半导体制冷与温度传感器(精)
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半导体制冷的原理名称
在物理学和工程领域中,半导体制冷是一种基于固态材料中电子的热传导原理
实现制冷的方法。
这种原理被称为Peltier效应,它利用半导体材料处于电场中时
的热电效应来实现制冷或加热。
基本原理
Peltier效应发生在由两种不同导电性的半导体材料组成的热电偶中。
当在这些
半导体材料之间建立电流时,由于热电效应,电子在两种材料之间传递热量,从而一个端口冷却,另一个端口加热。
这导致一侧温度下降,而另一侧温度上升。
通过控制电流的方向和大小,可以实现制冷或加热效果。
应用领域
半导体制冷技术在一些特定领域中具有广泛的应用。
其中包括:
1.电子设备冷却:半导体制冷设备可以用于电脑、激光器等电子设备
的散热和制冷,提高设备性能和寿命。
2.医疗器械:用于制冷或加热医疗设备,如激光手术器械,核磁共振
设备等,以确保器械正常工作。
3.光电子系统:用于冷却激光二极管等光电子元件,提高系统稳定性
和工作效率。
4.工业制冷:在工业生产过程中,适用于对特定设备或工艺的精确制
冷要求。
优势与挑战
半导体制冷技术相对于传统制冷方法具有诸多优势,如体积小、响应速度快、
无振动、无噪音等。
然而,也存在着一些挑战,例如制冷效率相对较低、成本较高、温度范围受限等。
结语
半导体制冷作为一种先进的制冷技术,正在逐渐应用于各种领域,并不断得到
改进和完善。
随着科学技术的不断进步,相信半导体制冷技术将在未来发展出更多潜力,为各行各业带来更多创新与便利。
实验12 温度传感器特性和半导体制冷温控实验【实验目的】1、了解半导体制冷和制热原理。
2、测量NTC热敏电阻、PTC热敏电阻及集成温度传感器的温度特性【实验原理】1、半导体制冷和制热原理如图1所示,由X和Y两种不同的金属导线所组成的封闭线路,通上电源之后,冷端的热量移到热端,导致冷端温度降低,热端温度升高,这就是帕尔贴效应。
实际的半导体制冷片结构如图2所示,由许多N型P型办斗提之颗粒互相排列而成,而NP之间以一般的导体相连接而成一完整线路,通常是铜、铝或其他导体,最后由两片陶瓷片像夹心饼乾一样夹起来,陶瓷片必须绝缘且导热良好。
2、温度控制原理实验样品结构如下图所述,将半导体制冷片一面与铝制散热器津贴,并用风扇强行散热,使其与环境温度接近。
另一面与实验样品室紧贴,试验样品室采用优质导热材料,并装上温度传感器,温度传感器测量实验样品室的温度,由该温度与仪器设定的温度相比较,通过微型处理器确定半导体制冷片工作方式,即制冷或制热,由温度差确定制冷或制热的策略,即在不同的温度差之下,输出不同的制冷或制热功率,并以适当的速度改变温度的变化,从而实现实验样品室的温度控制,保持温度的稳定。
微型处理器工作框图如图3.3、NTC 电阻器的温度系数(负温度系数)——温度特性NTC 热敏电阻通常具有很大的负温度系数,在一定的温度范围内,NTC 热敏电阻的阻值与温度的关系满足下列经验公式:011()0B T T R R e -=------------------------(1)式中,R 为该热敏电阻在热力学温度T 时的电阻值,0R 为热敏电阻处于热力学温度0T 时的阻值,B 是材料的常数,它不仅与材料性质有关,而且与温度有关,在一个不太大的温度范围内,B 是常数。
由(1)式得该热敏电阻在0T 时的电阻温度系数α20B T α=----------------------------------(2) 进一步得到 0011()InR B InR T T =-+ 在一定温度范围内,可以用作图法或最小二乘法求得B 的值,并进一步求得α的值。
基于半导体制冷的冰箱制冷效率提高的研究【摘要】随着科学技术的不断发展,冰箱行业也日趋壮大,冰箱制冷效率的提高直接影响着人们生活。
本文从半导体制冷空调器的特点、提高半导体制冷空调效率的途径及试验分析等几个方面进行了分析。
【关键词】半导体制冷;效率;提高一、前言近年来,由于半导体的应用领域越来越广泛,基于半导体制冷的冰箱制冷效率提高的研究问题引起了人们的重视。
虽然我国在此方面取得了一定的成绩,但依然存在一些问题和不足需要改进,在科学技术突飞猛进的新时期,加强半导体制冷在冰箱制冷的运用,对我国冰箱制冷工程有着重要意义。
二、半导体制冷空调器的特点半导体制冷空调器与压缩式制冷空调器相比,具有以下优点结构简单,没有机械传动机构,故工作时无噪声、无磨损、无震动、寿命长、维修方便,可靠性高;不使用制冷剂,故无泄漏、无污染;直流供电,电流方向转换方便,可冷热两用;重量、尺寸较小,便于安装;热惯性小,负荷可调性强,调节和控制方便;工作状态不受重力场的影响;百瓦级的小功率空调器的成本与压缩制冷空调的成本相差不大;而十瓦级的微型空调器的成本远低于压缩制冷,具有压缩制冷无法替代的优势。
半导体制冷空调具有如上所述众多的优点,但是半导体制冷空调器的制冷效率较低,它的制冷效率只有机械制冷效率的30%。
因此限制了半导体制冷空调在民用领域的应用。
三、提高半导体制冷空调效率的途径半导体制冷空调器最大的不足是制冷效率较低,这限制了半导体制冷空调器的推广和应用。
提高半导体制冷空调器的效率,要从影响制冷效率因素的分析入手,找出有效的解决方法。
热电制冷的关键问题是材料问题,但近20年该方面的研究进展表明,半导体材料优值系数的提高非常困难,因此对半导体材料的探索仍需要很长的时间。
目前,在高优值系数的材料何时出现还是个未知数的情况下,解决好热电堆热端散热问题,对系统制冷效率的提高起到至关重要的作用。
半导体制冷热端散热方式有很多种,包括空气自然对流、空气受迫对流、水冷散热、环流散热、利用物质的熔化潜热散热等。
半导体制冷器TEC的驱动与控制 (一)半导体制冷器TEC(Thermo-Electric Cooler)是一种利用Peltier效应产生制冷的器件,其主要应用于微电子、激光器、传感器等领域的温度控制。
TEC驱动与控制一直是半导体电子学领域的研究热点之一。
一、TEC驱动方式TEC的驱动方式分为两种:恒定电流驱动和恒定电压驱动。
其中,恒定电流驱动是指在TEC两端加上一个恒定电流,使其产生的热量与冷量相等,达到匀速制冷的效果;恒定电压驱动则是在TEC两端加上一个恒定电压,使其产生的冷量和热量成一定比例,达到不同的温度控制效果。
二、TEC控制方法TEC的控制方法主要分为三类:PID控制、H∞控制和模型预测控制。
其中,PID控制是目前最常用的一种控制方法,其基本原理是通过比较目标温度值与实际温度值之间的偏差,计算出一个控制量,再通过PID 算法进行控制,使温度达到稳定状态。
三、TEC控制参数TEC控制参数包括:电流、电压、温度、功率和效率。
其中,电流和电压的控制可以实现恒定电流和恒定电压的控制方式;温度的控制需要采集温度传感器数据并进行反馈控制;功率和效率则需要根据TEC的工作状态和应用环境来进行动态调整。
四、TEC驱动与控制电路TEC驱动与控制电路主要包括三个部分:TEC驱动模块、温度采集模块以及控制模块。
其中,TEC驱动模块主要实现对TEC的驱动,而温度采集模块则用来采集温度传感器的数据,控制模块则实现了对TEC的PID 控制功能。
五、TEC控制软件TEC控制软件可以实现对TEC的控制参数设置、PID参数调整、温度采集和数据分析等一系列功能。
此外,软件还可以根据用户的需求,实现定时控制、手动控制和自动控制等功能,为用户操作提供更加便利的选择。
总之,TEC驱动与控制是半导体电子学领域的研究热点,通过对TEC控制参数的实时调整,可以使TEC达到最佳的制冷效果,为半导体行业和生产领域提供更好的温度控制解决方案。
半导体热电效应的应用及装置制作摘要:半导体制冷技术发展是介于半导体技术与制冷技术的学科,其利用特种半导体材料构成P-N结,形成热电偶对,通入直流电流后产生帕尔贴效应,与压缩式制冷和吸收式制冷并称为世界三大制冷方式。
半导体制冷是利用特种半导体材料P、N结组成的一对热电偶,当直流电源通过P、N结组成的热电偶时,利用帕尔贴效应、塞贝克效应、傅里叶效应、焦耳效应等在热电偶两端会产生吸热与放热现象。
利用半导体制冷片,制作出半导体冰箱。
半导体制冷技术是一种还没有普及的新型制冷技术,比起传统的利用化学药品氟利昂等和空气压缩机制冷,利用P-N型半导体制作的半导体制冷设备有着极大的优势,它不需制冷剂,绿色环保,没有噪音,使用寿命长、温度跨越打等。
利用半导体制冷片推出一套基于半导体的自动冲水系统,代替传统冲水系统,在断电情况下依旧能正常工作。
未来半导体制冷技术将向其他领域拓展,其市场规模将进一步扩大,行业发展前景广阔。
关键词:半导体制冷片;帕尔贴效应;热电偶1.绪论1.1 半导体制冷技术历史发展半导体制冷技术(semiconductor refrigeration)又称为温差电制冷或热电制冷技术。
是上世纪50 年代逐渐发展起来的一门介于半导体技术与制冷技术的学科,其利用特种半导体材料构成P-N结,形成热电偶对,通入直流电流后产生帕尔贴效应,与压缩式制冷和吸收式制冷并称为世界三大制冷方式。
半导体制冷的发展可以分为三个阶段:第一阶段为19世纪的二三十年代至五十年代。
在1821年,热电效应首次被德国科学家塞贝克(T.J. Seebeck)发现并将该效应命名为赛贝克效应。
在这之后,塞贝克效应就被运用于测温(热电偶)领域。
但是当时塞贝克并未对与塞贝克效应密切相关的“帕尔贴效应”作出解释。
这个原理现象一直到1834年被法国物理学家帕尔帖(J.C. Peltier)在进行反复实验论证后,得到“帕尔帖效应”相关理论数据。
帕尔帖将两根铋丝分别接在铜丝两边,在对两根铋丝分别接在正负直流电源上,在对于铜-铋体系通电后,发现一头铋丝接头变热,另一端铋丝接头变冷,对于这一现象的,帕尔帖作出如下解释:电荷载体在导体中运动形成电流,由于电荷载体在不同的材料中处于不同的能级,当它从高能级向低能级运动时,就会释放出多余的热量。
基于半导体制冷片的温度控制系统的设计摘要:设计一种用于红外传感器工作温度调节控制的模块,使红外传感器在低温下工作,以提高红外传感器的探测性能。
通过以mega16芯片为核心,以半导体制冷片为制冷元件,以PID算法为基础构建了一套半导体温度调节系统[1]。
实验结果表明,半导体制冷温度控制系统能够为红外探测器提供所需的工作温度。
关键词:温度半导体制冷片PID算法温度对红外传感器有比较大的影响,当外界环境温度发生变化时,红外传感器对所测量的物理量会有较大的变动,影响其测量值的准确性[2],产生较大的外界噪声干扰,所以当进行精确测量时,将红外传感器控制在一个恒定的温度下,可以大大提高探测精度,减少误差。
1 半导体制冷器的工作原理半导体制冷也称热电制冷,是一门介于制冷技术和半导体技术边缘的学科,半导体制冷是以温差电现象为基础制冷方法,利用帕尔贴效应的原理达到制冷目的。
帕尔帖效应:当电流I通过由两种不同材料组合成的闭合回路时,在材料的接头处一端会吸收热量Qp,另一端会放出热量Qp。
这种吸收或放出的热量叫做帕尔帖热,其吸热或放热由电流的方向决定,大小由公式决定。
π为帕尔帖系数,与温差电动势率有关,为组成回路两种材料的温差电动势率,T为相关接头的温度。
作为一种制冷源,半导体冷片可连续工作,不需要制冷剂,没有污染源和机械运动部件,不会产生回转效应,是一种固体元件,工作时没有噪音、震动、寿命长,安装容易。
半导体制冷片是电流换能型器件,通过控制输入电流,可实现高精度的温度控制。
热惯性小,制冷制热时间比较快,在热端散热良好冷端空载的情况下,可迅速达到最大温差。
2 温度控制系统的组成半导体温度控制系统结构框图如图1,由制冷片引起的温度变化经温度传感器传送给控制器,与设定的温度进行比较,所得的信号偏差通过PID进行调整处理,由控制器发出命令信号,通过驱动电路驱动半导体制冷片进行制热或者制冷,以达到红外传感器的工作温度环境。
3 硬件系统设计本控制系统主控单元采用的是ATMEL公司A VR系列的Atmega16单片机。
基于半导体制冷片的高精度控温电路系统设计李丹;蔡静【摘要】基于半导体制冷片(Thermo Electric Cooler,TEC)设计了一种高精度控温电路系统.本文详细介绍了TEC的选型方法,设计并实现了以单片机为核心的硬件电路,采用PID软件控制算法优化温控参数.在实验中,选择较大热负载紫铜块作为控温对象进行实验验证,实验结果表明:在室温23℃的情况下,紫铜块的控温范围为-10~40℃,控温精度高达0.01℃.%This paper designed a high-precision temperature-control circuit system based on TEC.Introduction was made to the selection method of TEC,realizing a hardware circuit based on single-chip and using PID software control algorithm to optimize parameters.In experiment,choosing the higher thermal load copper block as the temperature control object to do the test verification.The result shows when the ambient temperature is 23℃,the temperature control range of the copper block is-10~40℃.The temperature control precision can be up to 0.01℃.【期刊名称】《计测技术》【年(卷),期】2017(037)002【总页数】4页(P19-21,39)【关键词】半导体制冷片;选型介绍;控温系统;电路设计【作者】李丹;蔡静【作者单位】中航工业北京长城计量测试技术研究所,北京 100095;中航工业北京长城计量测试技术研究所,北京 100095【正文语种】中文【中图分类】TB94;TM13半导体制冷片(Thermo Electric Cooler,TEC)遵从帕尔贴效应,通过控制流过TEC 电流的方向及大小实现其加热制冷转换以及加热制冷量的调节。
温度传感器测试与半导体制冷控温实验报告一、实验目的1. 了解温度传感器的基本原理和使用方法;2. 了解半导体制冷实验箱的基本原理和使用方法;3. 掌握半导体制冷控温的方法和技巧;4. 认识温度传感器测试的重要性。
二、实验原理1. 温度传感器的基本原理:温度传感器根据温度的变化来改变其电学特性,从而获得温度信号。
在实验中,我们使用了热电偶和热敏电阻两种温度传感器。
2. 半导体制冷实验箱的基本原理:半导体制冷实验箱采用半导体元件作为制冷材料,利用半导体材料的热电效应,将热量从一个区域转移到另一个区域,从而实现制冷效果。
3. 半导体制冷控温的方法和技巧:控制制冷箱内的温度,一般采用PID控制器实现。
PID控制器通过对温度信号的采集和处理,以及对加热元件的功率调节,实现对温度的精确控制。
4. 温度传感器测试的重要性:温度传感器是对温度进行测量和控制的核心部件,对温度传感器的测试可以保证其准确度和可靠性,从而保证温度控制系统的稳定性和精度。
三、实验仪器和材料1. 热电偶温度计;2. 热敏电阻温度计;3. 半导体制冷实验箱;4. PID温度控制器;5. 电源;6. 万用表。
四、实验步骤及结果分析1. 温度传感器测试(1)连接热电偶温度计。
将热电偶温度计的测温端口和万用表相连,然后把热电偶放在温度稳定的环境中,记录下温度读数;(2)连接热敏电阻温度计。
将热敏电阻的两端分别接到万用表的两个测量端口上,然后把热敏电阻放在温度稳定的环境中,记录下温度读数;(3)对比两种温度传感器的读数。
将两种温度读数进行对比,看是否存在差异。
如果差异大,则说明其中一种传感器可能存在问题,需要进一步检查和测试。
2. 半导体制冷控温实验(1)打开半导体制冷实验箱,将实验样品放在箱内;(2)将PID温度控制器的温度传感器放入实验箱内,并将控制器和实验箱相连;(3)将温度设定值调节到所需温度,并启动控制器;(4)观察实验箱内的温度变化,如果温度超出设定范围,则对控制器进行调节,直到达到所需的控制效果。
摘要随着信息时代的到来,传感器技术得到了快速发展,其应用领域越来越广泛,对其要求越来越高,需求越来越迫切。
传感器技术已成为衡量一个国家科学技术发展水平的重要标志之一。
随着人们生活水平的提高,智能化的液体加热制冷类家电越来越多地出现在人们的日常生活中,这些产品大多采用发热管或PTC热敏电阻进行加热,仅仅具有加热功能;而使用半导体制冷片可以具备加热和制冷双重功能, 但缺陷是传统的半导体制冷片的方向控制大多使用继电器来完成,继电器属于机械式开关,当频繁导通或关断时不仅会发出噪音,而且还会降低其使用寿命。
因此,有必要探索一种高效、静噪、安全的半导体制冷片控制方法。
本设计将H桥驱动电路引入半导体制冷片进行控制,通过控制H桥的通断方向来控制半导体制冷片的加热和制冷,从而实现控温。
关键词:传感器;TEC;H桥1、系统方案设计本系统分为MCU ,温度显示,温度控制,温度采集,本系统采用STC12C5A16S2作为核心芯片,使用TEC1—12706半导体制冷片作为核心加热制冷与案件,采用DS18B20温度传感器采集温度,通过上位机和单片机通讯,上位机可以显示实时温度值,并且可以进行温度设置,半导体制冷片控制部分采用H 桥驱动控制电路进行电压翻转,H 桥的导通和截止采用三极管开关电路进行控制,从而达到加热和制冷的自动控制目的。
PC 机显示温度、 温度控制 设置温度 RS232 PWM·······加热制冷 温度采集图1 系统结构1。
1微型控制单元MCU 采用宏晶STC12系列单片机,其工作电压为5。
5—3.5V ,是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机,指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍,本单片机晶振频率为22.184MHz ,本系统PWM 的时钟源是Fosc,不用Timer,PWM 的频率为Fosc/2,此单片机完全能够满足本系统的设计要求。
基于DS18B20温度传感器的半导体制冷装置研制王怀光;任国全;范红波【摘要】针对大空间半导体制冷装置设计问题,研制半导体制冷系统和温度监测系统.系统采用分布式DS18B20温度传感器,实现制冷装置温度的智能控制与调节,得到在不同电流下制冷片两端的温差及箱体内平均温度随制冷片工作时间的变化情况.试验结果表明:温度监测系统实时性好,控制精度高,为分析半导体制冷片制冷性能提供数据依据,为研制装甲车辆驾驶舱半导体制冷装置奠定理论与试验基础.【期刊名称】《中国测试》【年(卷),期】2014(040)001【总页数】5页(P73-77)【关键词】半导体技术;制冷装置;分布式温度控制;DS18B20温度传感器;制冷效率【作者】王怀光;任国全;范红波【作者单位】军械工程学院,河北石家庄050003;军械工程学院,河北石家庄050003;军械工程学院,河北石家庄050003【正文语种】中文【中图分类】TP273;TP212.1+1;TQ051.5;TB61+1半导体制冷也叫温差制冷、热电制冷或电子制冷,是利用“珀尔帖效应”进行制冷的一种方法[1]。
与传统的制冷技术相比,热电制冷具有结构简单、无任何机械运动部件、无噪声、无磨损、可靠性高、寿命长、维修方便、体积小、重量轻、启动快、控制灵活、操作具有可逆性等特点[2-4]。
在半导体制冷技术研究方面,上海交通大学、海南师范大学围绕太阳能半导体冰箱的实验与性能分析开展了大量研究[5-6]。
在发达国家,半导体制冷片已用于汽车冰箱、宇航员及坦克乘员的空调服等方面[7-8],如日本松下电器公司开发了半导体电冰箱。
但从目前研究情况来看,太阳能半导体制冷技术的应用仍在能量损失、功率输出的有效控制和优化匹配、温度的智能控制与调节等方面有问题。
尤其是半导体制冷多应用于小空间制冷领域,而对于相对较大空间,如在军用装甲车辆驾驶室,半导体制冷装置如何设计才能有效提高驾驶员的舒适性,还需进一步探讨。
福建农林大学物理实验要求及原始数据表格
1
实验16 半导体制冷与温度传感器
专业___________________ 学号___________________ 姓名
___________________ 一、预习要点
了解四种温度传感器的温度特性。
二、实验内容
1. 连接STC 半导体制冷温控仪与WT-1A 实验装置(DC 电源线连接风扇电源、双头立体声线连
接测温探头插孔、红黑导线连接半导体制冷片,此时暂时不要打开温控仪的电源; 2. 按照下图连接测量电路,测出室温下四个待测样品的阻值或电压值,用以估计室温;
NTC / PTC
万用表电阻档
E
R
PN
V
E
R
V
AD590
3. 打开温控仪电源,使其开始制冷/制热,以改变样品室温度从0℃变化到
50℃(每隔5℃测量一
次,记录不同温度值对应的热敏电阻的阻值,PN 结的压降值以及AD590测量电路中限流电阻上的压降值。
三、实验注意事项
1. 用立体声连线连接测温探头插孔后,方可接通电源,在电源接通时,不得插拨该连线;
2. 实验时应确认风扇正在转动中,不应频繁从高温到低温或从低温到高温;
3. 实验时应使测量温度指示窗内的温度值为0℃、5℃、…、50℃,由于样品室密封程度不够好,
样品室与外界之间存在热传递,因此需适当调高或调低设定温度,以进行温度补偿;
4. 测量阻值/电压值时,应注意万用表的表笔不得插错测量孔,选择合适的档位及量程(测阻值一
般使用2k 电阻档,测电压值一般使用2V 直流电压档。
四、原始数据记录表格
组号________ 同组人姓名____________________ 成绩__________ 教师签字
_______________
四种温度传感器的温度特性
室温下,NTC R =_______k Ω,PTC R =_______k Ω,PN U =_______V ,(AD590U R =_______V
样品 t /(℃ 20 25 30 35 40 45 50 NTC (/k R Ω AD590
(/V U (/μA I
五、数据处理要求
1. 用坐标纸画出热敏电阻的阻值与温度的关系图R t -,并用文字表达其温度特性;
福建农林大学物理实验要求及原始数据表格
2.用坐标纸画出PN结两端的压降与温度的关系图U t-,并用文字表达其温度特性;
3.通过限流电阻上的压降及其阻值,求出AD590的输出电流,用坐标纸画出电流与温度的关系
图I t-,并用文字表达其温度特性。
六、数据处理注意事项
画图时,自变量温度t应为横坐标,测量值为纵坐标。
应画出坐标轴,并标注每个坐标轴代表的物理量及其单位的符号,坐标轴上应合理分度。
描出所有实验点,再连线(不论直线或曲线都应是光滑的,最后在合适的位置写出图名。
七、思考题
1.温度传感器实验中的PN结,其电学特性是___________________,即将PN结接入电路中时,
必须让电流从它的________极流向________极(填“正”或“负”。
2.传统的制冷器是根据_______________原理设计的;电子制冷器是根据
_______________原理设
计的。
3.温度传感器实验中,研究PN结和AD590的温度特性时,都是通过测量该元器件两端的电压降
来获得所需要的数据。
以上表述是否正确,为什么?
2。