一種恆溫金屬浴的製作方法
2023-11-09 19:09:13 1
本發明提供一種溫度均勻且溫度控制精確的恆溫金屬浴裝置，屬於分析儀器領域。
背景技術：
石油、生物及化工等行業在對相關樣品進行分析測試時，需要滿足一定的溫度條件，因此需要通過恆溫控制系統進行加熱、製冷、保溫等工作，讓樣品處於恆定的溫度環境中。恆溫金屬浴作為一種為生化試劑的保存及反應進行溫度控制的儀器，廣泛應用於各種生化樣品的保存、各種酶的保存及反應、聚合酶鏈式反應、電泳的預變性、血清凝固及核算和蛋白質的變性處理等。
目前的恆溫金屬浴一般採用直流電源級聯全橋逆變電路後輸出至半導體製冷片的電路模式，全橋逆變電路既進行功率調節，又實現電流換向，在這種模式下，輸出至半導體製冷片的電壓紋波較大，控制精度較低，從而存在溫度超調量較大、溫度穩定度較低等問題。
技術實現要素：
(一)發明目的
本發明的目的是提供一種以Buck電路和全橋逆變電路串聯主電路模式的恆溫金屬浴，Buck電路進行功率調節，全橋逆變電路進行電流換向，旨在解決現有技術中由於電壓紋波大導致的溫度超調量大、溫度穩定度低，溫度控制精度低等問題。
(二)技術方案
為實現上述發明目的，本發明所採取的技術方案是：
本發明一種恆溫金屬浴，它包括DC12V電源適配器、主電路、半導體製冷片、控制電路、溫度傳感器、散熱片、風扇和導熱平臺；它們之間的位置連接關係是：所述半導體製冷片通過主電路及DC12V電源適配器與AC220V交流電源形成迴路，其兩個表面通過導熱矽脂分別與導熱係數好的導熱平臺及散熱片緊緊接觸；所述主電路內的功率開關管與控制電路通過導線相連；所述溫度傳感器通過導熱矽脂緊緊貼於導熱平臺下表面並通過導線與控制電路相連接；所述風扇通過DV12V供電，並正對散熱片風道進行風冷。
所述DC12V電源適配器為常用DC12V電源適配器，它將AC220V轉化為DC12V；
所述主電路包括Buck電路和全橋逆變電路，所述DC12V電源適配器與AC220V相連，所述Buck電路輸入端與DC12V電源適配器輸出端相連，所述全橋逆變電路輸入端與Buck電路輸出端相連，所述半導體製冷片與全橋逆變電路輸出端相連；該Buck電路和該全橋逆變電路均為本領域常用電路結構；
所述半導體製冷片為額定電壓為DC12V的半導體製冷片；
所述控制電路包括濾波放大單元、單片機控制單元、PWM隔離驅動單元、液晶屏及按鍵；它們之間的位置連接關係是：所述溫度傳感器通過濾波放大單元與單片機控制單元相連，所述單片機控制單元與PWM隔離驅動單元、液晶屏及按鍵相連，所述PWM隔離驅動單元與主電路內Buck電路和全橋逆變電路中的功率開關管相連；
進一步的，所述濾波放大單元包括差動放大電路和電壓濾波放大電路，差動放大電路的輸出端連接至電壓濾波放大電路的輸入端；所述差動放大電路和電壓濾波放大電路均為由集成運算放大器LM258及其外圍電路構成；該差動放大電路的基準為0℃時標準電阻的分壓值；
進一步的，所述單片機控制單元由MC9S08DZ60CLC單片機及其外圍電路構成；
進一步的，所述PWM隔離驅動單元包括五路PMW隔離驅動電路，分別與Buck電路中一個功率開關管和全橋逆變電路中四個功率開關管的柵極相連；該PMW隔離驅動電路由三極體9014和光耦合器TLP250及其外圍電路構成。它們之間的位置連接關係是：9014發射極接地，基極接輸入信號，集電極與TLP250的3腳相接，TLP250的2腳接+5V供電，TLP250的8腳接+12V供電，TLP250的6腳和7腳並聯後作為輸出；
進一步的，所述液晶屏及按鍵選用LCD1602液晶顯示屏和觸點按鍵；
所述溫度傳感器為PT100溫度傳感器，採樣導熱平臺溫度信號，通過濾波放大電路與單片機及外圍電路相連；
所述散熱片為銅製散熱片；
所述風扇為DC12V供電的散熱風扇；
所述導熱平臺為採用導熱係數好的鑄鋁製作的工作平板，並以此作為工作平臺。
(三)本發明的優點及功效
本發明的一種恆溫金屬浴選擇Buck電路和全橋逆變電路級聯的主電路拓撲，通過Buck調功改變輸出脈寬，實現輸出功率的精確調節，通過全橋逆變實現電流換向，控制半導體製冷片工作面的製冷及加熱，從而實現工作過程的精確控制。
附圖說明
下面將結合附圖和具體實施方式對本作進一步詳細的說明。
圖1為本發明的電路結構示意圖。
圖2為本發明的濾波放大單元示意圖。
圖3為本發明的PWM隔離驅動單元示意圖。
圖中：
1為DC12V電源適配器，2為主電路，3為半導體製冷片，4為溫度傳感器，5為風扇，6為控制電路，7為散熱片，8為導熱平臺。
201為Buck電路，202為全橋逆變電路。
601為單片機控制單元，602為濾波放大單元，603為液晶屏，604為按鍵，605為PWM隔離驅動單元。
6051為PWM隔離驅動單元1，6052為PWM隔離驅動單元2，6053為PWM隔離驅動單元3，6054為PWM隔離驅動單元4，6055為PWM隔離驅動單元5。
具體實施方式
本發明的一種恆溫金屬浴，其具體實施方式是：
本發明一種恆溫金屬浴，參見圖1所示，包括：DC12V電源適配器1，主電路2，半導體製冷片3，溫度傳感器4，風扇5，控制電路6，散熱片7，導熱平臺8。所述半導體製冷片3通過主電路2及DC12V電源適配器1與AC220V交流電源形成迴路，半導體製冷片3的兩個表面通過導熱矽脂分別與導熱係數好的導熱平臺8及散熱片7緊緊接觸；所述主電路2的功率開關管T1、T2、T3、T4、T5與控制電路6通過導線相連；所述溫度傳感器4通過導熱矽脂緊緊貼於導熱平臺8下並通過導線與控制電路6相連接；所述風扇5通過DV12V供電，並正對散熱片7風道進行風冷。
參見圖1所示，DC12V電源適配器1將AC220V交流電轉化為DC12V直流電，為恆溫金屬浴的主電路2、風扇5和控制電路6進行供電。
參見圖1所示，主電路2包括Buck電路201和全橋逆變電路202，Buck電路201的輸入為主電路1的輸入，Buck電路201的輸出作為全橋逆變電路202的輸入，全橋逆變電路202的輸出為主電路1的輸出。通過控制Buck電路201內功率開關管T1的開通和關斷調節輸出功率，實現輸出功率0～100％可調，從而獲得加熱/製冷時較為精確的溫度穩定性和較低的溫度超調量；通過控制全橋逆變電路202內功率開關管T2和T5、T3和T4的開通和關斷實現電流換向，從而控制半導體製冷片工作表面的製冷和加熱模式的切換。
參見圖1所示，半導體製冷片3與主電路2的輸出端相連接，半導體製冷片3的一個表面作為工作面通過導熱矽脂與導熱平臺8緊密接觸，在主電路不同的輸出功率和輸出電流方向下實現不同功率的製冷/加熱；另一個表面作為非工作面通過導熱矽脂與散熱片7緊密接觸，實現散熱/散冷。
參見圖1所示，溫度傳感器4為PT100溫度傳感器，溫度傳感器4通過導熱矽脂與導熱平臺8的下表面緊密接觸，其輸出信號通過控制電路6內的濾波放大單元602輸出至單片機控制單元601。
參見圖1所示，風扇5為DC12V供電的風扇，其吹風風向正對散熱片7的風道，從而實現半導體製冷片非工作面的快速散熱/散冷。
參見圖1所示，控制電路6包括單片機控制單元601、濾波放大單元602、液晶屏603，按鍵604，PWM隔離驅動單元605。其中PWM隔離單元605包括五組PWM隔離驅動單元，分別為PWM隔離驅動單元1 6051，PWM隔離驅動單元2 6052，PWM隔離驅動單元3 6053，PWM隔離驅動單元4 6054，PWM隔離驅動單元5 6055。溫度傳感器4通過濾波放大單元602與單片機控制單元601相連，單片機控制單元601與液晶屏603及按鍵604相連，並同時與PWM隔離驅動單元605內部的五組PWM隔離驅動單元6051、6052、6053、6054、6055的輸入端相連，所述PWM隔離驅動單元6051、6052、6053、6054、6055的輸出端分別的與主電路2中的Buck電路201和全橋逆變電路202中的五個功率開關管T1、T2、T3、T4、T5的柵極對應相連。其中，溫度傳感器4採集的溫度信號經由濾波放大單元602進行信號濾波放大後輸入至單片機控制單元601進行溫度信號的採集及計算。液晶屏603和按鍵604與單片機控制單元601相連，進行通訊。液晶屏603用於顯示溫度傳感器4採集到的導熱平臺8的溫度及設定的溫度、工作時間及設定時間；按鍵用於設定預期溫度及保溫時間。單片機控制單元601內部的單片機採用MC9S08DZ60CLC單片機，單片機控制單元601除採集濾波放大單元602輸出的溫度信號，輸出溫度及時間信號至液晶屏603，採集按鍵604輸入的信號以外，同時輸出三路脈衝寬度調製信號PWM1、P1、P2分別輸出至PWM隔離驅動單元6051、6052和6055、6053和6054，6051、6052和6055、6053和6054進一步控制主電路2中Buck電路201內的功率開關管T1、全橋逆變電路202內功率開關管T2和T5、T3和T4的開通和關斷。通過調節PWM1的脈衝寬度間接控制T1的開通和關斷，實現輸出功率在0～100％連續可調，從而實現溫度的精確控制。通過調節P1、P2的脈衝寬度間接控制T2和T5、T3和T4的開通和關斷，實現輸出電流換向，從而實現製冷和加熱模式的切換。
參見圖2所示，濾波放大單元602包括差動放大電路6021和電壓濾波放大電路6022，差動放大電路6021的輸出作為電壓濾波放大電路6022的輸入。差動放大電路6021的基準為0℃時PT100溫度傳感器電阻值的分壓值。本實施例中差動放大電路6021部分的放大器和電壓濾波放大電路6022中的放大器分別採用運算放大器U1的兩個放大器，本實施例中運算放大器為集成運算放大器LM258。濾波放大單元602採用+2.5V電壓基準源，PT100溫度傳感器反饋的電壓信號通過LM258與0℃時的標準電阻(100Ω)的分壓值進行差動放大，LM258的5、6、7腳的放大器為差動放大器，溫度傳感器輸出信號一端與LM258的5腳相連接，另一端與LM258的6腳相連接。經過差動放大後，再經過由LM258的2、3、7腳的放大器及其外圍電路組成的放大電路，進行電壓信號的放大濾波，最後得到與實測溫度相對應的電壓信號，該電壓信號輸出至單片機控制單元601進行運算和處理。
參見圖3所示，以PWM隔離驅動電路1為例，PWM隔離驅動電路1主要由三極體9014和光耦合器TLP250及其外圍電路構成。由單片機控制單元601產生的PWM1信號經R11、R12分壓後，輸出至三極體9014的基極，9014的集電極與TLP250的3腳相接，發射極接地；TLP250的2腳通過電阻R13接+5V供電，8腳接+12V供電，6腳和7腳並接後通過電阻R14與功率開關管T1的柵極相接，5腳接地。當PWM1輸出高電平時，三極體9014工作，TLP250的3腳接地，TLP250工作，6腳和7腳輸出高電平，控制T1開通；當PWM1輸出低電平時，9014不工作，TLP250也不工作，T1關斷。由於由單片機輸出的PWM1信號佔空比在0～100％連續可調，從而可以控制輸出功率在0～100連續可調。PWM隔離驅動電路2、PWM隔離驅動電路3、PWM隔離驅動電路4、PWM隔離驅動電路5結構與PWM隔離驅動電路1相同，PWM隔離驅動電路2和PWM隔離驅動電路5共用一組脈寬調製信號P1，PWM隔離驅動電路3和PWM隔離驅動電路4共用一組脈寬調製信號P2，P1、P2為兩組互補的PWM信號，從而實現T2和T5同時導通，T3和T4同時關斷，或者，T3和T4同時導通，T2和T5同時關斷，進而使輸出電流換向，實現半導體製冷片3的製冷/加熱模式的切換。
通過採用上述的實施方式，獲得一種溫度控制精確、溫度超調量小的恆溫金屬浴，其工作表面溫度均勻性≤±0.1℃，表面溫差≤±0.1℃，溫度超調量≤±0.3℃。
雖然以上描述了本發明的具體實施方式，但是本領域熟練技術人員應當理解，這些僅是舉例說明，可以對本實施方式作出多種變更或修改，而不背離發明的原理和實質，本發明的保護範圍僅由所附權利要求書限定。