半導(dǎo)體制冷片

電熱半導(dǎo)體 制冷 片(組件)利用帕爾貼(Peltier)效應(yīng)進(jìn)行 制冷 。Peltier效應(yīng)是指電流通過電熱偶時(shí)，一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)熱，另外一個(gè)節(jié)點(diǎn)吸熱的現(xiàn)象。這是由法國(guó)物理學(xué)家Jean Peltier在1834年發(fā)現(xiàn)的。

到了1960年左右，出現(xiàn)了利用N型、P型半導(dǎo)體材料制作的 制冷 片。因其體積小、 制冷 快、壽命長(zhǎng)、無噪聲等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用在軍事、醫(yī)療、實(shí)驗(yàn)裝置中的 制冷 。

^一片半導(dǎo)體制冷片^

為了提高 制冷 片的效能，通常半導(dǎo)體 制冷 片中包含眾多由N、P型半導(dǎo)體組成的 制冷 小單元。它們組成陣列排列，相互之間電氣上是串聯(lián)在一起。它們的冷端和熱端則是并聯(lián)在一起，夾兩片陶瓷片之間進(jìn)行固定。

^左：^^一個(gè)制冷單元;^^右：^^串聯(lián)在一起的制冷單元陣列^

制冷 片外部引線具有正負(fù)極性，由紅、黑兩種顏色區(qū)分。改變電流方向，就會(huì)改變 制冷 片的吸熱和發(fā)熱表面。

^TEC1-12706半導(dǎo)體制冷片^

02制冷片外部特性

由于 制冷 片是半導(dǎo)體材料制成，同時(shí)又具有熱電效應(yīng)，所以直接使用數(shù)字萬用表測(cè)量 制冷 片外部引線，就會(huì)發(fā)現(xiàn)輸出的阻值會(huì)在很大范圍內(nèi)變化，并且隨著 制冷 片受熱而劇烈變化。

下圖實(shí)驗(yàn)顯示當(dāng)手觸碰 制冷 片表面時(shí)，數(shù)字萬用表讀出的阻值發(fā)生很大的變化。

使用數(shù)字萬用表測(cè)量制冷片的電阻

手摸 制冷 片，引起 制冷 片兩面溫度發(fā)生變化，使得測(cè)量電阻改變。真正的原因是 制冷 片產(chǎn)生電壓，使得數(shù)字萬用表讀出的電阻阻值不準(zhǔn)確。

直接使用數(shù)字萬用表可以測(cè)量到 制冷 片兩邊的電壓。當(dāng)在 制冷 面使用手掌加熱室， 制冷 片輸出負(fù)電壓。當(dāng)噴射酒精將 制冷 面降溫時(shí)， 制冷 片輸出正電壓。

^改變半導(dǎo)體制冷片兩邊溫度會(huì)引起輸出電壓改變極性^

制冷 片既然可以產(chǎn)生電壓，也可以產(chǎn)生電流。下圖顯示使用數(shù)字萬用表的測(cè)量電流檔對(duì) 制冷 片輸出電流測(cè)量。

將手放在 制冷 片一個(gè)表面時(shí)， 制冷 片輸出的電流接近1mA左右。

^半導(dǎo)體制冷單元輸出電流^

03制冷片逆過程

既然半導(dǎo)體 制冷 片在有溫度差的情況下能夠輸出電壓和電流，所以可以用于發(fā)電。下圖顯示的是一個(gè)使用 制冷 片發(fā)電去給手機(jī)充電的系統(tǒng)。

在鍋里放置冷水、冰塊等。在鍋底貼有 制冷 片，通過煤氣罐從 制冷 片底下加熱。 制冷 片就會(huì)產(chǎn)生電能供給手機(jī)充電了。

^發(fā)電鍋原理^

當(dāng)然了，上述發(fā)電方式效率是不高的。 制冷 片的實(shí)際用途還是用于 制冷 。

04測(cè)量制冷片變化過程

由于 制冷 片熱慣量很小，所以它的 制冷 速度非?？臁Ｊ褂眉t外攝像頭觀察 制冷 片在通有電流時(shí)的溫度變化，可以看到在幾秒鐘之內(nèi) 制冷 片便達(dá)到熱平衡了。

實(shí)驗(yàn)中的 制冷 片工作在外部12V電壓下，流經(jīng)的電流約3.4A。

^紅外攝像頭下顯示制冷片在通過電流時(shí)的發(fā)熱端溫度變化^

^紅外攝像頭下顯示制冷片在通過電流時(shí)的吸熱端溫度變化^

在通過電流時(shí)， 制冷 片在冷熱兩端會(huì)產(chǎn)生一定的溫度差。如果將 制冷 片的發(fā)熱端使用散熱片進(jìn)行散熱，來降低熱端的溫度，這樣會(huì)使得吸熱端的溫度也得到了進(jìn)一步降低。

下圖顯示了通過導(dǎo)熱膠粘貼在散熱片上的 制冷 片。

^使用導(dǎo)熱膠將制冷片粘貼在散熱片上^

工作在12V，3.4A下的 制冷 片。經(jīng)過散熱器將 制冷 片的發(fā)熱面溫度保持在室溫，則 制冷 表面的溫度很快就會(huì)達(dá)到零下30度。

05制冷下的實(shí)驗(yàn)

在 制冷 表面滴下自來水滴，它很快就會(huì)凝結(jié)成冰。

在下圖實(shí)驗(yàn)中，在水滴中加入了兩個(gè)電極，使用萬用表測(cè)量電極之間的電阻。在室溫下，水滴中電極之間的電阻大約是100k歐姆左右，隨著溫度降低，電阻增加。當(dāng)水滴凝結(jié)成冰時(shí)，電極之間的電阻就會(huì)上升到10M歐姆。

^水滴中電極電阻隨著結(jié)冰和融化過程的變化曲線^

當(dāng)關(guān)掉 制冷 片電源，溫度上升，冰重新融化成水滴后，電極兩端的電阻重新回到100k左右。這個(gè)實(shí)驗(yàn)顯示水和冰的導(dǎo)電性能相差很大。

對(duì)于 制冷 片上的溫度測(cè)量，可以使用鉑電阻、熱電偶、半導(dǎo)體溫度傳感器進(jìn)行測(cè)量。使用普通的二極管也可以進(jìn)行測(cè)量。

二極管的正向?qū)娏髋c端口電壓之間的關(guān)系為下面公式所描述：

公式中：

Is:反向飽和電流，它與二極管的型號(hào)和溫度有關(guān)系。

k:玻爾茲曼常數(shù)：1.38E-23 J/K

q:電子電荷：1.609E-19 C

T:溫度，開爾文

上面公式顯示在相同電壓下溫度T越高，流過的電流越小。但實(shí)際二極管的電流曲線和溫度的關(guān)系卻是，隨著溫度增加，流過的電流就越大，表明二極管是一個(gè)負(fù)溫度系數(shù)的器件。如下圖所示：

^1N4148二極管在三種溫度下的電壓-電流關(guān)系^

實(shí)際二極管之所以具有導(dǎo)通特性負(fù)溫度系數(shù)，主要原因是在二極管電壓電流公式中，反向飽和電流Is也與溫度有關(guān)系，并且隨著溫度的增加而急劇增加。Is的增加遮蓋了二極管電壓電流公式中指數(shù)中的溫度T的影響。

根據(jù)二極管負(fù)溫度系數(shù)特性，在固定流過二極管電流時(shí)(比如流經(jīng)二極管電流為恒定的1mA)，二極管兩端的電壓則會(huì)隨著溫度的升高而降低。

下圖顯示了在五種不同導(dǎo)通電流下1N4148二極管端口電壓與溫度之間的曲線。顯示了電壓與溫度之間良好的線性關(guān)系。利用這種關(guān)系可以利用普通的二極管完成溫度的測(cè)量。

^在不同的導(dǎo)通電流下二極管前向電壓與溫度之間的關(guān)系^

下面動(dòng)圖顯示了放在 制冷 片上的二極管在通有1mA恒流情況下隨著降溫時(shí)間出現(xiàn)的端口電壓的變化。在玻璃封裝的二極管周圍滴有自來水，最終降溫使得水凝固成冰，將二極管凍在 制冷 片上。

動(dòng)圖顯示，隨著溫度降低，二極管端口電壓上升。由于電壓與溫度之間呈現(xiàn)反向線性關(guān)系，所以將下面的曲線上下顛倒過來看，可以認(rèn)為是 制冷 片上表面溫度隨著時(shí)間降低的曲線。

^二極管導(dǎo)通電壓隨著降溫過程而發(fā)生變化^

將上面的二極管更換成一個(gè)510歐姆的小型金屬膜電阻，使用數(shù)字萬用表測(cè)量電阻阻值。

下圖顯示隨著降溫，電阻被最終凍結(jié)在 制冷 片上。電阻的數(shù)字大約增加了6歐姆左右。這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果也是非常奇怪的。通常情況下，電阻的阻值應(yīng)該隨著溫度的升高而增加，不知道為何在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中所使用的電阻則是隨著溫度的降低而增加阻值。

^金屬膜電阻隨著溫度降低阻值變化曲線^

上面實(shí)驗(yàn)顯示金屬膜電阻的溫度系數(shù)非常小。

下面是對(duì)一個(gè)小型鋁電解電容的溫度實(shí)驗(yàn)。電解電容的標(biāo)稱值為10uF/16V。將電容橫放在 制冷 片上，并用自來水滴在電容與 制冷 片之間以加強(qiáng)傳熱性能。

隨著 制冷 進(jìn)行，電解電容溫度降低并最終被水冰凍在 制冷 片上。電解電容的容值從最初的9.4uF降低到8.2uF。

^電解電容隨著溫度降低容量變化曲線^