儀器研制與改進

項目來源：國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(2013YQ140371)

一種線性驅(qū)動TEC溫控系統(tǒng)的設(shè)計

何方洋蔣金鋒劉平吳小勝

(北京勤邦生物技術(shù)有限公司，北京 102206)

摘要：設(shè)計了一種基于模擬控制技術(shù)的半導(dǎo)體制冷器(TEC)溫控系統(tǒng)，具有響應(yīng)速度快、精度高、效率高等優(yōu)點，經(jīng)過實驗驗證，該系統(tǒng)可在環(huán)境溫度10~40℃范圍內(nèi)實現(xiàn)對孵育器的25℃控溫，精度達到0.05℃，可滿足化學(xué)發(fā)光免疫反應(yīng)所需的條件。

關(guān)鍵詞：模擬電路；PI調(diào)節(jié)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(shù)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(shù)隊伍建設(shè)計劃(YJ0114205)，華東理工大學(xué)校級教改項目(YJ0126112)，華東理工大學(xué)網(wǎng)絡(luò)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(xué)發(fā)光免疫反應(yīng)是在一定的溫度環(huán)境下進行的，反應(yīng)溫度的高低及穩(wěn)定性直接決定化學(xué)發(fā)光免疫分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，因此，恒溫孵育器是全自動化學(xué)發(fā)光免疫分析儀器的核心模塊之一。免疫反應(yīng)所需的溫度因試劑而異，目前在醫(yī)學(xué)診斷領(lǐng)域廣泛使用的化學(xué)發(fā)光試劑，普遍使用的孵育溫度是37℃左右，溫控系統(tǒng)只需完成單向的加熱功能，我公司開發(fā)的化學(xué)發(fā)光檢測試劑主要用于食品安全領(lǐng)域，孵育溫度為25℃，因?qū)嶋H環(huán)境溫度有可能高于也可能低于25℃，所以溫控系統(tǒng)需設(shè)計成既可加熱又可制冷的雙向控溫系統(tǒng)。此外，傳統(tǒng)的溫控器一般采用數(shù)字控制技術(shù)，用A/D對溫度信號進行采集，PWM驅(qū)動功率器件輸出[1]，存在容易產(chǎn)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(tǒng)調(diào)節(jié)器的方案，采用該技術(shù)設(shè)計的溫控器具有控溫精準(zhǔn)、穩(wěn)定可靠、效率高等優(yōu)點，目前已得到成功應(yīng)用。

2系統(tǒng)組成及工作原理

如圖1所示，溫控系統(tǒng)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(shù)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(wǎng)絡(luò)、功率驅(qū)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(fēng)扇。

圖1　系統(tǒng)組成

整個系統(tǒng)的控溫原理是：溫度檢測電路把PT100阻值的變化轉(zhuǎn)換成代表控溫對象實際溫度的電壓信號。設(shè)置溫度電壓是一個外部參考電壓值，代表的是目標(biāo)溫度，設(shè)置溫度電壓和實際溫度電壓經(jīng)過差分放大電路后得到的是誤差電壓，再經(jīng)過補償網(wǎng)絡(luò)(包含比例、積分環(huán)節(jié))，補償網(wǎng)絡(luò)的輸出結(jié)果控制H橋驅(qū)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(dǎo)體致冷器)電流的大小和方向以及所需的電源電壓：當(dāng)控溫對象溫度低于設(shè)置溫度時，H橋驅(qū)動TEC進行加熱，當(dāng)控溫對象溫度高于設(shè)置溫度時，H橋驅(qū)動TEC加熱功率減小甚至電流換向進行制冷操作，當(dāng)系統(tǒng)達到熱平衡后，TEC的工作電流的大小和方向也基本趨于穩(wěn)定。

3制冷片的選取

由于化學(xué)發(fā)光免疫反應(yīng)要求的反應(yīng)溫度為25℃，而環(huán)境溫度有可能低于也可能高于25℃，所以選擇基于Peltier效應(yīng)的TEC半導(dǎo)體制冷片正好可滿足系統(tǒng)的加熱制冷的雙向控溫需求[2]。

恒溫裝置內(nèi)安裝多片半導(dǎo)體制冷片，根據(jù)反應(yīng)床的材質(zhì)及尺寸大小，結(jié)合系統(tǒng)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(guī)格參數(shù)如表1。

表1　制冷片TEC-12705參數(shù)

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

根據(jù)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(zhì)的比熱容(單位J/kg·℃)，m是物質(zhì)的質(zhì)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(jù)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(lián)，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(shè)計要求。

4系統(tǒng)硬件設(shè)計

4.1　供電設(shè)計

系統(tǒng)的電源通過一個DC15V/10A的開關(guān)電源得到，經(jīng)LM7812芯片得到+12V，+12V再經(jīng)電荷泵芯片ICL7662產(chǎn)生-12V，±12V主要供給運算放大器及外圍電路使用。+15V經(jīng)過LM2576芯片輸出一動態(tài)調(diào)整的電源，提供給2片串聯(lián)起來的制冷片使用，通過電壓反饋，工作時功率驅(qū)動電路中的IRF540漏極和柵極兩端電壓會保持在0.8V(LM2576內(nèi)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(shè)計

溫度檢測電路負(fù)責(zé)把PT100隨溫度變化的阻值轉(zhuǎn)換成電壓信號，如圖3所示，采用的是經(jīng)典的惠更斯直流電橋[3]，TL431的作用是產(chǎn)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(shè)計

差分放大電路的作用是把溫度設(shè)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(shè)定溫度的偏離程度。

TEMP_SET通過電位器調(diào)節(jié)得到，具體的電壓值可通過以下方法得到：把PT100在25℃對應(yīng)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(shè)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(jīng)過此環(huán)節(jié)，TEMP_ERR信號轉(zhuǎn)換成PI_SIG信號，比例和積分常數(shù)通過反復(fù)的實驗確定下來。

圖5　比例積分電路原理圖

4.5　恒流驅(qū)動電路設(shè)計

圖6為恒流驅(qū)動電路，把PI_SIG轉(zhuǎn)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(qū)動電路的制冷片電流采樣信號。

圖6　恒流驅(qū)動電路原理圖

4.6　功率驅(qū)動電路設(shè)計

功率驅(qū)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(diào)整電路形成一個閉環(huán)控制回路，以恒流方式驅(qū)動半導(dǎo)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(qū)動電壓TEC_PWR動態(tài)變化，減少了功率管的發(fā)熱，提升了電源效率(圖7)。

圖7　功率驅(qū)動電路原理圖

5結(jié)束語

提出了一種基于TEC的高精度溫控系統(tǒng)，采用模擬電路進行設(shè)計，通過對工作電流和功率管電壓的反饋，實現(xiàn)了線性、高效、高精度的控溫，可滿足化學(xué)發(fā)光免疫試劑對反應(yīng)條件的要求，在生物、醫(yī)學(xué)、工業(yè)控制等領(lǐng)域也具有廣泛的應(yīng)用前景。

參考文獻

[1]黃岳巍,崔瑞禎,鞏馬理,陳剛. 基于TEC的大功率LD恒溫控制系統(tǒng)的研究. 紅外與激光工程，2006，(35)：143-147.

[2]劉繁明,趙亞鳳. 一種新型的基于TEC的精密溫控器設(shè)計. 中國慣性技術(shù)學(xué)報，2004，(12)：61-64.

[3]王博鈺,賈文超. 基于半導(dǎo)體制冷器的激光器溫度控制系統(tǒng).長春工業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2010，(31)：345-350.

[4]張華,龔義建. 一種微型高精度PWM溫度控制器的設(shè)計. 光學(xué)與光電技術(shù)，2004，(2)：29-31.