本發(fā)明涉及溫度控制技術(shù)領(lǐng)域,具體涉及一種自適應(yīng)調(diào)溫電路。
背景技術(shù):
半導(dǎo)體致冷器(thermoelectriccooler,tec)是利用半導(dǎo)體材料的珀爾帖效應(yīng)實(shí)現(xiàn)制冷或制熱。所謂珀爾帖效應(yīng),是指當(dāng)直流電流通過兩種不同半導(dǎo)體材料回路時,結(jié)點(diǎn)上將產(chǎn)生吸熱或放熱現(xiàn)象。
近年來,在精密儀器溫控環(huán)節(jié)中,tec因?yàn)轶w積小巧,使用方便,因此得到了廣泛的應(yīng)用。目前,精密儀器溫控大多是通過溫度傳感器檢測溫度數(shù)據(jù),mcu處理溫度數(shù)據(jù)之后,通過pwm功率驅(qū)動器輸出的pwm控制信號給tec提供電流,通過pwm控制tec來實(shí)現(xiàn)單純的制冷效果,或者是單純的加熱效果。這種實(shí)現(xiàn)途徑目前雖然解決了很多問題,但pwm控制tec的實(shí)現(xiàn)方法也存在以下缺陷:
首先,tec只用于單純的制冷效果,或者是單純的加熱效果,實(shí)際應(yīng)用中為了達(dá)到制冷或者加熱的效果,往往需要幾十片或者上百片tec同時工作,這種實(shí)現(xiàn)方法在增加設(shè)計成本的同時,耗能也比較高;
其次,pwm控制tec的這種實(shí)現(xiàn)方法中pwm功率驅(qū)動器后級往往需要加入lc濾波器,這種實(shí)現(xiàn)方法在增加設(shè)計成本的同時,耗能也比較高;
再次,pwm控制tec的這種實(shí)現(xiàn)方法,pwm驅(qū)動器工作在高速開關(guān)切換狀態(tài)下,會產(chǎn)生很大的尖峰脈沖,工作效率低、精度低,嚴(yán)重影響到tec的使用壽命。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
因此,本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于克服現(xiàn)有技術(shù)中tec的效率低、精度低和壽命短的缺陷。
為此,本發(fā)明提供一種精密自適應(yīng)調(diào)溫電路,包括:基準(zhǔn)電源電路,用于輸出基準(zhǔn)信號;模擬比較器電路,其兩個輸入端分別輸入所述基準(zhǔn)信號和輸入信號,通過比較所述基準(zhǔn)信號和所述輸入信號其輸出端輸出控制信號;模擬開關(guān)電路,其控制端輸入所述控制信號,其兩個輸入端分別輸入所述基準(zhǔn)信號和所述輸入信號,其兩個輸出端根據(jù)所述控制信號分別輸出第一差分信號和第二差分信號;差分減法電路,其第一輸入端輸入所述第一差分信號,其第二輸入端輸入所述第二差分信號,其輸出端輸出差值信號;至少一個tec陣列控制支路,所述tec陣列控制支路包括高壓高流運(yùn)放電路、方向控制電路和tec陣列,其中,所述高壓高流運(yùn)放電路,其輸入端輸入所述差值信號,將所述差值信號放大后其兩個輸出端輸出第一電壓;所述方向控制電路,其控制端輸入所述控制信號,其兩個輸入端接入所述第一電壓,其兩個輸出端根據(jù)所述控制信號控制輸出電壓的方向及大小,當(dāng)所述輸入信號大于所述基準(zhǔn)信號時,輸出正向電壓,當(dāng)所述輸入信號小于所述基準(zhǔn)信號時,輸出負(fù)向電壓,所述輸入信號與所述基準(zhǔn)信號的差值與所述輸出電壓的大小成正比;所述tec陣列,其兩個輸入端接入所述方向控制電路輸出的所述輸出電壓,根據(jù)所述輸出電壓的方向進(jìn)行制冷或制熱,并根據(jù)所述輸出電壓的大小調(diào)整制冷或制熱的功率。
可選地,所述tec陣列控制支路設(shè)置有多個,每個所述tec陣列控制支路均包括所述高壓高流運(yùn)放電路、所述方向控制電路和所述tec陣列。
可選地,還包括所述基準(zhǔn)電源電路輸出的基準(zhǔn)信號的值設(shè)置為所述輸入信號范圍的中間值。
可選地,還包括所述差分減法電路放大的倍數(shù)為1-3倍。
可選地,還包括所述高壓高流運(yùn)放電路放大的倍數(shù)為3-10倍。
可選地,還包括:第一電源,為所述高壓高流運(yùn)放電路供電;第二電源,為所述基準(zhǔn)電源電路、所述模擬比較器電路、所述模擬開關(guān)電路、所述差分減法電路及所述方向控制電路供電。
可選地,還包括所述第二電源由所述第一電源降壓后提供。
可選地,還包括第一跟隨電路,所述模擬開關(guān)電路輸出的所述第一差分信號經(jīng)所述第一跟隨電路處理后輸入所述差分減法電路。
可選地,還包括第二跟隨電路,所述模擬開關(guān)電路輸出的所述第二差分信號經(jīng)所述第二跟隨電路處理后輸入所述差分減法電路。
可選地,還包括所述模擬開關(guān)電路中,所述基準(zhǔn)信號大于所述輸入信號時,所述控制信號控制所述第一差分信號為所述基準(zhǔn)信號,所述第二差分信號為所述輸入信號;所述基準(zhǔn)信號小于所述輸入信號時,所述控制信號控制所述第一差分信號為所述輸入信號,所述第二差分信號為所述基準(zhǔn)信號。
本發(fā)明技術(shù)方案,具有如下優(yōu)點(diǎn):
本發(fā)明提供自適應(yīng)調(diào)溫電路,包括基準(zhǔn)電源電路,用于輸出基準(zhǔn)信號;模擬比較器電路,其兩個輸入端分別輸入基準(zhǔn)信號和輸入信號,通過比較基準(zhǔn)信號和輸入信號其輸出端輸出控制信號;模擬開關(guān)電路,其控制端輸入所述控制信號,其兩個輸入端分別輸入基準(zhǔn)信號和輸入信號,其兩個輸出端根據(jù)控制信號分別輸出第一差分信號和第二差分信號;差分減法電路,其第一輸入端輸入第一差分信號,其第二輸入端輸入第二差分信號,其輸出端輸出差值信號;至少一個tec陣列控制支路,所述tec陣列控制支路包括高壓高流運(yùn)放電路、方向控制電路和tec陣列,其中,高壓高流運(yùn)放電路,其輸入端輸入差值信號,將差值信號放大后其兩個輸出端輸出第一電壓;方向控制電路,其控制端輸入控制信號,其兩個輸入端接入第一電壓,其兩個輸出端根據(jù)控制信號控制輸出電壓的方向及大小,當(dāng)輸入信號大于基準(zhǔn)信號時,輸出正向電壓,當(dāng)輸入信號小于基準(zhǔn)信號時,輸出負(fù)向電壓,輸入信號與基準(zhǔn)信號的差值與輸出電壓的大小成正比;tec陣列,其兩個輸入端接入方向控制電路輸出的電壓,根據(jù)電壓的方向進(jìn)行制冷或制熱,并根據(jù)輸出電壓的大小調(diào)整制冷或制熱的功率。該方案中的精密自適應(yīng)調(diào)溫電路,通過模擬電路技術(shù)實(shí)現(xiàn)了自適應(yīng)調(diào)壓控制tec制冷和制熱兩種功能,電路設(shè)計簡單,輸出電壓的紋波小,電路在穩(wěn)定性、精度以及能耗方面都達(dá)到了很好的效果,提高了制冷以及制熱的效率,延長了使用壽命。
附圖說明
為了更清楚地說明本發(fā)明具體實(shí)施方式或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案,下面將對具體實(shí)施方式或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹,顯而易見地,下面描述中的附圖是本發(fā)明的一些實(shí)施方式,對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講,在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下,還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
圖1為本發(fā)明實(shí)施例中自適應(yīng)調(diào)溫電路的一個具體示例的電路結(jié)構(gòu)圖;
圖2為本發(fā)明實(shí)施例中自適應(yīng)調(diào)溫電路的另一個具體示例的電路結(jié)構(gòu)圖;
圖3為本發(fā)明實(shí)施例中自適應(yīng)調(diào)溫電路的一個具體示例的可選方案的電路結(jié)構(gòu)圖;
圖4為本發(fā)明實(shí)施例1中自適應(yīng)調(diào)溫電路的一個具體工作流程的電路結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施方式
下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述,顯然,所描述的實(shí)施例是本發(fā)明一部分實(shí)施例,而不是全部的實(shí)施例?;诒景l(fā)明中的實(shí)施例,本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實(shí)施例,都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
在本發(fā)明的描述中,需要說明的是,術(shù)語“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“內(nèi)”、“外”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系,僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述,而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作,因此不能理解為對本發(fā)明的限制。此外,術(shù)語“第一”、“第二”、“第三”僅用于描述目的,而不能理解為指示或暗示相對重要性。
在本發(fā)明的描述中,需要說明的是,除非另有明確的規(guī)定和限定,術(shù)語“安裝”、“相連”、“連接”應(yīng)做廣義理解,例如,可以是固定連接,也可以是可拆卸連接,或一體地連接;可以是機(jī)械連接,也可以是電連接;可以是直接相連,也可以通過中間媒介間接相連,還可以是兩個元件內(nèi)部的連通,可以是無線連接,也可以是有線連接。對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言,可以具體情況理解上述術(shù)語在本發(fā)明中的具體含義。
此外,下面所描述的本發(fā)明不同實(shí)施方式中所涉及的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互結(jié)合。
本實(shí)施例提供一種自適應(yīng)調(diào)溫電路,根據(jù)輸入信號的變化,通過控制tec陣列的制冷和制熱功能,實(shí)現(xiàn)對溫度的自適應(yīng)調(diào)節(jié),例如在精密儀器溫度控制環(huán)節(jié),當(dāng)精密儀器所處環(huán)境溫度過高時,tec處于制冷狀態(tài);當(dāng)溫度過低時,tec自動切換到制熱狀態(tài),使環(huán)境溫度保持一致。本實(shí)施例中的自適應(yīng)調(diào)溫電路,可用于調(diào)整某一空間的溫度,使其通過自適應(yīng)調(diào)節(jié)的方式保持空間溫度的穩(wěn)定,實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、精確的溫度控制。
本實(shí)施例提供一種自適應(yīng)調(diào)溫電路,如圖1所示,包括:基準(zhǔn)電源電路10,模擬比較器電路20,模擬開關(guān)電路30、差分減法電路40、tec陣列控制支路50,第一電源60,第二電源70,其中:
基準(zhǔn)電源電路10,用于輸出基準(zhǔn)信號。根據(jù)所需溫度調(diào)節(jié)的范圍合理設(shè)置,當(dāng)所需制冷范圍較大時,輸出基準(zhǔn)信號的值可以設(shè)置的相對低一些;當(dāng)所需制熱范圍較大時,輸出基準(zhǔn)信號的值可以設(shè)置的相對高一些;當(dāng)所需制冷和制熱范圍一致時,輸出基準(zhǔn)信號的值可以設(shè)置為輸入信號范圍的中間值。輸入信號的范圍由溫度調(diào)節(jié)范圍確定,當(dāng)溫度調(diào)節(jié)范圍大時,輸入信號的范圍就大,當(dāng)溫度調(diào)節(jié)范圍小時,輸入信號的范圍也變小。因此,可以根據(jù)輸入信號的范圍合理確定基準(zhǔn)信號的值。輸出基準(zhǔn)信號可以是電壓信號也可以是電流信號。本實(shí)施例中基準(zhǔn)信號為電壓信號,輸入信號的電壓范圍為0~10v,基準(zhǔn)信號的電壓值設(shè)置為5v,基準(zhǔn)電源電路輸出的基準(zhǔn)信號的值設(shè)置為輸入信號范圍的中間值,這樣使得制冷和制熱的調(diào)節(jié)范圍一致,能夠更好的保持溫度恒定。當(dāng)然,在其他的實(shí)施方案中,基準(zhǔn)電壓可以設(shè)置為其他值,根據(jù)需要合理設(shè)置即可。
模擬比較器電路20,其兩個輸入端分別輸入基準(zhǔn)信號和輸入信號,通過比較基準(zhǔn)信號和輸入信號的大小,輸出端輸出控制信號。此處的模擬比較器電路20包括一個比較器,如果輸入信號大于基準(zhǔn)信號,則輸出高電平,如果輸入信號小于基準(zhǔn)信號,則輸出低電平。高電平或低電平作為控制信號發(fā)送給模擬開關(guān)電路30和方向控制電路52。輸入信號可以是電壓信號也可以是電流信號,僅需與基準(zhǔn)信號對應(yīng)一致即可。本實(shí)施例中基準(zhǔn)信號和輸入信號均設(shè)置為電壓信號。當(dāng)然,在其他可實(shí)施例中,輸入信號和基準(zhǔn)信號也可以設(shè)置為電流信號,根據(jù)需要合理設(shè)置即可。
模擬開關(guān)電路30,其控制端輸入控制信號,其兩個輸入端分別輸入基準(zhǔn)信號和輸入信號,其兩個輸出端根據(jù)控制信號分別輸出第一差分信號和第二差分信號。模擬開關(guān)電路30的作用是將第一差分電壓和第二差分電壓中較大的電壓固定在一個輸出端輸出,這樣使得模擬開關(guān)的輸出信號經(jīng)過差分減法電路和高壓高流運(yùn)放之后一直為正。具體地,當(dāng)輸入信號大于基準(zhǔn)信號時,控制信號為高電平,控制第一輸出端輸出的第一差分信號為輸入信號,第二輸出端輸出的第二差分信號為基準(zhǔn)信號。當(dāng)輸入信號小于基準(zhǔn)信號時,控制信號為低電平,控制第一輸出端輸出的第一差分信號為基準(zhǔn)信號,第二輸出端輸出的第二差分信號為輸入信號。這樣無論輸入信號和基準(zhǔn)信號的高低,第一輸出端輸出的都是二者之中較大的信號,第二輸出端輸出的是二者之中較小的信號,控制信號根據(jù)其高低電平控制兩個輸出端輸出的電壓反相。
差分減法電路40,其第一輸入端輸入第一差分信號,其第二輸入端輸入第二差分信號,其輸出端輸出差值信號。本實(shí)施例中差分減法電路的放大倍數(shù)設(shè)置為1倍,在其他的實(shí)施方案中,放大倍數(shù)可以合理設(shè)置,一般設(shè)置為1-3倍。
tec陣列控制支路50,包括:
高壓高流運(yùn)放電路51,輸入端輸入差分減法電路40輸出的差值信號,將該差值信號進(jìn)行放大后輸出第一電壓。本實(shí)施例中高壓高流運(yùn)放電路的的放大倍數(shù)設(shè)置為5倍,在其他的實(shí)施方案中,放大倍數(shù)可以合理設(shè)置,一般設(shè)置為3-10倍。
方向控制電路52,控制端輸入模擬比較器電路20輸出的控制信號,兩個輸入端連接高壓高流運(yùn)放51輸出的第一電壓,兩個輸出端根據(jù)控制信號控制輸出電壓的方向和大小。輸出電壓的大小根據(jù)輸入信號和基準(zhǔn)信號的差值經(jīng)過差分減法電路放大后輸出的差值信號確定,差值信號范圍大時,輸出電壓的范圍大,反之,差值信號范圍小,輸出電壓范圍也??;輸出電壓的方向根據(jù)控制信號確定,當(dāng)輸入信號大于基準(zhǔn)信號時,控制信號為高電平時,輸出正向電壓,當(dāng)控制信號為低電平時,輸出負(fù)向電壓。
tec陣列53,兩個輸入端接入方向控制電路輸出的電壓,根據(jù)電壓的方向進(jìn)行制冷或制熱,并根據(jù)輸出電壓的大小調(diào)整制冷或制熱的功率。當(dāng)輸入端輸入正向電壓時,tec陣列進(jìn)行制冷,且電壓值越大,制冷效果越好;當(dāng)輸入端輸入負(fù)向電壓時,tec陣列進(jìn)行制熱,且電壓值越大,制熱效果越好。由于tec陣列既可以用于制冷又可以用于制熱,因此,與通過pwm控制的tec調(diào)溫方法(tec僅用于制冷和僅用于制熱)相比,在tec數(shù)量減少一半的狀態(tài)下,通過實(shí)測對比之后,效率高出30%,tec的使用壽命是pwm控制tec調(diào)溫方法的3倍。
tec控制支路50根據(jù)差分減法電路的輸出能力確定,可以為一個或者兩個以上。差分減法電路的驅(qū)動能力越大,可以并聯(lián)的支路個數(shù)越多,tec陣列的個數(shù)也越多,制冷和制熱效果就越明顯。在本實(shí)施例中,如圖1所示,支路個數(shù)設(shè)置為2個,當(dāng)然,在其他實(shí)施例中也可以設(shè)置為一個或者三個及以上更多個,根據(jù)實(shí)際情況合理設(shè)置即可。當(dāng)tec控制支路為多個的時候,每個tec控制支路的結(jié)構(gòu)與上述tec控制支路50的結(jié)構(gòu)相同,控制該支路中的tec器件制熱或制冷。
第一電源60,為高壓高流運(yùn)放電路51供電,第二電源70,為基準(zhǔn)電源電路10、模擬比較器電路20、模擬開關(guān)電路30、差分減法電路40及方向控制電路52供電。在本實(shí)施例中第二電源由第一電源降壓后提供,如圖1所示,第一電源和第二電源可以由單獨(dú)的電源分別提供,如圖2所示。第一電源和第二電源可以是電流源也可以是電壓源,根據(jù)所需合理選擇即可。在本實(shí)施例中,如圖1所示,第一電源設(shè)置為電壓源,電壓值為28v,經(jīng)過降壓芯片降壓后得到第二電源,第二電壓源的電壓值為12v,當(dāng)然,在其他可實(shí)施的方案中,電壓值合理設(shè)置即可。本實(shí)施例中通過降壓方式實(shí)現(xiàn)單電源供電,有效簡化了電路的復(fù)雜度,節(jié)約整個電路的生產(chǎn)成本,同時降低了電磁干擾(electromagneticinterference,emi)。
上述自適應(yīng)調(diào)溫電路,通過單電源模擬電路技術(shù)實(shí)現(xiàn)了自適應(yīng)調(diào)壓控制tec制冷和制熱兩種功能,電路設(shè)計簡單,輸出電壓的紋波小,電路在穩(wěn)定性、精度以及能耗方面都達(dá)到了很好的效果,提高了制冷以及制熱的效率,延長了使用壽命。
作為進(jìn)一步可選的實(shí)現(xiàn)方案,為了減少電路中的阻抗,該自適應(yīng)調(diào)溫電路中還包括第一跟隨電路80和第二跟隨電路90,如圖3所示,模擬開關(guān)電路輸出的第一差分信號經(jīng)第一跟隨電路處理后輸入差分減法電路的第一輸入端,模擬開關(guān)電路輸出的第二差分信號經(jīng)第二跟隨電路處理后輸入差分減法電路的第二輸入端。跟隨電路可以是電壓跟隨電路,也可以是電流跟隨電路,根據(jù)模擬開關(guān)電路輸出的信號設(shè)置,模擬開關(guān)輸出電壓信號,則選擇電壓跟隨電路,例如電壓跟隨器,模擬開關(guān)輸出電流信號,則選擇電流跟隨電路,例如電流跟隨器。在本實(shí)施例中,此處的跟隨電路通過電壓跟隨器來實(shí)現(xiàn),電壓跟隨器是實(shí)現(xiàn)輸出電壓跟隨輸入電壓的變化的一類電子元件。電壓跟隨器的電壓放大倍數(shù)恒小于且接近1,電壓跟隨器的顯著特點(diǎn)就是輸入阻抗高、輸出阻抗低。一般來說,輸入阻抗可以達(dá)到幾兆歐姆,而輸出阻抗低,通常只有幾歐姆,甚至更低。通過電壓跟隨器來降低阻抗。
本實(shí)施例中的溫控調(diào)壓電路,此處給出一個具體的工作流程,如圖4所示:
第一電源60輸入為dc28v,通過電源降壓芯片調(diào)整到dc12v,dc12v為第二電源70,為基準(zhǔn)電源電路10、模擬比較器電路20、模擬開關(guān)電路30、第一跟隨電路80、第二跟隨電路90、差分減法電路40及方向控制電路52供電,dc28v直接為高壓運(yùn)放電路51供電,如圖2所示。輸入信號①為電壓信號,電壓幅度為0~10v。基準(zhǔn)信號②為電壓信號,電壓值設(shè)置為5v。模擬比較電路輸出端輸出控制電壓③。模擬開關(guān)電路兩個輸出端為④和⑤,其中輸出端④為第一差分電壓,輸出端⑤為第二差分電壓。第一電壓跟隨電路跟隨第一差分電壓④輸出第一跟隨電壓⑥,第二電壓跟隨電路跟隨第二差分電壓⑤輸出第二跟隨電壓⑦。差分減法電路的輸出端輸出差值電壓⑧。tec控制支路50為兩路,以其中一路為例,高壓高流運(yùn)放的兩個輸出端為⑨和⑩,其中,⑨為輸出電壓的正極,⑩為輸出電壓的負(fù)極。方向控制電路的兩個輸出端為
當(dāng)輸入電壓①大于基準(zhǔn)電壓②時,控制電壓③為高電平。第一差分電壓④和第一跟隨電壓⑥的電壓值等同于輸入電壓①,電壓范圍為5~10v,第二差分電壓⑤和第二跟隨電壓⑦的值為基準(zhǔn)電壓②,電壓值為5v。第一跟隨電壓⑥和第二跟隨電壓⑦的值經(jīng)過差分減法電路做減法之后輸出差值⑧,差值電壓⑧的范圍為0~5v。差值電壓⑧經(jīng)過高壓高流運(yùn)放電路放大5倍后輸出第一電壓,第一電壓的正極為⑨,負(fù)極為⑩,輸出電壓范圍為0~25v。第一電壓通過控制電壓③(高電平)經(jīng)過方向控制電路輸出tec控制電壓,電壓范圍為0~25v,輸出端
當(dāng)輸入電壓①小于基準(zhǔn)電壓②時,控制電壓③為低電平。第一差分信號④和第一跟隨電壓⑥的電壓值等同于基準(zhǔn)電壓②,電壓值為5v,第二差分電壓⑤和第二跟隨電壓⑦的值為輸入電壓①,電壓范圍為0~5v。第一跟隨電壓⑥和第二跟隨電壓⑦的值經(jīng)過差分減法電路做減法之后輸出差值⑧,差值電壓⑧的范圍為0~5v,差值電壓⑧經(jīng)過高壓高流運(yùn)放電路放大5倍后輸出第一電壓,第一電壓的正極為⑨,負(fù)極為⑩,輸出電壓范圍為0~25v。第一電壓通過控制電壓③(低電平)經(jīng)過方向控制電路輸出tec控制電壓,電壓范圍為-25~0v,輸出端
顯然,上述實(shí)施例僅僅是為清楚地說明所作的舉例,而并非對實(shí)施方式的限定。對于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說,在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實(shí)施方式予以窮舉。而由此所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處于本發(fā)明創(chuàng)造的保護(hù)范圍之中。