基于TEC的大功率制冷电路设计

摘要：本文结合TEC的工作特性，以TIP122型大功率三极管为核心设计了TEC器件的恒流驱动电路，最后对TEC器件的工作特性进行了测试与分析。

Abstract: Combined with the work features of TEC, TEC device constant current drive circuit is designed with high-power transistor TIP122 as core, finally, work characteristics of TEC devices are tested and analyzed.

关键词：热电制冷器；恒流驱动；运算放大器

Key words: thermoelectric cooler; constant current drive; operational amplifier

中图分类号：TM02 文献标识码：A文章编号：1006-4311（2010）36-0194-01

0引言

为保证光电测量及光通信系统的稳定性及测量精度，通常需要对光源设备进行制冷。在热电制冷器的工作过程中，由于其驱动电流相对较大（通常大于300mA），为满足半导体激光器工作温度的要求，我们采用若干个集成运算放大器及电子元器件设计了TEC制冷电路。本文结合TEC的工作特性，以TIP122型大功率三极管为核心设计了TEC器件的恒流驱动电路，最后对TEC器件的工作特性进行了测试与分析。

1TEC制冷电路设计

1.1 温度探测电路本文采用陶瓷粉工艺制作的NTC型热敏电阻作为传感器。将热敏电阻串联入恒流源，对热敏电阻两端电压采样，将温度变换为电信号。设计中采用运算放大器OP07、齐纳二极管BZV55-C2V4和PNP型三极管2N2907组成的恒流源电路使热敏电阻工作，其中R5为热敏电阻，室温下阻值为10kΩ。

稳压二极管BZV55-C2V4工作时两端的电压稳定在2.4V，因此OP07A正相输入端的电压为9.6V，根据运算放大器两个输入端虚短路的特征，R3端的电压也是9.6V，因此流过R3的电流为（12V-9.6V）/220KΩ≈10μA，由于三极管的集电极电流近似等于发射极电流，因此恒流源电路产生的恒定电流为10μA。可得出在常温下热敏电阻Rt分得电压为0.1V，此电压值也就是参考电压值。随着温度的升高，热敏电阻的阻值变化就可以转化为电压的变化，此电压与参考电压经过运放LM224进行差分放大就可以驱动TEC对半导体激光器进行制冷。

1.2 差分放大电路结合TEC的温度控制原理，首先需要将热敏电阻变化的阻值转化为变化的电压信号然后差分放大，并且为提高控制精度，电路的放大倍数必须要高，并且最终输出电压在3V以内，电流在1A以内，这样既能保证TEC制冷器的稳定工作，而且也使温度控制精度得到提高。比较器的工作原理如下：

①设基准参考电压为V0，热敏电阻的输出端电压为Vt，输出电压为Vout；V0连接运放正向端，Vt连接运放负向端；

②初始阶段，令V0=Vt，则此时Vout=0，TEC不工作；

③若功耗器件工作温度升高，热敏电阻阻值下降，导致其输出端电压Vt减少，所以Vt－V0

④Vout驱动恒流源，使TEC器件的冷端温度下降；

⑤当功耗器件（激光器）的工作温度恢复到初始状态，对应的端电压Vt=V0，比较器输出再次为0，TEC器件不工作，制冷过程结束。

实际连接的差分放大电路由两个级联的运放LM224构成，实现对温度信号的判别与放大功能。

1.3 TEC驱动电路由于TEC在工作中阻值不断减小，如果采用恒压源驱动时，TEC中流过的电流会不断增加。但是，TEC冷端和热端的最大温差电流是一定的，所以我们用恒流源来驱动TEC器件。恒流源电路中，通过调节电位器R1，给集成运算放大器正相输入端一个偏置电压V。由于运放输入端的电压虚短，所以，运放的反相输入端电压也为V。于是，三极管发射极流出的电流为I1=V/R5，亦即此时流过TEC器件的电流约为I2≈I1=V/R5。由于TEC需要很大驱动电流，所以在选择恒流源的时候，我们应选择一个额定功率大、输出电流稳定的恒流器件。综上，确定NPN型三极管TIPl22作为恒流源。

在电阻的选择上，采用RX21型被漆功率型线绕电阻器。其主要技术参数：70℃额定功耗10w，阻值5Ω，阻值允许偏差5%，电阻温度系数±250PPM/℃。

2实验结果和分析

2.1 稳定性测试本设计中采用型号为TES1-3103单级半导体致冷片，其最大温差电流为Imax=3A，最大驱动电压Vmax=3.5V，最大温差为Tmax=67℃。当调节电位器R1时，可以使得TEC在不同的恒流下工作。我们来测试TEC冷面的温度漂移，就可以得出TEC驱动电路的稳定性。由于温度不容易直接测得，我们将一个热敏电阻贴在TEC的冷面，通过测量它的阻值，对比热敏电阻与温度的对照表，就可以得到冷面的温度。我们分别测量了电流为300mA，500mA，700mA时TEC冷面的温度漂移。经计算，I与TEC的工作稳定度基本呈线性变换关系，对应拟合直线的方程为y=0.6246x+25.599。于是，我们得到该款TEC制冷器的变化精度为0.6246℃/mA。

2.2 TEC两端的温差和电流关系验证我们将两个热敏电阻分别贴在TEC的冷面和热面，改变流过TEC的电流，测量冷面和热面的热敏电阻的阻值，然后其转化成温度值，两者相减就可以得到TEC两端的温差。TEC冷面的温度先降低后升高，热面的温度一直都在升高，冷面和热面的温差逐渐增大到某一最大值，然后缓慢变小。TEC两端的温差和电流的关系曲线近似为抛物线形状，其变化趋势反映了TEC的工作特性。

3结论

TEC器件的驱动电路属于大功率驱动电路，在其设计过程中，对于电阻、运放以及电路中元器件的分布均需要特别注意。本文围绕着温度TEC的工作特性和TEC的驱动电路等问题进行了分析，恒流源驱动电路保证了TEC器件具有较好的线性输出特性，且经长时间工作验证，该电路具有很好的稳定性，性能可靠。

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