一種線性驅動 TEC 溫控系統的設計

2016-01-12 09:14:39何方洋,蔣金鋒,劉平等

分析儀器 2015年1期

儀器研制與改進

項目來源：國家重大科學儀器設備開發專項(2013YQ140371)

一種線性驅動TEC溫控系統的設計

何方洋蔣金鋒劉平吳小勝

(北京勤邦生物技術有限公司，北京 102206)

摘要：設計了一種基于模擬控制技術的半導體制冷器(TEC)溫控系統，具有響應速度快、精度高、效率高等優點，經過實驗驗證，該系統可在環境溫度10~40℃范圍內實現對孵育器的25℃控溫，精度達到0.05℃，可滿足化學發光免疫反應所需的條件。

關鍵詞：模擬電路；PI調節器；TEC；溫度控制

作者簡介：何方洋，男，1969出生，高級研究員，博士，研究方向是食品安全檢測技術研究，E-mail：qinbangjia@163.com。

DOI:10.3936/j.issn.1001-232x.2015.01.001

收稿日期：2014-08-12

基金項目：上海高校實驗技術隊伍建設計劃(YJ0114205)，華東理工大學校級教改項目(YJ0126112)，華東理工大學網絡教育研究項目(WJY2014012)

Design of a linear driving TEC temperature control system.HeFangyang,JiangJinfeng,LiuPing,WuXiaosheng(BeijingKwinbonBiotechnologyCo.，Ltd.,Beijing102206,China)

Abstract:In this paper, we introduce a temperature control system based on analog control technology. This system has the advantage of fast response, high accuracy and high efficiency. Experiments reveale that the system can successfully control the temperature of incubator to the target temperature of 25℃ when ambient temperature is 10-40℃. With the temperature accuracy of 0.05℃, the system can satisfy the requirement of chemiluminescence immunoreaction.

Key words：analog circuit; PI regulator; TEC; temperature control

1引言

化學發光免疫反應是在一定的溫度環境下進行的，反應溫度的高低及穩定性直接決定化學發光免疫分析結果的準確性，因此，恒溫孵育器是全自動化學發光免疫分析儀器的核心模塊之一。免疫反應所需的溫度因試劑而異，目前在醫學診斷領域廣泛使用的化學發光試劑，普遍使用的孵育溫度是37℃左右，溫控系統只需完成單向的加熱功能，我公司開發的化學發光檢測試劑主要用于食品安全領域，孵育溫度為25℃，因實際環境溫度有可能高于也可能低于25℃，所以溫控系統需設計成既可加熱又可制冷的雙向控溫系統。此外，傳統的溫控器一般采用數字控制技術，用A/D對溫度信號進行采集，PWM驅動功率器件輸出[1]，存在容易產生高頻干擾、精度低、影響TEC使用壽命等缺陷，本論文闡述了一套采用模擬電路做溫度控制系統調節器的方案，采用該技術設計的溫控器具有控溫精準、穩定可靠、效率高等優點，目前已得到成功應用。

2系統組成及工作原理

如圖1所示，溫控系統主要由溫度傳感器、溫控電路、電子制冷片、散熱器等組成。傳感器采用的是正溫度系數PT100鉑電阻，溫控電路包括溫度檢測電路、差分放大電路、PID(比例、積分、微分)補償網絡、功率驅動電路等，電子制冷片夾在溫控對象和散熱器之間，散熱器包括鋁合金散熱片和風扇。

圖1　系統組成

整個系統的控溫原理是：溫度檢測電路把PT100阻值的變化轉換成代表控溫對象實際溫度的電壓信號。設置溫度電壓是一個外部參考電壓值，代表的是目標溫度，設置溫度電壓和實際溫度電壓經過差分放大電路后得到的是誤差電壓，再經過補償網絡(包含比例、積分環節)，補償網絡的輸出結果控制H橋驅動電路，H橋通過對電流和電壓的實時采樣，能同時控制TEC(半導體致冷器)電流的大小和方向以及所需的電源電壓：當控溫對象溫度低于設置溫度時，H橋驅動TEC進行加熱，當控溫對象溫度高于設置溫度時，H橋驅動TEC加熱功率減小甚至電流換向進行制冷操作，當系統達到熱平衡后，TEC的工作電流的大小和方向也基本趨于穩定。

3制冷片的選取

由于化學發光免疫反應要求的反應溫度為25℃，而環境溫度有可能低于也可能高于25℃，所以選擇基于Peltier效應的TEC半導體制冷片正好可滿足系統的加熱制冷的雙向控溫需求[2]。

恒溫裝置內安裝多片半導體制冷片，根據反應床的材質及尺寸大小，結合系統對升降溫速度的要求，我們最終選擇型號為TEC-12705的制冷片，具體規格參數如表1。

表1　制冷片TEC-12705參數

制冷片最終數量的確定，需要做熱分析與計算。孵育器上電后需經過一段時間的預熱，等溫度達到25℃才可正常使用，根據升降溫速度2℃/min的要求，假定室溫為35℃，經過5分鐘孵育器溫度可降到25℃。

根據熱能計算公式：

Q=c×m×Δt

(1)

公式(1)中，Q為放出或吸收的熱量(單位J)，c是物質的比熱容(單位J/kg·℃)，m是物質的質量(單位kg)，Δt是溫度的變化量(單位℃)。

孵育模塊采用鋁合金材料，其比熱容c為880J/kg·℃，模塊孵育部分的重量m為2kg，溫度變化量Δt為10℃，把以上值代入公式計算可得到：Q= 17600J。

根據熱量和功率換算公式：

(2)

公式(2)中，P為熱功率(單位W)，T為時間(單位s)。

把(1)式計算得到的Q及時間5min即300s代入(2)式，計算得到P= 8.7W。單個制冷片的最大制冷功率46.5W，所以最終采用2片TEC-12705串聯，最大制冷功率為93 W，相比計算得出的58.7W，留有很大的余量，滿足設計要求。

4系統硬件設計

4.1　供電設計

系統的電源通過一個DC15V/10A的開關電源得到，經LM7812芯片得到+12V，+12V再經電荷泵芯片ICL7662產生-12V，±12V主要供給運算放大器及外圍電路使用。+15V經過LM2576芯片輸出一動態調整的電源，提供給2片串聯起來的制冷片使用，通過電壓反饋，工作時功率驅動電路中的IRF540漏極和柵極兩端電壓會保持在0.8V(LM2576內部參考電壓1.23V減去二極管正向壓降)左右，有效的解決了功率器件過熱，電源效率低的問題圖2。

圖2　供電電路原理圖

4.2　溫度檢測電路設計

溫度檢測電路負責把PT100隨溫度變化的阻值轉換成電壓信號，如圖3所示，采用的是經典的惠更斯直流電橋[3]，TL431的作用是產生固定的參考電壓VREF，此電路后面接的運算放大器，同時起到100倍增益放大和阻抗變換的效果，測溫電路輸出的信號命名為TEMP_SIG。

圖3　溫度檢測電路原理圖

4.3　差分放大電路設計

差分放大電路的作用是把溫度設定信號TEMP_SET和實測的溫度信號TEMP_SIG做減法運算，得到誤差信號TEMP_ERR，采用的是以下的差分放大電路，TEMP_ERR信號代表實際溫度和設定溫度的偏離程度。

TEMP_SET通過電位器調節得到，具體的電壓值可通過以下方法得到：把PT100在25℃對應的阻值109.73Ω，代入圖3的測溫電路，得出的輸出信號即為TEMP_SET，電路原理圖見圖4。

圖4　差分放大電路原理圖

4.4　比例積分電路設計

如圖5所示，比例積分電路包括比例放大、積分和加法3個基本電路的組合，經過此環節，TEMP_ERR信號轉換成PI_SIG信號，比例和積分常數通過反復的實驗確定下來。

圖5　比例積分電路原理圖

4.5　恒流驅動電路設計

圖6為恒流驅動電路，把PI_SIG轉換成GDS+和GDS-信號來控制TEC制冷片的工作電流大小和方向。Is+和Is-信號是來自后面功率驅動電路的制冷片電流采樣信號。

圖6　恒流驅動電路原理圖

4.6　功率驅動電路設計

功率驅動電路使用了IRF4905、IRF540和MTP3055各2個，搭了一個H橋[4]，此電路通過采樣得到的Is+和Is-，和圖2~圖5的輸出電流調整電路形成一個閉環控制回路，以恒流方式驅動半導體制冷片工作；通過的TEC+，TEC-信號反饋到圖2中的供電電路，使得制冷片驅動電壓TEC_PWR動態變化，減少了功率管的發熱，提升了電源效率(圖7)。