0
  • 聊天消息
  • 系統(tǒng)消息
  • 評論與回復(fù)
登錄后你可以
  • 下載海量資料
  • 學(xué)習(xí)在線課程
  • 觀看技術(shù)視頻
  • 寫文章/發(fā)帖/加入社區(qū)
會員中心
电子发烧友
开通电子发烧友VIP会员 尊享10大特权
海量资料免费下载
精品直播免费看
优质内容免费畅学
课程9折专享价
創(chuàng)作中心

完善資料讓更多小伙伴認(rèn)識你,還能領(lǐng)取20積分哦,立即完善>

3天內(nèi)不再提示

如何精準(zhǔn)控制系統(tǒng)溫度詳細(xì)解說

Sq0B_Excelpoint ? 來源:面包板社區(qū) ? 作者:亞德諾半導(dǎo)體 ? 2021-04-26 11:56 ? 次閱讀

在光纖電信系統(tǒng)中,激光二極管用作發(fā)送信號的發(fā)射激光器,以及摻鉺光纖放大器(EDFA)和半導(dǎo)體光放大器(SOA)的泵激光器。在這些應(yīng)用中,激光器的特性(包括波長、平均光功率、效率和消光比)必須保持穩(wěn)定以確保電信系統(tǒng)的整體性能良好。然而,這些特性取決于激光器的溫度:只要溫度發(fā)生漂移,波長就會改變,轉(zhuǎn)換效率將會降低。要求的溫度穩(wěn)定性介于±0.001°C至±0.5°C,具體數(shù)值視應(yīng)用而定。

為了控制溫度,需要一個由熱敏電阻、熱電冷卻器(TEC)和TEC控制器組成的環(huán)路。熱敏電阻的阻值與溫度成比例變化(反比或正比,取決于熱敏電阻類型),當(dāng)配置為分壓器時(shí),可利用它來將溫度轉(zhuǎn)換為電壓。TEC控制器將該反饋電壓與代表目標(biāo)溫度的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較,然后控制流經(jīng)TEC的電流,從而調(diào)整TEC傳輸?shù)臒崃俊?/p>

a6fe7e94-a4ab-11eb-aece-12bb97331649.jpg

圖1. 激光模塊的溫度控制系統(tǒng)

上述系統(tǒng)的一般框圖如圖1所示。激光二極管、TEC和熱敏電阻位于激光模塊內(nèi)部。TEC控制器ADN8833或ADN8834讀取熱敏電阻的反饋電壓,并向TEC提供驅(qū)動電壓。使用微控制器監(jiān)測和控制熱環(huán)路。注意,熱環(huán)路也可以在模擬電路中構(gòu)建。ADN8834內(nèi)置兩個零漂移斬波放大器,可將其用作PID補(bǔ)償器。

本文將說明電信系統(tǒng)中激光二極管熱控制系統(tǒng)的組成,并介紹主要器件的關(guān)健規(guī)格。本文的目的是從系統(tǒng)角度闡述各項(xiàng)設(shè)計(jì)考慮,為設(shè)計(jì)人員構(gòu)建一個具有良好溫度控制精度、低損耗、小尺寸的高性能系統(tǒng)提供全局性指南。

TEC:熱電冷卻技術(shù)

熱電冷卻器包括兩片表面陶瓷板,其間交替放置P型和N型半導(dǎo)體陣列,如圖2所示。

圖2. 帶散熱器的TEC模塊

當(dāng)電流流經(jīng)這些導(dǎo)體時(shí),熱量將在一端吸收并在另一端釋放;當(dāng)電流方向相反時(shí),熱傳輸也會反向。該過程稱為珀?duì)柼?yīng)。N型半導(dǎo)體中的載流子是電子,因此,其載流子和熱量從陽極流向陰極。對面的N型半導(dǎo)體具有空穴載流子,熱量也沿相反方向流動。

取一對P-N半導(dǎo)體對,用金屬板將其連接起來,如圖3所示;當(dāng)電流流過時(shí),熱量將沿一個方向傳輸。

a749e8a2-a4ab-11eb-aece-12bb97331649.jpg

圖3. 珀?duì)柼?yīng):P-N半導(dǎo)體對的熱流

改變直流電壓的極性可改變熱傳輸方向,傳輸?shù)臒崃颗c電壓幅度成比例。由于既簡單又魯棒,熱電冷卻被廣泛用于電信系統(tǒng)的熱調(diào)理。

如何選擇TEC模塊

選擇TEC模塊時(shí),需要考慮系統(tǒng)中的許多因素,如環(huán)境溫度、對象目標(biāo)溫度、熱負(fù)荷、電源電壓和模塊的物理特性等。必須認(rèn)真評估熱負(fù)荷,確保所選TEC模塊有足夠的容量來將熱量從系統(tǒng)泵出以維持目標(biāo)溫度。

TEC模塊制造商在數(shù)據(jù)手冊中通常會提供兩條性能曲線。一條曲線顯示電源電壓范圍內(nèi)不同溫差(ΔT)下的熱傳輸容量,另一條曲線顯示電源電壓和ΔT的不同組合所需要的冷卻/加熱電流。設(shè)計(jì)人員可以估計(jì)模塊的功率容量,確定它能否滿足特定應(yīng)用需要。

TEC控制器操作和系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了利用TEC補(bǔ)償溫度,TEC控制器應(yīng)能根據(jù)反饋誤差產(chǎn)生可逆差分電壓,并提供適當(dāng)?shù)碾妷汉碗娏飨拗?。圖4為ADN8834的簡化系統(tǒng)框圖。主要功能模塊包括溫度檢測電路、誤差放大器和補(bǔ)償器、TEC電壓/電流檢測和限值電路、差分電壓驅(qū)動器

a7721d04-a4ab-11eb-aece-12bb97331649.jpg

圖4. 單芯片TEC控制器ADN8834功能框圖

差分電壓驅(qū)動器

TEC控制器輸出一個差分電壓,使得通過TEC的電流可以帶走連接到TEC的對象的熱量,或者平穩(wěn)地變?yōu)橄喾礃O性以加熱該對象。電壓驅(qū)動器可以是線性模式、開關(guān)模式或混合電橋。線性模式驅(qū)動器更簡單且更小,但效率不佳。開關(guān)模式驅(qū)動器具有良好的效率——高達(dá)90%以上——但輸出端需要額外的濾波電感和電容。ADN8833和ADN8834使用混合配置,含有一個線性驅(qū)動器和一個開關(guān)模式驅(qū)動器,體積較大濾波元件的數(shù)量減半,同時(shí)能夠保持高效率性能。

電壓驅(qū)動器設(shè)計(jì)對控制器至關(guān)重要,因?yàn)樗加昧舜蟛糠止暮碗娐钒蹇臻g。優(yōu)化的驅(qū)動器級有助于最大程度地縮減功率損耗、電路尺寸、散熱器需求和成本。

如何利用NTC熱敏電阻檢測溫度

圖5顯示了負(fù)溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻在溫度范圍內(nèi)的阻抗。由于它與溫度具有相關(guān)性,因此可將其連接為分壓器,從而將溫度轉(zhuǎn)換為電壓。

a7a282be-a4ab-11eb-aece-12bb97331649.jpg

圖5. NTC阻抗與溫度的關(guān)系曲線

典型連接如圖6所示。當(dāng)RTH隨溫度而變化時(shí),VFB也會變化。

a7d17506-a4ab-11eb-aece-12bb97331649.jpg

圖6. NTC熱敏電阻連接為分壓器以將溫度轉(zhuǎn)換為電壓

增加一個Rx與熱敏電阻串聯(lián),便可相對于VREF將溫度電壓傳遞函數(shù)線性化,如圖7所示。必須將其與模塊殼內(nèi)部的激光器緊密耦合,隔絕外部溫度波動影響,使其能精確檢測溫度。

a7eca5c4-a4ab-11eb-aece-12bb97331649.jpg

圖7. VFB與溫度的關(guān)系

誤差放大器和比較器

模擬熱反饋環(huán)路包括兩級,由兩個放大器構(gòu)成,如圖8所示。第一個放大器接受熱反饋電壓(VFB),將該輸入轉(zhuǎn)換或調(diào)節(jié)為線性電壓輸出。此電壓代表對象溫度,饋入補(bǔ)償放大器中,與溫度設(shè)定電壓進(jìn)行比較,產(chǎn)生一個與二者之差成比例的誤差電壓。第二個放大器通常用來構(gòu)建一個PID補(bǔ)償器,后者包括一個極低頻率極點(diǎn)、兩個不同的較高頻率零點(diǎn)和兩個高頻極點(diǎn),如圖8所示。

a80a92f0-a4ab-11eb-aece-12bb97331649.jpg

圖8. 使用ADN8834內(nèi)部兩個

斬波放大器的熱反饋環(huán)路圖

PID補(bǔ)償器可通過數(shù)學(xué)方法或經(jīng)驗(yàn)方法確定。要從數(shù)學(xué)上模擬熱環(huán)路,需要TEC、激光二極管、連接器和散熱器的精確熱時(shí)間常數(shù),這不太容易獲得。利用經(jīng)驗(yàn)方法調(diào)諧補(bǔ)償器更為常見。通過假定溫度設(shè)定端具有某個階躍函數(shù)并改變目標(biāo)溫度,設(shè)計(jì)人員可以調(diào)整補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò),使TEC溫度的建立時(shí)間最短。

激進(jìn)補(bǔ)償器會對熱擾動快速作出反應(yīng),但也很容易變得不穩(wěn)定,而保守補(bǔ)償器建立得較慢,但能耐受熱擾動,發(fā)生過沖的可能性更小。系統(tǒng)穩(wěn)定性和響應(yīng)時(shí)間之間必須達(dá)到平衡。

TEC控制器系統(tǒng)的關(guān)鍵性能

有時(shí)候,即便PID補(bǔ)償器設(shè)計(jì)得當(dāng),穩(wěn)態(tài)誤差仍會存在。下面是引起該誤差的幾個因素。

TEC熱功率預(yù)算:設(shè)計(jì)該系統(tǒng)時(shí),TEC和電源電壓是最先選定的事情。然而,由于熱負(fù)荷不容易估計(jì),選擇可能不正確。某些情況下,若將最大功率應(yīng)用于TEC但仍不能達(dá)到目標(biāo)溫度,可能意味著熱功率預(yù)算不足以處理熱負(fù)荷。提高電源電壓或挑選具有更高功率額定值的TEC可解決這個問題。

基準(zhǔn)電壓源一致性:基準(zhǔn)電壓源會隨溫度和時(shí)間而漂移,對于閉合熱環(huán)路,這通常不是問題。但是,尤其是在數(shù)字控制系統(tǒng)中,TEC控制器和微控制器的基準(zhǔn)電壓源可能有不同的漂移,引起補(bǔ)償器不會察覺的誤差。建議這兩個電路采用相同的基準(zhǔn)源,用具有較高驅(qū)動能力的電壓覆蓋另一電壓。

溫度檢測:為使溫度誤差最小,精確檢測負(fù)載溫度非常重要。任何來自反饋的誤差都會進(jìn)入系統(tǒng),補(bǔ)償器同樣不能糾正這種誤差。使用高精度熱敏電阻和自穩(wěn)零放大器可避免誤差。熱敏電阻的布置也很重要。確保將它安裝到激光器上,以便能夠讀取我們要控制的實(shí)際溫度。

效率

TEC控制器的大部分功耗是由驅(qū)動器級消耗的。在ADN8833/ADN8834中,線性驅(qū)動器的功耗可根據(jù)輸入至輸出壓降和負(fù)載電流直接得出。開關(guān)模式驅(qū)動器的損耗較為復(fù)雜,大致可分解為三部分:傳導(dǎo)損耗、開關(guān)損耗和轉(zhuǎn)換損耗。傳導(dǎo)損耗與FET的RDSON和濾波電感的直流電阻成比例。選擇低電阻元件可降低傳導(dǎo)損耗。開關(guān)損耗和轉(zhuǎn)換損耗高度依賴于開關(guān)頻率。頻率越高,損耗越高,但無源元件尺寸可減小。為實(shí)現(xiàn)最優(yōu)設(shè)計(jì),必須仔細(xì)權(quán)衡效率與空間。

噪聲和紋波

ADN8833/ADN8834中的開關(guān)模式驅(qū)動器以2MHz頻率切換,快速PWM開關(guān)時(shí)鐘沿包含很寬的頻譜,會在TEC端產(chǎn)生電壓紋波,并且在整個系統(tǒng)中產(chǎn)生噪聲。增加適當(dāng)?shù)娜ヱ詈图y波抑制電容可降低噪聲和紋波。

對于開關(guān)模式電源常用的降壓拓?fù)?,電源電壓軌上的紋波主要由PWM FET斬波的斷續(xù)電流所引起。并聯(lián)使用多個SMT陶瓷電容可降低ESR(等效串聯(lián)電阻)并在局部給電源電壓去耦。在開關(guān)模式驅(qū)動器輸出節(jié)點(diǎn),電壓紋波由濾波電感的電流紋波引起。為抑制此紋波,應(yīng)在驅(qū)動器輸出端到地之間并聯(lián)使用多個SMT陶瓷電容。紋波電壓主要由電容ESR與電感紋波電流的乘積決定:ΔV_TEC = ESR × ΔI_L并聯(lián)使用多個電容可有效降低等效ESR。

結(jié) 論

設(shè)計(jì)電信系統(tǒng)中激光二極管的TEC控制器系統(tǒng)是一項(xiàng)很復(fù)雜的工作。除了熱精度方面的挑戰(zhàn)之外,封裝尺寸通常非常小,功耗容差也很低。一般而言,設(shè)計(jì)精良的TEC控制器應(yīng)具備如下優(yōu)點(diǎn):

精準(zhǔn)溫度調(diào)節(jié)

高效率

板尺寸很小

低噪聲

電流和電壓監(jiān)控與保護(hù)
編輯:lyn

聲明:本文內(nèi)容及配圖由入駐作者撰寫或者入駐合作網(wǎng)站授權(quán)轉(zhuǎn)載。文章觀點(diǎn)僅代表作者本人,不代表電子發(fā)燒友網(wǎng)立場。文章及其配圖僅供工程師學(xué)習(xí)之用,如有內(nèi)容侵權(quán)或者其他違規(guī)問題,請聯(lián)系本站處理。 舉報(bào)投訴
  • 控制器
    +關(guān)注

    關(guān)注

    112

    文章

    16493

    瀏覽量

    179845
  • 熱敏電阻
    +關(guān)注

    關(guān)注

    14

    文章

    1180

    瀏覽量

    101790
  • 激光二極管
    +關(guān)注

    關(guān)注

    8

    文章

    185

    瀏覽量

    35461
  • 熱電冷卻器
    +關(guān)注

    關(guān)注

    0

    文章

    10

    瀏覽量

    9019

原文標(biāo)題:【世說設(shè)計(jì)】如何精準(zhǔn)控制系統(tǒng)溫度?這里有一份“指南”!

文章出處:【微信號:Excelpoint_CN,微信公眾號:Excelpoint_CN】歡迎添加關(guān)注!文章轉(zhuǎn)載請注明出處。

收藏 2人收藏

    評論

    相關(guān)推薦

    智能馬桶水溫NTC溫度傳感器

    隨著科技不斷進(jìn)步,智能家居產(chǎn)品逐漸走進(jìn)我們生活。其中,智能馬桶作為一款高科技產(chǎn)品,受到越來越多人青睞。水溫控制系統(tǒng)作為智能馬桶重要組成部分,其需安裝NTC溫度傳感器來實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)水溫控制
    發(fā)表于 12-20 11:55

    日光溫室智能控制系統(tǒng)

    日光溫室智能控制系統(tǒng)作為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要組成部分,改變著傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)模式,引領(lǐng)著溫室作物生產(chǎn)向更高效、更智能的方向發(fā)展,提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率和質(zhì)量。 一、系統(tǒng)架構(gòu) 日光溫室智能控制系統(tǒng),集成傳感器
    的頭像 發(fā)表于 12-16 16:17 ?261次閱讀

    激光焊錫中溫度控制系統(tǒng)的重要作用

    激光焊錫中溫度控制系統(tǒng)是非常重要的配置。松盛光電來給大家介紹什么是激光錫焊溫度控制系統(tǒng),以及溫度控制系統(tǒng)
    的頭像 發(fā)表于 12-03 16:51 ?288次閱讀
    激光焊錫中<b class='flag-5'>溫度</b><b class='flag-5'>控制系統(tǒng)</b>的重要作用

    農(nóng)業(yè)大棚溫度控制系統(tǒng)組成與功能應(yīng)用

    農(nóng)業(yè)大棚溫度控制系統(tǒng),通過實(shí)時(shí)監(jiān)測大棚內(nèi)外的溫度數(shù)據(jù),并根據(jù)農(nóng)作物的生長需求進(jìn)行自動調(diào)節(jié),以維持大棚內(nèi)適宜的溫度環(huán)境,在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中扮演著至關(guān)重要的角色。提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量,降低生產(chǎn)
    的頭像 發(fā)表于 11-22 16:24 ?305次閱讀

    花卉智能灌溉控制系統(tǒng)功能應(yīng)用

    花卉智能灌溉控制系統(tǒng),作為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)與信息技術(shù)融合的典范,正逐步改變著傳統(tǒng)花卉種植與養(yǎng)護(hù)的模式。這一系統(tǒng)的應(yīng)用,旨在提高灌溉效率,確?;ɑ苌L環(huán)境的精準(zhǔn)調(diào)控,為花卉產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展注入了新的活力
    的頭像 發(fā)表于 11-19 17:04 ?310次閱讀

    基于PWM的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    基于PWM(脈寬調(diào)制)的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)是一個結(jié)合了現(xiàn)代電子技術(shù)、傳感器技術(shù)和控制理論的綜合應(yīng)用。以下是對該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的介紹: 一、系統(tǒng)概述
    的頭像 發(fā)表于 11-19 09:16 ?611次閱讀

    現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)與集散控制系統(tǒng)的對比

    在工業(yè)自動化領(lǐng)域中,現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)和集散控制系統(tǒng)(DCS)是兩個重要的控制系統(tǒng)架構(gòu)。它們各自具有獨(dú)特的特點(diǎn)和優(yōu)勢,并在不同的應(yīng)用場景中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。本文將對這兩種控制系統(tǒng)
    的頭像 發(fā)表于 06-27 14:11 ?2405次閱讀

    前饋控制系統(tǒng)與反饋控制系統(tǒng)的區(qū)別

    在工業(yè)自動化領(lǐng)域中,控制系統(tǒng)是確保生產(chǎn)過程穩(wěn)定、高效運(yùn)行的關(guān)鍵。其中,前饋控制系統(tǒng)和反饋控制系統(tǒng)是兩種常見的控制策略。它們各自具有獨(dú)特的工作原理和優(yōu)勢,適用于不同的應(yīng)用場景。本文將對前
    的頭像 發(fā)表于 06-17 11:45 ?4441次閱讀

    建筑智能控制系統(tǒng)的特點(diǎn)

    建筑物的運(yùn)行效率、舒適性和能源利用效率,是現(xiàn)代建筑領(lǐng)域極具影響力的一項(xiàng)技術(shù)。下面將詳細(xì)介紹建筑智能控制系統(tǒng)的特點(diǎn),以便更好地理解其在建筑領(lǐng)域的重要性。 1.自動化控制 建筑智能控制系統(tǒng)
    的頭像 發(fā)表于 06-13 16:23 ?557次閱讀

    控制系統(tǒng)中開環(huán)和閉環(huán)如何判斷

    至關(guān)重要。本文將從多個方面詳細(xì)介紹開環(huán)和閉環(huán)控制系統(tǒng)的判斷方法,并通過分點(diǎn)表示和歸納的方式,結(jié)合相關(guān)數(shù)字和信息,使內(nèi)容更加清晰易懂。
    的頭像 發(fā)表于 06-13 15:13 ?4068次閱讀

    開環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng)的區(qū)別

    控制系統(tǒng)中,開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)是兩種基本且重要的類型。它們在結(jié)構(gòu)、工作原理、性能特點(diǎn)以及應(yīng)用場景等方面存在顯著的差異。本文將對這兩種控制系統(tǒng)進(jìn)行
    的頭像 發(fā)表于 06-13 15:00 ?1w次閱讀

    運(yùn)動控制系統(tǒng)由什么組成

    運(yùn)動控制系統(tǒng)是一種用于控制機(jī)械運(yùn)動的系統(tǒng),它能夠根據(jù)預(yù)定的軌跡和速度對機(jī)械進(jìn)行精確控制。運(yùn)動控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化、機(jī)器人技術(shù)、航空航
    的頭像 發(fā)表于 06-12 10:51 ?1741次閱讀

    液壓伺服控制系統(tǒng)控制要求

    液壓伺服控制系統(tǒng),作為一種重要的工業(yè)控制手段,其設(shè)計(jì)和運(yùn)行必須滿足一系列嚴(yán)格的控制要求,以確保系統(tǒng)的高效、穩(wěn)定和安全運(yùn)行。以下是對液壓伺服控制系統(tǒng)控
    的頭像 發(fā)表于 06-11 11:32 ?768次閱讀

    閉環(huán)控制系統(tǒng)的原理和組成

    與期望的輸出進(jìn)行比較,進(jìn)而調(diào)整系統(tǒng)輸入,以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)輸出的精確控制。本文將詳細(xì)介紹閉環(huán)控制系統(tǒng)的定義、原理、組成及其在各領(lǐng)域的應(yīng)用。
    的頭像 發(fā)表于 06-05 17:21 ?2521次閱讀

    液壓伺服控制系統(tǒng)控制要求

    液壓伺服控制系統(tǒng)是一種利用液壓傳動和伺服控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)精確控制系統(tǒng)。它廣泛應(yīng)用于工業(yè)、航空、船舶、冶金等領(lǐng)域。本文將詳細(xì)介紹液壓伺服
    的頭像 發(fā)表于 06-05 15:59 ?1027次閱讀

    電子發(fā)燒友

    中國電子工程師最喜歡的網(wǎng)站

    • 2931785位工程師會員交流學(xué)習(xí)
    • 獲取您個性化的科技前沿技術(shù)信息
    • 參加活動獲取豐厚的禮品