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1）簡介

SLICE-QTC溫度控制器是Vescent Photonics研發(fā)的新品，在錐形放大器、二極管控溫、TEC或加熱薄膜亞mK級別控溫等領域有著廣泛的應用。

它擁有四個獨立的PID伺服回路濾波通道，可以同時控制多達四個熱負載，在長時間內始終保持著亞mK級別的高穩(wěn)定性。每個通道提供20W的功率(總共多分配40W)。本文以客戶實際使用SLICE-QTC單通道基于加熱薄膜穩(wěn)定大型熱負載為例，展示它伺服回路的能力。

2)實驗

本實驗設計大型熱負載是尺寸為15cm×30cm×2cm的光學面包板，其表層與加熱薄膜接觸處填涂有導熱膠。熱敏傳感器采用熱敏電阻(Beta= 3450, R= 26.5 kQ at 23C)。裝配關系如圖1所示，加熱薄膜由如圖2所示的SLICE-QTC溫度控制器控制。為了獲得穩(wěn)定的溫度變化，必須將熱負載及加熱薄膜與周圍環(huán)境隔離。因此，它整體被包裹在3層3mm厚的聚乙烯泡沫中。

圖1 熱負載與加熱薄膜裝配關系       圖2 SLICE-QTC溫度控制器

SLICE-QTC使用PID數(shù)字連續(xù)波環(huán)路濾波器(非脈寬調制)處理溫度誤差信號，基于比例、積分和微分增益原理，使用Ziegler-Nichols方法確定*環(huán)路參數(shù)為G_prop=6, PI=18.7, PD =4.68。

在室溫22.3℃的情況下，設定被控溫度為27.5°C，伺服回路初執(zhí)行大約400 mA的電流來使得溫度到達設定值。從回路初始溫度22.3℃控溫開始到27.5℃穩(wěn)定所需時間大約為185 s。由于加熱器內部為50Ω的高電阻，則勵磁涌流受到了SLICE-QTC大順應電壓20V的限制，因此如果的電阻加熱器的阻值更低，則會表現(xiàn)出更快的穩(wěn)定時間。如圖3所示，展示了SLICE-QTC自開始波動至穩(wěn)定時的屏顯溫度誤差隨時間變化的圖像。

圖3 穩(wěn)定過程-溫度誤差隨時間的函數(shù)關系

如圖4所示，在穩(wěn)定狀態(tài)下，PID回路使得熱負載的溫度RMS偏差為0.33mK。4小時內的穩(wěn)定性是相同的。

圖4 穩(wěn)定后-溫度誤差隨時間的函數(shù)關系

3）總結

為了獲得更好的熱穩(wěn)定性，加熱薄膜與負載的設計方案是極其重要的。例如，為了加熱薄膜免受環(huán)境溫度波動的影響。如果沒有聚乙烯做包裹，則上方的氣流可能使得控溫穩(wěn)定性降低。因此主要的設計考慮包括:

1. 適當使用絕緣材料，如聚乙烯泡沫等。

2. 選擇合適的傳感器，盡可能接近熱負載并保持良好的熱接觸。

3. 讓加熱薄膜的尺寸盡可能的小。

4. 保持環(huán)境溫度盡可能穩(wěn)定。

7. 避免接地回路，屏蔽連接電纜，傳感器連接使用高質量箔屏蔽導線。

8. 使用低電阻加熱器和TEC來避免電壓限制傳感器，確保足夠的電流和功率傳送到SLICE-QTC通道。

    本案例以電阻式加熱薄膜作為加熱器，熱敏電阻作為傳感器，使用SLICE-QTC作為伺服回路濾波器溫控器，對熱負載進行溫度穩(wěn)定。在0.33 mK的溫度誤差范圍內，采用閉環(huán)均方根RMS偏差穩(wěn)定負載，應該注意的是，整個負載必須擁有合適的溫度絕緣。SLICE-QTC可以控制多達四個獨立的溫度循環(huán)。在更多的實驗中，可以使用TEC作為被控設備，在-20°C到+140°C范圍內同樣獲得了在亞mK級別的溫度穩(wěn)定性。