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半导体制冷片闭环温控电路(一)
半导体制冷片(TEC)的温度控制器设计
半导体制冷片（TEC）的温度控制器设计
一、原理
半导体制冷片也叫热电制冷片，其原理是Peltier效应，它既可制冷又可加热，通过改变直流电流的极性来决定在同一制冷片上实现制冷或加热，这个效果的产生就是通过热电的原理来实现的。其实在原理上半导体制冷器只是一个热传递的工具。其优缺点：
1、不需要任何制冷剂，可连续工作。
2、半导体制冷片具有两种功能，既能制冷，又能加热，制冷效率一般不高，但制热效率很高，永远大于1。因此使用一个片件就可以代替分立的加热系统和制冷系统。
3、半导体制冷片是电流换能型片件，通过输入电流的控制，可实现高精度的温度控制，再加上温度检测和控制手段，，便于组成自动控制系统。
4、半导体制冷片热惯性非常小，制冷制热时间很快，在热端散热良好冷端空载的情况下，通电不到一分钟，制冷片就能达到最大温差。
5、半导体制冷片的温差范围，从正温90℃到负温度130℃都可以实现。
二、使用说明：
正确的安装、组装方法：1、制冷片一面安装散热片，一面安装导冷系统，安装表面平面度不大于0.03mm，要除去毛刺、污物。2、制冷片与散热片和导冷块接触良好，接触面须涂有一薄层导热硅脂。3、固定制冷片时既要使制冷片受力均匀，又要注意切勿过度，以防止瓷片压裂。
正确的使用条件：1、使用直流电源电压不得超过额定电压，电源波纹系数小于10％。
2、电流不得超过组件的额定电流。3、制冷片正在工作时不得瞬间通反向电压(须在5分钟之后)。4、制冷片内部不得进水。5、制冷片周围湿度不得超过80％。
三、半导体制冷器的驱动电路设计
半导体制冷片根据流过半导体的电流方向和大小来决定其工作状态的（电流的方向决定制冷或者制热，电流的大小决定制冷或者制热的程度和效果）。为了使半导体制冷片能够自动的进行恒温控制，就必须设计好其驱动电路和控制电路。
PID控制系统是目前精度较高的技术，可以用来对半导体制冷片的电流进行控制，以实现高精度的控温效果。
（一）、总体框图：
（二）、驱动电路：
基于H桥的驱动电路：
当设置OUT3为高、OUT4为低电平，OUT2为低、OUT1为高电平时，Q3和Q4断开，Q1和Q2导通，电流由TEC左至右；反之OUT3为低、OUT4为高电平，OUT2为高、OUT1为低电平时，Q3和Q4导通，Q1和Q2断开，电流由右至左。
通过单片机PID控制设置OUT1或者OUT4的PWM占空比，控制Q1或者Q4的导通时间来控制TEC的工作时间，从而达到控温的效果。
半导体制冷片闭环温控电路(二)
基于半导体制冷片的温度控制器
LD
基于半导体制冷片（TEC）的温度控制器
一、原理
半导体制冷片也叫热电制冷片，其原理是Pelti
er效应，它既可制冷又可加热，通过改变直流电
流的极性来决定在同一制冷片上实现制冷或加
热，这个效果的产生就是通过热电的原理来实现
的。其实在原理上半导体制冷器只是一个热传递
的工具。其优缺点：
1、不需要任何制冷剂，可连续工作。
2、半导体制冷片具有两种功能，既能制冷，又能加热，制冷效率一般不高，但制热效率很高，永远大于1。因此使用一个片件就可以代替分立的加热系统和制冷系统。
3、半导体制冷片是电流换能型片件，通过输入电流的控制，可实现高精度的温度控制，再加上温度检测和控制手段，，便于组成自动控制系统。
4、半导体制冷片热惯性非常小，制冷制热时间很快，在热端散热良好冷端空载的情况下，通电不到一分钟，制冷片就能达到最大温差。
5、半导体制冷片的温差范围，从正温90℃到负温度130℃都可以实现。
二、使用说明：
正确的安装、组装方法：1、制冷片一面安装散热片，一面安装导冷系统，安装表面平面度不大于0.03mm，要除去毛刺、污物。2、制冷片与散热片和导冷块接触良好，接触面须涂有一薄层导热硅脂。3、固定制冷片时既要使制冷片受力均匀，又要注意切勿过度，以防止瓷片压裂。
正确的使用条件：1、使用直流电源电压不得超过额定电压，电源波纹系数小于10％。2、电流不得超过组件的额定电流。3、制冷片正在工作时不得瞬间通反向电压(须在5分钟之后)。4、制冷片内部不得进水。5、制冷片周围湿度不得超过80％。
三、半导体制冷器的驱动电路设计
半导体制冷片根据流过半导体的电流方向和大小来决定其工作状态的（电流的方向决定制冷或者制热，电流的大小决定制冷或者制热的程度和效果）。为了使半导体制冷片能够自动的进行恒温控制，就必须设计好其驱动电路和控制电路。
PID控制系统是目前精度较高的技术，可以用来对半导体制冷片的电流进行控制，以实现高精度的控温效果。
（一）、总体框图：
（二）、驱动电路：
基于H桥的驱动电路：
当设置OUT3为高、OUT4为低电平，OUT2为低、OUT1为高电平时，Q3和Q4断开，Q1和Q2导通，电流由TEC左至右；反之OUT3为低、OUT4为高电平，OUT2为高、OUT1为低电平时，Q3和Q4导通，Q1和Q2断开，电流由右至左。
通过单片机PID控制设置OUT1或者OUT4的PWM占空比，控制Q1或者Q4的导通时间来控制TEC的工作时间，从而达到控温的效果。
半导体制冷片闭环温控电路(三)
采用半导体制冷片的温控系统的设计
湖 南 科 技 大 学
毕 业 设 计（ 论 文 ）
题目 作者 学院 专业 学号 指导教师
采用半导体制冷片的温控
系统的设计
方云熠
信息与电气工程学院
自动化 1204020309 曾照福
二〇一六 年 五 月 十五 日
湖 南 科 技 大 学 毕业设计（论文）任务书
学院系
系主任: （签名） 年 月 日
学生姓名: 方云熠 学号: 1204020309 专业: 自动化 1 设计（论文）题目及专题： 2 学生设计（论文）时间：自 3 设计（论文）所用资源和参考资料：
[1] [2] [3]
[4]
期刊相关文章 4 设计（论文）应完成的主要内容：
导体制冷片温控系统的软件设计；(4)系统调试。要求：能控制制冷温度为-5℃-0℃，中的任意温度，可显示、语音播报当前温度值，能将温度值存储。 5 提交设计（论文）形式（设计说明与图纸或论文等）及要求：【半导体制冷片闭环温控电路】
(1)(2)告包括目录，中英文摘要，关键词，方案选择及确定，设计过程及参数计算，软件流程图及源程序，调试方法及步骤，小结等；(4)提供硬件电路原理图，印制电路板图，元器件清单。
6 发题时间：年月日
指导教师： （签名）【半导体制冷片闭环温控电路】
学 生： （签名）
湖 南 科 技 大 学 毕业设计（论文）指导人评语
[主要对学生毕业设计（论文）的工作态度，研究内容与方法，工作量，文献应用，创新性，实用性，科学性，文本（图纸）规范程度，存在的不足等进行综合评价]
指导人： （签名）
年 月 日
指导人评定成绩：
湖 南 科 技 大 学 毕业设计（论文）评阅人评语
[主要对学生毕业设计（论文）的文本格式、图纸规范程度，工作量，研究内容与方法，实用性与科学性，结论和存在的不足等进行综合评价]
评阅人： （签名）【半导体制冷片闭环温控电路】
年 月 日
评阅人评定成绩：
湖 南 科 技 大 学 毕业设计（论文）答辩记录
日期：
学生： 学号： 班级： 题目： 提交毕业设计（论文）答辩委员会下列材料：
1 设计（论文）说明书 共 2 设计（论文）图 纸 共 3 指导人、评阅人评语 共
页 页 页
毕业设计（论文）答辩委员会评语：
[主要对学生毕业设计（论文）的研究思路，设计（论文）质量，文本图纸规范程度和对设计（论文）的介绍，回答问题情况等进行综合评价]
答辩委员会主任： （签名）
委员： （签名）
（签名） （签名） （签名）
答辩成绩：
总评成绩：
半导体制冷片闭环温控电路(四)
半导体制冷技术原理及其在便携式样品恒温箱的应用
摘 要 本文简要介绍了半导体制冷技术原理及其特点，并对根据该原理所开发的半导体制冷便携式样品恒温箱进行了分析探讨，指出半导体制冷技术在研发便携式样品恒温箱产品中具有无可替代的优势。 关键词 半导体制冷 珀尔贴效应 恒温箱 制冷片 驱动电路
中图分类号：TN37 文献标识码：A
0 引言
便携式样品恒温箱是卫生防疫、医学、农林畜牧、生物实验、工业化工等行业和大专院校、科研机构、部门实验室或生产单位的重要的实验设备。由于便携式样品恒温箱具有特定的使用范围和专业性强的特点，因此对该产品有着特别的要求。在各种制冷技术中，半导体制冷由于具有体积小、重量轻、作用速度快、可靠性高等特点，近年来在国内外得到广泛的重视，因此，半导体制冷技术在研发便携式样品恒温箱产品方面具有不可替代的优势。
1 半导体制冷技术原理及其优、缺点
1.1 半导体制冷原理
半导体制冷是建立在温差电效应基础上的，所以半导体制冷也称温差电制冷。如果把两种不同的金属导线的一端连在一起，另一端接上直流电源，则一端将会产生吸热（制冷）效应，另一端产生放热效应（图1），这就是著名的珀尔贴效应。
事实上，组成温差电制冷器的材料不是任意两种不同金属就能达到理想效果的。一般是取N型和P型两种半导体组件组成热电堆。图2为半导体制冷器工作原理图。
直流电流沿回路依次从N型半导体流向P型半导体，然后又从P型半导体流向N型半导体，电流这样连续流过去，半导体的A、B两端便产生吸、放热现象。如果不断地把放热端B的热量移走，那么A端就不断地向周围吸取热量，从而达到制冷之目的。
1.2 半导体制冷的优、缺点
半导体制冷，它的优点十分明显：制冷迅速，操作简单，可靠性强，容易实现高精度的温度控制，无噪音污染和有害物质排放，寿命长，稳定性好等。但同时，也有其缺点：主要表现在制冷系数低，制冷量小而且电流大。半导体制冷效果主要取决于半导体材料的选择和热端散热冷却的程度。由于当今科技，特别是电子技术的飞速发展，世界各国的科技人员从改进半导体材料和开发新工艺两方面，做了大量工作，来不断提高半导体制冷的制冷系数。在一些制冷量要求小，热流量大，传统蒸气压缩制冷不方便或不经济的场合，半导体制冷得到了很多的应用。
2 半导体制冷技术在便携式样品恒温箱的应用
由于半导体制冷便携式样品恒温箱采用箱体底部固定连接半导体控温元件，半导体控温元件与可充电电池固定连接，箱体的正面左上端固定连接电子温度控制及显示装置，箱体上盖和箱体内壁固定连接保温层的结构形式，箱体的背后右下端固定连接电源插孔，插入家庭交流电直接使用，也可插接到汽车点烟器上，另外，在没有交流电的情况下，还可以使用充电电池内的电能来控制温度。
2.3.2 半导体制冷便携式样品恒温箱的驱动电路设计
半导体制冷便携式样品恒温箱的最核心部件是半导体制冷片的控制及驱动电路，因为半导体制冷片根据流过半导体的电流方向和大小来决定其工作状态的（电流的方向决定制冷或者制热，电流的大小决定制冷或者制热的程度和效果）。为了使半导体制冷片能够自动进行恒温控制，就必须设计好其驱动电路和控制电路。PID控制系统是目前精度较高的技术，可以用来对半导体制冷片的电流进行控制，以实现高精度的控温效果。
A、总体框图：见图5。B、基于H桥的驱动电路：见图6
当设置OUT3为高、OUT4为低电平，OUT2为低、OUT1为高电平时，Q3和Q4断开，Q1和Q2导通，电流由TEC（半导体制冷片）左至右；反之OUT3为低、OUT4为高电平，OUT2为高、OUT1为低电平时，Q3和Q4导通，Q1和Q2断开，电流由右至左。通过单片机PID控制设置OUT1或者OUT4的PWM（脉冲宽度调制）波占空比，控制Q1或者Q4的导通时间来控制TEC的工作时间，从而达到控温的效果。
2.3.3 半导体制冷便携式样品恒温箱半导体制冷器的散热装置
热端散热冷却的程度是影响半导体制冷效果的重要因素，所以解决好散热问题对制冷效率的提高起到至关重要的作用。
半导体制冷的几种散热方式：（1）自然散热，采用导热较好的材料，做成各种散热器，利用空气的自然对流来带走热量，优点是使用方便，缺点是体积较大；（2）充液散热，它是用较好的材料做成水箱，用通液体或通水的方法降温，缺点是用水不方便，浪费太大，优点是体积小，散热效果好；（3）强迫风冷散热，散热器采用的材料和自然散热器相同，使用方便，体积比自然散热小，缺点是增加一个风机，出现噪音和耗用功率；（4）“热管”散热器，是最常用的一种形式，它利用蒸发潜热快速传递热量。因此本半导体制冷便携式样品恒温箱的半导体制冷散热采用热管散热。结构设计要点：热管散热热管采用铜铝复合管制成，冷凝段很长，而蒸发段很短，工质为戊烷，自然对流散热。
3 结束语
随着目前半导体制冷片已经规模化生产、大功率可充式锂电池组工艺的成熟、汽车的普及、光伏电池的普及以及高精度半导体制冷式温度控制系统技术的成熟和塑料工业的发展，为生产出轻便、节能、环保、高效的便携式样品恒温箱提供了有利条件。便携式样品恒温箱具有特定的使用环境和条件的要求，而这些要求与半导体制冷技术的特点又相符，因此半导体制冷技术在便携式样品恒温箱及其类似产品的开发必将得到广泛的应用。
参考文献
[1] 陈国邦等.最新低温制冷技术.机械工业出版社，2003.
[2] 倪美琴，陈兴华.关注半导体制冷与发展.制冷与空调，2001.2.
半导体制冷片闭环温控电路(五)
新型太阳能冷藏空调设计与实验
摘 要：本设计通过太阳能电池板发电对半导体组件进行供电，不仅可以提供空调电量而且不产生任何有害气体，充分体现了节能减排的特点。空调制冷系统主要采用半导体组件，不仅可以很快的实现温度变化，而且在制冷过程中不会产生噪音，当车厢内的温度达到温度控制器设置的温度时，温度控制器将自动断开半导体组件，考虑到用户使用的方便，设计了无线控制系统，以实现远程控制空调；另一方面，太阳能电池板转化的能量一部分用于半导体制冷，剩余的部分储存在蓄电池中作为替补能源，既可以在太阳光强不足时供给半导体组件，又可供给其他用电器。 关键词：太阳能电池板；半导体组件；半导体制冷；温度调控；节能环保
1 研制背景及意义
随着商品经济的发展，不同地区之间的货物流通已经不是难题。为了运输冷冻或保鲜货物，各式各样的冷藏车应运而生，目前我国冷藏保温汽车按制冷装置的制冷方式有机械冷藏汽车、液氮冷藏汽车、冷板冷藏汽车、干冰冷藏汽车、水（盐）冰冷藏汽车等，大部分是装有制冷机组的制冷装置和聚氨酯隔热厢的冷藏专用运输汽车。针对半导体制冷，我们拟制作一种新型太阳能智能空调辅助系统，利用太阳能电池将太阳能转为化学能储存在蓄电池中为半导体制冷组件供电[1]，既减少了发电机发电量，又无有害气体排放。
1.1 传统冷藏车空调的缺点
（1）首先机械制冷是一种较为可靠有效的制冷方式，但冷藏汽车工作时要消耗燃油或电力，并增加尾气排放。机械制冷装置结构复杂，使得冷藏运输成本较高，运价贵，从而严重阻碍了冷藏汽车的发展。
（2）空调系统制冷剂污染环境。目前，汽车空调制冷剂多用R12，该制冷剂对臭氧层破坏严重，我国已于2010年全面完成了CFC类工质的替代。R134a作为R12的替代产物，虽然不破坏臭氧层但其全球变暖潜值为1300。到2017年，欧盟将禁止新生产的汽车空调使用GWP值大于150的制冷剂。因此，研究开发利用汽车余热和可再生能源驱动的汽车空调系统，是汽车空调技术发展与进步的必然要求[2]。
1.2 太阳能冷藏车空调的设计目的
针对目前冷藏车空调的一些不足，我们设计了太阳能智能空调，基本解决了现在冷藏车空调所带来的问题。首先利用半导体组件制冷，而半导体制冷所需的能量又由太阳能电池板通过光电效应转化而来，整个设计清洁无污染，这样既节省能源，又克服了传统空调工作时会产生有害气体的缺点，起到环保效果。另外，太阳能电池板吸收的太阳能一部分供空调系统使用，剩余的部分储存到蓄电池以备阳光不足时再供空调使用，大大增加了能源利用率[3]。我们的太阳能冷藏车智能空调还便于安装使用，无论是新车还是旧车都可以方便的安装上汽车太阳能智能空调，我们只需将薄膜状的太阳能电池板贴在车的顶棚，然后将导线接入空调即可。
2 设计方案及原理简介
2.1 电器控制部分
考虑到太阳能电池板的电压波动问题（约5V）以及它小于空调系统的电压（12V）问题，我们通过升压模块（图1所示）给太阳能电池板的电压升至12V，稳压模块的电路图（图2）所示如下：其中Vin表示太阳能电池板的电压，Vout表示升压之后的电压，最后储存到蓄电池供空调系统及温度控制器使用。
2.2 机械部分
太阳能电池板是和汽车面连在一起的，当太阳照射汽车时，太阳能电池板就会自动把光能转化为电能，然后供各用电组件使用。 图3为工作流程图：
3 理论设计计算
3.1 所采用的太阳能电池板属性
试验中冷藏车模型所用的电池板，其参数分别是5V 0.04A、 5V 0.02A、5V 0.3A，把它们并联起来是1.56A，考虑到空调系统：其中大风扇12V 0.18A、小风扇12V 0.1A、制冷片12V 2A，我们用升压模块给以上太阳能板的电压升至12V，便可供空调系统使用 ，下面表1是各个器件的功率：
表1 各元件功率表
3.2 模拟太阳能空调车厢的制冷效果
我们选用体积为28*16*14cm的长方体纸箱来模拟车内空间，使用上述太阳能电池板对其供电，4*4cm制冷片以及相关的散热组件。我们选取一天中的不同时刻在太阳直射的情况下进行测量，并记录各个阶段太阳能制冷空调的制冷效果。
表2 测试时间为上午，天气为微风，室外温度为25℃
表3 测试时间为中午，天气晴朗，室外温度为34℃
表4 测试时间为下午，天气为微风，室外温度为27℃
3.3 数据分析
根据以上三个记录可以看出采用半导体的效果十分明显，可以达到每分钟下降2℃左右，随着车厢内温度的逐步降低，单位时间内下降的温度逐渐降低，但是在10分钟内仍然可以达到10℃左右的温差。
主要的原因有：
（1）我们模拟的车厢为无机玻璃箱，边缘缝隙的密封性比较差，与外界热量交换较多；
（2）随着制冷片工作时间的延长，散热组件的散热效果逐渐下降，制冷片两面温差逐渐减小，导致每下降1℃所用时间增长。
解决办法：
（1）在实际的车厢中，密封性能和隔热性能好，半导体制冷的效果将会更加显著；
（2）由于模拟空间有限，采用一个半导体制冷片工作，而在实际的使用中，完全可以采用4个制冷片交替或同时工作，达到更好的制冷制热效果。
4 工作原理及性能分析
4.1 太阳能板的工作原理简介
太阳能板是利用硅型太阳能电池吸收太阳光，太阳辐射能量的光谱，主要以可见光为中心，光照射在半导体中存在内电场E的太阳能转化为电能，在电场的作用下，半导体两侧产生电势差，将太阳能转化为电能，其转化的能量与太阳光的强度成正比。即太阳光越强，它转换的能量也越多。 4.2 半导体制冷工作原理简介
将太阳能板接到半导体制冷片上，然后将导冷端和散热片安装好再接风扇，导冷端风扇的螺丝可以先装上，然后就可以直接插在导冷模块上，再把太阳能板及制冷系统安装在汽车的适当位置，通过温度控制器来显示当前温度，当车内温度达到我们设置所需温度时，系统停止工作。
4.3 数字式温度控制器的智能控制
图4和图5分别为温度控制器的内部构造图和外观图，系统进入制冷模式时，有3个手动温度控制点可供选择，26℃，28℃，30℃默认温度是26℃。当室温低于所选择的温度时，系统不工作，当室温高于或等于所选择的温度时空调制冷。
4.4 太阳能远程无线控制系统
为了更方便的控制太阳能空调的开关与半导体组件的制冷和制热，我们采用四键遥控器和超再生固定码接收模块，可以组成四路无线发射接收电路，遥控器的四位数据码对应模块的四路输出，可以方便的组成无线遥控发射接收电路，实现了用户远程控制太阳能空调。
5 创新点、优点及应用
5.1 太阳能空调主要有以下创新点及优点
（1）使用半导体制冷，且充分利用太阳能提供能量，节省了传统空调需要的耗油，太阳能冷藏空调是利用太阳能电池转化的直流电来驱动半导体组件，不会产生有害气体，而传统的空调是利用燃烧汽油而获得电能来驱动的。
（2）可以实现温度的智能调控。我们采用智能温度控制器，不仅可以兼容控制制冷制热，还具有延时保护、回差设置以及超温低温报警功能。利用其回差设置功能，我们可以设定某个温度区间，当车厢内温度超出此区间时，半导体组件可以自动启动进行制热或制冷。
（3）充分体现人性化设计，既可以实现空调开关、制冷制热的无线控制，也可以根据车主需求，控制其提前工作。
（4）普及性强，便于推广使用。无论是新车还是旧车都可以方便安装上汽车太阳能智能空调，我们只需将太阳能电池板贴在车的顶棚或者侧面，然后将导线接入空调即可。
（5）在技术应用上不需要任何致冷剂，可连续工作，没有污染源没有旋转部件，不会产生回转效应，没有滑动部件，是一种固体器件，工作时没有震动、噪音、寿命长[5]。
5.2 应用前景展望
目前冷藏车已成为现实生活中不可缺少的运输工具，所有冷藏车空调都有待在节能方面实施改进，而这样一款智能太阳能空调正能解决目前石油短缺、能源危机、环境污染的问题，又积极响应国家“节能减排”的号召，因此我们设计的这一款汽车太阳能智能空调应用前景很广。
参考文献
[1]冀兆良.我国汽车空调技术的应用及发展现状[J].制冷空调与电力机械，2011（5）：1-5.
[2]郑永明，方方，徐建一，等.半导体致冷原理及其应用系统设计研究[J].中国测试技术，2006（3）：49-51.
[3]张亚君，黄小华，李金新，等.分布式可控制医疗制冷头盔[J].杭州电子科技大学学报，2011（4）：17-20.
[4]陈昌盛，魏旭来，唐韬.基于嵌入式的小型恒温冷藏箱设计与实现[J].电子设计工程，2012（9）：164-166.
[5]刘清.采暖制冷技术中的热电效应[J].武汉工程职业技术学院学报，2008（6）：17-21.
作者简介：*王志森（1997，10-），男，现就读于北镇中学高中二年级21班。
本文来源：http://www.zhuodaoren.com/shenghuo330156/
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