一种恒温金属浴的制作方法

本发明提供一种温度均匀且温度控制精确的恒温金属浴装置，属于分析仪器领域。

背景技术：

石油、生物及化工等行业在对相关样品进行分析测试时，需要满足一定的温度条件，因此需要通过恒温控制系统进行加热、制冷、保温等工作，让样品处于恒定的温度环境中。恒温金属浴作为一种为生化试剂的保存及反应进行温度控制的仪器，广泛应用于各种生化样品的保存、各种酶的保存及反应、聚合酶链式反应、电泳的预变性、血清凝固及核算和蛋白质的变性处理等。

目前的恒温金属浴一般采用直流电源级联全桥逆变电路后输出至半导体制冷片的电路模式，全桥逆变电路既进行功率调节，又实现电流换向，在这种模式下，输出至半导体制冷片的电压纹波较大，控制精度较低，从而存在温度超调量较大、温度稳定度较低等问题。

技术实现要素：

(一)发明目的

本发明的目的是提供一种以Buck电路和全桥逆变电路串联主电路模式的恒温金属浴，Buck电路进行功率调节，全桥逆变电路进行电流换向，旨在解决现有技术中由于电压纹波大导致的温度超调量大、温度稳定度低，温度控制精度低等问题。

(二)技术方案

为实现上述发明目的，本发明所采取的技术方案是：

本发明一种恒温金属浴，它包括DC12V电源适配器、主电路、半导体制冷片、控制电路、温度传感器、散热片、风扇和导热平台；它们之间的位置连接关系是：所述半导体制冷片通过主电路及DC12V电源适配器与AC220V交流电源形成回路，其两个表面通过导热硅脂分别与导热系数好的导热平台及散热片紧紧接触；所述主电路内的功率开关管与控制电路通过导线相连；所述温度传感器通过导热硅脂紧紧贴于导热平台下表面并通过导线与控制电路相连接；所述风扇通过DV12V供电，并正对散热片风道进行风冷。

所述DC12V电源适配器为常用DC12V电源适配器，它将AC220V转化为DC12V；

所述主电路包括Buck电路和全桥逆变电路，所述DC12V电源适配器与AC220V相连，所述Buck电路输入端与DC12V电源适配器输出端相连，所述全桥逆变电路输入端与Buck电路输出端相连，所述半导体制冷片与全桥逆变电路输出端相连；该Buck电路和该全桥逆变电路均为本领域常用电路结构；

所述半导体制冷片为额定电压为DC12V的半导体制冷片；

所述控制电路包括滤波放大单元、单片机控制单元、PWM隔离驱动单元、液晶屏及按键；它们之间的位置连接关系是：所述温度传感器通过滤波放大单元与单片机控制单元相连，所述单片机控制单元与PWM隔离驱动单元、液晶屏及按键相连，所述PWM隔离驱动单元与主电路内Buck电路和全桥逆变电路中的功率开关管相连；

进一步的，所述滤波放大单元包括差动放大电路和电压滤波放大电路，差动放大电路的输出端连接至电压滤波放大电路的输入端；所述差动放大电路和电压滤波放大电路均为由集成运算放大器LM258及其外围电路构成；该差动放大电路的基准为0℃时标准电阻的分压值；

进一步的，所述单片机控制单元由MC9S08DZ60CLC单片机及其外围电路构成；

进一步的，所述PWM隔离驱动单元包括五路PMW隔离驱动电路，分别与Buck电路中一个功率开关管和全桥逆变电路中四个功率开关管的栅极相连；该PMW隔离驱动电路由三极管9014和光耦合器TLP250及其外围电路构成。它们之间的位置连接关系是：9014发射极接地，基极接输入信号，集电极与TLP250的3脚相接，TLP250的2脚接+5V供电，TLP250的8脚接+12V供电，TLP250的6脚和7脚并联后作为输出；

进一步的，所述液晶屏及按键选用LCD1602液晶显示屏和触点按键；

所述温度传感器为PT100温度传感器，采样导热平台温度信号，通过滤波放大电路与单片机及外围电路相连；

所述散热片为铜制散热片；

所述风扇为DC12V供电的散热风扇；

所述导热平台为采用导热系数好的铸铝制作的工作平板，并以此作为工作平台。

(三)本发明的优点及功效

本发明的一种恒温金属浴选择Buck电路和全桥逆变电路级联的主电路拓扑，通过Buck调功改变输出脉宽，实现输出功率的精确调节，通过全桥逆变实现电流换向，控制半导体制冷片工作面的制冷及加热，从而实现工作过程的精确控制。

附图说明

下面将结合附图和具体实施方式对本作进一步详细的说明。

图1为本发明的电路结构示意图。

图2为本发明的滤波放大单元示意图。

图3为本发明的PWM隔离驱动单元示意图。

图中：

1为DC12V电源适配器，2为主电路，3为半导体制冷片，4为温度传感器，5为风扇，6为控制电路，7为散热片，8为导热平台。

201为Buck电路，202为全桥逆变电路。

601为单片机控制单元，602为滤波放大单元，603为液晶屏，604为按键，605为PWM隔离驱动单元。

6051为PWM隔离驱动单元1，6052为PWM隔离驱动单元2，6053为PWM隔离驱动单元3，6054为PWM隔离驱动单元4，6055为PWM隔离驱动单元5。

具体实施方式

本发明的一种恒温金属浴，其具体实施方式是：

本发明一种恒温金属浴，参见图1所示，包括：DC12V电源适配器1，主电路2，半导体制冷片3，温度传感器4，风扇5，控制电路6，散热片7，导热平台8。所述半导体制冷片3通过主电路2及DC12V电源适配器1与AC220V交流电源形成回路，半导体制冷片3的两个表面通过导热硅脂分别与导热系数好的导热平台8及散热片7紧紧接触；所述主电路2的功率开关管T1、T2、T3、T4、T5与控制电路6通过导线相连；所述温度传感器4通过导热硅脂紧紧贴于导热平台8下并通过导线与控制电路6相连接；所述风扇5通过DV12V供电，并正对散热片7风道进行风冷。

参见图1所示，DC12V电源适配器1将AC220V交流电转化为DC12V直流电，为恒温金属浴的主电路2、风扇5和控制电路6进行供电。

参见图1所示，主电路2包括Buck电路201和全桥逆变电路202，Buck电路201的输入为主电路1的输入，Buck电路201的输出作为全桥逆变电路202的输入，全桥逆变电路202的输出为主电路1的输出。通过控制Buck电路201内功率开关管T1的开通和关断调节输出功率，实现输出功率0～100％可调，从而获得加热/制冷时较为精确的温度稳定性和较低的温度超调量；通过控制全桥逆变电路202内功率开关管T2和T5、T3和T4的开通和关断实现电流换向，从而控制半导体制冷片工作表面的制冷和加热模式的切换。

参见图1所示，半导体制冷片3与主电路2的输出端相连接，半导体制冷片3的一个表面作为工作面通过导热硅脂与导热平台8紧密接触，在主电路不同的输出功率和输出电流方向下实现不同功率的制冷/加热；另一个表面作为非工作面通过导热硅脂与散热片7紧密接触，实现散热/散冷。

参见图1所示，温度传感器4为PT100温度传感器，温度传感器4通过导热硅脂与导热平台8的下表面紧密接触，其输出信号通过控制电路6内的滤波放大单元602输出至单片机控制单元601。

参见图1所示，风扇5为DC12V供电的风扇，其吹风风向正对散热片7的风道，从而实现半导体制冷片非工作面的快速散热/散冷。

参见图1所示，控制电路6包括单片机控制单元601、滤波放大单元602、液晶屏603，按键604，PWM隔离驱动单元605。其中PWM隔离单元605包括五组PWM隔离驱动单元，分别为PWM隔离驱动单元1 6051，PWM隔离驱动单元2 6052，PWM隔离驱动单元3 6053，PWM隔离驱动单元4 6054，PWM隔离驱动单元5 6055。温度传感器4通过滤波放大单元602与单片机控制单元601相连，单片机控制单元601与液晶屏603及按键604相连，并同时与PWM隔离驱动单元605内部的五组PWM隔离驱动单元6051、6052、6053、6054、6055的输入端相连，所述PWM隔离驱动单元6051、6052、6053、6054、6055的输出端分别的与主电路2中的Buck电路201和全桥逆变电路202中的五个功率开关管T1、T2、T3、T4、T5的栅极对应相连。其中，温度传感器4采集的温度信号经由滤波放大单元602进行信号滤波放大后输入至单片机控制单元601进行温度信号的采集及计算。液晶屏603和按键604与单片机控制单元601相连，进行通讯。液晶屏603用于显示温度传感器4采集到的导热平台8的温度及设定的温度、工作时间及设定时间；按键用于设定预期温度及保温时间。单片机控制单元601内部的单片机采用MC9S08DZ60CLC单片机，单片机控制单元601除采集滤波放大单元602输出的温度信号，输出温度及时间信号至液晶屏603，采集按键604输入的信号以外，同时输出三路脉冲宽度调制信号PWM1、P1、P2分别输出至PWM隔离驱动单元6051、6052和6055、6053和6054，6051、6052和6055、6053和6054进一步控制主电路2中Buck电路201内的功率开关管T1、全桥逆变电路202内功率开关管T2和T5、T3和T4的开通和关断。通过调节PWM1的脉冲宽度间接控制T1的开通和关断，实现输出功率在0～100％连续可调，从而实现温度的精确控制。通过调节P1、P2的脉冲宽度间接控制T2和T5、T3和T4的开通和关断，实现输出电流换向，从而实现制冷和加热模式的切换。

参见图2所示，滤波放大单元602包括差动放大电路6021和电压滤波放大电路6022，差动放大电路6021的输出作为电压滤波放大电路6022的输入。差动放大电路6021的基准为0℃时PT100温度传感器电阻值的分压值。本实施例中差动放大电路6021部分的放大器和电压滤波放大电路6022中的放大器分别采用运算放大器U1的两个放大器，本实施例中运算放大器为集成运算放大器LM258。滤波放大单元602采用+2.5V电压基准源，PT100温度传感器反馈的电压信号通过LM258与0℃时的标准电阻(100Ω)的分压值进行差动放大，LM258的5、6、7脚的放大器为差动放大器，温度传感器输出信号一端与LM258的5脚相连接，另一端与LM258的6脚相连接。经过差动放大后，再经过由LM258的2、3、7脚的放大器及其外围电路组成的放大电路，进行电压信号的放大滤波，最后得到与实测温度相对应的电压信号，该电压信号输出至单片机控制单元601进行运算和处理。

参见图3所示，以PWM隔离驱动电路1为例，PWM隔离驱动电路1主要由三极管9014和光耦合器TLP250及其外围电路构成。由单片机控制单元601产生的PWM1信号经R11、R12分压后，输出至三极管9014的基极，9014的集电极与TLP250的3脚相接，发射极接地；TLP250的2脚通过电阻R13接+5V供电，8脚接+12V供电，6脚和7脚并接后通过电阻R14与功率开关管T1的栅极相接，5脚接地。当PWM1输出高电平时，三极管9014工作，TLP250的3脚接地，TLP250工作，6脚和7脚输出高电平，控制T1开通；当PWM1输出低电平时，9014不工作，TLP250也不工作，T1关断。由于由单片机输出的PWM1信号占空比在0～100％连续可调，从而可以控制输出功率在0～100连续可调。PWM隔离驱动电路2、PWM隔离驱动电路3、PWM隔离驱动电路4、PWM隔离驱动电路5结构与PWM隔离驱动电路1相同，PWM隔离驱动电路2和PWM隔离驱动电路5共用一组脉宽调制信号P1，PWM隔离驱动电路3和PWM隔离驱动电路4共用一组脉宽调制信号P2，P1、P2为两组互补的PWM信号，从而实现T2和T5同时导通，T3和T4同时关断，或者，T3和T4同时导通，T2和T5同时关断，进而使输出电流换向，实现半导体制冷片3的制冷/加热模式的切换。

通过采用上述的实施方式，获得一种温度控制精确、温度超调量小的恒温金属浴，其工作表面温度均匀性≤±0.1℃，表面温差≤±0.1℃，温度超调量≤±0.3℃。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域熟练技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对本实施方式作出多种变更或修改，而不背离发明的原理和实质，本发明的保护范围仅由所附权利要求书限定。