基于MAX1968的LD自動(dòng)溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)(TEC驅(qū)動(dòng)芯片

3.1 溫度傳感器的選擇

溫度傳感器的選擇至少要考慮4方面因素：線性度、溫度范圍、靈敏性以及其大小。常用的溫度傳感器有負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻、RTD(電阻溫度檢測(cè)器，包括鉑電阻、銅電阻等)、集成溫度傳感器(如LM335、AD590或AD592等)，它們的有關(guān)參數(shù)比較見表1。

最常用的是熱敏電阻，其靈敏度高，體積小，價(jià)格低，但是其阻值與溫度呈非線性關(guān)系，所以在應(yīng)用中通常要進(jìn)行線性化處理。RTD的阻值隨著溫度的變化線性增加，但其靈敏性較差，一般用在穩(wěn)定性要求不高的場(chǎng)合。LM335、AD590在整個(gè)溫度范圍內(nèi)都具有很好的線性，而且靈敏度很高，LM335是電壓輸出型，溫度每變化1 K，其電壓改變10 mV；AD590是電流輸出型，溫度每變化1 K，其電流變化1 mA。它們的溫度穩(wěn)定性可達(dá)到0.01℃，在LD溫度控制系統(tǒng)中應(yīng)用也很廣泛。

3.2 給定溫度值的設(shè)定

采用電阻分壓器直接設(shè)定溫度值，其電路簡單，操作方便，但調(diào)節(jié)比較麻煩，而且精度不高。

利用單片機(jī)設(shè)定相對(duì)某一溫度的給定電壓數(shù)字量，經(jīng)D／A轉(zhuǎn)換器芯片(如MAX5144)轉(zhuǎn)換為模擬給定值。這種方法電路較復(fù)雜，但可通過程序直接將給定值設(shè)定在期望值附近，數(shù)字調(diào)節(jié)的精度很高，而且單片機(jī)還可應(yīng)用于控制電路后續(xù)的處理和顯示電路中。

3.3 控制方法

溫度傳感器所提供的反饋信號(hào)與設(shè)定的溫度值比較后得到的誤差項(xiàng)經(jīng)過放大處理送給控制電路。最常用的控制電路是由分立元件所構(gòu)成的模擬PID，也可以是數(shù)字PID控制，但是有一點(diǎn)要注意，數(shù)字PID容易在系統(tǒng)引入噪聲，需要進(jìn)行適當(dāng)處理，否則會(huì)影響系統(tǒng)的性能。除了上面兩種控制方法，還有一種較為常用的方法就是在系統(tǒng)中利用單片機(jī)作為微控制器，通過A／D、D／A轉(zhuǎn)換和PID算法，輸出模擬量給MAX1968的CTL1，以驅(qū)動(dòng)TEC實(shí)現(xiàn)對(duì)LD的加熱或制冷，軟硬件結(jié)合，可以提高整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度。

3.4 其他注意事項(xiàng)

元器件選定后構(gòu)建LD溫度控制系統(tǒng)最重要的工作就是機(jī)械安裝。如果熱沉不合適或者器件之間的熱傳導(dǎo)很差，不僅會(huì)使得系統(tǒng)性能下降，甚至可能會(huì)導(dǎo)致器件的損壞。

從概念上說，熱沉的作用很簡單：提供一個(gè)恒溫表面，通常接近室溫。熱沉的性能將影響系統(tǒng)最大溫度范圍和溫度穩(wěn)定性。為了有效地散熱，熱沉最好是帶有翅狀的突起，熱沉表面積越大，熱量消散越快。如果熱沉設(shè)計(jì)不好，系統(tǒng)會(huì)陷入熱量失控的惡性循環(huán)，即熱沉不能及時(shí)將泵浦進(jìn)去的熱量轉(zhuǎn)移走，則TEC冷端的溫度會(huì)升高，傳感器感測(cè)到這個(gè)溫升后，控制器將增加輸出電流以補(bǔ)償溫度的升高，而隨著電流的增加又泵浦更多的熱量進(jìn)入熱沉，進(jìn)一步升高TEC冷端的溫度。這樣不斷循環(huán)下去直到到達(dá)電流的極限值，這時(shí)系統(tǒng)將不再受控，激光器也無法穩(wěn)定在設(shè)定的溫度值。所以熱沉應(yīng)能及時(shí)將激光器和TEC冷端所產(chǎn)生的熱量消散掉。

TEC模塊安裝到熱沉中有不同的方法，對(duì)具體的TEC，制造商會(huì)推薦適當(dāng)?shù)陌惭b方式，為實(shí)現(xiàn)優(yōu)化溫度控制，從待冷卻(或加熱)的器件到TEC表面的熱通路應(yīng)有高的熱傳導(dǎo)率和短的物理長度，溫度傳感器也盡可能靠近激光器以提高測(cè)量準(zhǔn)確度。同時(shí)，還要盡量減小輻射和對(duì)流所帶來的損失。

4 結(jié)束語

本文介紹TEC驅(qū)動(dòng)芯片MAX1968的控制原理及其特點(diǎn)，并給出了該芯片的應(yīng)用設(shè)計(jì)方案，同時(shí)討論了構(gòu)成系統(tǒng)的各部件選擇方案或原則，對(duì)不同的LD和TEC只要恰當(dāng)?shù)剡x擇外圍器件，用MAX1968構(gòu)建的溫度控制系統(tǒng)可以快速穩(wěn)定地達(dá)到所設(shè)定的溫度值，穩(wěn)定性可達(dá)到0.01℃。