PDF《温控系统介绍》

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oeshine.com 温控系统介绍 本文避免过多的理论, 而以形象、 实例的方式介绍半导体制冷片以及使用它的小型温控 系统. 半导体制冷片的基本特性 外观组成 半导体制冷片, 上下两个面是陶瓷面, 中间是半导体元件, 可以通过两根引线对它供电. 它的英文名称简写是 TEC. 图:半导体制冷片的示意、实物 工作机理 当直流电压被加载到 TEC 模块两个引线上, 其中一个表面的热将被吸收, 然后热量被运 送到相对的另外一面释放.整个过程中,TEC 模块相当于一个 热泵 . 热量的转移会导致温度的变化,因此半导体制冷片可以用来控温. 陶瓷 陶瓷 半导体 温控面(正向电流时吸热制冷,反向电流时放热) 散热面(正向电流时放热,反向电流时吸热) 成都业贤科技

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18 www.oeshine.com 冷面和热面,温控面和散热面 常规的冷面、热面的说法,用户容易混淆,因此我们这里改成温控面、散热面. 电压方向为正向时(红线正、黑线负) ,温控面制冷,散热面释放热量. 电压方向为负向时(红线负、黑线正) ,温控面加热,散热面吸收热量. 可见,电压方向(即电流方向)是可以交换的;

当电压方向改变后,热量转移的方向也 随之发生变化,因此半导体制冷片可以用来降温,也可以用来升温. 一般情况下,引线焊接的那一面是散热面. 制冷量 被运送的热量,叫做制冷量;

半导体制冷片的电功率,相当于运送制冷量的运费.一般 情况下,半导体制冷片的电功率和制冷量,不一定相等.制冷量和电功率的比值叫做制冷效 率(能效比) .该效率和制冷片两面的温差等工作条件相关.比如,温差越大,制冷效率越 低. TEC 的制冷效率远低于使用压缩机的空调, 它的优点是静音,小巧, 无机械振动部件. 因此它主要用在小型的温控系统中 (粗略的讲, 被温控物体尺寸小于 10cm x 10cm x 10cm) , 如果你的被温控物体的体积很大,那么它不适用.因此,后文我们所提到的温控系统,主要 都是指这种小型温控系统. 最大制冷量:当温差为

0 时,TEC 满功率运转时能够搬运的最大热量.当然,当温差 从0开始增大时,制冷能力逐渐降低. 最大温差:当需要 TEC 运送的制冷量接近 0(此时 TEC 的工作量最小)时,TEC 的两 面能够达到的温差最大值. 当然, 当运送的制冷量增加时, 能够达到的最大温差减小. 因此, 如果希望达到的温差大于单个 TEC 的极限时,通常采用多层 TEC,通过降低效率的方式得 到大温差. 成都业贤科技

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18 www.oeshine.com 散热要求 在半导体制冷片温控系统中,制冷量并没有消失,只是被转移,那么发热的那一面总热 量=TEC 电功率+制冷量.因此,绝大多数应用中,无论是加热应用还是制冷应用,半导体 制冷片的其中一面必须要有散热的装置(比如散热片,风扇,或水冷板等),提供一个温度相 对平稳的基准. 制冷时,散热器和风扇负责把热量(TEC 吸收来的热量 + TEC 本身发热)散发到空气 中,确保 TEC 的热面不至于高于环境温度太多. 加热时,散热器和风扇负责从环境中吸取热量,供TEC 传递给物体,防止 TEC 的热面 低于环境温度太多,导致温差过大,甚至结露结霜. 如果散热能力不够,则温差会越来越大,效率越来越低,最后效果变成了物体、TEC、 散热器整体被加热,温控温度很有可能无法稳定.如果 TEC 两面都没有散热,只有 TEC 被 干烧,极有可能导致 TEC 被烧坏. TEC 的承受能力 最大工作电压、最大工作电流:这两个指标是相关的,超过这两个值易损坏. 因此,温控器的输出电压绝对不能超过 TEC 的最大工作电压;

实际应用时,建议不要 超过半导体制冷片的最大工作值的 80%. 加在 TEC 上的电压决定了 TEC 的电功率,电功率又影响了制冷量.因此可根据制冷量 的需求来确定加在 TEC 上的电压,TEC 不是必须工作在的最大工作电压值. 最高工作温度:常规 TEC 的长期最高工作温度为

125 度,即TEC 的任何部分都不要超 过该温度.具体值请参阅所使用的 TEC 的数据表. 成都业贤科技

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18 www.oeshine.com 人工温控系统 应用环境 我们来考虑一种常见的情况,环境温度约

28 度,但是物体自身被供电发热(约5W) , 导致物体温度高于

28 度,我们希望把物体的温度控制在

25 度. 物体目标温度(25 度)始终低于它无温控时的温度,因此只需要制冷即可. 无温控模块的平台 在没有温控模块的时候,我们仍然可以用制冷片搭建

1 个粗糙的控温平台.

1 个制冷片(最大 15V,6A) ,冷面紧贴物体,热面装上大散热器和风扇.用1个可调 稳压电源给制冷片供电(电源正极接制冷片的红线,负极接制冷片的黑线) ,用1个温度计 (成品温度计,或是传感器+万用表)测量物体的温度. 调节 当物体温度高于

25 度时, 我们从零开始, 逐渐增大稳压电源的输出电压, 增大制冷量, 当物体温度低于

25 度时,我们手动缓慢降低稳压电源的输出电压减小制冷量;

经过多次反 复调节后,我们可以找到

1 个电压,保持物体的温度大致在

25 度附近变化非常缓慢. 缺点 当环境温度、 或物体本身发热有改变、 或一段时间误差变大后, 必须再次进行手动调节, 无法离开;

稳定性指标较差. 成都业贤科技

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18 www.oeshine.com 自动温控系统 温控模块的作用 如果用

1 个温控模块替代前述人工温控系统中的人完成温度测量和输出电压调节的工 作,就变成了自动温控系统.人只需要设置初始参数和目标温度即可,无需时刻参与到温控 流程中. 图:自动温控系统 可见,温控模块最重要的两个功能就是测量温度、调节 TEC 功率. 成都业贤科技

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18 www.oeshine.com 单向温控 前述的人工温控系统应用只需要制冷(或者只需要加热) ,因此用来替换人的温控模块 只需要能调节电压的大小即可,这样的温控模块叫做单向温控模块. 双向温控 然而,现实中我们常常不仅需要制冷,还需要加热.比如如下的应用: 白天,环境温度

30 度,1 个不发热的物体放在环境中,目标温度

25 度,那么我们应该 对它制冷. 晚上, 环境温度

20 度, 仍然是该物体, 目标温度仍然是

25 度, 那么我们应该对它加热. 由于环境温度的不同,造成了白天需要制冷,夜晚需要加热,半导体制冷片恰好完成这 两种工作(通过改变电流方向,进而改变热量流动方向) .因此,在这种情况下,用来驱动 TEC 的温控模块不仅需要能够调节电压大小,还需要能改变电压方向.双向的温控模块可 以自动完成这种功能(通过改变 TEC 两根引线上电压的相对高低,因此温控器上的 TEC+ 和TEC-接头之间的相对电压值可能为正, 也可能为负) , 无需用户在环境温度改变时更换接 线方向. 标准版温控模块 简化版温控模块 小型版温控模块 单向温控 TCM1030 双向温控 TCM-X107, TCM-M115, TCM-M207 TCM1031 TCM1040 纯加热的单向温控 无论加热还是制冷,半导体制冷片 TEC 的其中一面必须要有散热装置(比如散热片, 甚至风扇) ,这是它的

1 个缺点. 在某些应用中,目标温度始终高于环境温度,只需要加热.此时,可不使用 TEC,而 选择纯电阻发热方式的器件,从而省去给 TEC 散热的风扇和散热器.用户可以在网络上搜 索了解如下一些关键词:PTC 加热片(棒) ,陶瓷加热片(棒) ,薄膜加热片. 我司的单/双向温控器都支持该项功能,在软件设置中,把输出模式改成 单向加热 , 即可驱动直流型纯电阻加热器件. 成都业贤科技

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18 www.oeshine.com 温控输出方案 低频脉冲波输出 控制部分采集温度,计算输出值,然后输出

1 个低频的脉冲控制信号到继电器(或其他 电源通断控制设备) , 继电器控制电源 (根据负载的需要来选择, 比如直流 12V, 或交流 220V) 是否给负载(加热片,或半导体制冷片 TEC)供电. 负载上的电压波形为方形脉冲,每个方波的时长一般在数十毫秒到几秒之间. 如下图假设,加热棒电阻为 R,电源电压为 V;

温控器计算出来发现稳定在 T 温度点需 要的功率为 0.5*V2 /R;

温控器则会控制继电器 50%的时间通断;

有电压时,温度略高于 T, 无电压时,温度会略低于 T,因此稳定性不高. 优点:功率可以很大,结构简单. 缺点:电源电压直接加在负载上,某些低电压的负载可能无法适用;

由于温控功率有突 变,导致温度稳定性不高;

由于电压突变,会降低 TEC 的寿命. 成都业贤科技

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18 www.oeshine.com 直流输出 高性能精密温控的方案. 控制部分采集温度, 计算一个输出电压, 然后由

1 个电压转换装置把电源电压转换成需 要的输出电压. 如下图假设,加热棒电阻为 R,电源电压为 V;

温控器计算出来发现稳定在 T 温度点需 要的功率为 0.5*V2 /R;

温控器则会把电源电压 V 转换成 0.707V 再输出到加热棒上;

这样, 加热棒上的总功率仍然为 0.5*V2 /R,但是却没有波动,因此温度稳定性较好. 优点:输出为直流,TEC 寿命长;

输出电压一般情况下可以设置,因此不同的 TEC 有 可能使用同一个电源电压;

温控功率波动小,温度稳定性高. 缺点:结构复杂,功率有限. 我司的温控器都是采用的直流输出方案. 成都业贤科技

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18 www.oeshine.com 具有实用性的温控系统 温控系统的组成 通过前面的介绍, 我们已经知道温控系统的基本组成. 下面我们介绍一个实用温控系统 的详细组成. 图:温控系统的详细组成 执行系统(散热装置,TEC,均温板,温控目标,密封/隔热箱) ,这部分因为每个用户 应用的不同,形状、体积、功率千差万别,所以通常是由用户自己搭建的,甚至有些时候要 进行机械结构设计,做出特殊形状材质的散热装置、均温板、密封箱. 控制系统(温度传感器,温控模块,直流电源,人机界面) .我司提供温控模块,并附 送1个热敏电阻温度传感器, 可以用计算机或选购的显示模块作为人机界面. 但是直流电源 需要用户根据功率需求选择. 我司温控模块包装里默认含有温控模块、 热敏电阻、 连接线;

TEC 和显示模块需要选购. 温控系统的其它部分需要用户自己准备或购买. 成都业贤科技

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18 www.oeshine.com 减小热阻 空气的导热能力很差.在不同的物体接触时,散热能力取决于两者的接触方式.通常情 况下,由于表面粗糙度,会造成两个面热阻较大,通常会使用导热材料进行补救. 导热硅脂,不会固化,最常用在 CPU 和散热器之间的导热. 导热硅胶,会固化,固化后有一定强度,不易拆卸. 用户可根据自己需要选择. 散热装置 散热方案 1:散热器+风扇.大多数的情况都是选用这种方案,风扇是很重要的配件, 因为散热器在有风和无风的情况下,散热能力差别很大. 散热方案 2:水冷板. 散热方案 3: 如果制冷量和 TEC 电功率很小, 则散热面可以只有散热器;

甚至有些时候, 可以用设备的金属机壳作为散热器. 散热(制冷时)或供热(加热时) ,散热装置也相当于提供给 TEC 散热面

1 个恒定的温 度参考,因此该面温度不能突变(物体温度=散热面温度+温差;

热面温度缓慢的变化会被温 控器自动校正,突变则由于温控器的滞后导致有温度波动) ,否则会影响稳定性. 半导体制冷片 TEC 核心部件,可以制冷加热.用户选择时要考虑到尺寸,功率,温差、可靠性等多方面因 素.更多信息见后文描述. 均温板 通常为金属板,不是必要的,但是在大多数应用中,它会带来方便. 1.TEC 的上下两个面是陶瓷,导热系数

20 至30,又很薄.因此如果 TEC 的尺寸和被温 控物体尺寸不一致时,会导致效率大幅度降低(或者温度均匀性不佳) ,铝或紫铜的导热系 数为数百, 可以保证整个热量在冷面和温控物体间高效传递. 均温板的最佳厚度可以通过有 限元软件进行计算,常规情况下小型温控系统 5-10mm 都是可以的. 2. 如果被温控物体没有地方放置传感器,则可以在均温板上掏孔放置传感器.小孔直 成都业贤科技

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18 www.oeshine.com 径略微比传感器的直径大,深度要大于传感器的头部长度,位置要尽量接近被温控物体.放 置传感器时,小孔里要预先放置导热硅脂,使得传感器和均温板之间的热传递尽量好.如果 要固定热敏电阻,可以把导热硅脂换成导热硅胶. 3. 很多情况下,金属均温板可以固定死在 TEC 上,而被温控物体可以用螺钉固定在均 温板上,方便拆卸,提高了灵活性. 4. 如果有多个 TEC,均温板可以减少每个 TEC 的不均匀性. 密封/隔热箱 隔热:当被温控物体温度很高或者很低时,环境和物体的热交换量变得很大,如果不做 隔热措施,会导致需要的 TEC 功率很大(或者已有的 TEC 功率无法达到需要的高/低温) ,因 此需要做个隔热箱把物体和环境隔离开.隔热材料的介绍见网络.空气的导热系数很低,但 是它无法隔绝辐射传热. 大多数隔热材料通过泡沫的方式既降低了导热系数, 又隔绝了辐射 传热. 防结露:如果物体的温度低于环境温度,可能会结露损坏物体,同时又会增大温控功率 需求,所以需要做个密封箱隔离外界的潮湿空气. 温度传感器 测量物体的温度.我司的温控器支持的传感器:PT1000 和热敏电阻,发货时会默认配 一个热敏电阻. 温控模块 我司有标准版、简化版两种等级的温控器,简化版有单向、双向的温控器,标准版都是 双向温控器.见专门的文档:多个档次温控模块的比较. 直流电源 给温控模块供电,电源的挑选见文档:温控模块的电源选择. 人机界面 成都业贤科技

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