基于电流调节的恒温装置

中国电子科技集团第十六研究所 赵 毅

1 引言

恒温是提高电子装置稳定性和精度的重要途径，本文设计了一种取材容易，制作简单，性能优良的恒温装置。目前，恒温装置在晶体振荡器、噪声源、高精度放大器、压控振荡器等领域有广泛的应用[1-4]。在产品精细化不是很高，对产品电磁兼容要求不高，恒温控制基本是通过占空比调节和电压调节控制技术来实现温度恒定，随着科学技术的进步，对电子产品的电磁兼容性要求越来越高，对电子产品小型化的迫切需求，占空比调节和电压调节在很多场合已经不能满足电磁兼容和小型化要求[5-7]。迫切需要一种能满足电磁兼容和小型化要求的新型恒温装置。

占空比调节恒温是通过改变固定加热电阻的加载时间实现调整加热功率，加热电阻施加恒定电压，间断加热，调节效率高，因为调节加热功率是开关控制模式所以电磁干扰比较大、电磁兼容性很差。电压调节恒温是通过改变固定加热电阻上的电压实现调整加热功率，特点是加热电压线性变化电磁兼容性好，但电压调节器消耗功率大，加热电阻和电压调节器都需要用功率器件，体积大[8-11]。

针对以上问题，本文分析了目前恒温装置的缺点，设计了一种基于电流调节的恒温装置，克服了占空比调节恒温和电压调节恒温装置电磁干扰大、电磁兼容性差、功率大、体积大等不足，采取一种比较理想的恒温控制方式，对传统的恒温装置进行原理革新，最终设计出了一种基于电流调节的恒温装置。此种恒温装置优势在于采用电流调节，从而解决了电磁干扰大、电磁兼容性差、功率大、体积大的特点。显而易见，在产品要求越来越智能，精细化程度越来越高的时代，这种基于电流调节的恒温装置能在晶体振荡器、噪声源、高精度放大器、压控振荡器等领域发挥更大的作用。

2 组成

基于电流调节的恒温装置是一种理想的恒温控制方式，主要由五大模块组成。分别为温度测量模块、温度比较模块、电压调理模块、电压转电流模块、恒流加热模块五个模块组成，如图1所示。

图1 基于电流调节的恒温装置的组成

五大模块相辅相成，缺一不可。其中，温度测量模块是此装置最先发挥作用的模块。基于温度测量稳定性考虑和长期的实践研究，温度测量模块采用技术比较成熟的二极管温度传感器，其中多个二极管相串联，通过采取多点温度测量，测算平均温度，同时为了简化电路，获得更高的稳定性，通过合理选择二极管配置，省去了灵敏度放大电路，取得了良好的效果；通过使用LT431器件构成控精密稳压源，实现基准电压和误差比较，简洁有效；电压调理模块功能通过三极管构成电压调理电路来实现，从而实现合适的电压输出；通过多种方案比选，选择指标参数比较优异的三极管和电阻组成电压电流转换电路；恒流加热模块通过稳压集成块LM317担任，其中LM317采用恒流电路，取得了良好的恒流加热效果。

3 恒温装置的电原理

本文提出的基于电流调节的恒温装置由五大部分组成，五大部分组合后电路图如图2所示。从图2可以看出，电路构成主要采用二极管、三极管和电阻等基础元件构成，通过合理选择元件型号可获得更高的稳定性。

图2 基于电流调节的恒温装置的电路图。

温度测量采用二极管作为温度传感器，二极管(1N4148)用作温度测量的稳定性、线性度都相当好，平均灵敏度约为－2mV/℃。

采用多个二极管D1～D6串联进行温度测量，一方面通过多点温度测量获得整个恒温面积的平均温度，提高温度测量的准确性，另一方面可以增加温度测量的灵敏度，灵敏度可以达到－12mV/℃，不必设置灵敏度放大电路，简化了电路。

本着简化的原则，基准电压和误差比较只使用一个器件IC1（LT431），LT431是可控精密稳压源，内部集成有一个2.5V的电压基准，且具有误差比较功能，测量温度电压通过分压电路输入到TL431参考端，通过调整分压比实现恒温温度的设定，经过误差比较后，LT431输出温度误差电流通过三极管Q1、Q2组成的调理电路改变成合适的电压输出。

三极管Q3和电阻R10～R13组成电压电流转换电路，三极管Q3的集电极电流Ic和电压的关系为：

Ic =（Vin-Vbe）/R

其中：Vb—三极管Q3基极电压

Vbe—三极管发射结结电压

R—电阻R10～R13并联电阻

恒流加热是稳压集成块IC3（LM317）担任，LM317采用恒流电路，三极管Q3的集电极电流Ic作为LM317的负载电流，LM317的输出电流就是三极管Q3的集电极电流，加热功率为Ic×Vcc，LM317输出的最大电流决定于电阻R10～R13并联电阻，电流I=1.25/R，电阻R10～R13为0805贴片电阻，每个电阻可以流过80mA电流，通过改变电阻阻值可以很容易地改变最大加热功率。

稳压集成块IC2（78L05）为温度测量提供5V电压，二极管D7（1N4007）提供防接错保护，因为是电流加热，二极管的结压串联在电流回路中，成为加热的一部分，对电路没有影响。

4 基于电流调节恒温装置的优点

基于电流调节的恒温装置是在恒压状态下，通过改变电流调节加热功率，加热电流线性变化电磁兼容性好，加热器件也是电流调节器件，两者合二为一加热效率很高，体积可以做到很小（30mm×40mm），电压适应性非常宽，由于是电流调节方式，在8V～24V电压下都能稳定工作，出色的灵活性，改变最大加热功率非常容易，改变贴片电阻的阻值就能改变最大加热功率，这是固定加热电阻恒温无法做到的，固定加热电阻恒温只能更换加热电阻，在试验中改变最大加热功率是常常遇到的。基于电流调节的恒温装置印制板图如图3所示，可以看出该电路恒温控制精度可以达到±0.5℃，和传统的恒温装置相对比，具有明显的优越性。

图3 基于电流调节的恒温装置印制板图

5 结论

本文通过对传统占空比调节恒温和电压调节恒温装置原理的分析，设计了一种稳定可靠，取材容易，制作简单，性能优良基于电流调节的恒温装置，从而克服了占空比调节恒温和电压调节恒温的不足，采取一种比较理想的恒温控制方式，最终设计出了一种基于电流调节的恒温装置。此种恒温装置优势在于采用电流调节，从而解决了电磁干扰大、电磁兼容性差、功率大、体积大的特点。在产品要求越来越智能，精细化程度越来越高的时代，这种基于电流调节的恒温装置能在晶体振荡器、噪声源、高精度放大器、压控振荡器等领域发挥更大的作用。

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