精确的温度控制器产生热梯度补偿

　　为有效使用半导体激光器和光探测器等热敏感组件和传感器，有必要进行准确稳定的温度控制。配合相关设备的使用，出现了一个专门提供热电冷却器(TEC)、温度传感器、单块集成电路和混合型驱动集成电路等热控制设备的新兴行业。准确稳定的温度控制可以为使用具有良好动态特性的高性能恒温电子器件提供方便，因为它允许组装具有灵活和复杂控制特征的反馈回路，例如，比例-积分-微分（PID）反馈回路，只需选择合适的并联电阻和电容。遗憾的是，良好的静态稳定性有时更难实现，因为系统而非电子器件的热属性往往会导致有限的温度控制回路静态稳定性。

　　每个热控制系统都会在热量转移通道中产生非零热阻抗。这些通道包括恒温对象的热负荷以及包括电热调节器和环境温度在内的温度传感器。如果这些阻抗的比率不能很好地达到平衡，而情况确实经常如此，即使传感器有极强的恒温性能，也不能保证负荷温度足够稳定（图1）。

　　如果Z1/Z2大于Z3/Z4（Z表示阻抗），环境温度上升，负荷温度上升；环境温度下降，负荷温度下降。相反，如果Z1/Z2小于Z3/Z4，环境温度上升，负荷温度下降；环境温度下降，负荷温度上升（图2）。通过更牢固的热电偶和更好的绝缘性能降低寄生阻抗可降低但很难消除梯度以及误差幅度。

　　图1中的电路提供了另一种解决方案：一个至少可以部分消除热梯度在阻抗中产生影响的电子工作区。它的工作原理是通过热电冷却器驱动层的一条可调节的正极或负极反馈通道，将环境温度的变化和电热调节器设点温度的补偿变化联系起来。图1电路中使用的是普通的混合式热电冷却器控制器。跟踪热电冷却器驱动的两个信号节点COOL_LIMIT和HEAT_LIMIT是可调整桥电路的输入端，桥电路由RT1、RT2、电位计和相关电路构成。通过正确调整RT1和RT2，在测试中就可确定电热调节器设点必须与环境温度成正比例变化还是成反比例变化，才能达到负荷的稳定。这种设计曾在1999年火星极地登陆者上的双可调谐二极管激光光谱仪中出现过（参考文献1）。

参考文献：

1. May, Randy D, Siamak Forouhar, David Crisp, W Stephen Woodward, David A Paige, Asmin Pathare, and William V Boynton, “The MVACS tunable diode laser spectrometers,” American Geophysical Union, Journal of Geophysical Research, Volume 106 (E8), 2001, pg 17,673.