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热电温度电路


这个项目, 热电温度电路 from 1990年,由于TEC元素的特殊财产是有趣的,这是它可以加热或冷却。

关于TEC设备的伟大事物是它们可以冷却一个设备,但也没有任何移动部件,因此它们是必须冷却的电子设备的理想选择,但必须埋在地下或水下,也必须具有高可靠性,因此也必须具有高可靠性。电信设备。



热电温度电路的执行摘要

热电冷却器温度控制电路提供了具有基本恒定的峰 - 峰值幅度的周期性控制信号和依赖于要调节的感测温度的平均值。控制信号耦合以控制热电冷却器的加热或冷却。

在优选实施例中,提供了互补的正和负控制信号脉冲流。开关选择性地耦合互补脉冲流之一,以冷却热蚀冷却器或另一个流以加热冷却器。控制信号脉冲流可以是脉冲宽度调制信号。

热电温度电路的背景

本设计涉及热电冷却器,更具体地涉及用于调节激光器的温度或耦合到热电冷却器的其他装置的控制电路。

电子设备的温度控制是一个重要的设计考虑因素。诸如晶体管的固态部件在操作中产生热量。过度的热量可以损坏紧密接近电路的组件或其他敏感元件。

通过光学技术等光学技术的进步,通过光信号处理在许多应用中被替换电信号处理。例如,先前通过线(即同轴电缆)以前传输的有线电视信号现在能够在光纤网络上携带。光传输技术提供更大的带宽,更好的信噪比,并且可能更低的成本。

为了通过光纤传输信号,使用激光器来提供相干光源。激光器产生大量的热量,必须冷却以防止失效。泵激光器特别需要大量的冷却以进行可靠的操作。

在有线电视应用中,沿着通信网络提供激光,用于信号放大。信号分配放大器安装在公用事业杆上,必须承受严重的环境条件。放大器壳体的内部温度可以例如从-20℃的范围内的范围

到90°C。必须设计分配放大器以在整个温度范围内运行。为了维持在其设计规范内的放大器中使用的激光器的温度,需要冷却和加热装置。

一个可用于调节激光温度的一个设备是热电冷却器("TEC")。这些装置是小型热泵,其遵守热力学定律,如冰箱等常规机械热泵。然而,TECS是固态设备,可作为Peltier冷却器运行。

单级热电冷却器由热电耦合矩阵组成,串联电连接并并联热连接。当电流在一个方向上通过热电耦合时,TEC的第一板向下冷却并且互补的第二平行板加热。

当电流沿另一个方向进行时,第一板加热,第二板冷却。

TEC.冷却与施加的电流成比例。 TEC中的焦耳加热消散的功率与电流的平方成比例。因此,高于一定值的电流的增加将导致净冷却较少,因为焦耳加热以比珀耳帖冷却更快的速率增加。因此,重要的是要小心地控制应用于TEC的电流。

用于调节热电冷却器的温度的已知控制电路使用线性驱动器将电流输入到冷却器中。由于其设计,线性驱动器的操作可以是非常低效的,产生额外的热量,必须消散到散热器中。由于它们以线性方式运行,因此这些驱动程序始终绘制电流,并且必须不断消散功率。

这种操作击败了TEC的冷却功能,并且在有线电视光纤分配放大器中特别损害,该电缆电视纤维分配放大器包围电路中的电路在热保持性气象密封箱中。

提供一种以非线性方式操作的热电冷却器的温度控制电路是有利的。应以可靠且有效的方式提供待保护装置的加热和冷却。提供这样的电路将是进一步有利的,该电路使用已经存在于被保护的器件中的电路中已经存在的相同电压操作。本设计提供了一种控制电路和用于驱动具有这些优点的热电冷却器的方法。

热电温度电路概述

根据本设计,为热电冷却器提供温度控制电路。温度传感器装置提供与感测温度相关的输出信号。响应于输出信号的装置产生周期性控制信号,其具有基本恒定的峰峰值幅度和平均值取决于所感测的温度。控制信号耦合以调节热电冷却器的温度。

在优选实施例中,提供了互补的正和负控制信号脉冲流。开关装置选择性地耦合互补脉冲流的一个以冷却热电冷却器或其他脉冲流以加热冷却器。为了向脉冲流提供依赖于感测温度的平均值,脉冲流可以是脉冲宽度调制的。这种调制赋予了取决于温度传感器输出信号的大小的信号的可变占空比。

当感测温度在阈值的另一侧时,温度传感器装置可以设计成提供第一极性输出信号,当感测温度位于阈值(例如,高于阈值温度)和第二极性时(例如,低于阈值温度)。

可以使用不同的极性来向热电或冷却热电冷却器发出电路。提供用于获得输出信号的绝对值的装置用于生成控制信号。

在更具体的实施例中,提供了用于调节激光器的温度的装置。热电冷却器热耦合到激光器。温度传感器装置,热耦合到激光器,提供与激光温度相关的输出信号。响应输出信号的装置产生周期性控制信号,其具有基本恒定的峰峰值幅度和依赖于激光温度的平均值。控制信号耦合到冷却器以调节激光温度。

提供了一种用于驱动热电冷却器的方法。感测由冷却器控制的温度,产生周期性控制信号,其具有基本恒定的峰 - 峰值幅度和依赖于感测温度的平均值。控制信号耦合以调节冷却器的温度。

在优选实施例中,提供了两个互补控制信号脉冲流,具有正极性的一个具有负极性的另一个互补性控制信号脉冲流。当待控制的温度高于阈值时,互补脉冲流耦合到冷却器以提供冷却效果。

当待控制的温度低于阈值时,其他脉冲流耦合到冷却器以提供加热效果。


图1是用于热电温度电路的现有技术热电冷却器控制电路的示意图



热电温度电路的描述

无花果。图1示出了现有技术的热电冷却器控制电路。传统的差分桥放大器使用差分DC放大器14,以放大通常指定的换能器桥的输出。桥的一个元件是具有温度变化的电阻的热敏电阻12。

标称,桥10的四个臂10具有相同的电阻。例如,热敏电阻12可以在25℃下具有10k欧姆的电阻,并且桥的剩余三个分支中的每一个可包括10k欧姆电阻器。随着温度升高或从25℃下降时,热敏电阻电阻的分数变化被输入到放大器14并放大。

从放大器14输出的放大差分信号由有源滤波器16集成。结果信号控制每个配置为发射器跟随器的一对晶体管18,20。这些晶体管确定哪种极性和电流施加到热电冷却器22。

由于晶体管18,20以线性方式操作,因此当开启时,它们可以散发大量功率。因此,例如,在热电冷却器需要两个放大器的电流并且跨越晶体管18或20的三个伏拉下降的情况下,总共六个瓦特将不得通过晶体管消散。


图2是示出根据本发明的用于热电温度电路的热电冷却器控制电路的框图



根据本设计,由发射器跟随器晶体管18,20提供的线性驱动器由on OS或OFF的无损开关代替,并且仅应用产生所需的TEC驱动电流所需的电压。根据本设计的电路以图2中的框图形式示出。 2。

传统的差分桥放大器由桥10和差分放大器30提供。桥10的一条腿包含热敏电阻12,如上面结合现有技术所述。本领域技术人员将理解,可以使用诸如简单分压器的其他电路布置代替图中所示的桥接电路。

差分放大器30的输出被输入到滤波器32,滤波器32可以包括用于消除噪声的有源滤波器。滤波差分信号被输入到逆变器34,绝对值电路36获得反相和不逆转信号的绝对值。得到的输出信号被输入到脉冲宽度调制器38,其产生一对周期性控制信号,其相等但具有相反的极性。

每个控制信号包括脉冲流,脉冲流具有基本上恒定的峰 - 峰值幅度,其平均值取决于热敏电阻12所感测的温度。正面和负脉冲流都被输入到选择的热/冷开关40中。根据来自滤波器32和逆变器34的信号的一个或另一个脉冲流是正的。

从开关40输出的所选择的脉冲流被滤波并输入到热电冷却器42,以向安装TEC的装置(例如激光)提供加热或冷却。环路增益放大器电路44监视电阻器46上的电压(通常为0.01欧姆左右),并将结果返回馈送以设定产生所需输出电流所需的电压。

尽管所示实施例中的脉冲宽度调制器38提供处理差分信号的平均值,但是应当理解,可以替换用于提供这种信号的其他技术。例如,可以使用脉冲位置调制。

图2的电路。图2与现有技术不同,因为它提供了在所需电流下操作热电冷却器42所需的电压,而在输出晶体管上没有显着的电压降。因此,避免了能量的低效耗散。通过以离散开/关模式而不是线性模式操作输出开关晶体管来实现该优点。

当需要冷却时,第一极性的脉冲宽度调制信号通过开关40输入热电冷却器。类似地,当需要加热时,相反的极性脉冲流通过开关40耦合到热电冷却器42。


图3是图3中所示的控制电路的部分的示意图。 2;以及热电温度电路

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根据本设计的电路以更详细的形式示出了图1和2的示意图。图3和4.图3的元素。图3和4示出与图3的框图的部分对应的示意图。 2已由虚线框表示。

如图1所示。如图3所示,差分放大器30包括以常规方式连接的运算放大器50。滤波器电路32包括耦合到RC滤波器的运算放大器52,其通常被指定为53.二极管54将滤波的差信号钳位到预定电压。环的增益由电阻器55,57建立。

提供放大器56以放大用于输入到逆变器34的滤波差信号(包括运算放大器58)和二极管60.从逆变器34的反相输出被输入到相应的二极管62.这些二极管是绝对值电路36提供正滤波和放大差分信号到脉冲宽度调制器38。


图4是图4的控制电路的剩余部分的示意图。 2对于热电温度电路

View larger image 这里.


脉冲宽度调制器,电源和热电冷却器在图2中的附图标记80表示。如图3所示,并在图3中更详细地示出。图4如下所述。

热/冷开关40包括分别具有耦合到放大器58和56的输出的非反相输入的运算放大器68和70.运算放大器56,58提供单元增益但极性相反。当放大器58的输出是正的时,在终端72处输出冷却控制信号(即,+24伏)。相反,当放大器56的输出为正时,在端子74上输出加热控制信号。

环路增益放大器44包括耦合以监视电阻器46的电压并向放大器56提供增益控制信号的操作放大器64。

脉冲宽度调制器38和热/冷开关40在图2中详细描述。 4.从绝对值电路36输出的信号在终端82处输入。脉冲宽度调制器集成电路84,例如由CALIF的线性技术公司制造的LT1071,将输入信号转换为具有变量的脉冲流替代循环依赖于热敏电阻12感测的温度。

包括变压器86,二极管88,96和相关电容器89,91的传统反激转换器提供互补的正,用于选择性地调节热电冷却器42的温度的互补的正的脉冲宽度调制控制信号脉冲流。

来自脉冲宽度调制器38的正脉冲流被输入到场效应晶体管("FET"当在终端72处存在时,通过晶体管电路92接通。当发生这种情况时,正的脉冲流耦合到扼流圈94,在那里它被滤波并耦合到热电冷却器42。附加滤波电容器95。

当在端子74处存在加热电压时,晶体管电路100通过滤波扼流圈102接通FET 98以将负控制信号脉冲流耦合到热电冷却器42。通过电路的操作,冷却脉冲流或加热脉冲的操作流,但不是两者,将在任何时间耦合到热电冷却器42。

由于施加了哪个信号的确定是从热敏电阻12感测到阈值的温度的关系,并且所选择的脉冲流的平均值通过从阈值的测量偏差,优异的调节确定保持TEC温度而不会像热量散发未使用的能量。

热电冷却器42可用于调节许多类型的装置的温度。如上所述,在光纤有线电视系统中,可以通过将TEC通过传统的热耦合器104耦合到半导体激光器106等来调节激光器的温度,如图2所示。 4.

现在应当理解,本设计提供了一种用于用热电冷却器调节激光或类似装置的温度的控制电路。热敏电阻,其热耦合到激光器,是桥接电路的一部分。桥接电路的输出被馈送到处理信号的放大器/滤波器。

热/冷开关使用从桥接电路输出的误差电压的极性来确定激光是否太热,过于冷,或恰到好处,并将适当的控制信号脉冲流耦合到热电冷却器。绝对值电路提供与输入误差电压的绝对值成比例的输出,以用于产生控制信号脉冲流。

可以是脉冲宽度调制的脉冲流具有与输入误差电压成比例的固定频率但可变占空比。用于驱动根据本发明的热电冷却器的技术比使用现有技术的线性驱动器更有效。

尽管已经结合了具体实施例描述了设计,但是本领域技术人员将理解,在不脱离设计中的精神和范围的情况下,可以对其进行许多修改和适应,如下文所附权利要求中所述。


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