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作者：艾克思 PID控制溫度為當(dāng)前***普遍的控制策略,，幾乎涵蓋到所有溫度控制中,，控制溫度也能達(dá)到非常高的精度。為實(shí)現(xiàn)溫度控制系統(tǒng)的小型化,，系統(tǒng)中往往采用TEC制冷片作為溫度制冷加熱裝置,。然而TEC半導(dǎo)體制冷片的工作狀態(tài)較為復(fù)雜，簡單的TEC驅(qū)動電路往往使得TEC工作效率低,、TEC熱端發(fā)熱量大,、系統(tǒng)耗電量加大,、TEC工作壽命縮短等問題。下面介紹如何將TEC半導(dǎo)體制冷片工作在***狀態(tài),。
 TEC-12706***大溫差電流為6. 0 A,，***大溫差電壓為15. 4 V，***大制冷功率為51. 4 W,，***大溫差為67℃,，外形尺寸為40. 0 mm ×40. 0 mm ×3. 8 mm。TEC-12706工作的時(shí)候,，應(yīng)該在制冷片表面涂上導(dǎo)熱硅脂以減少接觸熱阻,，熱電堆端面空隙填充絕熱性能良好的絕熱膠，冷熱空間以隔熱板隔開盡量減少冷熱翅片間的傳熱,，熱端推薦采取水冷,、風(fēng)扇強(qiáng)制對流冷卻，不推薦空氣自然對流冷卻熱交換形式,。 根據(jù)熱力學(xué)制冷原理及半導(dǎo)體制冷基本理論,，給出的制冷量、功率消耗,、制冷系數(shù),、熱端發(fā)熱量等基本公式。如果 熱端發(fā)熱量為P,，單位W,； 冷端制冷量為Q，單位W,； 制冷片電功率W,，單位W； 制冷效率：ε 能夠得到簡單計(jì)算公式：P=Q+W,；ε=Q/W,； 上面公式意思是熱端的發(fā)熱量等于冷端吸收的熱量加上TEC制冷中耗費(fèi)的電能量，ε代表的是制冷片工作效率高低,，ε的高低決定制冷片質(zhì)量的好壞,，ε的取值可能大于1，也可能小于1,。TEC半導(dǎo)體制冷片工作狀態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)就是要仔細(xì)分析ε在不同狀態(tài)下的情況,。  圖2 TEC制冷工作特性曲線 TEC制冷片的制冷量Q、消耗電能W,、工作效率ε都是電流I與溫差△T 的函數(shù)，在某一給定溫差△T條件下,，Q,、W,、ε僅是電流I的函數(shù)。從圖中可確定Qmax,、εmax,、E 及其所對應(yīng)的電流值Im、Io,、IE,，如圖2所示。 從圖2可以看出： a 制冷量Q和TEC工作電流I,，按二次拋物線的規(guī)律變化,，在電流為Im 時(shí)制冷量達(dá)極大值Qmax； b TEC電功耗W也是電流I的二次函數(shù),，電功耗隨電流I的增大以平方關(guān)系增大,。 c 制冷效率ε為制冷系數(shù)隨電流I的變化規(guī)律，在電流很小時(shí),，ε值急劇增大至εmax值,，之后很快地下降直***于零。
a 固定電壓下PWM占空比調(diào)節(jié),； b 恒流模式下PWM占空比調(diào)節(jié)； c 自動適應(yīng)高效率調(diào)節(jié),； a種工作模式一般為一個(gè)開關(guān)電源,，然后通過一個(gè)開關(guān)和TEC串聯(lián)，當(dāng)開關(guān)導(dǎo)通時(shí),，TEC兩端電壓等于電源電壓,；當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)，TEC兩端電壓斷開,，流過TEC的電流為0,。這種工作模式TEC兩端的電壓波形如圖3所示。  圖3 固定電壓下PWM占空比調(diào)節(jié)電壓波形 這個(gè)模式具有結(jié)構(gòu)簡單,，成本低的優(yōu)點(diǎn),。但是也有明顯的缺點(diǎn)，TEC兩端電壓恒定,，當(dāng)開關(guān)導(dǎo)通時(shí),，TEC滿負(fù)荷工作；當(dāng)開關(guān)斷開時(shí),，TEC停止工作,。TEC要么處于Qmax狀態(tài)，要么處于停止?fàn)顟B(tài)，這個(gè)時(shí)候TEC的工作效率較低,。這種模式具有：工作效率低,、消耗電功率大、熱端散熱要求高,、TEC壽命低的缺點(diǎn),，一般應(yīng)用在對成本控制較高而不考慮性能的場合下。 b種工作模式一般為一個(gè)恒流電源,，然后直接和TEC連接,，當(dāng)恒流源增大時(shí)，流過TEC的電流等于額定電流,；當(dāng)恒流源減小時(shí),，流過TEC電流降低，流過TEC的電流為0,。這種工作模式流過TEC的電流波形如圖4所示,。  圖4 恒流模式PWM占空比調(diào)節(jié)電流波形 這個(gè)模式相比較固定電壓模式具有電流沖擊為零的特點(diǎn)，使得TEC壽命長,，但是它也有明顯的缺點(diǎn),，工作效率低、消耗電功率大,、熱端散熱要求高,。 c種工作模式一般為自適應(yīng)電源，然后直接和TEC連接,。當(dāng)TEC冷熱端溫差較大時(shí),，自適應(yīng)電源讓TEC滿負(fù)荷工作，工作在Qmax狀態(tài),；當(dāng)達(dá)到恒溫時(shí),，自適應(yīng)電源調(diào)節(jié)TEC電流，讓TEC工作在高效率狀態(tài),。這種工作模式TEC兩端的電壓波形如圖5所示,。  圖5 自適應(yīng)模式下TEC電壓波形 在階段1時(shí)，滿負(fù)荷讓TEC工作,；在階段2時(shí),，TEC功率下降，處于過度狀態(tài),；階段3時(shí),，TEC處于高效率工作模式。自適應(yīng)工作電源具有調(diào)節(jié)溫度速度快,、精度高,、效率高,、TEC壽命高的特點(diǎn)。這種控制一般用于高可靠性,、高精度,、高效率的使用場合,。
 圖6 PID半導(dǎo)體TEC加熱制冷驅(qū)動源與TEC的連接示意圖 使用這樣的連接圖,，對目標(biāo)體進(jìn)行溫度控制，該如何設(shè)定TEC的工作過程,？這里要考慮幾點(diǎn)：a 快速到達(dá)設(shè)定溫度,；b 控制溫度精度高；c TEC高效率工作,；d TEC長壽命,。 舉例：如果室溫22度，設(shè)定目標(biāo)溫度10度,，TEC處于制冷模式,。 推薦工作模式： 第一步：大電流流過TEC，讓TEC滿負(fù)荷工作,，對應(yīng)圖2中的Qmax,，這樣實(shí)現(xiàn)快速的溫度到位。 第二步：達(dá)到恒溫控溫狀態(tài)時(shí),，降低TEC的工作電流,，TEC追求高效率工作，對應(yīng)圖2中的ε***大值,。 第三步：保證在TEC工作過程中不存在脈沖電壓,、電流過沖，且熱端熱量及時(shí)帶走,，實(shí)現(xiàn)TEC的長壽命,。 第四步：采用PID算法，實(shí)現(xiàn)控制溫度的高精度,。 綜上：經(jīng)過以上步驟,，不管什么樣的溫度控制系統(tǒng)，采用TEC恒溫控制,，都可以容易實(shí)現(xiàn)快速到達(dá)設(shè)定溫度,，控制溫度精度高，TEC高效率工作,，TEC長壽命的特點(diǎn),。TEC-10A同時(shí)具有以上優(yōu)點(diǎn)，是一款較好的TEC溫度控制自適應(yīng)驅(qū)動源。 |
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