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現(xiàn)代成像器件具有集成度高、功耗小、成本低的優(yōu)點,可以使攝像機的結(jié)構(gòu)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(dǎo)體器件,不足的是其成像品質(zhì)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(shù)在國外已經(jīng)相當(dāng)成熟,市場上已有應(yīng)的該項技術(shù)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(yè)內(nèi)亟等解決的問題,為此必須解決配套電源的技術(shù)問題。 1 配套電源技術(shù)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(wěn)定性好;后者則較為特殊,從熱電制冷的需要看,應(yīng)該具有以下的特點： （1）品質(zhì)高,脈動系數(shù)小。因為熱電制冷器的制冷性能與供電直流電源的品質(zhì)有關(guān),已以的研究表明：當(dāng)直流電源的電壓脈動系數(shù)小于15％時,其消耗的功率、制冷系數(shù)基本上沒有變化,而且脈動系數(shù)小有利于制冷器穩(wěn)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(nèi),而單級制冷器是無法實現(xiàn)的,所以攝像機內(nèi)熱電制冷器是多級聯(lián)結(jié)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(yīng)單獨設(shè)置與之匹配的供電電源,不應(yīng)簡單地串聯(lián)或并聯(lián)。 （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(shè)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(dǎo)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(shè)備,還應(yīng)該滿足體積小、效率高、操作方便等要求,應(yīng)該具有電源工作狀態(tài)、攝像機內(nèi)部溫度可視化的功能,這樣不僅便用掌握成像品質(zhì)隨溫度變化的規(guī)律性,掌握不同的熱負荷的降溫規(guī)律,還有益于了解控制器的性能及其工作狀態(tài),避免實驗的盲目性。 根據(jù)熱電制冷攝像機對電源的特殊要求,配套電源的設(shè)計應(yīng)重點解決兩方面的問題： （1）電源方案的選擇：目前的串型穩(wěn)壓電源和開關(guān)型穩(wěn)壓電源都可以滿足熱電制冷器對電源品質(zhì)的要求,但串聯(lián)型穩(wěn)壓電源的體積大、效率低、溫升高,而高頻開關(guān)電源則可以克服上述不足,使攝像機系統(tǒng)的體積和重量降低。因此,在熱電制冷器的電源設(shè)計中,選擇高頻開關(guān)型電源結(jié)構(gòu)。 （2）減小電源體積和重量;現(xiàn)從電源的結(jié)構(gòu)設(shè)計和電路設(shè)計兩個方面采取小型化措施。在結(jié)構(gòu)上,把不必要的調(diào)節(jié)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(shè)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。 2 配套電源設(shè)計 2.1 控制器電源設(shè)計 （3）圖1是根據(jù)上述思想設(shè)計的控制器電源電路,其核心是美國POWER INTERATIONS公司專門為設(shè)計開關(guān)電源而產(chǎn)持的四端記線式開關(guān)控制集成電路－TNY255P。TNY255P是Tinystch系列的一種,在器件的內(nèi)部集成有晶振及波形發(fā)生器、檢測的一種,在器件的內(nèi)部集成有晶振及波形發(fā)生器、檢測和邏輯電路、5.8V穩(wěn)壓器、欠壓電路、熱滯式過熱保護控制電路、限流電路、前沿消隱電路和一個Vds≥700V的功率MOSFET開關(guān)及驅(qū)動電路,使天關(guān)電源結(jié)構(gòu)最簡、元件數(shù)目最少,因此是開關(guān)電源進一步小型化的重大突破。 圖中,以脈沖變壓器為界,衩級回路前為一次整流濾電路,次級繞組后為二次整流濾波電路,電阻R2、電容C9和二極管1N4937組成限幅鉗位電路,R3－R6和C10、C11組成緩沖保護電路,電阻R9－R12、C16、光偶4N35及基準(zhǔn)TL431構(gòu)成取樣、比較放大電路,產(chǎn)生與輸出電壓高低變一樣致的開／關(guān)控制信號,對TNT255P內(nèi)部的功率器件進行開關(guān)控制保護,從而實現(xiàn)對輸出電壓的調(diào)節(jié)。當(dāng)TNY255P內(nèi)部的功率器件導(dǎo)通時,變壓器儲存能量（0.5LI2）;當(dāng)功率器件開關(guān)斷時,儲存的能量經(jīng)磁耦合傳遞到次級繞組,經(jīng)二次整流濾波,得到直流輸出。 2.2 制冷的供電系統(tǒng) 本文采用TOP2×系列構(gòu)成熱電制冷器各級的供電電源,其應(yīng)用電路文獻、中已有介紹。TopSwitch三端離線式脈寬調(diào)制開關(guān)集成電路也是美國POWER INTEFRATIONS公司生產(chǎn)的功率集成電路,是對TinySwitch的改進和發(fā)展,其內(nèi)集成有高壓功率MOSFET器件及其驅(qū)動電路、PWM控制器的電源的各種保護電路,是功能齊全的開關(guān)電源器件。該器件不僅繼承了TinySwitch開關(guān)控制器小型化的優(yōu)點,而且改進的三端式結(jié)構(gòu)使外部電路的連接更為簡單;PWN控制使輸出濾波的要求降低;負載能力也大大加強,由TOP2xx構(gòu)成的開關(guān)電源的輸出率在0－150W的范圍內(nèi)可調(diào)。 與圖1相比,不同是的：單一的15V／8A、3.2V／3A輸出使變壓器次級的找繞組及整流濾波電路減少一組;為減小電路損耗,在變壓器初級線圈回路中采用瞬變電壓抑制二極管和超快恢復(fù)二極管反向串聯(lián)結(jié)構(gòu)成限幅鉗位電路、,替代電阻R2、電容C9和二極管1N4937組成的限幅鉗位電路（參見）;TOP227Y三端式PWM控制器替換TNY255P四端開關(guān)控制器,并增加一組偏置繞組,其中,大功率MOSFET器件為PWN控制。除此之外,其它電路及其作用相同,這里不再贅述。 此外,在電源設(shè)計中還充分考慮了電源性能指標(biāo)對電源體積和重量的影響。一般來說,紋波電壓越小,濾波電路的體積和重量越大,而且LC濾波電路的重量增加更為明顯。為滿足熱電制冷器大電流工作的需要,并簡化電路加工的工藝,同時又不致因電流的紋波系數(shù)要求過高而使電源體積和重量增加過大,所有電源的二次濾波全部采用一級倒L型LC濾波電路,并選擇適當(dāng)?shù)碾娐穮?shù),從而使控制器電源的紋波系數(shù)達到0.8％,制冷器電源的紋波系數(shù)在小負載時達0.7％,大負載時為3％,滿足了不同電源的特殊需要。 2.3 恒溫控制 熱電制冷恒溫控制是本文的關(guān)鍵。由電源設(shè)計及原理分析可知,對電源輸出電壓的調(diào)整,是通過輸出取樣放大電路、光偶電路,再經(jīng)過率開關(guān)或PWM控制實現(xiàn)的。在制冷降溫和恒溫控制的過程中,要求制冷器電源的輸出功率隨著實際溫度與設(shè)定溫度差的大小成比例地變化,即溫差信號替代電源取樣信號才能實現(xiàn)恒溫要求對電源輸出功率的動態(tài)控制。結(jié)合恒溫控制可視化的要求以及控制精確度的要,熱電制冷恒溫控制電路設(shè)計的結(jié)構(gòu)如圖2所示。 其中,溫度定值器提供設(shè)定的溫度的電信號,該信號一路送往定值限幅器,由指示燈顯示設(shè)定溫度是否在許可范圍內(nèi),并在正常設(shè)定的情況下產(chǎn)生電源開關(guān)信號,接通供電電源;另一路送往面板溫度顯示器,指示設(shè)定溫度的高低;再一路送往比較器。溫度傳感器產(chǎn)生實際溫度的電信號,也分別送往比較器和面板溫度顯示器。比較顯示器產(chǎn)生設(shè)定溫度和實際溫度的偏差信號,經(jīng)μV放大器放大后送PID控制器進行運算,輸出具有PID調(diào)節(jié)規(guī)律的信號作為制冷供電電源控制回路的控制信號對其進行控制,從而實現(xiàn)為成像器件提供低溫和恒溫的工作環(huán)境;控制狀態(tài)顯示過零比較器和顯示電路組成,由偏差信號產(chǎn)生顯示電路開關(guān)信號,反映控制狀態(tài)。 這里,溫度定值器由恒流源和精密電阻組成,是一個穩(wěn)定的直流信號源,能比較精確地給出支流毫伏信號;μＶ放大器采用高性能集成電路,工作穩(wěn)定,共模塊抑制能力強,PID控制器的參數(shù)連續(xù)可調(diào),而且還增加了智能補償環(huán)節(jié);溫度傳感器采用文獻介紹的電路,利用集成溫度傳感器AD590對熱電偶的自由端進行補償,既可以提高測量溫度的范圍,又能利用熱電偶降低測量的成本,同時也避免了直接用熱電偶測量溫度需要的補償裝置;溫度顯示器由三位半的液晶屏及驅(qū)動電路組成,通過開關(guān)轉(zhuǎn)換,分時顯示設(shè)定溫度和實際溫度。 不難看出,恒溫控制的目標(biāo)是設(shè)定溫度,控制的對象則是給熱電制冷器供電電源的輸出功率。由于控制對象和傳感器響應(yīng)的延時、被控參數(shù)的超高和波動在所難免,為保證電源的輸出功率在調(diào)節(jié)的過程中,熱電制冷器兩端電壓的脈沖系數(shù)在許可的范圍內(nèi),盡量減速少溫度及電源電壓的超調(diào)是提高恒 控制器品持的關(guān)鍵。為此,給PID控制器增加了智能比例、積分補償環(huán)節(jié)（電路略）。當(dāng)溫差較大時,控制器有較大的比例放大倍數(shù)、較小的積時間常數(shù),比例、積分作用強,能較快地縮小溫左;反之,啟動補償電路,削弱控制器的比例和積分作用,從而有效在減速少被控參數(shù)的超調(diào)波動。通過仔細調(diào)整P、I、D參數(shù)和補償電路和參數(shù)以及啟動補償電路的參考電壓,可保證控制溫度的精度達0.1℃。圖3是增是加智能補償環(huán)節(jié)前后溫度變化的對比曲線。很明顯,采取智能補償之后、控制器的品質(zhì)大為改善。這種控制方法不僅成本低、實現(xiàn)容易,而且直觀、形象地再現(xiàn)人們根據(jù) 況的變化,不斷調(diào)整控制策略的智能活動過程。 3 結(jié)論 （1）根據(jù)熱電制冷攝像機對配套電源的特殊要求,采用優(yōu)化思想,分別從電源結(jié)構(gòu)、電路結(jié)構(gòu)和恒溫控制的設(shè)計入手,采取相應(yīng)措施減速少體積、提高電路性能,制作了一體化電源。實驗結(jié)果表明;該電源結(jié)構(gòu)合理,體積小,功能齊全,性能可靠。 （2）雖然該電濤是為熱電源制冷攝像機設(shè)計的,但是也可以作為類似設(shè)備的供電電源。而且,電路設(shè)計中的小型化思想和恒溫控制器中的智能化補償?shù)姆椒ㄒ簿哂衅毡橐饬x。 |
