基于ADN8830的非制冷紅外焦平面溫度控制電路設(shè)計(jì)

摘要：這里利用AD公司的熱電制冷控制器ADN8830設(shè)計(jì)出高性能、高穩(wěn)定性的TEC控制電路。該電路通過簡(jiǎn)單的電容、電阻構(gòu)成的外部PID(比例積分微分)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，能夠使探測(cè)器溫度在10 S內(nèi)穩(wěn)定在最佳工作點(diǎn)，溫度控制精度可達(dá)0．01℃。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方案具有效率高、功耗低、體積小等優(yōu)點(diǎn)，是一種較好的溫控設(shè)計(jì)方案。
關(guān)鍵詞：ADN8830；溫度控制；TEC；PID；非制冷紅外焦平面陣列

紅外技術(shù)作為一種發(fā)現(xiàn)、探測(cè)和識(shí)別目標(biāo)的重要手段在軍民兩用技術(shù)中有著廣泛的應(yīng)用，非制冷紅外焦平面陣列技術(shù)的發(fā)展極大地提高了系統(tǒng)的性能。非制冷紅外熱像儀采用的是不需要制冷的熱探測(cè)器焦平面陣列，利用紅外輻射使焦平面上敏感像元的溫度改變，從而使電阻隨之改變，來探測(cè)目標(biāo)的溫度特性。所以，只有盡可能地保證焦平面陣列中各敏感像元自身基準(zhǔn)溫度穩(wěn)定且一致，才能夠提高熱像儀的探測(cè)靈敏度，減小系統(tǒng)后期非均勻性校正的難度，最終從根本上提高熱像儀的探測(cè)靈敏度，改善熱像儀的成像性能。目前，在實(shí)際的非制冷紅外焦平面陣列探測(cè)器中采用半導(dǎo)體熱電制冷器(TEC)來穩(wěn)定基準(zhǔn)溫度。在此著重介紹一種基于ADN8830的高性能TEC溫度控制電路及其PID補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的調(diào)節(jié)方法。

1 溫度控制電路設(shè)計(jì)
TEC(Thermo Electric Cooler)是用兩種不同半導(dǎo)體材料(P型和N型)組成PN結(jié)，當(dāng)PN結(jié)中有直流電通過時(shí)，由于兩種材料中的電子和空穴在跨越PN結(jié)移動(dòng)過程中的吸熱或放熱效應(yīng)(帕爾帖效應(yīng))，就會(huì)使PN結(jié)表現(xiàn)出制冷或制熱效果，改變電流方向即可實(shí)現(xiàn)TEC的制冷或制熱，調(diào)節(jié)電流大小即可控制制熱制冷量輸出。
利用TEC穩(wěn)定目標(biāo)溫度的方法如圖1所示。

圖1中第一部分是溫度傳感器。這個(gè)傳感器是用來測(cè)量安放在TEC端的目標(biāo)物體的溫度。期望的目標(biāo)物體溫度是用一個(gè)設(shè)定點(diǎn)電壓來表示，與溫度傳感器產(chǎn)生的代表實(shí)際目標(biāo)物體溫度的電壓通過高精度運(yùn)算放大器進(jìn)行比較，然后產(chǎn)生誤差電壓。這個(gè)電壓通過高增益的放大器放大，同時(shí)也對(duì)因?yàn)槟繕?biāo)物體的冷熱端引起的相位延遲進(jìn)行補(bǔ)償，然后再驅(qū)動(dòng)H橋輸出，H橋同時(shí)控制TEC電流的方向和大小。當(dāng)目標(biāo)物體的溫度低于設(shè)定點(diǎn)溫度時(shí)，H橋朝TEC致熱的方向按一定的幅值驅(qū)動(dòng)電流；當(dāng)目標(biāo)物體的溫度高于設(shè)定點(diǎn)溫度時(shí)，H橋會(huì)減少TEC的電流甚至反轉(zhuǎn)TEC的電流方向來降低目標(biāo)物體溫度。當(dāng)控制環(huán)路達(dá)到平衡時(shí)，TEC的電流方向和幅值就調(diào)整好了，目標(biāo)物體溫度也等于設(shè)定的溫度。