热电制冷摄像机配套电源的研究

现代成像器件具有集成度高、功耗小、成本低的优点,可以使摄像机的结构简化、成本降低,典型的代表是CCD和GMOS成像器件。它们都是半导体器件,不足的是其成像品质受温度、开机时间的影响。采用热电制冷为其降温是克服成像器件温度噪声的有效途径。

目前,采用热电制冷的CCD摄像机技术在国外已经相当成熟,市场上已有应的该项技术的系列化商品。但是,就热电制冷摄像机的研究国仙尚无成功报道,这是此类进口商品价格居高不下的主要原因。因此,研制热电制冷摄像机是业内亟等解决的问题,为此必须解决配套电源的技术问题。

1 配套电源技术必须考虑的问题

电源是摄像梵工作的基本条件,包括成像器件的工作电源和热电制冷器电源部分。两部分具有各自的特点,前者要精度高、稳定性好;后者则较为特殊,从热电制冷的需要看,应该具有以下的特点：

（1）品质高,脉动系数小。因为热电制冷器的制冷性能与供电直流电源的品质有关,已以的研究表明：当直流电源的电压脉动系数小于15％时,其消耗的功率、制冷系数基本上没有变化,而且脉动系数小有利于制冷器稳定工作。

（2）与制冷器相互匹配。由于希望成像器件工作在－40℃－60℃的温度范围内,而单级制冷器是无法实现的,所以摄像机内热电制冷器是多级联结的。由于各级制冷器的供电电源在功率容量、电压大小方面都有较大差异,困此,不同的热电制冷器应单独设置与之匹配的供电电源,不应简单地串联或并联。

（3）功率容量可控。在制冷降温过程中,不仅要求能降低温度,更重要的是保持低温恒定,而且还希望降温速度快。对电源来说,则希望所能够在开机是提供热电制冷器能够承受的极限电压和电流,随着温度的下降以及与设定值的接近,电源的电压或电流逐渐减少,甚至为零。

（4）符合热电制冷工作的特点。热电制冷吕器是半导体器件,低电压、大电流是热电流冷器正常工作的突出特征,供电电源也要具有这一特性。

除此 之外,电源作为摄像机的配套设备,还应该满足体积小、效率高、操作方便等要求,应该具有电源工作状态、摄像机内部温度可视化的功能,这样不仅便用掌握成像品质随温度变化的规律性,掌握不同的热负荷的降温规律,还有益于了解控制器的性能及其工作状态,避免实验的盲目性。

根据热电制冷摄像机对电源的特殊要求,配套电源的设计应重点解决两方面的问题：

（1）电源方案的选择：目前的串型稳压电源和开关型稳压电源都可以满足热电制冷器对电源品质的要求,但串联型稳压电源的体积大、效率低、温升高,而高频开关电源则可以克服上述不足,使摄像机系统的体积和重量降低。因此,在热电制冷器的电源设计中,选择高频开关型电源结构。

（2）减小电源体积和重量;现从电源的结构设计和电路设计两个方面采取小型化措施。在结构上,把不必要的调节电压固定下来,对低功耗的电极直接采用电阻分压供电,将制冷器和控制器的小功率电源合并制板;在电路设计中,选用新型集成电路,进一步减小电路板的体积,从而使摄像机配套电源箱仅为200mm×130mm×120mm。