全光纖電流互感器中的TEC溫控模塊電路設(shè)計(jì)

全光纖電流互感器中的TEC溫控模塊電路設(shè)計(jì)郭震;宋一丁;閆志輝【期刊名稱】《《自動化儀表》》【年(卷)，期】2019(040)012【總頁數(shù)】5頁(P41-45)【關(guān)鍵詞】半導(dǎo)體激光器;半導(dǎo)體熱電制冷器;溫度控制;PID;ADN8834【作者】郭震;宋一丁;閆志輝【作者單位】許繼電氣技術(shù)中心河南許昌461000【正文語種】中文【中圖分類】TH710引言隨著電力系統(tǒng)的快速發(fā)展，電網(wǎng)電壓等級大幅提高、傳輸功率的不斷增大，傳統(tǒng)的電磁式電流互感器由于其易飽和、故障響應(yīng)時(shí)間慢、動態(tài)范圍及頻響范圍小等缺點(diǎn)，在繼電保護(hù)中的局限性日益凸顯。一種新型的全光纖電流互感器以其體積小、質(zhì)量輕、測量范圍大、頻率響應(yīng)寬、抗電磁干擾性能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，將成為電子式電流互感器發(fā)展的重要方向。全光纖電流互感器是基于Faraday磁光效應(yīng)進(jìn)行電流測量的。其中，半導(dǎo)體激光器(laserdiode,LD)是全光纖電流互感器中的核心器件。其工作溫度的穩(wěn)定性與否對于光輸出至關(guān)重要，將直接影響一次側(cè)電流的采樣精度。因此，必須設(shè)計(jì)對LD進(jìn)行溫度控制的硬件電路模塊，以保證全光纖電流互感器的正常工作。1激光器溫度控制原理本文中用于溫控的半導(dǎo)體激光器，采用的是北京世維通公司生產(chǎn)的型號為SPF0400的光器件。該光器件內(nèi)部集成了激光二極管、半導(dǎo)體熱電制冷器(thermoelectriccooler，TEC)和負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻。其中：TEC是電流驅(qū)動型器件，可由壓控電流源驅(qū)動。該光器件上的壓控弓I腳為溫控電路模塊提供專用的硬件接口。TEC的工作原理是利用半導(dǎo)體材料的帕爾貼效應(yīng)［1-2］，即當(dāng)直流電流通過兩種半導(dǎo)體材料組成的電偶時(shí)，電偶的兩端會出現(xiàn)一端吸熱、一端放熱的現(xiàn)象。LD內(nèi)部熱電制冷器結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1LD內(nèi)部熱電制冷器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1SchematicdiagramofthethermoelectriccoolerinLDTEC的電偶臂為重參雜碲化祕的P型和N型半導(dǎo)體材料，使用導(dǎo)電和導(dǎo)熱性都比較好的導(dǎo)電基片使之串聯(lián)成一個(gè)單體。激光器內(nèi)部的熱電制冷器是由多對這樣的單體重復(fù)排列而成。從電流通路上看，電路呈串聯(lián)方式；從熱流通路上看，呈并聯(lián)方式。當(dāng)在電偶臂兩端施加電壓時(shí)，這些N型材料中的多余電子和P型材料中的空穴就是熱電材料中負(fù)責(zé)輸運(yùn)電能和熱能的載流子。電流沿著N型和P型電偶臂在基片之間流動時(shí)，熱流沿著LD向散熱片方向流動，以起到對LD的降溫作用；同理，當(dāng)施加在電偶臂兩端的電壓為反向時(shí)，熱流反向流動，起到加熱作用。1.1自動溫度控制原理自動溫控電路的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)對LD溫度的實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、穩(wěn)定的控制。這就涉及了閉環(huán)自動控制的比例積分微分(proportionalintegraldifferential,PID)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)［3-5］。該閉環(huán)控制網(wǎng)絡(luò)根據(jù)輸出量與給定量之間偏差量的大小，通過負(fù)反饋?zhàn)饔糜诳刂撇糠?，使輸出量最終穩(wěn)定在給定量。LD的溫控閉環(huán)反饋系統(tǒng)由熱敏電阻、TEC、溫度控制電路組成。RNTC測溫電路如圖2所示。圖2RNTC測溫電路Fig.2RNTCtemperaturemeasurementcircuit本設(shè)計(jì)中使用的LD內(nèi)部集成了負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻RNTC、光電二極管以及TEC。內(nèi)部RNTC的型號為10K-3950K。其表示在常溫25°C時(shí)，該電阻阻值為10kQ,熱敏電阻的材料系數(shù)為B=3950K。RNTC阻值與溫度的計(jì)算公式(1)如下。根據(jù)RNTC在溫度T0=25C時(shí)，其阻值RT0=10kQ,便可求得RNTC在溫度T時(shí)的阻值。式(1)中溫度T為開爾文溫度。(1)圖2中，電阻RX、R、RNTC連接成分壓電路。當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，RNTC阻值亦發(fā)生變化，其分壓VFB也會發(fā)生改變，從而間接反映出LD的自身溫度。由于RNTC的阻值與溫度是非線性的，增加分壓電阻RX、R的目的是為了使VFB與溫度T之間保持近似線性關(guān)系。VFB與T的關(guān)系如圖3所示。圖3VFB與T的關(guān)系圖Fig.3TherelationshipbetweenVFBandTemperature電阻RX、R由式(2)、式(3)可得：(2)R=RX+RMID(3)設(shè)計(jì)電壓VFB的線性溫度區(qū)間為15~35C,則在式(2)中，RLOW、RMID、RHIGH分別為RNTC在15C、25C、35C時(shí)的阻值。根據(jù)式(1)~式(3),可知：RX=7.42kQ1.2PID控制網(wǎng)絡(luò)PID控制電路是溫度自動控制的關(guān)鍵［6-8］。PID的網(wǎng)絡(luò)數(shù)學(xué)模型為:⑷式中：KP為比例系數(shù)；為積分時(shí)間常數(shù);TD為微分時(shí)間常數(shù)。式(4)對應(yīng)的典型PID控制電路如圖4所示。圖4典型PID控制電路Fig.4TypicalPIDcontrolcircuit根據(jù)基爾霍夫節(jié)點(diǎn)電流、電壓定理可知：⑸(6)可推導(dǎo)出輸入電壓Ue與輸出電壓UO的關(guān)系：⑺經(jīng)整理，得：(8)式中：ue為誤差；Uo為對誤差量作出反應(yīng)的輸出;為比例系數(shù)，比例環(huán)節(jié)代表的誤差越大反饋越大；為積分時(shí)間系數(shù)，積分環(huán)節(jié)代表誤差的持續(xù)時(shí)間，持續(xù)時(shí)間越長，反饋越大；-R2C1為微分時(shí)間系數(shù)，微分環(huán)節(jié)代表誤差的變化率，變化率越大，反饋越大。由式(8)可知，PID控制電路的目的不是做〃計(jì)算器”，而是對信號進(jìn)行調(diào)理。2基于芯片ADN8834的溫度控制電路ADN8834內(nèi)部原理與外圍硬件電路如圖5所示。ADN8834芯片是ADI公司的一款集成TEC控制器的單芯片溫控芯片。它的主要功能模塊包括溫度檢測電路、誤差放大器和補(bǔ)償器、TEC電壓/電流檢測和限值電路、差分電壓驅(qū)動器。圖5ADN8834內(nèi)部原理與外圍硬件電路Fig.5InternalprincipleandperipheralhardwarecircuitofADN8834芯片內(nèi)部的模擬熱反饋環(huán)路包括兩級，由誤差放大器和比較放大器與其外圍電阻、電容構(gòu)成。誤差放大器的輸出UOUT1為：⑼式中：UREF為芯片UREF管腳的輸出電壓，為2.5V。當(dāng)RNTC溫度為25°C時(shí)，其輸出電壓為UREF/2=1.25V。LD在15-35°C范圍內(nèi)。由1.1節(jié)可知，UOUT1與溫度T近似為線性關(guān)系：UOUT1=0.12357xT-1.84(10)UOUT1的輸出圍繞在1.25V附近呈線性關(guān)系，溫度每上升1°C,輸出增加約120mV,且能達(dá)到0.15%的線性度。UOUT1的電壓輸出與溫度設(shè)定電壓UTEMSET進(jìn)行比較，產(chǎn)生一個(gè)誤差電壓作為PID補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的輸入。由于在LD達(dá)到目標(biāo)25°C時(shí)，UOUT1=1.25V,因此UTEMPSET的電壓設(shè)定同樣為1.25V。圖5中的比較器與其外圍阻容元件R1、RD、C1、R2、C2、CF用來構(gòu)建一個(gè)PID補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，輸出電壓UOUT2是對誤差電壓UOUT1的反饋輸出。UOUT2通過控制TEC驅(qū)動模塊的差分輸出電壓UPN。UPN使得通過TEC的電流帶走LD的熱量，或者平穩(wěn)地變?yōu)橄喾礃O性以加熱該LD。UOUT2、UPN可表示為：UPN=UTEC+-UTEC-=-5x(UOUT2-1.25)(12)式中：Z1為R1與C1、RD的并聯(lián)阻抗；Z2為CF與C2、R2的并聯(lián)阻抗。根據(jù)式(9)、式(11)、式(12)可知，整個(gè)溫控負(fù)反饋過程可以表示為：假設(shè)LD溫度f-RNTC阻值l^UOUT1T^UOUT2l^UPNT^LD溫度1。PID網(wǎng)絡(luò)中各阻容參數(shù)的設(shè)定可以通過數(shù)學(xué)或者經(jīng)驗(yàn)的方法確定。但要從數(shù)學(xué)上模擬熱環(huán)路，需要TEC、LD、連接器和散熱器的精確熱時(shí)間常數(shù)。這些并不易獲得。—般工程上，針對具體的LD,利用臨界比例法對電路參數(shù)完成整定過程［9-10］。整個(gè)過程如下所示。LD可以暫時(shí)不用上電，只需把LD內(nèi)部的NTC電阻與TEC電路連接到溫控系統(tǒng)。暫時(shí)去除C1,短接C2,僅使用比例放大電路進(jìn)行系統(tǒng)控制，調(diào)節(jié)比例放大系數(shù)直到示波器測得UOUT2信號出現(xiàn)反復(fù)震蕩;然后將其比例系數(shù)縮小為原來的增加C2，并加入積分控制環(huán)節(jié)。當(dāng)UOUT2出現(xiàn)震蕩時(shí)，增大C2，使其為原來參數(shù)的兩倍。理想情況下，使系統(tǒng)的0dB穿越頻率為0.1Hz。加入微分控制環(huán)節(jié)，短接電阻RD，增加C1的容值，直到UOUT2出現(xiàn)震蕩；然后，加上RD,減小C1的容值，直到UOUT2輸出穩(wěn)定。其中：RD的增加能減小C1的容值。增加反饋電容CF，一般值得大小為220pF~10nF。該電容為相位補(bǔ)償，增加整個(gè)溫控系統(tǒng)的相位裕度。根據(jù)得出的阻容參數(shù)，PID電路的開環(huán)幅頻/相頻響應(yīng)曲線如圖6所示。圖6PID電路的開環(huán)幅頻/相頻響應(yīng)曲線Fig.6Openloopamplitude/phasefrequencyresponsecurvesofPIDcircuit根據(jù)仿真結(jié)果可知，該補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)包含一個(gè)極低頻率的極點(diǎn)、一個(gè)零點(diǎn)、一個(gè)高頻極點(diǎn)，其穿越0dB的相位裕度大約為60°。由此可見，該系統(tǒng)為穩(wěn)定的PID補(bǔ)償系統(tǒng)。芯片內(nèi)部的TEC電壓/電流檢測和限值電路能夠通過UTEC、ITEC管腳上的電壓值，實(shí)時(shí)監(jiān)測TEC驅(qū)動模塊的輸出電壓以及驅(qū)動電流。通過設(shè)置VLIM管腳和ILIM管腳上的電壓值，可限制TEC驅(qū)動模塊的輸出電壓以及驅(qū)動電流的上限。TEC電壓驅(qū)動模塊含有一個(gè)線性驅(qū)動器和一個(gè)開關(guān)模式驅(qū)動器。線性模式驅(qū)動器更簡單、更小，但效率不佳。開關(guān)模式驅(qū)動器具有良好的轉(zhuǎn)換效率，可高達(dá)90%以上，但輸出端仍需要額外的濾波電感和電容。ADN8834內(nèi)部使用混合配置方式，在保證高效率性能的同時(shí)，也可使體積較大濾波元件的數(shù)量減半，有助于最大程度地縮減功率損耗、電路尺寸、散熱器需求和成本。3LD溫控電路測試該溫控電路經(jīng)過了以下兩項(xiàng)測試。對TEC建立時(shí)間的測試：在常溫25°C,通過對溫度設(shè)定管腳(IN2P)施加一個(gè)周期性階躍信號(1.25V-1.75V-1.25V),周期為12s；通過改變設(shè)定溫度，可間接測試TEC的制冷/制熱的建立時(shí)間，即ADN8834內(nèi)部的比較放大器輸出電壓UOUT2的穩(wěn)定時(shí)間。實(shí)測可知，在模擬制熱模式(1.25V-1.75V),LD溫度的穩(wěn)定時(shí)間約為0.5s,在模擬制冷模式(1.75V-1.25V),LD溫度的穩(wěn)定時(shí)間約為0.6s。分別對LD在高溫55C和低溫-25C拷機(jī)兩小時(shí)，測試TEC溫控電路在設(shè)定溫度為25C的條件下的LD溫度。LD溫度隨時(shí)間變化曲線如圖7所示。其采樣間隔為1s。圖7LD溫度隨時(shí)間變化曲線Fig.7LDtemperaturevariationwithtime從圖7可知，在高溫55C環(huán)境下，LD的模塊溫度被穩(wěn)定在25.01-25.03C;在低溫-25C環(huán)境下，LD的模塊溫度被穩(wěn)定在24.99-25C;在全溫度范圍-25~+55°C,溫控精度能達(dá)到0.01°C,溫度穩(wěn)定度為0.04C4結(jié)束語本文重點(diǎn)介紹了TEC溫度控制原理與PID控制補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)了基于ADI公司的TEC溫控芯片ADN8834。該LD自適應(yīng)溫控電路能在全溫度范圍(-25~+55C)內(nèi)穩(wěn)定工作。在設(shè)定目標(biāo)溫度為25°C的條件下，LD的溫度控制精度能達(dá)到0.01°C,溫度穩(wěn)定度為0.04°C。對該溫控電路的穩(wěn)定性進(jìn)行了開環(huán)增益仿真，相位裕度約為60°，完全滿足穩(wěn)定性要求。經(jīng)過實(shí)測，其在制冷/制熱模式下，溫度響應(yīng)時(shí)間均小于1s，遠(yuǎn)超同類產(chǎn)品。該自適應(yīng)溫控電路能夠非常方便地集成到需要半導(dǎo)體制冷/制熱的激光器溫控系統(tǒng)中，應(yīng)用價(jià)值巨大。該電路極大地提高了全光纖電流互感器采集單元的安全性、可靠性、穩(wěn)定性，具有推廣的意義。參考文獻(xiàn)：【相關(guān)文獻(xiàn)】龍燕，任青毅，曹科峰，等.一種半導(dǎo)體激光器的精密溫度控制電路[J].信息與電子工程，2007,5(2):158-160.陳晨，黨敬民，黃漸強(qiáng)，等.高穩(wěn)定、強(qiáng)魯棒性DFB激光器溫度控制系統(tǒng)[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2013,43(4):1004-1010.汪靈，葉會英，趙聞.半導(dǎo)體激光器溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與算法仿真[J].儀表技術(shù)與傳感器，2013(5):95-98.張鵬亮，張立琛.基于PID算法的半導(dǎo)體激光器溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子科學(xué)技術(shù),2016,3(5):543-545.孫冬嬌，劉清倦.TEC的半導(dǎo)體激光器恒溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)械電子,2014(8):52-55.劉云芳，張曉.模擬PID電路參數(shù)自