JPH05216545A - 温度制御回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 レーザー・ダイオード等の温度を、ペルチェ
素子を用いて制御する温度制御回路の消費電力を少なく
する。 【構成】 ＰＷＭ変換器３６の出力に応じてスイッチ素
子３７が高速にオンとオフを繰り返すことによりトラン
ス３８の一次巻線３９には電源４２の電圧がパルス状に
印加され、二次巻線４０に発生した交番電圧がダイオー
ド４３、４３で平滑され、平滑コイル４５と平滑コンデ
ンサ４６で平滑され平滑コンデンサ４６の両端に直流電
圧が生じる。この直流電圧は極性制御器３５で制御され
る極性反転器４６で通過・反転されてペルチェ素子１０
の電流端子に印加される。極性制御器３５はＰＩＤ制御
器３２の出力信号と基準電圧源３４の基準電圧との差電
圧ＶＡの正負に応じた２値信号Ｓ₀₃を出力する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、出力光波長が動作温度
で変化するレーザー・ダイオードの温度制御や高速論理
集積回路の冷却に適用可能な温度制御回路に関する。

【０００２】

【従来の技術】レーザー・ダイオードや高速論理回路は
数ｍｍ程度の半導体チップに形成されており、このよう
な微小素子の温度を制御するためにペルチェ素子が用い
られている。この素子はペルチェ効果を応用した素子で
あり、ペルチェ効果とは、半導体の両端に金属をオーミ
ック接触させ、ここに電流を供給した際にこの半導体の
両端に温度差が生じる現象である。この時生じる温度差
は半導体の電気抵抗で発生するジュール熱の他に電流の
入力端から出力端に熱伝導が生じていることを示してい
る。この熱伝導はｎ形半導体では電流の入力端から出力
端の方向に、また、ｐ形半導体では電流の出力端から入
力端の方向に発生する。ペルチェ効果の大きい半導体と
してはビスマス（Ｂｉ）系の複合半導体が著名である。
これらの素材で作成されペルチェ素子の構造例を図６に
示す。先に述べた素材で形成したｎ形半導体１１とｐ形
半導体１２を並べて上面を金属板１３にオーミック接触
させ、さらに、それぞれの半導体の下面を一対の金属電
極（電流端子）１４および１５にオーミック接触させて
ペルチェ素子１０を構成する。このペルチェ素子１０の
金属板１３の上に熱導伝性の良好な電気的絶縁シート１
６を介して導熱板１８を積層する。さらに、ペルチェ素
子１０の下面の金属電極１４および１５は電気的絶縁シ
ート１６と同様な熱導伝性の良好な電気的絶縁シート１
７を介して放熱板１９に接触させる。温度制御対象物２
０および温度センサ２１は導熱板１８の上に搭載され
る。ここで金属電極１４に電流を供給すると、電流はｎ
形半導体１１、金属板１３、ｐ形半導体１２を通って金
属電極１５に流れることができる。金属板１３の温度は
金属電極１４から１５に供給される電流の方向および大
きさに応じて変化するから、この金属板１３の上に積層
された導熱板１８も同様の温度変化を受け、温度制御対
象物２０および温度センサ２１の温度が変化する。した
がって、温度センサ２１の信号を接続線対２２を介して
温度制御回路に伝達し、ペルチェ素子１０に供給される
電流を制御することで、温度制御対象物２０を所望の温
度に制御することができる。

【０００３】ペルチェ素子１０に供給される電流ＩＰと
センサ部分温度ＴＰの関係の一例を図７に示す。この例
からも分かるように温度ＴＰと電流ＩＰの関係は以下に
示す２次式で近似できる。

【０００４】ＴＰ＝αＩＰ² ＋βＩＰ＋Ｔａ ここで、αとβは係数、Ｔａは周囲温度である。この特
性式におけるαはジュール熱に、また、βは熱伝導に関
係する係数とみることができる。ペルチェ素子１０は半
導体で形成されているが、金属との接触部分はオーミッ
ク接続であるためダイオードとしての性質はほとんど無
い。

【０００５】（引用資料）電気通信ハンドブック第７部
門第８編電子デバイス７０９〜７１１頁 図５はペルチェ素子用の温度制御回路の従来例の構成図
である。この温度制御回路は、温度センサ２１が接続さ
れて設定中心温度との差温度を電圧に変換し増幅する誤
差増幅器５１と、誤差増幅器５１の出力信号から温度制
御対象物２０の温度を設定中心温度に近づける、微分手
段と積分手段と比例増幅手段を有するＰＩＤ制御器５２
と、ペルチェ素子１０に正極電流および負極電流を供給
するための電源５３、５４と、電流駆動用のＮＰＮトラ
ンジスタおよびＰＮＰトランジスタ５５、５６で構成さ
れている。

【０００６】温度制御回路が、このように構成されてい
るので、温度センサ２１の温度が設定中心温度に等しい
状態では誤差増幅器５１およびＰＩＤ制御器５２の出力
電圧は概ね０であり、電流駆動用のトランジスタ５５お
よび５６を介してペルチェ素子１０に供給される電流も
０である。温度センサ２１の温度が設定中心温度よりも
上昇すると誤差増幅器５１、ＰＩＤ制御器５２および駆
動回路（トランジスタ５５、５６）の出力にはそれぞれ
温度差に対応した正の電圧が出力されるから、ペルチェ
素子１０にはＮＰＮトランジスタ５５を介して電源５３
から温度差に対応した正極の電流が流れ、温度センサ２
１の温度が低下するように作用する。一方、温度センサ
２１の温度が設定中心温度よりも低下すると誤差増幅器
５１およびＰＩＤ制御器５２には温度差に対応した負の
電圧が出力されるから、ペルチェ素子１０にはＰＮＰト
ランジスタ５６を介して電源５４から温度差に対応した
負極の電流が流れ、温度センサ２１の温度を上昇させる
ように作用する。このように動作して温度制御回路は温
度センサ２１の部分の温度を一定に保つように機能す
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】この従来の温度制御回
路の動作を詳細に調べると以下のような問題点を見いだ
すことができる。

【０００８】まず、温度制御系の利得の線形性を説明す
る。温度制御系の利得Ｇとは例えば誤差増幅器５１の出
力からＰＩＤ制御器５２の入力を切離し、ＰＩＤ制御部
５２の入力に誤差増幅器５１の出力電圧と等しくなる電
圧を印加し、この電圧を僅かに増加または低下させた時
に、誤差増幅器５１の出力電圧の変化分とＰＩＤ制御器
５２の入力電圧の変化分の比率である。ペルチェ素子１
０に流れる電流ＩＰは駆動用トランジスタ５５および５
６の出力電圧およびＰＩＤ制御器５２の入力電圧に比例
するから、利得Ｇは前に述べた温度センサ２１の温度Ｔ
Ｐとペルチェ素子１０に供給する電流ＩＰの関係式の微
係数であるβに比例することが分かる。これは温度制御
系の利得Ｇがペルチェ素子１０の加熱（正極電流の供
給）時と冷却（負極電流の供給）時で異なり、冷却時の
利得Ｇは加熱時の利得Ｇよりも小さくなることを意味
し、温度センサ２１の温度と設定中心温度との差、すな
わち、誤差温度は冷却時が加熱時よりも増加することを
表している。冷却時の誤差温度は誤差増幅器５１および
ＰＩＤ制御器５２の利得を増加させることで低減でき
る。しかし、これは加熱時における温度制御系の利得Ｇ
も増大させることになり、利得Ｇの過大な増加は温度制
御系の安定性を低下させる要因となるから誤差増幅器５
１およびＰＩＤ制御器５２の利得設定には限界があり、
したがって、高精度な温度制御が困難である。

【０００９】次に、この従来の温度制御回路の電流駆動
用トランジスタ５５および５６にはそれぞれ概ね一定の
電圧が正極電流用の電源５３および負極電流用の電源５
４から供給されているが、これらの電源５３、５４から
供給される電力とペルチェ素子１０に所定の電流を供給
するのに必要な電力との差の電力は電流駆動用トランジ
スタ５５および５６が消費する。正極電流用の電源５３
および負極電流用の電源５５の電圧はペルチェ素子１０
に最大電流を供給するのに必要な電圧と電流駆動用トラ
ンジスタ５５および５６における降下電圧の和の電圧値
に設定する必要がある。ペルチェ素子１０に最大電流を
供給する状態はペルチェ素子１０の周囲温度がペルチェ
素子１０を使用する温度範囲の上限および下限の状態や
ペルチェ素子１０を起動した直後である場合が多い。し
たがって、通常の動作状態では正極電流用の電源５３お
よび負極電流用の電源５４から供給される電力のほとん
どは電流駆動用トランジスタ５５および５６で消費され
るから、従来の温度制御回路はペルチェ素子１０に供給
する電力に較べ、消費電力が大きくなり易い欠点があ
る。

【００１０】本発明の目的は、消費電力が少ない温度制
御回路を提供することである。

【００１１】本発明の他の目的は、高精度な温度制御が
可能な温度制御回路を提供することである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】前者の目的を達成するた
めに、本発明の温度制御回路は、温度センサ出力と設定
中心値との差ペルチェ素子に温度制御対象物とともに搭
載された温度センサの出力が設定値に近づくように前記
ペルチェ素子の電流端子に供給する電流する温度制御回
路であって、温度センサ出力と設定中心値との差を演算
し、増幅する誤差増幅手段と、該誤差増幅手段の出力の
増幅出力と微分演算出力と積分演算出力を加算するＰＩ
Ｄ制御手段と、該ＰＩＤ制御手段の出力を、該出力が基
準値に等しい時最大出力となる山状特性に変換する絶対
値変換手段と、前記ＰＩＤ制御手段の出力を前記基準値
と比較し、２値信号を出力する極性制御手段と、トラン
スと、該トランスの一次巻線に直列に接続されたスイッ
チ素子と、前記トランスの一次巻線と前記スイッチ素子
に電力を供給する電源と、前記絶対値変換手段の出力に
対応したデューティ比の高周波のパルス信号を生成し、
該パルス信号により前記スイッチ素子をオン／オフする
ＰＷＭ変換手段と、前記トランスの二次巻線に発生する
パルス電圧を整流する整流手段と、前記トランスの二次
巻線に発生するパルス電圧を平滑する平滑手段と、該平
滑手段の出力を、前記極性制御手段の２値信号に応じて
通過・反転し、前記ペルチェ素子の電流端子に出力する
極性反転手段を有している。

【００１３】後者の目的を達成するために、本発明の温
度制御回路は、絶対値変換手段の利得が、ＰＩＤ制御手
段の出力が前記基準値より小さい時と大きい時とで異な
るように絶対値変換手段が構成されている。

【００１４】

【作用】ＰＷＭ変換手段とスイッチ素子とトランスと電
源と整流手段と平滑手段の部分はスイッチング電源と類
似であり、スイッチ素子が高速にオンとオフを繰り返す
ことによりトランスには電源の電圧がパルス状に印加さ
れ、二次巻線に発生した交番電圧が整流、平滑されて直
流電圧がペルチェ素子の電流端子に印加される。この直
流電圧はＰＷＭ変換手段の出力パルスのデューティ比に
概ね比例する。

【００１５】このように、本発明では電源部分は１つで
あり、しかも出力電圧が変えられるため、温度制御回路
の消費電力が少なくなる。

【００１６】ところで、温度センサの温度を周囲温度の
変化に対して一定の温度範囲に保つためには正極性から
負極性にわたる連続可変の電源が必要である。このた
め、本発明では極性制御手段と極性反転手段を用いるこ
とで、ＰＷＭ変換手段の出力パルスのデューティ比が概
ね０の状態で平滑手段の両端の電圧極性を反転してペル
チェ素子の電源端子に給電するように構成されている。

【００１７】また、本発明では、ペルチェ素子を加熱す
る場合と冷却する場合の温度制御系での利得Ｇをできる
だけ近づけられるようにするため、絶対値変換手段の利
得（この利得はペルチェ素子を加熱する場合および冷却
する場合の温度制御系での利得Ｇに関与するから）を、
ＰＩＤ制御手段の出力が基準値より小さい時と大きい時
とで異なるように絶対値変換手段を構成している。これ
により、温度制御特性が安定化し、高精度な温度制御が
可能になる。

【００１８】なお、トランスに三次巻線を設け、該三次
巻線に生じるパルス状電力を整流・平滑して極性反転手
段の回路電力として用いることにより、ペルチェ素子に
対する供給電流が０に近い状態で極性反転手段の消費電
力を大幅に低減することができる。

【００１９】

【実施例】次に、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。

【００２０】図１は本発明の一実施例の温度制御回路の
ブロック図、図２は図１中の絶対値変換器３３の特性図
である。

【００２１】誤差増幅器３１は（誤差増幅手段）は温度
センサ２１に接続されて設定中心温度との差温度を電圧
に変換し増幅する。ＰＩＤ制御器３２（ＰＩＤ制御手
段）は誤差増幅器３１の出力信号から温度制御対象物２
０の温度を設定中心温度に近づけるためのもので、微分
手段と積分手段と比例増幅手段を有する。絶対値変換器
３３（絶対値変換手段）は、図２に示したように、ＰＩ
Ｄ制御器３２の出力信号と基準電圧源３４の基礎電圧Ｖ
Ｍとの差電圧ＶＡが０の時に最大電圧ＶＭを、差電圧Ｖ
Ａが正電圧の時に（ＶＭ−Ｋ１×ＶＡ）、差電圧ＶＡが
負電圧である時に（ＶＭ＋Ｋ２×ＶＡ）なる電圧を出力
する。ここで、Ｋ１，Ｋ２は利得である。極性制御器３
５（極性制御手段）は差電圧ＶＡが正の時に「１」の論
理状態を出力し、差電圧ＶＡが負の時に「０」の論理状
態を出力する。ＰＷＭ変換器３６（ＰＷＭ変換手段）は
絶対値変換器３３の出力電圧に応じたデューティ比（出
力パルスの「０」である時間とこの出力パルスの周期の
比率）のパルス信号を出力する。スイッチ素子３７はＰ
ＷＭ変換器３６の出力が「１」である時にオン状態、
「０」である時にオフ状態になるスイッチ素子である。
電源４２は直列に接続されたスイッチ素子３７とトラン
ス３８の一次巻線３９に電力を供給する電源である。ダ
イオード４３と４４（整流手段）はトランス３８の二次
巻線４０に発生するパルス電圧を整流する。平滑コイル
４５と平滑コンデンサ４６（平滑手段）は高周波パルス
成分を低減するためのものである。極性反転器４７（極
性反転手段）は平滑コンデンサ４６に発生した電力の極
性を極性制御器３６の出力状態に応じて「１」の状態で
は通過、「０」の状態では反転する。

【００２２】これらの構成のうち、ＰＷＭ変換器３６と
スイッチ素子３７とトランス３８と電源４２とダイオー
ド４３、４４と平滑コイル４５と平滑コンデンサ４６の
部分はスイッチング電源と類似であり、スイッチ素子３
７が高速にオンとオフを繰り返すことによりトランス３
８の一次巻線３９には電源４２の電圧がパルス状に印加
され、二次巻線４０に発生した交番電圧をダイオード４
３、４４で整流し、平滑コイル４５と平滑コンデンサ４
６で平滑することにより平滑コンデンサ４６の両端に直
流電圧が生じる。この直流電圧はＰＷＭ変換器３６の出
力パルスのデューティ比に概ね比例し、平滑コンデンサ
４６の両端の電圧と所望の電圧値との差電圧を増幅する
誤差増幅手段（不図示）を介してＰＷＭ変換器３６の入
力とすれば、これらの部分はスイッチング電源として機
能する。この誤差増幅手段はコンデンサ４６の両端の電
圧をＶＯ、所望の電圧値をＶＲ、出力電圧をＶＸ、利得
をＫＡとすると、ＶＸ＝（ＶＯ−ＶＲ）ＫＡで表せる特
性関数を有する。ＰＷＭ変換器３６では入力電圧ＶＰが
ＶＭより高電圧である時に出力パルスのデューティ比が
０であり、入力電圧ＶＰが減少するとデューティ比が増
加し、入力電圧ＶＰがＶＮ以下に低下するとデューティ
比が最大になる。これはＰＷＭ変換器３６は入力電圧が
ＶＭより高電圧である時にＶＯが０Ｖであり、入力電圧
が減少するとＶＯが増加し、ＶＮ以下に低下するとＶＯ
は最大電圧ＶＯ_MAXになる。これはこの回路がＶＯ＝Ｋ
Ｂ（ＶＭ−ＶＰ）（ただし、ＫＢ＝ＶＯ_MAX／（ＶＭ−
ＶＮ）、ＶＮ≦ＶＰ≦ＶＭＰ）なる関数で表せる特性を
有することを示している。このように構成されているか
ら、ＶＯがＶＲより高いとＶＰ（ＶＸ）は正の電圧であ
り、ＶＯがＶＲよりも高電圧であるほどＶＰは高電圧に
なるから、ＶＯが低下するように作用する。また、ＶＯ
がＶＲに近づくように低下するとＶＰは低下するから、
ＶＯが増加するように作用する。このような作用によっ
て、ＶＯはＶＲに近づき、ＰＷＭ変換器３６および誤差
増幅手段の特性関数からＶＯはＶＯ＝（ＫＢ・ＶＭ＋Ｖ
Ｒ・ＫＡ・ＫＢ）／（１＋ＫＡ・ＫＢ）なる電圧に落ち
着く。ＫＡおよびＫＢは１よりも大きな値に設定される
から、ＶＯ≒ＶＲ＋ＶＭ／ＫＡ≒ＶＲであり、ＶＯは概
ねＶＲの電圧値になることがわかる。

【００２３】スイッチング電源の出力電圧はＰＷＭ変換
器３６の入力電圧に対応して変化させられるが、電圧の
極性までは変えることができない。［従来の技術］に説
明したように、ペルチェ素子１０の温度センサ２１の温
度ＴＰを上昇および下降させるためにはペルチェ素子１
０に供給される電流が正極性および負極性であることが
必要である。したがって、周囲温度の変化に対して温度
ＴＰを一定の温度範囲に保つためには正極性から負極性
にわたる連続可変の電流が必要である。このため、本実
施例では極性制御器３５と極性反転器４７を用いること
で、ＰＷＭ変換器３６の出力パルスのデューティ比が概
ね０の状態で平滑コンデンサ４６の両端の電圧極性を反
転してペルチェ素子１０の金属電極１４および１５に給
電するように構成されている。このようにして、ＰＷＭ
変換器３６の入力電圧を変化させることでペルチェ素子
１０に供給される電力を正極性から負極性にわたって連
続可変とすることができる。

【００２４】ＰＷＭ変換器３６の出力のデューティ比は
入力電圧がある電圧範囲で０から１００％まで変化し、
本実施例では入力電圧が低下するとデューティ比が増加
する品種を用いている。したがって、絶対値変換器３３
の最大出力電圧ＶＭはＰＷＭ変換器３６の出力のデュー
ティ比が０になる入力電圧の最小電圧に設定する。しか
し、ＰＷＭ変換器３６には入力電圧が増加するとデュー
ティ比が増加する品種もあり、この品種を用いる場合に
は絶対値変換器３３の最大出力電圧ＶＭをＰＷＭ変換器
３６の出力のデューティ比が０になる入力電圧の最大電
圧に設定し、さらに、利得Ｋ１およびＫ２の符号が負に
なるように設定すれば本実施例と同様に機能する。

【００２５】ペルチェ素子１０に供給される電流とペル
チェ素子１０の導熱板１８部分の温度の関係が２次関数
であって、従来回路の構成ではペルチェ素子１０を加熱
する場合と冷却する場合で温度制御系としての利得Ｇが
異なるため、設定誤差の増加および制御特性の安定性に
問題が生じることを［従来の技術］および［発明が解決
しようとする課題］で説明した。本発明ではペルチェ素
子１０を加熱する場合と冷却する場合の温度制御系での
利得Ｇをできるだけ近づけられるようにするため、絶対
値変換器３３を形成する通過形増幅器および反転増幅器
の利得（これらの増幅器の利得はペルチェ素子１０を加
熱する場合および冷却する場合の温度制御系での利得Ｇ
に関与するから）をそれぞれＫ１およびＫ２のように異
なる利得に設定できるように構成し、これらの問題点の
解決を図っている。

【００２６】図３は図１の温度制御回路の具体例の回路
図、図４は絶対値変換器３３の動作を示す特性図であ
る。

【００２７】絶対値変換器３３は演算増幅器ＩＣ₀₁、Ｉ
Ｃ₀₂とダイオードＤ₀₁、Ｄ₀₂、Ｄ₀₃と抵抗器Ｒ₀₁〜Ｒ₁₀
で構成され、極性制御器３５は演算増幅器ＩＣ₀₄と抵抗
器Ｒ ₁₁、Ｒ₁₂で構成され、極性反転器４７は論理反転回
路ＩＣ₀₅、ＩＣ₀₆とＭＯＳＦＥＴ（電界効果トランジス
タ）Ｑ₀₁〜Ｑ₀₄で構成されている。

【００２８】まず、絶対値変換器３３の動作から説明す
る。ここで、絶対値変換器３３の演算増幅器ＩＣ₀₁とＩ
Ｃ₀₂の部分はそれぞれ通過形差動増幅器、反転形差動増
幅器として機能している。演算増幅器ＩＣ₀₁とＩＣ₀₂の
出力電圧Ｖｏ₀₁とＶｏ₀₂は次式のように表される。

【００２９】Ｖｏ₀₁＝ＶＭ＋Ｋ１（Ｖ_IN−ＶＭ），Ｋ１
＝Ｒ₀₃／Ｒ₀₂…図４Ｓ₁₁参照 Ｖｏ₀₂＝ＶＭ−Ｋ２（Ｖ_IN−ＶＭ），Ｋ２＝Ｒ₀₆／Ｒ₀₅
…図４Ｓ₁₂参照 ここで、ＶＭは基準電圧源３４の出力電圧、Ｖ_INはＰＩ
Ｄ制御器３２の出力電圧である。演算増幅器ＩＣ₀₁の出
力電圧Ｖｏ₀₁はＶ_INがＶＭに等しい時がＶＭであり、Ｖ
_INがＶＭより低くなると低下するように作用する。一
方、演算増幅器ＩＣ₀₂の出力電圧Ｖｏ₀₂はＶ_INがＶＭに
等しい時がＶＭであり、Ｖ_INがＶＭより高くなると低下
するように作用する。抵抗器Ｒ₀₇を流れる電流は出力電
圧Ｖｏ₀₁がＶｏ₀₂より低い状態ではダイオードＤ₀₁に、
出力電圧Ｖｏ₀₁がＶｏ₀₂より高い状態ではダイオードＤ
₀₂に、すなわち、出力電圧の低い側の演算増幅器出力に
接続されたダイオードに流れる（図４Ｓ₁₃参照）。ここ
で、抵抗Ｒ₀₇とＲ₀₈とＲ₀₉とＲ₁₀の抵抗値を概ね等しく
なるように設定すると（演算増幅器ＩＣ₀₃部分の利得は
概ね１）、演算増幅器ＩＣ₀₃の出力電圧Ｖｏ₀₃は以下の
ように表される。

【００３０】Ｖ_IN＝ＶＭの時 Ｖｏ₀₃≒ＶＭ Ｖ_IN＞ＶＭの時 Ｖｏ₀₃≒Ｖｏ₀₁＋（ＶＦ₀₁−ＶＦ₀₃） Ｖ_IN＜ＶＭの時 Ｖｏ₀₃≒Ｖｏ₀₂−（ＶＦ₀₂−ＶＦ₀₃） ＶＦ₀₁、ＶＦ₀₂、ＶＦ₀₃はそれぞれダイオードＤ₀₁、Ｄ
₀₂、Ｄ₀₃の接合電圧であり、概ね等しい電圧値であり、
ダイオードＤ₀₃がダイオードＤ₀₁とＤ₀₂の接合電圧の打
ち消しに有効に作用していることが分かる。したがっ
て、演算増幅器ＩＣ₀₃の出力電圧Ｖｏ₀₃は以下のように
表される。

【００３１】Ｖ_IN＝ＶＭの時 Ｖｏ₀₃≒ＶＭ Ｖ_IN＞ＶＭの時 Ｖｏ₀₃≒Ｖｏ₀₁≒ＶＭ＋Ｋ１（Ｖ_IN−
ＶＭ） Ｖ_IN＜ＶＭの時 Ｖｏ₀₃≒Ｖｏ₀₂≒ＶＭ−Ｋ２（Ｖ_IN−
ＶＭ） このように構成することによって、絶対値変換器３３の
出力は図４Ｓ₀₂の特性となり、ペルチェ素子１０の加熱
時と冷却時の利得Ｇを切り替えられるようになるから、
それぞれの状態に適切な利得を設定し、高精度かつ安定
な温度制御回路を実現することができる。言うまでもな
いが、利得Ｋ１を１に設定する場合には演算増幅器ＩＣ
₀₁と抵抗器Ｒ₀₁〜Ｒ₀₃は省略可能であり、この場合には
ダイオードＤ₀₁のカソード端子を図３のＳ₀₁に接続する
ことで同様に機能することができる。

【００３２】極性制御器３５の演算増幅器ＩＣ₀₄の正極
入力にはＰＩＤ制御器３２の出力が、負極入力には基準
電圧源３４がそれぞれ接続されているから、極性制御器
３５はＰＩＤ制御器３２の出力が基準電圧源３４の電圧
ＶＭより高電圧であれば「１」を出力し、ＰＩＤ制御器
３２の出力が基準電圧源３４の電圧ＶＭより低電圧であ
れば「０」を出力する。ここで、基準電圧源３４は絶対
値変換器３３が最大電圧を出力するための基準電圧源で
もあるから、極性制御器３５の出力が「０」から「１」
へ、または、「１」から「０」へ変化する時のＰＩＤ制
御器３２の出力電圧は絶対値変換器３４が最大電圧を出
力する時と概ね同じである。

【００３３】極性反転器４７の論理反転回路ＩＣ₀₅の入
力端子には極性制御器３５の出力Ｓ ₀₃の信号が伝達さ
れ、論理反転回路ＩＣ₀₅とＩＣ₀₆の出力は否定関係（Ｎ
ＯＴ）にある。ＭＯＳＦＥＴＱ₀₁とＱ₀₂のゲート端子は
論理反転回路ＩＣ₀₅の出力に、ＭＯＳＦＥＴＱ₀₃とＱ₀₄
のゲート端子は論理反転回路ＩＣ₀₅の出力に、ＭＯＳＦ
ＥＴＱ₀₁のソース端子はＭＯＳＦＥＴＱ₀₄のドレイン端
子に、ＭＯＳＦＥＴＱ₀₂のドレイン端子はＭＯＳＦＥＴ
Ｑ₀₃のソース端子に、平滑コンデンサ４６の一端にはＭ
ＯＳＦＥＴＱ₀₁とＱ₀₃のドレイン端子が、平滑コンデン
サ４６の他端にはＭＯＳＦＥＴＱ₀₂とＱ₀₄のソース端子
がそれぞれ接続されている。したがって、極性制御器３
５の出力Ｓ₀₃が「１」である時にはＭＯＳＦＥＴＱ₀₃と
Ｑ₀₄がオン状態であるから、平滑コンデンサ４６に生じ
た電流は平滑コンデンサ４６の一端からＭＯＳＦＥＴＱ
₀₃を経てペルチェ素子１０を通り、ＭＯＳＦＥＴＱ₀₄を
経て平滑コンデンサ４６の他端に至る経路で流れる。一
方、極性制御器３５の出力Ｓ ₀₃が「０」である時にはＭ
ＯＳＦＥＴＱ₀₁とＱ₀₂がオン状態であるから、平滑コン
デンサ４６に生じた電流は平滑コンデンサ４６の一端か
らＭＯＳＦＥＴＱ₀₁を経てペルチェ素子１０を通り、Ｍ
ＯＳＦＥＴＱ₀₂を経て平滑コンデンサ４６の他端に至る
経路で流れる。ここで、ペルチェ素子１０を流れる電流
は極性制御器３５の出力Ｓ₀₃が「０」である時と「１」
である時では逆であり、それぞれペルチェ素子１０を冷
却および加熱していることに対応する。また、トランス
３８の三次巻線４１に発生したパルス電圧はダイオード
Ｄ₀₄で整流され、コンデンサＣ₀₁で平滑されて、極性反
転器４７の反転論理回路ＩＣ₀₅とＩＣ₀₆の電源として用
いられる。抵抗器Ｒ₁₃はコンデンサＣ₀₁に対する突入電
流の緩和として用いられている。このように構成されて
いるので、絶対値変換器３３の出力Ｓ₀₂が基準電圧ＶＭ
に近い状態、すなわち、ペルチェ素子１０に対する供給
電流が「０」に近い状態では極性反転器４７は概ね停止
状態であり、この時、三次巻線４１に生じるパルス電圧
のデューティ比は小さく、コンデンサＣ₀₁に生じる電圧
も小さいため、反転論理回路ＩＣ₀₅とＩＣ₀₆における消
費電力を大幅に低減することができる。

【００３４】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、次のよう
な効果がある。 （１）請求項１の発明は、誤差増幅手段とＰＩＤ制御手
段に、スイッチング電源、絶対値変換手段、極性制御手
段、極性反転手段を組み合わせることにより、温度制御
回路の消費電力を少なくすることができる。 （２）請求項２の発明は、絶対値変換手段の利得を、Ｐ
ＩＤ制御手段の出力が基準値より大きい時と小さい時と
で異なるようにしたことにより、温度制御を高精度に行
うことができる。 （３）請求項２の発明は、トランスの三次巻線に生じる
パルス状電力を整流、平滑して極性反転手段の回路電力
として用いることにより、極性反転手段における消費電
力を大幅に減らすことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の温度制御回路のブロック図
である。

【図２】図１中の絶対値変換器３３の特性図である。

【図３】図１の温度制御回路の具体例の回路図である。

【図４】図１中の絶対値変換器３３の動作を示す特性図
である。

【図５】温度制御回路の従来例の構成図である。

【図６】ペルチェ素子の一例の構造図である。

【図７】ペルチェ素子の特性例を示す図である。

【符号の説明】

１０ ペルチェ素子 １１ ｎ形半導体 １２ ｐ形半導体 １３ 金属板 １４、１５ 金属電極 １６、１７ 熱伝導性電気的絶縁シート １８ 導熱板 １９ 放熱板 ２０ 温度制御対象物 ２１ 温度センサ ３１ 誤差増幅器 ３２ ＰＩＤ制御器 ３３ 絶対値変換器 ３４ 基準電圧源 ３５ 極性制御器 ３６ ＰＷＭ変換器 ３７ スイッチ素子 ３８ トランス ３９ トランス３８の一次巻線 ４０ トランス３８の二次巻線 ４１ トランス３８の三次巻線 ４２ 電源 ４３、４４ ダイオード ４５ 平滑コイル ４６ 平滑コンデンサ ４７ 極性反転器 ５１ 誤差増幅器 ５２ ＰＩＤ制御器 ５３ 正極電流用電源 ５４ 負極電流用電源 ５５ 電流駆動用ＮＰＮトランジスタ ５６ 電流駆動用ＰＮＰトランジスタ ＩＣ₀₁、ＩＣ₀₂、ＩＣ₀₃、ＩＣ₀₄ 演算増幅器 ＩＣ₀₅、ＩＣ₀₆ 論理反転回路 Ｃ₀₁ コンデンサ Ｄ₀₁、Ｄ₀₂、Ｄ₀₃、Ｄ₀₄ ダイオード Ｒ₀₁、Ｒ₀₂、Ｒ₀₃、Ｒ₀₄ 抵抗器

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ペルチェ素子に温度制御対象物とともに
   搭載された温度センサの出力が設定値に近づくように前
   記ペルチェ素子の電流端子に供給する電流する温度制御
   回路であって、 温度センサ出力と設定中心値との差を演算し、増幅する
   誤差増幅手段と、 該誤差増幅手段の出力の増幅出力と微分演算出力と積分
   演算出力を加算するＰＩＤ制御手段と、 該ＰＩＤ制御手段の出力を、該出力が基準値に等しい時
   最大出力となる山状特性に変換する絶対値変換手段と、 前記ＰＩＤ制御手段の出力を前記基準値と比較し、２値
   信号を出力する極性制御手段と、 トランスと、 該トランスの一次巻線に直列に接続されたスイッチ素子
   と、 前記トランスの一次巻線と前記スイッチ素子に電力を供
   給する電源と、 前記絶対値変換手段の出力に対応したデューティ比の高
   周波のパルス信号を生成し、該パルス信号により前記ス
   イッチ素子をオン／オフするＰＷＭ変換手段と、 前記トランスの二次巻線に発生するパルス電圧を整流す
   る整流手段と、 前記トランスの二次巻線に発生するパルス電圧を平滑す
   る平滑手段と、 該平滑手段の出力を、前記極性制御手段の２値信号に応
   じて通過・反転し、前記ペルチェ素子の電流端子に出力
   する極性反転手段を有する温度制御回路。
2. 【請求項２】 前記絶対値変換手段の利得が、前記ＰＩ
   Ｄ制御手段の出力が前記基準値より小さい時と大きい時
   とで異なるように前記絶対値変換手段が構成されている
   請求項１記載の温度制御回路。
3. 【請求項３】 前記トランスに三次巻線が設けられ、該
   三次巻線に生じるパルス状電圧を整流・平滑して前記極
   性反転手段の回路電力として用いる請求項１または２記
   載の温度制御回路。