熱電制冷攝像機配套電源的研究

現代成像器件具有集成度高、功耗小、成本低的優點,可以使攝像機的結構簡化、成本降低,典型的代表是CCD和GMOS成像器件。它們都是半導體器件,不足的是其成像品質受溫度、開機時間的影響。采用熱電制冷為其降溫是克服成像器件溫度噪聲的有效途徑。

目前,采用熱電制冷的CCD攝像機技術在國外已經相當成熟,市場上已有應的該項技術的系列化商品。但是,就熱電制冷攝像機的研究國仙尚無成功報道,這是此類進口商品價格居高不下的主要原因。因此,研制熱電制冷攝像機是業內亟等解決的問題,為此必須解決配套電源的技術問題。

1 配套電源技術必須考慮的問題

電源是攝像梵工作的基本條件,包括成像器件的工作電源和熱電制冷器電源部分。兩部分具有各自的特點,前者要精度高、穩定性好;后者則較為特殊,從熱電制冷的需要看,應該具有以下的特點：

（1）品質高,脈動系數小。因為熱電制冷器的制冷性能與供電直流電源的品質有關,已以的研究表明：當直流電源的電壓脈動系數小于15％時,其消耗的功率、制冷系數基本上沒有變化,而且脈動系數小有利于制冷器穩定工作。

（2）與制冷器相互匹配。由于希望成像器件工作在－40℃－60℃的溫度范圍內,而單級制冷器是無法實現的,所以攝像機內熱電制冷器是多級聯結的。由于各級制冷器的供電電源在功率容量、電壓大小方面都有較大差異,困此,不同的熱電制冷器應單獨設置與之匹配的供電電源,不應簡單地串聯或并聯。

（3）功率容量可控。在制冷降溫過程中,不僅要求能降低溫度,更重要的是保持低溫恒定,而且還希望降溫速度快。對電源來說,則希望所能夠在開機是提供熱電制冷器能夠承受的極限電壓和電流,隨著溫度的下降以及與設定值的接近,電源的電壓或電流逐漸減少,甚至為零。

（4）符合熱電制冷工作的特點。熱電制冷呂器是半導體器件,低電壓、大電流是熱電流冷器正常工作的突出特征,供電電源也要具有這一特性。

除此 之外,電源作為攝像機的配套設備,還應該滿足體積小、效率高、操作方便等要求,應該具有電源工作狀態、攝像機內部溫度可視化的功能,這樣不僅便用掌握成像品質隨溫度變化的規律性,掌握不同的熱負荷的降溫規律,還有益于了解控制器的性能及其工作狀態,避免實驗的盲目性。

根據熱電制冷攝像機對電源的特殊要求,配套電源的設計應重點解決兩方面的問題：

（1）電源方案的選擇：目前的串型穩壓電源和開關型穩壓電源都可以滿足熱電制冷器對電源品質的要求,但串聯型穩壓電源的體積大、效率低、溫升高,而高頻開關電源則可以克服上述不足,使攝像機系統的體積和重量降低。因此,在熱電制冷器的電源設計中,選擇高頻開關型電源結構。

（2）減小電源體積和重量;現從電源的結構設計和電路設計兩個方面采取小型化措施。在結構上,把不必要的調節電壓固定下來,對低功耗的電極直接采用電阻分壓供電,將制冷器和控制器的小功率電源合并制板;在電路設計中,選用新型集成電路,進一步減小電路板的體積,從而使攝像機配套電源箱僅為200mm×130mm×120mm。