儀器研制與改進(jìn)

項(xiàng)目來源：國(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)(2013YQ140371)

一種線性驅(qū)動(dòng)TEC溫控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

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(jì)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(diǎn)，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)可在環(huán)境溫度10~40℃范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)孵育器的25℃控溫，精度達(dá)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(jiǎn)介：何方洋，男，1969出生，高級(jí)研究員，博士，研究方向是食品安全檢測(cè)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(xiàng)目：上海高校實(shí)驗(yàn)技術(shù)隊(duì)伍建設(shè)計(jì)劃(YJ0114205)，華東理工大學(xué)校級(jí)教改項(xiàng)目(YJ0126112)，華東理工大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育研究項(xiàng)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(jìn)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(dòng)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(cè)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(jì)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(duì)溫度信號(hào)進(jìn)行采集，PWM驅(qū)動(dòng)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(jì)的溫控器具有控溫精準(zhǔn)、穩(wěn)定可靠、效率高等優(yōu)點(diǎn)，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(cè)電路、差分放大電路、PID(比例、積分、微分)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)、功率驅(qū)動(dòng)電路等，電子制冷片夾在溫控對(duì)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(gè)系統(tǒng)的控溫原理是：溫度檢測(cè)電路把PT100阻值的變化轉(zhuǎn)換成代表控溫對(duì)象實(shí)際溫度的電壓信號(hào)。設(shè)置溫度電壓是一個(gè)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(shí)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(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)(包含比例、積分環(huán)節(jié))，補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的輸出結(jié)果控制H橋驅(qū)動(dòng)電路，H橋通過對(duì)電流和電壓的實(shí)時(shí)采樣，能同時(shí)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(duì)象溫度低于設(shè)置溫度時(shí)，H橋驅(qū)動(dòng)TEC進(jìn)行加熱，當(dāng)控溫對(duì)象溫度高于設(shè)置溫度時(shí)，H橋驅(qū)動(dòng)TEC加熱功率減小甚至電流換向進(jìn)行制冷操作，當(dāng)系統(tǒng)達(dá)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(duì)升降溫速度的要求，我們最終選擇型號(hào)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(jì)算。孵育器上電后需經(jīng)過一段時(shí)間的預(yù)熱，等溫度達(dá)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(jì)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(jì)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(shí)間(單位s)。

把(1)式計(jì)算得到的Q及時(shí)間5min即300s代入(2)式，計(jì)算得到P= 8.7W。單個(gè)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(jì)算得出的58.7W，留有很大的余量，滿足設(shè)計(jì)要求。

4系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

4.1　供電設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的電源通過一個(gè)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(yùn)算放大器及外圍電路使用。+15V經(jīng)過LM2576芯片輸出一動(dòng)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(shí)功率驅(qū)動(dòng)電路中的IRF540漏極和柵極兩端電壓會(huì)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(cè)電路設(shè)計(jì)

溫度檢測(cè)電路負(fù)責(zé)把PT100隨溫度變化的阻值轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，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(yùn)算放大器，同時(shí)起到100倍增益放大和阻抗變換的效果，測(cè)溫電路輸出的信號(hào)命名為TEMP_SIG。

圖3　溫度檢測(cè)電路原理圖

4.3　差分放大電路設(shè)計(jì)

差分放大電路的作用是把溫度設(shè)定信號(hào)TEMP_SET和實(shí)測(cè)的溫度信號(hào)TEMP_SIG做減法運(yùn)算，得到誤差信號(hào)TEMP_ERR，采用的是以下的差分放大電路，TEMP_ERR信號(hào)代表實(shí)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(duì)應(yīng)的阻值109.73Ω，代入圖3的測(cè)溫電路，得出的輸出信號(hào)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(jì)

如圖5所示，比例積分電路包括比例放大、積分和加法3個(gè)基本電路的組合，經(jīng)過此環(huán)節(jié)，TEMP_ERR信號(hào)轉(zhuǎn)換成PI_SIG信號(hào)，比例和積分常數(shù)通過反復(fù)的實(shí)驗(yàn)確定下來。

圖5　比例積分電路原理圖

4.5　恒流驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

圖6為恒流驅(qū)動(dòng)電路，把PI_SIG轉(zhuǎn)換成GDS+和GDS-信號(hào)來控制TEC制冷片的工作電流大小和方向。Is+和Is-信號(hào)是來自后面功率驅(qū)動(dòng)電路的制冷片電流采樣信號(hào)。

圖6　恒流驅(qū)動(dòng)電路原理圖

4.6　功率驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

功率驅(qū)動(dòng)電路使用了IRF4905、IRF540和MTP3055各2個(gè)，搭了一個(gè)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(gè)閉環(huán)控制回路，以恒流方式驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體制冷片工作；通過的TEC+，TEC-信號(hào)反饋到圖2中的供電電路，使得制冷片驅(qū)動(dòng)電壓TEC_PWR動(dòng)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(dòng)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(jìn)行設(shè)計(jì)，通過對(duì)工作電流和功率管電壓的反饋，實(shí)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(duì)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(xiàn)

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