熱電制冷攝像機配套電源的研究

現(xiàn)代成像器件具有集成度高、功耗小、成本低的優(yōu)點,可以使攝像機的結(jié)構(gòu)簡化、成本降低,典型的代表是CCD和GMOS成像器件。它們都是半導體器件,不足的是其成像品質(zhì)受溫度、開機時間的影響。采用熱電制冷為其降溫是克服成像器件溫度噪聲的有效途徑。

目前,采用熱電制冷的CCD攝像機技術(shù)在國外已經(jīng)相當成熟,市場上已有應(yīng)的該項技術(shù)的系列化商品。但是,就熱電制冷攝像機的研究國仙尚無成功報道,這是此類進口商品價格居高不下的主要原因。因此,研制熱電制冷攝像機是業(yè)內(nèi)亟等解決的問題,為此必須解決配套電源的技術(shù)問題。

1 配套電源技術(shù)必須考慮的問題

電源是攝像梵工作的基本條件,包括成像器件的工作電源和熱電制冷器電源部分。兩部分具有各自的特點,前者要精度高、穩(wěn)定性好;后者則較為特殊,從熱電制冷的需要看,應(yīng)該具有以下的特點：

（1）品質(zhì)高,脈動系數(shù)小。因為熱電制冷器的制冷性能與供電直流電源的品質(zhì)有關(guān),已以的研究表明：當直流電源的電壓脈動系數(shù)小于15％時,其消耗的功率、制冷系數(shù)基本上沒有變化,而且脈動系數(shù)小有利于制冷器穩(wěn)定工作。

（2）與制冷器相互匹配。由于希望成像器件工作在－40℃－60℃的溫度范圍內(nèi),而單級制冷器是無法實現(xiàn)的,所以攝像機內(nèi)熱電制冷器是多級聯(lián)結(jié)的。由于各級制冷器的供電電源在功率容量、電壓大小方面都有較大差異,困此,不同的熱電制冷器應(yīng)單獨設(shè)置與之匹配的供電電源,不應(yīng)簡單地串聯(lián)或并聯(lián)。

（3）功率容量可控。在制冷降溫過程中,不僅要求能降低溫度,更重要的是保持低溫恒定,而且還希望降溫速度快。對電源來說,則希望所能夠在開機是提供熱電制冷器能夠承受的極限電壓和電流,隨著溫度的下降以及與設(shè)定值的接近,電源的電壓或電流逐漸減少,甚至為零。

（4）符合熱電制冷工作的特點。熱電制冷呂器是半導體器件,低電壓、大電流是熱電流冷器正常工作的突出特征,供電電源也要具有這一特性。

除此 之外,電源作為攝像機的配套設(shè)備,還應(yīng)該滿足體積小、效率高、操作方便等要求,應(yīng)該具有電源工作狀態(tài)、攝像機內(nèi)部溫度可視化的功能,這樣不僅便用掌握成像品質(zhì)隨溫度變化的規(guī)律性,掌握不同的熱負荷的降溫規(guī)律,還有益于了解控制器的性能及其工作狀態(tài),避免實驗的盲目性。

根據(jù)熱電制冷攝像機對電源的特殊要求,配套電源的設(shè)計應(yīng)重點解決兩方面的問題：

（1）電源方案的選擇：目前的串型穩(wěn)壓電源和開關(guān)型穩(wěn)壓電源都可以滿足熱電制冷器對電源品質(zhì)的要求,但串聯(lián)型穩(wěn)壓電源的體積大、效率低、溫升高,而高頻開關(guān)電源則可以克服上述不足,使攝像機系統(tǒng)的體積和重量降低。因此,在熱電制冷器的電源設(shè)計中,選擇高頻開關(guān)型電源結(jié)構(gòu)。

（2）減小電源體積和重量;現(xiàn)從電源的結(jié)構(gòu)設(shè)計和電路設(shè)計兩個方面采取小型化措施。在結(jié)構(gòu)上,把不必要的調(diào)節(jié)電壓固定下來,對低功耗的電極直接采用電阻分壓供電,將制冷器和控制器的小功率電源合并制板;在電路設(shè)計中,選用新型集成電路,進一步減小電路板的體積,從而使攝像機配套電源箱僅為200mm×130mm×120mm。