精確的溫度控制器產(chǎn)生熱梯度補償

　　為有效使用半導(dǎo)體激光器和光探測器等熱敏感組件和傳感器，有必要進行準(zhǔn)確穩(wěn)定的溫度控制。配合相關(guān)設(shè)備的使用，出現(xiàn)了一個專門提供熱電冷卻器(TEC)、溫度傳感器、單塊集成電路和混合型驅(qū)動集成電路等熱控制設(shè)備的新興行業(yè)。準(zhǔn)確穩(wěn)定的溫度控制可以為使用具有良好動態(tài)特性的高性能恒溫電子器件提供方便，因為它允許組裝具有靈活和復(fù)雜控制特征的反饋回路，例如，比例-積分-微分（PID）反饋回路，只需選擇合適的并聯(lián)電阻和電容。遺憾的是，良好的靜態(tài)穩(wěn)定性有時更難實現(xiàn)，因為系統(tǒng)而非電子器件的熱屬性往往會導(dǎo)致有限的溫度控制回路靜態(tài)穩(wěn)定性。

　　每個熱控制系統(tǒng)都會在熱量轉(zhuǎn)移通道中產(chǎn)生非零熱阻抗。這些通道包括恒溫對象的熱負(fù)荷以及包括電熱調(diào)節(jié)器和環(huán)境溫度在內(nèi)的溫度傳感器。如果這些阻抗的比率不能很好地達到平衡，而情況確實經(jīng)常如此，即使傳感器有極強的恒溫性能，也不能保證負(fù)荷溫度足夠穩(wěn)定（圖1）。

　　如果Z1/Z2大于Z3/Z4（Z表示阻抗），環(huán)境溫度上升，負(fù)荷溫度上升；環(huán)境溫度下降，負(fù)荷溫度下降。相反，如果Z1/Z2小于Z3/Z4，環(huán)境溫度上升，負(fù)荷溫度下降；環(huán)境溫度下降，負(fù)荷溫度上升（圖2）。通過更牢固的熱電偶和更好的絕緣性能降低寄生阻抗可降低但很難消除梯度以及誤差幅度。

　　圖1中的電路提供了另一種解決方案：一個至少可以部分消除熱梯度在阻抗中產(chǎn)生影響的電子工作區(qū)。它的工作原理是通過熱電冷卻器驅(qū)動層的一條可調(diào)節(jié)的正極或負(fù)極反饋通道，將環(huán)境溫度的變化和電熱調(diào)節(jié)器設(shè)點溫度的補償變化聯(lián)系起來。圖1電路中使用的是普通的混合式熱電冷卻器控制器。跟蹤熱電冷卻器驅(qū)動的兩個信號節(jié)點COOL_LIMIT和HEAT_LIMIT是可調(diào)整橋電路的輸入端，橋電路由RT1、RT2、電位計和相關(guān)電路構(gòu)成。通過正確調(diào)整RT1和RT2，在測試中就可確定電熱調(diào)節(jié)器設(shè)點必須與環(huán)境溫度成正比例變化還是成反比例變化，才能達到負(fù)荷的穩(wěn)定。這種設(shè)計曾在1999年火星極地登陸者上的雙可調(diào)諧二極管激光光譜儀中出現(xiàn)過（參考文獻1）。

參考文獻：

1. May, Randy D, Siamak Forouhar, David Crisp, W Stephen Woodward, David A Paige, Asmin Pathare, and William V Boynton, “The MVACS tunable diode laser spectrometers,” American Geophysical Union, Journal of Geophysical Research, Volume 106 (E8), 2001, pg 17,673.