前沿拓展：加熱整形功率是多少
摘要：針對目前TEC半導(dǎo)體制冷器溫控裝置對高精度、模塊化、可編程和遠(yuǎn)程控制等方面的技術(shù)需求，本文提出了一種高性價比的解決方案。解決方案的具體內(nèi)容是采用模塊式結(jié)構(gòu)，以24位AD和16位DA超高精度PID控制器作為基礎(chǔ)單元，采用分立模塊式電源驅(qū)動器。此解決方案可根據(jù)不同應(yīng)用場景選擇不同功率的電源驅(qū)動器，配合帶有通訊功能的PID控制器可實(shí)現(xiàn)靈活的組合和應(yīng)用，并配合隨機(jī)軟件可以方便快捷的進(jìn)行可編程溫度控制。
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一、問題的提出TEC半導(dǎo)體致冷器（Thermo Electric Cooler）是一種利用半導(dǎo)體材料的珀?duì)柼麘?yīng)制成的可在-60~100℃范圍實(shí)現(xiàn)制冷和加熱功能的器件。在TEC的具體控溫應(yīng)用中，目前普遍采用了兩種形式的溫度控制裝置：
（1）采用專用TEC控制芯片加外圍電路的定點(diǎn)溫控模塊或溫控器。這種TEC溫控器的功能有限，無論在控制精度和加熱制冷功率都比較低，而且無法滿足可編程的程序自動控制，很多不具備PID參數(shù)自整定功能，但優(yōu)勢是價格低廉。
（2）采用具有正反作用（加熱和制冷）功能的通用型PID控制器，結(jié)合電源驅(qū)動器，構(gòu)成的TEC溫度控制儀器。盡管這些價格昂貴的TEC控制儀器具有可編程和PID參數(shù)自整定的強(qiáng)大功能，但這些通用型PID控制器的AD和DA位數(shù)普遍偏低，大多為12和14位，極少有16位和24位，而且基本沒有配套的計(jì)算機(jī)控制軟件，很多程序控制還需要軟件編寫才能實(shí)施。
目前TEC溫控系統(tǒng)的應(yīng)用十分廣泛，所以對TEC溫控系統(tǒng)普遍有以下幾方面的要求：
（1）具有較高的控制精度，AD位數(shù)好是24位，DA位數(shù)為16位，并采用雙精度浮點(diǎn)運(yùn)算和小輸出百分比可以達(dá)到0.01%。
（2）可編程程序控制功能，除了任意設(shè)定點(diǎn)溫度控制之外，還需具備可按照設(shè)定折線和冷熱周期變化進(jìn)行控制的功能。
（3）模塊式結(jié)構(gòu)，即PID控制器與電源驅(qū)動器是分立結(jié)構(gòu)。這樣即可用超高精度PID控制器作為基本配置，根據(jù)不同的制冷/加熱對象選配不同功率的電源驅(qū)動器，由此使得TEC溫控系統(tǒng)的搭建更合理、便捷和高性價比。
（4）具有功能強(qiáng)大的隨機(jī)軟件，通過隨機(jī)軟件在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)溫度變化程序設(shè)定，并對溫度變化過程進(jìn)行采集、顯示、記錄和存儲。
（5）具有與上位機(jī)通訊功能，通訊采用標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，上位機(jī)可與之通訊并對TEC溫控儀進(jìn)行訪問和遠(yuǎn)程控制。
針對上述對TEC溫控裝置的技術(shù)要求，本文提出了一種高性價比的解決方案。解決方案的具體內(nèi)容是采用模塊式結(jié)構(gòu)，以24位AD和16位DA超高精度PID控制器作為基礎(chǔ)單元，采用分立模塊式電源驅(qū)動器。此解決方案可根據(jù)不同應(yīng)用場景選擇不同功率的電源驅(qū)動器，配合PID控制器可實(shí)現(xiàn)靈活的組合和應(yīng)用，并配合隨機(jī)軟件可以方便快捷的進(jìn)行可編程溫度控制。
二、解決方案解決方案的技術(shù)路線是采用模塊式結(jié)構(gòu)，即將PID控制器與電源驅(qū)動器拆分為獨(dú)立結(jié)構(gòu)，以超高精度PID控制器作為基礎(chǔ)單元，電源驅(qū)動器可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場景的功率要求進(jìn)行選擇。解決方案的結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 分立式TEC半導(dǎo)體制冷器多功能控制裝置解決方案結(jié)構(gòu)示意圖
如圖1所示，解決方案描述了一個典型TEC制冷器溫度控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)。整體結(jié)構(gòu)有三部分組成，分別是PID控制器、電源驅(qū)動器和TEC模組。此整體結(jié)構(gòu)結(jié)合溫度傳感器和外置直流電源組成閉環(huán)控制回路，可實(shí)現(xiàn)TEC模組溫度快速和高精度的程序控制。三部分具體描述如下：
（1）超高精度PID控制器：此PID控制器是一臺具有分程控制功能的超高精度過程調(diào)節(jié)器，分程功能可實(shí)現(xiàn)不能區(qū)間的控制，自然可以實(shí)現(xiàn)TEC模組制冷/加熱的分程控制。此控制器采用了24位AD和16位DA，是目前國際上精度篙的工業(yè)用PID控制器，特別是采用了雙精度浮點(diǎn)運(yùn)算，使得小輸出百分比可以達(dá)到0.01%，這適用于超高精度的控制。另外此控制器具有無超調(diào)PID控制和PID參數(shù)自整定功能，并具有標(biāo)準(zhǔn)的MODBUS通訊協(xié)議?？刂破髯詭Э刂栖浖?，計(jì)算機(jī)可通過軟件進(jìn)行各種參數(shù)和控制程序設(shè)置，可顯示和存儲整個控制過程的設(shè)定、測量和輸出三個參數(shù)的變化曲線。
（2）電源驅(qū)動器：電源驅(qū)動器作為TEC模組的驅(qū)動裝置，可根據(jù)PID控制信號自動進(jìn)行制冷和加熱功能切換，具有一系列不同的功率可供選擇，基本可滿足任何TEC模組功率的需要。
（3）TEC模組：TEC模組是具體的制冷加熱執(zhí)行機(jī)構(gòu)，可根據(jù)實(shí)際對象進(jìn)行TEC片的串聯(lián)或并聯(lián)組合。TEC模組還包括風(fēng)冷或水冷套件以及溫度傳感器，溫度傳感器可根據(jù)實(shí)際控制精度和響應(yīng)速度要求選擇熱電偶、鉑電阻或熱敏電阻。
總之，本文所述的解決方案極大便利了各種TEC半導(dǎo)體致冷器自動溫度控制應(yīng)用，既能溫度控制的高精度，又能提供使用的靈活性和便捷性，關(guān)鍵是此解決方案具有很高的性價比。
拓展知識：加熱整形功率是多少
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