影響較大，為使激光器工作時達到可靠穩定的功率輸出，設計此高精度雙向自動溫度控制電路，提高系統性能的穩定可靠性。

技術實現要素：

本發明主要是解決現有技術所存在的溫度極其敏感型激光器，在輸出功率穩定性要求較高的情況下，傳統的單向TEC制冷溫控出現的功率波動較大的問題，提供了一種雙向TEC自動高精度溫度控制電路，該電路能更好地保護激光器以及延長激光器的使用壽命。

本發明的上述技術問題主要是通過下述技術方案得以解決的：

一種雙向TEC自動高精度溫度控制電路，包括：

NTC測溫電路，與激光器相連，用于測量激光器溫度并將測量數據送至單片機；

單片機，用于接收NTC測溫電路測量得到的溫度數據并通過H橋電路和DAC恒流電路控制TEC熱能轉換器工作；

激光器，與TEC熱能轉轉換器相連；

其中，所述H橋電路包括：

一H橋翻轉控制電路，用于控制H橋電路翻轉，具體包括：運放U1，其同向輸入端分別連接R5、電容C3，電阻R4，所述電容C3和電阻R5并聯后接地，所述電阻R4與電源VCC相連；其反向輸入端通過電阻R2與單片機I/O口相連；其輸出端連接電阻R1，電阻R30，電容C2，所述電容C2接地，所述電阻R1與運放U1的反向輸入端相連；其正極與電源VCC相連并通過電容C1接地，其負級接地；

一H橋受控電路，受控于所述H橋翻轉控制電路，具體包括：

MOS管Q1、MOS管Q2、MOS管Q3、MOS管Q4，所述MOS管Q1和MOS管Q3的柵級連接后通過三級管Q6與H橋翻轉換制電路的制熱輸出端HOT相連；所述MOS管Q2和MOS管Q4的柵級連接后通過三級管Q5與H橋翻轉換制電路的制冷輸出端COL相連；所述MOS管Q1的源集連接MOS管Q3的漏極；所述MOS管Q2的源集連接MOS管Q4的漏極；所述MOS管Q1、MOS管Q2、MOS管Q3、MOS管Q4的源極和漏極之間分別連接二極管D2、二極管D3、二極管D4、二極管D5；所述二級管D2的正極和二級管D4的負極與電容C24的一端連接，電容C24的另一端與二極管D3的正極和二極管D5的負極連接；所述電容C24并聯電容C25和電阻R29；所述電容C24的兩端連接TEC熱能轉換器的輸入端P5。

其中，所述DAC恒流電路包括：

DAC放大電路，包括：運放U1A，其同向輸入端連接電阻R16,電容C17,電阻R12，其中，所述電阻R12的一端與單片機的輸出口連接；所述運放U1A的反向輸入端連接電阻R11，電阻R9，所述電阻R11接地，所述電阻R9連接運放U1A的輸出端；

DAC恒流電路，包括一運放U3，其同向輸入端連接電容C9，電阻R20，電阻R21，可調電阻W1；其中，所述電容C19和所述電阻R20接地，所述可調電阻連接DAC放大電路輸出端；所述運放U3的反向輸入端串聯接電阻R6、電容C4、電阻R18后接地；所述電阻R18的一端連接運放U3的輸出端，電阻R15，所述電阻R15、MOS管M1、電阻R22，電阻R21串聯后與運放U3的反向輸入端連接；所述運放U3的正級通過電阻R10與12V電源連接，所述運放U3的正極分別通過電容C6、電容C8接地。

其中，所述NTC測溫電路包括：可控精密穩壓源TLV431，其1腳與2腳間連接電阻R117，其1腳和3腳間連接電阻R119，其3腳接地；其2腳連接電阻R116，所述電阻R116的一端連接12V電源并通過電容C80接地；所述可控精密穩壓源TLV431的2腳連接4.5V電源和電阻R118，所述電阻R118的一端通過電容C82接地；所述電阻R118的一端連接運放U16A的同向輸入端，所述運放U16A的反向輸入端連接其輸出端并通過電阻R120和電容C83接地；所述電阻R120的一端連接單片機的AD口；所述運放U16A的正級連接5V電源并通過電容C81接地。

因此，本發明具有如下優點：在輸出功率穩定性要求較高的情況下，功率波動較小，能更好地保護激光器以及延長激光器的使用壽命。

附圖說明

附圖1是本發明的一種原理圖；

附圖2是本發明的NTC測溫電路圖；

附圖3是本發明的H橋翻轉控制電路結構示意圖；

附圖4是本發明的H橋受控電路；

附圖5是本發明的DAC放大電路；

附圖6是本發明的DAC恒流電路。

具體實施方式

下面通過實施例，并結合附圖，對本發明的技術方案作進一步具體的說明。

實施例：

如圖1所示，為本發明的結構圖。包括:NTC測溫電路，與激光器相連，用于測量激光器溫度并將測量數據送至單片機；單片機，用于接收NTC測溫電路測量得到的溫度數據并通過H橋電路和DAC恒流電路控制TEC熱能轉換器工作；激光器，與TEC熱能轉轉換器相連；

采用上述結構后，此電路通過軟件PID算法調節實現TEC溫度控制。高精度快響應的NTC電阻(溫度傳感器)(內置在激光器內部26℃—10K，或通過安裝在激光器外部表面外置NTC電阻26℃—10K)通過高精度AD采樣器電壓實現對激光器的實際溫度的精確測量。通過大功率H橋電路實現對TEC電流流向控制，達到控制制冷或制熱效果。高精度DA調節型恒流源電路實現對TEC的電流高精度控制取代傳統的PWM的調節方式。

如圖2所示，為本發明的NTC測溫電路。其結構包括：可控精密穩壓源TLV431，其1腳與2腳間連接電阻R117，其1腳和3腳間連接電阻R119，其3腳接地；其2腳連接電阻R116，所述電阻R116的一端連接12V電源并通過電容C80接地；所述可控精密穩壓源TLV431的2腳連接4.5V電源和電阻R118，所述電阻R118的一端通過電容C82接地；所述電阻R118的一端連接運放U16A的同向輸入端，所述運放U16A的反向輸入端連接其輸出端并通過電阻R120和電容C83接地；所述電阻R120的一端連接單片機的AD口；所述運放U16A的正級連接5V電源并通過電容C81接地。

采用上述結構后，該NTC測溫轉換電路的工作原理是：

通過單片機的AD轉換端口識別電壓信號獲取相應的環境溫度。當溫度變化時對應的NTC電阻發生變化，NTC電阻的分壓發生變化，通過識別電壓獲取相應的溫度。圖2中的NTC_LD+為NTC電阻的輸入。

NTC是Negative Temperature Coeffic ient的縮寫，意思是負的溫度系數，泛指負溫度系數很大的半導體材料或元器件，所謂NTC熱敏電阻器就是負溫度系數熱敏電阻器。它是以錳、鈷、鎳和銅等金屬氧化物為主要材料，采用陶瓷工藝制造而成的。這些金屬氧化物材料都具有半導體性質，因為在導電方式上完全類似鍺、硅等半導體材料。溫度低時，這些氧化物材料的載流子(電子和孔穴)數目少，所以其電阻值較高；隨著溫度的升高，載流子數目增加，所以電阻值降低。

如圖3所示，為本發明的H橋翻轉控制電路，用于控制H橋電路翻轉，具體包括：運放U1，其同向輸入端分別連接R5、電容C3，電阻R4，所述電容C3和電阻R5并聯后接地，所述電阻R4與電源VCC相連；其反向輸入端通過電阻R2與單片機I/O口相連；其輸出端連接電阻R1，電阻R30，電容C2，所述電容C2接地，所述電阻R1與運放U1的反向輸入端相連；其正極與電源VCC相連并通過電容C1接地，其負級接地。

如圖4所示，為本發明的H橋受控電路，受控于所述H橋翻轉控制電路，具體包括：MOS管Q1、MOS管Q2、MOS管Q3、MOS管Q4，所述MOS管Q1和MOS管Q3的柵級連接后通過三級管Q6與H橋翻轉換制電路的制熱輸出端HOT相連；所述MOS管Q2和MOS管Q4的柵級連接后通過三級管Q5與H橋翻轉換制電路的制冷輸出端COL相連；所述MOS管Q1的源集連接MOS管Q3的漏極；所述MOS管Q2的源集連接MOS管Q4的漏極；所述MOS管Q1、MOS管Q2、MOS管Q3、MOS管Q4的源極和漏極之間分別連接二極管D2、二極管D3、二極管D4、二極管D5；所述二級管D2的正極和二級管D4的負極與電容C24的一端連接，電容C24的另一端與二極管D3的正極和二極管D5的負極連接；所述電容C24并聯電容C25和電阻R29；所述電容C24的兩端連接TEC熱能轉換器的輸入端P5。

采用上述結構后，由單片機I/O口輸出高低電平控制TEC制冷或者制熱模式，單片機I/O口輸出高低電平分別約為3.3V，0V，使用U1運輸放大器，當邏輯電平COL＝1，HOT＝0。其中，當單片機I/O口電平為高，Q5NPN三極管導通，Q6NPN三極管截止。Q2，Q3MOS管截止，Q1，Q4MOS管導通，電流從P51腳流向2腳。使TEC有電流導通時達到制冷模式。反之，當單片機I/O口電平為低，Q5NPN三極管截止，Q6NPN三極管導通。Q2，Q3MOS管導通，Q1，Q4MOS管截止，電流從P52腳流向1腳。使TEC有電流導通時達到制熱模式。

如圖5所示，為本發明的DAC放大電路，包括：運放U1A，其同向輸入端連接電阻R16,電容C17,電阻R12，其中，所述電阻R12的一端與單片機的輸出口連接；所述運放U1A的反向輸入端連接電阻R11，電阻R9，所述電阻R11接地，所述電阻R9連接運放U1A的輸出端；

如圖6所示，為本發明的DAC恒流電路，包括一運放U3，其同向輸入端連接電容C9，電阻R20，電阻R21，可調電阻W1；其中，所述電容C19和所述電阻R20接地，所述可調電阻連接DAC放大電路輸出端；所述運放U3的反向輸入端串聯接電阻R6、電容C4、電阻R18后接地；所述電阻R18的一端連接運放U3的輸出端，電阻R15，所述電阻R15、MOS管M1、電阻R22，電阻R21串聯后與運放U3的反向輸入端連接；所述運放U3的正級通過電阻R10與12V電源連接，所述運放U3的正極分別通過電容C6、電容C8接地。電路中設置J1、J3等測試點，方便調試和測試使用。

采用上述結構后，本發明通過高精度的DAC口控制熱能轉換器(TEC)的電流大小從而調節制冷制熱效果。通過U1(OPA2335)同比例運放輸出相同的DAC電壓，增加后端負載電流驅動能力。

運放U3(LM8261和mos管M1IRFP064N)，比較電阻0.01歐5w組成的恒流源電路，通過控制DAC電壓線性控制IRFP064N的I ds。I ds＝aV(DAC)+b通過內置于激光器NTC電阻檢測激光器溫度變化，通過軟件PID算法計算I/O電平以及DAC輸出電壓進而控制方向和強度。

本文中所描述的具體實施例僅是對本發明精神作舉例說明。本發明所屬技術領域的技術人員可以對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補充或采用類似的方式替代，但并不會偏離本發明的精神或者超越所附權利要求書所定義的范圍。