文章目录一、简介二、关键技术指标2.1 尺寸2.2 电气物理指标2.2.1 QcmaxΔT02.2.2 ΔTmaxQc02.2.3 ImaxI△T max2.2.4 VmaxV△T max2.2.5 Module Resistance三、选型方法一、简介TECThermoelectric cooler全称热电制冷器俗称半导体制冷片本质上是一个利用帕尔贴效应原理的“热量搬运工”。电路中P型半导体和N型半导体组成一对单元通电时会在一端产生电子空穴对内能减小温度降低形成冷端另一端因电子空穴对复合内能增加温度升高形成热端。可以通俗理解为一通直流电内部的半导体电偶对就像一大群勤快的小工强制把热量从冷面搬运到热面实现一面制冷、另一面制热。如果电流反向冷热面也立刻互换。所以在一个半导体制冷片上既可以制冷也可以加热。TEC的优点如下:无振动无噪声响应极快控温精度能轻松做到±0.01℃需要注意的是在热量转运过程中TEC本身也会产生热量。二、关键技术指标TEC有几个重要的性能参数指标。以某厂家的PT4-12-F2-3030-TA-W6为例首先我们先看尺寸信息然后再关注电气物理指标。2.1 尺寸尺寸大小为AxBxCxD30x30x34x3.2单位mm。需要注意的是TEC的尺寸不宜太大因为TEC工作时温度变化较大热胀冷缩会发生形变。如果TEC尺寸太大很容易使电绝缘体即TEC的上下表面材质通常为陶瓷发生破裂。2.2 电气物理指标TEC的主要性能指标如下下文将逐个解释各个技术指标的具体含义。2.2.1 QcmaxΔT0Qc 冷端能吸走的热量制冷量max 最大值所以Qcmax就是最大制冷量单位是瓦特W表示它一秒钟最多能从冷面带走多少焦耳的热量。根据上图的指标当热面温度为27℃时该TEC冷热面的温差为0时可以转运的最大热量为33W。用通俗的话解释把TEC看作是一个搬砖工当楼梯高度为零时冷热端温度完全一样温差为0他不用花力气爬楼所有力气都用来搬砖这时搬的砖最多——这就是 Qcmax。一旦他开始爬楼梯产生温差体力被分了搬的砖就变少了。举一个具体的例子环境温度为27℃电路上某颗芯片的发热功率为33W把这款TEC的制冷面贴在芯片上理论极限上来说TEC可以完全把芯片发热的33W全部传导出去使芯片温度等于室温27℃。总结Qcmax 是制冷片的潜力天花板 如果你需要制冷片制造很大温差比如把东西冻到零下那它能提供的实际制冷量可能连 Qcmax 的 30% 都不到。2.2.2 ΔTmaxQc0ΔT 冷端和热端的温度差楼梯高度max 最大值ΔTmaxQc0表示冷端最低能被制冷片拉到多凉。根据上图的指标当热端用风扇吹着维持在27℃冷端空载此时冷端可以降温到 27-70.5-43.5℃。用通俗的话解释把搬砖工身上所有的砖头都卸掉让他空着手不许搬任何砖一门心思只爬楼梯。那么他能爬到的最高楼层就是 ΔTmax。爬到 ΔTmax 时他累得两腿发抖到达了极限高度。这时候你再往他手里递哪怕一块小小的砖哪怕只是很微小的热负载他都会立刻往下滑一截温差马上缩小。举一个具体的例子环境温度为27℃冷端空载则理论极限上来说TEC的冷面可以达到的最低温度为 27-70.5-43.5℃。总结ΔTmax 是制冷片在完全不吸收任何外界热量的空载状态下冷端能比热端凉多少度的极限。帕尔贴元件本身是固体材料热量会自然而然地从热端漏回冷端热传导。他越往上爬热端和冷端的温差越大这股往回漏的热流就越猛。当他往上爬的力气刚好和楼梯往下溜的力抵消时他就卡在那个高度不动了——这个动态平衡点就是 ΔTmax。2.2.3 ImaxI△T maxImaxI△T max为4A就是当在最大温差时TEC可加载的最大电流为4A。2.2.4 VmaxV△T maxVmaxV△T max为13.9V就是当在最大温差时TEC加载的最大电压为13.9V2.2.5 Module ResistanceModule Resistance模块电阻TEC的电阻为3.24欧。模块电阻的作用体检模块电阻可用来判断TEC的好坏。比如规格书写着 25℃ 时电阻 2.0Ω你实测 3.0Ω那这货多半内部有微裂纹快报废了。计算电源你想达到某个电流 I电源需要克服的电压 V I × R电阻 反电动势。已知 R你就能算出该配多大的电源。三、选型方法假如被散热的芯片需要散掉Qc15WTEC冷端贴在芯片上要让冷端达到0℃左右用上述型号的TEC那么确定参数的顺序是冷端吸热功率电流电压COP热端散热功率1根据冷端吸热功率确定电流冷端吸热功率也就等于被散热的芯片的发热功率15W。那么根据下图的冷端吸热功率-电流曲线当热端温度为27℃时选取ΔT30℃的曲线那么冷端面为-3℃符合0℃左右的需求。从曲线中ΔT30℃、15W对应的工作电流为2.6A。2根据电流确定电压再根据电压-电流曲线当ΔT30℃、电流为2.6A时对应的电压约为9.2V。3根据电流确定COPCOPCooling Performance Rate热电制冷效率前文中提到了TEC转运热量Qc的过程中TEC本身也会产生热量Pin电流电压的乘积二者的比值就为COP即COPQc/Pin。根据COP-电流曲线当ΔT30℃电流2.6A时COP约为0.6。本例中Qc 15WCOP0.6那么Pin25W计算得到TEC的散热端需要散掉的总热量为QcPin40W。4根据电压得到热端散热功率再根据热端散热功率-电压曲线当ΔT30℃电压9.2V时总热量约为40W验证了根据曲线3计算得到的总热量40W如果计算的话TEC的Pin电流x电压2.6Ax9.2V23.92W.考虑到读取曲线时电流、电压、COP值都会有误差23.92W与理论计算值25W非常接近也是侧面得到了验证。至此TEC的所以工作参数都在特性曲线中得到了散掉Qc 15W的热量热端温度为27℃△T30℃冷端面为-3℃电流2.6A电压9.2VCOP0.6总热量40W。在TEC的制热面安装的散热片和风扇需要达到40W的散热能力。
硬件设计零星知识点：05 半导体制冷器（TEC）工作原理和选型方法
文章目录一、简介二、关键技术指标2.1 尺寸2.2 电气物理指标2.2.1 QcmaxΔT02.2.2 ΔTmaxQc02.2.3 ImaxI△T max2.2.4 VmaxV△T max2.2.5 Module Resistance三、选型方法一、简介TECThermoelectric cooler全称热电制冷器俗称半导体制冷片本质上是一个利用帕尔贴效应原理的“热量搬运工”。电路中P型半导体和N型半导体组成一对单元通电时会在一端产生电子空穴对内能减小温度降低形成冷端另一端因电子空穴对复合内能增加温度升高形成热端。可以通俗理解为一通直流电内部的半导体电偶对就像一大群勤快的小工强制把热量从冷面搬运到热面实现一面制冷、另一面制热。如果电流反向冷热面也立刻互换。所以在一个半导体制冷片上既可以制冷也可以加热。TEC的优点如下:无振动无噪声响应极快控温精度能轻松做到±0.01℃需要注意的是在热量转运过程中TEC本身也会产生热量。二、关键技术指标TEC有几个重要的性能参数指标。以某厂家的PT4-12-F2-3030-TA-W6为例首先我们先看尺寸信息然后再关注电气物理指标。2.1 尺寸尺寸大小为AxBxCxD30x30x34x3.2单位mm。需要注意的是TEC的尺寸不宜太大因为TEC工作时温度变化较大热胀冷缩会发生形变。如果TEC尺寸太大很容易使电绝缘体即TEC的上下表面材质通常为陶瓷发生破裂。2.2 电气物理指标TEC的主要性能指标如下下文将逐个解释各个技术指标的具体含义。2.2.1 QcmaxΔT0Qc 冷端能吸走的热量制冷量max 最大值所以Qcmax就是最大制冷量单位是瓦特W表示它一秒钟最多能从冷面带走多少焦耳的热量。根据上图的指标当热面温度为27℃时该TEC冷热面的温差为0时可以转运的最大热量为33W。用通俗的话解释把TEC看作是一个搬砖工当楼梯高度为零时冷热端温度完全一样温差为0他不用花力气爬楼所有力气都用来搬砖这时搬的砖最多——这就是 Qcmax。一旦他开始爬楼梯产生温差体力被分了搬的砖就变少了。举一个具体的例子环境温度为27℃电路上某颗芯片的发热功率为33W把这款TEC的制冷面贴在芯片上理论极限上来说TEC可以完全把芯片发热的33W全部传导出去使芯片温度等于室温27℃。总结Qcmax 是制冷片的潜力天花板 如果你需要制冷片制造很大温差比如把东西冻到零下那它能提供的实际制冷量可能连 Qcmax 的 30% 都不到。2.2.2 ΔTmaxQc0ΔT 冷端和热端的温度差楼梯高度max 最大值ΔTmaxQc0表示冷端最低能被制冷片拉到多凉。根据上图的指标当热端用风扇吹着维持在27℃冷端空载此时冷端可以降温到 27-70.5-43.5℃。用通俗的话解释把搬砖工身上所有的砖头都卸掉让他空着手不许搬任何砖一门心思只爬楼梯。那么他能爬到的最高楼层就是 ΔTmax。爬到 ΔTmax 时他累得两腿发抖到达了极限高度。这时候你再往他手里递哪怕一块小小的砖哪怕只是很微小的热负载他都会立刻往下滑一截温差马上缩小。举一个具体的例子环境温度为27℃冷端空载则理论极限上来说TEC的冷面可以达到的最低温度为 27-70.5-43.5℃。总结ΔTmax 是制冷片在完全不吸收任何外界热量的空载状态下冷端能比热端凉多少度的极限。帕尔贴元件本身是固体材料热量会自然而然地从热端漏回冷端热传导。他越往上爬热端和冷端的温差越大这股往回漏的热流就越猛。当他往上爬的力气刚好和楼梯往下溜的力抵消时他就卡在那个高度不动了——这个动态平衡点就是 ΔTmax。2.2.3 ImaxI△T maxImaxI△T max为4A就是当在最大温差时TEC可加载的最大电流为4A。2.2.4 VmaxV△T maxVmaxV△T max为13.9V就是当在最大温差时TEC加载的最大电压为13.9V2.2.5 Module ResistanceModule Resistance模块电阻TEC的电阻为3.24欧。模块电阻的作用体检模块电阻可用来判断TEC的好坏。比如规格书写着 25℃ 时电阻 2.0Ω你实测 3.0Ω那这货多半内部有微裂纹快报废了。计算电源你想达到某个电流 I电源需要克服的电压 V I × R电阻 反电动势。已知 R你就能算出该配多大的电源。三、选型方法假如被散热的芯片需要散掉Qc15WTEC冷端贴在芯片上要让冷端达到0℃左右用上述型号的TEC那么确定参数的顺序是冷端吸热功率电流电压COP热端散热功率1根据冷端吸热功率确定电流冷端吸热功率也就等于被散热的芯片的发热功率15W。那么根据下图的冷端吸热功率-电流曲线当热端温度为27℃时选取ΔT30℃的曲线那么冷端面为-3℃符合0℃左右的需求。从曲线中ΔT30℃、15W对应的工作电流为2.6A。2根据电流确定电压再根据电压-电流曲线当ΔT30℃、电流为2.6A时对应的电压约为9.2V。3根据电流确定COPCOPCooling Performance Rate热电制冷效率前文中提到了TEC转运热量Qc的过程中TEC本身也会产生热量Pin电流电压的乘积二者的比值就为COP即COPQc/Pin。根据COP-电流曲线当ΔT30℃电流2.6A时COP约为0.6。本例中Qc 15WCOP0.6那么Pin25W计算得到TEC的散热端需要散掉的总热量为QcPin40W。4根据电压得到热端散热功率再根据热端散热功率-电压曲线当ΔT30℃电压9.2V时总热量约为40W验证了根据曲线3计算得到的总热量40W如果计算的话TEC的Pin电流x电压2.6Ax9.2V23.92W.考虑到读取曲线时电流、电压、COP值都会有误差23.92W与理论计算值25W非常接近也是侧面得到了验证。至此TEC的所以工作参数都在特性曲线中得到了散掉Qc 15W的热量热端温度为27℃△T30℃冷端面为-3℃电流2.6A电压9.2VCOP0.6总热量40W。在TEC的制热面安装的散热片和风扇需要达到40W的散热能力。
