半导体制冷与温度传感器(精)
《半导体制冷》课件
冷端散热器
将半导体组件的冷端热 量散发到环境中，保持
低温状态。
电源和控制模块
提供工作电压和电流， 控制半导体制冷系统的
运行状态。
半导体制冷系统的工作流程
热端散热器将热量散发到环境中，维持热平衡 。
通过电源和控制模块调节电流大小和方向，可以控制 半导体制冷系统的制冷量和温度。
通电后，电流通过半导体组件，产生珀尔贴效 应，即热量从热端通过半导体组件传递到冷端 。
03
半导体制冷系统的设计
BIG DATA EMPOWERS TO CREATE A NEW
ERA
半导体制冷系统的设计原则
高效性
确保系统在运行过程中能够高效地转换电能 ，实现快速制冷。
安全性
设计时应充分考虑系统的安全性能，防止过 热、过流等潜在风险。
稳定性
系统应具备稳定的运行状态，保证制冷效果 的一致性和可靠性。
科研领域
用于精密测量和实验设备的制 冷和温度控制，如光刻机、质
谱仪等。
BIG DATA EMPOWERS TO CREATE A NEW ERA
02
半导体制冷系统的组成和工作流程
半导体制冷系统的组成
热端散热器
用于将半导体产生的热 量散发到环境中，保持
系统正常工作温度。
半导体组件
由许多单体半导体元件 串联或并联组成，实现
半导体制冷系统的挑战和机遇
技术成熟度
目前半导体制冷技术尚未完全成熟，仍存在效率、稳 定性等方面的问题，需要进一步研究和改进。
成本问题
半导体制冷系统的制造成本较高，限制了其在一些低 端市场的应用。
政策支持
政府可以出台相关政策，鼓励企业加大半导体制冷技 术的研发和应用投入，推动产业发展。
半导体制冷的原理名称
半导体制冷的原理名称
在物理学和工程领域中，半导体制冷是一种基于固态材料中电子的热传导原理
实现制冷的方法。
这种原理被称为Peltier效应，它利用半导体材料处于电场中时
的热电效应来实现制冷或加热。
基本原理
Peltier效应发生在由两种不同导电性的半导体材料组成的热电偶中。
当在这些
半导体材料之间建立电流时，由于热电效应，电子在两种材料之间传递热量，从而一个端口冷却，另一个端口加热。
这导致一侧温度下降，而另一侧温度上升。
通过控制电流的方向和大小，可以实现制冷或加热效果。
应用领域
半导体制冷技术在一些特定领域中具有广泛的应用。
其中包括：
1.电子设备冷却：半导体制冷设备可以用于电脑、激光器等电子设备
的散热和制冷，提高设备性能和寿命。
2.医疗器械：用于制冷或加热医疗设备，如激光手术器械，核磁共振
设备等，以确保器械正常工作。
3.光电子系统：用于冷却激光二极管等光电子元件，提高系统稳定性
和工作效率。
4.工业制冷：在工业生产过程中，适用于对特定设备或工艺的精确制
冷要求。
优势与挑战
半导体制冷技术相对于传统制冷方法具有诸多优势，如体积小、响应速度快、
无振动、无噪音等。
然而，也存在着一些挑战，例如制冷效率相对较低、成本较高、温度范围受限等。
结语
半导体制冷作为一种先进的制冷技术，正在逐渐应用于各种领域，并不断得到
改进和完善。
随着科学技术的不断进步，相信半导体制冷技术将在未来发展出更多潜力，为各行各业带来更多创新与便利。
实验12 温度传感器特性和半导体制冷温控实验
实验12 温度传感器特性和半导体制冷温控实验【实验目的】1、了解半导体制冷和制热原理。
2、测量NTC热敏电阻、PTC热敏电阻及集成温度传感器的温度特性【实验原理】1、半导体制冷和制热原理如图1所示，由X和Y两种不同的金属导线所组成的封闭线路，通上电源之后，冷端的热量移到热端，导致冷端温度降低，热端温度升高，这就是帕尔贴效应。
实际的半导体制冷片结构如图2所示，由许多N型P型办斗提之颗粒互相排列而成，而NP之间以一般的导体相连接而成一完整线路，通常是铜、铝或其他导体，最后由两片陶瓷片像夹心饼乾一样夹起来，陶瓷片必须绝缘且导热良好。
2、温度控制原理实验样品结构如下图所述，将半导体制冷片一面与铝制散热器津贴，并用风扇强行散热，使其与环境温度接近。
另一面与实验样品室紧贴，试验样品室采用优质导热材料，并装上温度传感器，温度传感器测量实验样品室的温度，由该温度与仪器设定的温度相比较，通过微型处理器确定半导体制冷片工作方式，即制冷或制热，由温度差确定制冷或制热的策略，即在不同的温度差之下，输出不同的制冷或制热功率，并以适当的速度改变温度的变化，从而实现实验样品室的温度控制，保持温度的稳定。
微型处理器工作框图如图3.3、NTC 电阻器的温度系数（负温度系数）——温度特性NTC 热敏电阻通常具有很大的负温度系数，在一定的温度范围内，NTC 热敏电阻的阻值与温度的关系满足下列经验公式：011()0B T T R R e -=------------------------（1）式中，R 为该热敏电阻在热力学温度T 时的电阻值，0R 为热敏电阻处于热力学温度0T 时的阻值，B 是材料的常数，它不仅与材料性质有关，而且与温度有关，在一个不太大的温度范围内，B 是常数。
由（1）式得该热敏电阻在0T 时的电阻温度系数α20B T α=----------------------------------（2） 进一步得到 0011()InR B InR T T =-+ 在一定温度范围内，可以用作图法或最小二乘法求得B 的值，并进一步求得α的值。
基于单片机的半导体制冷智能控制
图2：温度控制系统稳定性曲线 （请在此处插入温度控制系统稳定性曲线图） 从图2可以看出，系统在达到目标温度后，保持稳定状态，未见明显波动。 这表明基于半导体制冷技术的温度控制系统具有良好的稳定性。
通过实验验证，我们可以得出以下结论： 1、基于半导体制冷技术的温度控制系统具有快速响应和高精度控制优点。
一、半导体制冷技术概述
半导体制冷技术是一种利用半导体材料的热电效应实现制冷的技术。其基本 原理是，通过直流电在半导体材料中产生的珀尔帖效应，实现吸热和放热过程， 从而达到制冷效果。相较于传统制冷技术，半导体制冷技术具有体积小、效率高、 无噪声等优点，因此被广泛应用于微型制冷领域。
二、单片机在半导体制冷智能控 制中的应用
4、监控实验过程：在实验过程中，通过数据采集卡实时监测温度变化情况， 观察系统响应速度和稳定性。
五、实验结果与分析
实验结束后，收集实验数据并绘制曲线图，对实验结果进行分析。以下是实 验结果的相关图表：
图1：温度控制系统响应曲线 （请在此处插入温度控制系统响应曲线图） 从图1可以看出，系统在初始温度为25℃时，启动后在5分钟内迅速达到目标 温度-10℃，表明系统具有快速响应特性。
2、通过反馈控制和优化控制策略，可以实现系统的稳定运行和精确的温度 控制。
3、本研究为科学研究和工业生产中的温度控制提供了新的解决方案，具有 实际应用价值。
感谢观看
2、程序设计
基于单片机的半导体制冷智能控制系统的程序设计主要包括温度检测、故障 诊断、报警输出、节能优化等模块。程序设计中要充分考虑系统的稳定性、可靠 性和节能性。同时，程序设计应采用模块化思想，便于日后维护和升级。
3、硬件选择与调试
在硬件选择方面，应选用性能稳定、可靠性高的元器件。对于半导体制冷器， 应选择合适的型号和规格，以满足实际需求。在硬件调试过程中，应进行逐个元 器件的调试，确保每个部件都能正常工作。同时，要对整个系统进行联调，确保 各部分协调一致，实现稳定的制冷效果。
基于半导体制冷的冰箱制冷效率提高的研究
基于半导体制冷的冰箱制冷效率提高的研究【摘要】随着科学技术的不断发展,冰箱行业也日趋壮大，冰箱制冷效率的提高直接影响着人们生活。
本文从半导体制冷空调器的特点、提高半导体制冷空调效率的途径及试验分析等几个方面进行了分析。
【关键词】半导体制冷；效率；提高一、前言近年来，由于半导体的应用领域越来越广泛，基于半导体制冷的冰箱制冷效率提高的研究问题引起了人们的重视。
虽然我国在此方面取得了一定的成绩，但依然存在一些问题和不足需要改进，在科学技术突飞猛进的新时期，加强半导体制冷在冰箱制冷的运用，对我国冰箱制冷工程有着重要意义。
二、半导体制冷空调器的特点半导体制冷空调器与压缩式制冷空调器相比,具有以下优点结构简单,没有机械传动机构,故工作时无噪声、无磨损、无震动、寿命长、维修方便,可靠性高；不使用制冷剂,故无泄漏、无污染；直流供电,电流方向转换方便,可冷热两用；重量、尺寸较小,便于安装；热惯性小,负荷可调性强,调节和控制方便；工作状态不受重力场的影响；百瓦级的小功率空调器的成本与压缩制冷空调的成本相差不大；而十瓦级的微型空调器的成本远低于压缩制冷,具有压缩制冷无法替代的优势。
半导体制冷空调具有如上所述众多的优点,但是半导体制冷空调器的制冷效率较低,它的制冷效率只有机械制冷效率的30%。
因此限制了半导体制冷空调在民用领域的应用。
三、提高半导体制冷空调效率的途径半导体制冷空调器最大的不足是制冷效率较低,这限制了半导体制冷空调器的推广和应用。
提高半导体制冷空调器的效率,要从影响制冷效率因素的分析入手,找出有效的解决方法。
热电制冷的关键问题是材料问题,但近20年该方面的研究进展表明,半导体材料优值系数的提高非常困难,因此对半导体材料的探索仍需要很长的时间。
目前,在高优值系数的材料何时出现还是个未知数的情况下,解决好热电堆热端散热问题,对系统制冷效率的提高起到至关重要的作用。
半导体制冷热端散热方式有很多种,包括空气自然对流、空气受迫对流、水冷散热、环流散热、利用物质的熔化潜热散热等。
基于可控硅移相控制的高精度半导体制冷温控系统
ｉ ． ℃ ． ａ ｏ ｄ ｐｏｐ ｃｓ ｓ０ １ ｈ ｓｇ ｏ ｒｓ ｅ ｔ．
Ｋｅ ｒ ｓ ｓ ｍｉｏ ｄ ｃｏ ｅｒｇ ｒｔ ｒ ｔ ｍｐ ｒ ｔ ｒ ｅ ｅ ｔ ｎ ｔ ｙ ｉｔｒ ｐ ａ ｅ ｔ ｍｐ ｒ ｔ ｒ ｏ ｔ ｌ ｙ ｗｏ ｄ ： ｅ ｃ ｎ ｕ ｔｒｒ ｆ ｅ ａｏ ；ｅ ｅ ａｕ ｅ ｄ ｔ ｃｉ ；ｈ ｒｓ ｈ ｓ ； ｉ ｏ ｏ ｅ ｅ ａｕ ｅ ｃ ｎ ｒ ｏ
ＦＡＮ ｎ－ ａ ， Ｅ ｎ— ａ Ｈａ ｂ ｉ ＸＩ Ｈａ ｈｕ
（ ｅ ａｔ ｎ ｆＥｅｔｏ ｉ ａ ｄＣ ｍｍｕ ｉ ｔ ｎＥ ｇ ｅｒ ｇ Ｎｏｔ ｈｎ ｌ ｔｉ Ｐ ｗｅ ｉｅｓｙ， ａｄｎ ７０ ３ Ｃ ｉａ Ｄ ｐ ｒｍｅ ｔ ｌｃｒｎｃ ｎ ｏ ｏ ｎｃｉ ｎ ｉ ｅｉ ， ｒｈＣ ｉａＥｅ ｒ ｏ ｒＵｎｖｒｉ Ｂ ｏ ｉｇ０ １０ ， ｈｎ ） ａｏ ｎ ｎ ｃ ｃ ｔ
２０１ 焦 ２
仪 表 技 术 与 传 感 器
Ｉ ｓｒ ｍｅ ｔ Ｔｅ ｈ ｉ ｕ ａ ｄ Ｓ ｎ ｏ ｎ ｔｕ ｎ ｃ ｎｑ ｅ ｎ ｅ ｓｒ
２ ２ ０１
第 ５期
Ｎ ． ｏ５
基 于可 控 硅移 相 控 制 的 高精 度 半 导体 制冷 温控 系统
范寒 柏 ， 汉 华 谢
半 导体制冷主要是珀 尔帖效应 的应 用 ， 因其具有 加热制 冷 双 向工 作 、 无震 动、 无噪音 、 可靠性高 、 安装 容易 、 热惯 性小 等特
点， 一经 问世 ， 便受 到科 学界 普遍关 注 。半 导体 的致 冷 量与其 工作 电流成 正 比， 改变工作电流 的方 向即可实 现制冷 和加热 的
０ 引 言
温度值进行 比较 ， ＰＤ算法计算 ， 出相应的 Ｐ 经 Ｉ 输 ＷＭ信号控制 可控 硅 的导通 角 大小 ， 改变 作用 到半 导体 制冷 片上 的电压 来 值 ， 而改变流过半 导体 制冷 片的 电流大小 ， 从 实现 改变半 导体
基于半导体制冷原理的小型高精度恒温控制器研究
恒温盒制冷器的散热器采用热管导热
式 散 热 器 ， 用 这 种 类 型 是 为 了有 效 提 高 采
散热器的散热效率 ，同时可以减小散热器
体积。 热 管工作 原理 是利 用 中空 的 圆柱形 管 ，热 管 两端 产 生 温 差 的 时 候 ，蒸 发端 的 液体就会迅速气化 ，将热量带 向冷凝端 ， 速度非 常快 。两端温差越大 ，蒸发速度越
３ ３绝热层材料选择 ． 传 统温 箱 采 用 的绝 热 材 料 一般 为 硅 酸
铝纤维棉 （ 热系数约为０ ２ ／ ・ 或 导 ．Ｗ ｍ ｋ） 苯板 等 （ 热 系数 约 为 ０ ４ ／ － ，但 导 ．Ｗ ｍ ｋ）
是一般 采用较 厚的绝 热 层来保证 保温 能 力， 这样就会增加 系统体积 ，与恒温设备 小型化的设计要求相矛盾。为 了提高恒温 盒的保温性能 ， 绝热 层采用微纳米超级绝 热材料 （ 又称超级绝热材料 ） 这种材料 是 。 以硅质微纳米 多孔 材料 、无机纤维 、黏合 剂等纯无机材料组 合而成 。 ３４ 制冷 片的设计 ．
帕 尔帖 效应 。电荷载体 在导体中运动时形 成 电流 ，由于 电荷载体在 不同的材料 中处 于 不同的能 级 ，当它从高 能级向低能级运 动 时 ，就 会 释 放 出 多余 的 热 量 。其 相 反 的
一
１ ３Ｐ Ｍ 控 制 方 式 ． Ｗ Ｐ Ｍ 控 制 方 式 主 要 是 以 一 种 脉 冲 形 Ｗ 式 对 器 件 进 行供 电 ， 通 过 调 节 对 供 电 器 并
１２ 温 度 控 制 原 理 ．
Ｉ Ｖｊ Ｉ
铡
门ｎ厂 蚺 ］
一
高精 度 恒 温控 制 器 ，采 用智 能 式 Ｐ 调 节 ， Ｉ Ｄ 可 实 现 自整 定控 温 。
半导体制冷器TEC的驱动与控制 (一)
半导体制冷器TEC的驱动与控制 (一)半导体制冷器TEC（Thermo-Electric Cooler）是一种利用Peltier效应产生制冷的器件，其主要应用于微电子、激光器、传感器等领域的温度控制。
TEC驱动与控制一直是半导体电子学领域的研究热点之一。
一、TEC驱动方式TEC的驱动方式分为两种：恒定电流驱动和恒定电压驱动。
其中，恒定电流驱动是指在TEC两端加上一个恒定电流，使其产生的热量与冷量相等，达到匀速制冷的效果；恒定电压驱动则是在TEC两端加上一个恒定电压，使其产生的冷量和热量成一定比例，达到不同的温度控制效果。
二、TEC控制方法TEC的控制方法主要分为三类：PID控制、H∞控制和模型预测控制。
其中，PID控制是目前最常用的一种控制方法，其基本原理是通过比较目标温度值与实际温度值之间的偏差，计算出一个控制量，再通过PID 算法进行控制，使温度达到稳定状态。
三、TEC控制参数TEC控制参数包括：电流、电压、温度、功率和效率。
其中，电流和电压的控制可以实现恒定电流和恒定电压的控制方式；温度的控制需要采集温度传感器数据并进行反馈控制；功率和效率则需要根据TEC的工作状态和应用环境来进行动态调整。
四、TEC驱动与控制电路TEC驱动与控制电路主要包括三个部分：TEC驱动模块、温度采集模块以及控制模块。
其中，TEC驱动模块主要实现对TEC的驱动，而温度采集模块则用来采集温度传感器的数据，控制模块则实现了对TEC的PID 控制功能。
五、TEC控制软件TEC控制软件可以实现对TEC的控制参数设置、PID参数调整、温度采集和数据分析等一系列功能。
此外，软件还可以根据用户的需求，实现定时控制、手动控制和自动控制等功能，为用户操作提供更加便利的选择。
总之，TEC驱动与控制是半导体电子学领域的研究热点，通过对TEC控制参数的实时调整，可以使TEC达到最佳的制冷效果，为半导体行业和生产领域提供更好的温度控制解决方案。
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福建农林大学物理实验要求及原始数据表格
1
实验16 半导体制冷与温度传感器
专业___________________ 学号___________________ 姓名
___________________ 一、预习要点
了解四种温度传感器的温度特性。
二、实验内容
1. 连接STC 半导体制冷温控仪与WT-1A 实验装置(DC 电源线连接风扇电源、双头立体声线连
接测温探头插孔、红黑导线连接半导体制冷片,此时暂时不要打开温控仪的电源; 2. 按照下图连接测量电路,测出室温下四个待测样品的阻值或电压值,用以估计室温;
NTC / PTC
万用表电阻档
E
R
PN
V
E
R
V
AD590
3. 打开温控仪电源,使其开始制冷/制热,以改变样品室温度从0℃变化到
50℃(每隔5℃测量一
次,记录不同温度值对应的热敏电阻的阻值,PN 结的压降值以及AD590测量电路中限流电阻上的压降值。
三、实验注意事项
1. 用立体声连线连接测温探头插孔后,方可接通电源,在电源接通时,不得插拨该连线;
2. 实验时应确认风扇正在转动中,不应频繁从高温到低温或从低温到高温;
3. 实验时应使测量温度指示窗内的温度值为0℃、5℃、…、50℃,由于样品室密封程度不够好,
样品室与外界之间存在热传递,因此需适当调高或调低设定温度,以进行温度补偿;
4. 测量阻值/电压值时,应注意万用表的表笔不得插错测量孔,选择合适的档位及量程(测阻值一
般使用2k 电阻档,测电压值一般使用2V 直流电压档。
四、原始数据记录表格
组号________ 同组人姓名____________________ 成绩__________ 教师签字
_______________
四种温度传感器的温度特性
室温下,NTC R =_______k Ω,PTC R =_______k Ω,PN U =_______V ,(AD590U R =_______V
样品 t /(℃ 20 25 30 35 40 45 50 NTC (/k R Ω AD590
(/V U (/μA I
五、数据处理要求
1. 用坐标纸画出热敏电阻的阻值与温度的关系图R t -,并用文字表达其温度特性;
福建农林大学物理实验要求及原始数据表格
2.用坐标纸画出PN结两端的压降与温度的关系图U t-,并用文字表达其温度特性;
3.通过限流电阻上的压降及其阻值,求出AD590的输出电流,用坐标纸画出电流与温度的关系
图I t-,并用文字表达其温度特性。
六、数据处理注意事项
画图时,自变量温度t应为横坐标,测量值为纵坐标。
应画出坐标轴,并标注每个坐标轴代表的物理量及其单位的符号,坐标轴上应合理分度。
描出所有实验点,再连线(不论直线或曲线都应是光滑的,最后在合适的位置写出图名。
七、思考题
1.温度传感器实验中的PN结,其电学特性是___________________,即将PN结接入电路中时,
必须让电流从它的________极流向________极(填“正”或“负”。
2.传统的制冷器是根据_______________原理设计的;电子制冷器是根据
_______________原理设
计的。
3.温度传感器实验中,研究PN结和AD590的温度特性时,都是通过测量该元器件两端的电压降
来获得所需要的数据。
以上表述是否正确,为什么?
2。