[激光器原理与应用-7]：半导体制冷片与TEC温控器

前言：

第1章半导体制冷片

1.1 概述

1.2 制冷器的工作效果

1.3 致冷器件的结构与原理

1.4 制冷片案例

1.5 制冷片的硬件接口

1.6 制冷器自身的扇热

1.7 制冷器的整体架构

1.8 更多信息参考：

第2章 TEC温控器

2.1 概述

2.2 硬件接口

2.3 工作原理

2.4 更多参数

第3章温控系统设计的注意事项

3.1 安装与散热

3.2 温度传感器

3.3 TEC制冷片的注意事项

3.4 TEC控制器的注意事项

前言：

在激光器中，需要通过晶体来改变光的特性，然而，光经过晶体时会产生热量，因此，需要把这些热量带走，传统的风冷、水冷不适合晶体的降温。

另外，晶体要能够正常工作，有时候需要加温，只有当晶体在特定恒定的温度时，晶体对光的特性的改变才会稳定。

这就要求，对晶体的温度进行精确的控制（包括升温和降温），传统的风冷和水冷都无法满足上述的要求。因此需要一种新的技术手段满足上述要求。半导体制冷片就这能够满足上述要求。

第1章半导体制冷片

1.1 概述

半导体制冷片是由半导体所组成的一种冷却装置，于1960年左右才出现。

半导体制冷片，也叫热电制冷片，是一种热泵。

它利用半导体材料的Peltier效应，当直流电通过两种不同半导体材料串联成的电偶时，在电偶的两端即可分别吸收热量和放出热量，可以实现制冷的目的。它是一种产生负热阻的制冷技术，其特点是无运动部件，可靠性也比较高。

电偶，是指由两个电量相等，距离很近的正负电荷所组成的一个总体。正电荷称为电偶的电源，负电荷称为电偶的电穴。

热电偶 thermocouple：热电偶是根据热电效应测量温度的传感器，是温度测量仪表中常用的测温元件. 热电偶是两个不同的金属原件焊接在一起，电流通过时会有压差，用压差来显示温度。

1.2 制冷器的工作效果

薄而轻巧，体积很小，不占空间，并可以携带，做成车用电冷/热保温箱，放置车上，不占空间，并可变成冰箱及保温箱，夏天可以摆上几瓶饮料，就可以便冰饮，在冬天就可以变成保温箱。

制冷器通电后，如上图所示，电流由A端流向B端的过程中，会吸收A端的能量，导致A端的温度下降，流经材料X, 回到B端是，重新释放能量，导致 B端的温度升高。

从宏观上看，制冷片通电后，由于电子的运动，会吸材料一面的能量，使得一面的温度降低，起到制冷的效果；同时，能量不凭空的消逝，被吸收的能量，会被携带到另一面，导致另一面温度的升高，在温度升高的一面，通过水冷或风冷，把能量散发到空气中，这样通电后，就起到了制冷的效果，这与空调制冷的效果类似，只不过，这里的材料不是氟利昂，而是硅半导体材料。

1.3 致冷器件的结构与原理

制冷器是由许多N型和P型半导体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、铝或其它金属导体，最后由两片陶瓷片像夹心饼干一样夹起来，陶瓷片必须绝缘且导热良好，外观如下图（3）所示，看起来像三明治。

冷热端分别由两片陶瓷片所构成，冷端要接热源，也就是欲冷却之。

其工作原理是由直流电源提供电子流所需的能量，通上电源后，电子负极（-）出发，首先经过P型半导体，于此吸热量，到了N型半导体，又将热量放出，每经过一个NP模块，就有热量由一边被送到令外一边造成温差而形成冷热端。

制冷器一个典型的应用就是用来替代散热片给CPU降温，它是利用冷端面来冷却CPU，而热端面散出的热量则必需靠风扇来排出。

制冷器也应用于做成车用冷/热保温箱，冷的方面可以冷饮机，热的方面可以保温热的东西。

1.4 制冷片案例

1.5 制冷片的硬件接口

硬件接口其实很简单，一个是电源的正极，一个电源的负极。

1.6 制冷器自身的扇热

制冷器直流通电后，通过电子的运动，把热量从冷面带到热面，热面的热量越来越高，冷面的温度降低，如果热面的热量无法被其他方式带走的话，制冷片就会受损害。

解决这个问题的办法：

（1）通过风冷或水冷，带走热面的热量。

（2）停止供电，避免热面的温度继续升高，TEC温控器, 就是采用的这种方式，确保制冷片保持一定的恒温。

1.7 制冷器的整体架构

制冷片的作用：就是把制冷对象的热量带到热面。

TEC温控器的作用：确保制冷对象的温度工作在目标温度上下：

当目标对象的温度高于目标温度是，给制冷片通电，让制冷片把目标对象的温度带走；
当目标对象的温度低于某个温度时，停止供电或反向供电，提高目标对象的温度。

散热装置：确保制冷片自身不会因为热面的温度过高而损坏。

传感器：获取目标对象的温度。

1.8 更多信息参考：

CP系列制冷片-12706-7103|TECooler一冷科技

第2章 TEC温控器

2.1 概述

用于驱动半导体制冷片TEC工作，实现双向（升温或降温）温度控制，具有优异的恒温性能；

输出模式也可软件设置为单向加热，用来驱动电阻发热式元件（比如陶瓷加热片/棒、PTC加热片）。

2.2 硬件接口

2.3 工作原理

温控模块有一个单片机，基本原理如下：

（1）通过RS232串口，设定目标温度。

（2）读取温度传感器的温度。

（3）计算当前的温度差。

（4）运行PID算法，计算PID

（5）把PID的值，转换成对TEC直流电压值，驱动TEC制冷或升温。

（6）如此反复，确保与温度传感器的目标对象的温度恒定在设定的温度范围内，通常温度的波动可以达到0.01°。

2.4 更多参数

TEC半导体致冷片温控模块选择指南 - 成都业贤科技有限公司

第3章温控系统设计的注意事项

温控是一个系统，涉及到TEC制冷片、TEC控制器、安装位置、扇热系统，任何一个环境出现问题，都可能导致制冷效果达不到目标要求。

温控板的直接被控对象一般是金属，比如铜块。但是注意，此处被控对象是对TEC 而言的，并不是真正需要控温的物体，真正需要控温的，其实是通过直接被控对象来间接控制的，我们可以叫做间接对象。真正需要控温的物体，也即间接对象，可能是放在上述直接对象中（比如激光倍频晶体，是包裹在直接对象中的），它是贴在直接对象上，给间接对象提供一个恒温的基础环境。而对 TEC而言，直接对象一般是金属，这是因为只有金属才能快速的传热，只有金属，本身的温差小，自身才能有一个一致的温度，同样也只有探头和金属的直接四围接触，才可以取得较快的响应时间。从以上的说明，也可以知道 NTC 放置位置的注意点。NTC 应该放置在整个被控对象中温度最稳定的地方，既不要太靠近间接对象（自身热量可能随工作状态快速变化），也不要太靠近 TEC（TEC 随工作量的变化，也可能引起其表面温度的快速变化）。

3.1 安装与散热

（1）TEC 作为一个平板，上下都要是平面金属才行。一边是散热基底，一边是被控金属对象。

（2）上下的金属要注意隔热。

（3）散热底座要足够的大，特别是需要制冷的系统，往往散热还要加入风冷。

（4）TEC 的直接被控对象是金属（与TEC的冷面相接触）

（5）客户真正需要控制的对象（比如晶体、丌规则物体、玻璃、空气、液体等）

往往是通过金属来间接控制的，想直接控制晶体是误区。

3.2 温度传感器

（1）温度探头的选型和安装极其重要。

探头往往要选小黑头类的小体积小相应时间的探头。

安装一般要在金属对象上打孔用 AB 胶埋入固化。

安装位置要在金属居中的位置，不要靠近 TEC，也不要靠近最终对象（如晶体，可能自身有热源）。

（2）温度传感器是有响应时间的，并不是立即就能感应到温度的变化。

3.3 TEC制冷片的注意事项

（1）TEC制冷片的标称电压不要低于温控板的输出电压，否则温控板输出最大电压时，TEC 本身就过载了，可能会把TEC制冷片烧坏。

（2）对于TEC控制板而言，TEC制冷片看成是一个电阻负载, 电阻值不能太小，即当TEC输出最大电压时，流经TEC的电流不能超过板子的标称电流，否则容易把TEC控制板烧坏。

（3）TEC电阻的计算

如12V6A 的 TEC，电阻值R=12V/6A = 2欧。

则当提供10V电压时，则实际的电流I = 10V/2 = 5A

（4）TEC并联时，注意，其工作电流不要超过TEC控制器的最大电流。

（5）TEC的功率直接影响制冷效果，当TEC的功率太少时，制冷的效果就受到影响。

（6）相同的功率下，制冷片的面积越大，制冷效果越好。

（7）TEC散热总的热量计算

在对TEC“热”面扇热时，除了考虑制冷面的热源产生的热量，直接热量还包括TEC制冷片自身产生的热量。如目标热源的产生的热量是10W, 制冷片自身产生20W的热量，总的散热要求就是10W+20W的散热要求。这也是制冷片耗能的主要原因。

（8）TEC 的效率和TEC 上下表面的温差相关

温差越大，效率越低。如果TEC 热面的散热没有做好，可能会造成温差越来越大，效率越来越低，直至整个系统失控，被控对象逐步升温的状态。

（9）并不是 TEC 的功率越大越好

比如 10A 的制冷能力就一定比 6A 的强。但并非一定要选10A制冷能力的制冷片。

TEC制冷片的电流越大，对TEC控制的输出电流能力要求越大，否则容易烧坏TEC控制器。

TEC制冷片功率，取决于目标生成的能量的大小和系统散热的效能。

（10）TEC的抗过压的能力

TEC 有一定的过电压能力，但是过压不能太多（比如不要超过 20%），过电压太多时，TEC 效率很低，发热严重，有损坏的风险。

3.4 TEC控制器的注意事项

（1）温控板的输端的电压不可空载测试，否则测量值无意义

（2）温控的延时

PID 算法（比例积分微分）有周期，需要调整很多周期才能最终稳定，也即温控是绝对滞后的。

当对象温度发生变化（微小的变化除外）到温度稳定，可能需要一分钟甚至更久的时间，因此希望‘绝对实时’控温本身就是不合逡辑的。控温的目的，是给上述间接对象提供一个温度相对稳定的基底环境，而并不是‘实时’的控制间接对象在一个恒定的温度。例如作为间接对象的激光晶体，当需要出光时，这个光脉冲就必须是正常的，这个正常的保证，肯定不是通过绝对滞后的温控来独自保证的，而是温控，加晶体本身的参数选择，激光器的工作模式，铜块的设计等综合因素一起决定的。

（3）关于PID 参数的调整

板子内置的默认 PID 参数，为一般最佳参数，厂家通常是针对金属类被控对象做了优化。在没有其他设计、安装问题的情冴下，一般不需要修改任何参数。

一般的PID算法的参数都是针对特定的应用场景的，有一定的限制条件，如果这些限制条件发生了变化，就需要修正PID的参数。

[激光器原理与应用-7]：半导体制冷片与TEC温控器相关推荐

[激光器原理与应用-4]：激光器的内部结构与工作原理
作者主页(文火冰糖的硅基工坊):文火冰糖(王文兵)的博客_文火冰糖的硅基工坊_CSDN博客本文网址: 目录第1章激光原理 1.1 概述 1.2 .受激吸收(简称吸收) 1.3 自发辐射 1.3 ...
基于模糊控制技术的汽车空调半导体制冷片送风控制系统研究
摘要:针对现有汽车空调的一些不足之处,利用半导体制冷片工作原理,在原有汽车空调制冷系统的基础上,对汽车空调送风系统进行了改进,旨在解决夏天刚启动空调不能快速制冷和制冷量供应不及时,且空调制冷必须启动汽 ...
薄膜热电化学电池性能测试中的半导体制冷片高精度度温度控制解决方案
摘要:电化学热电池(electrochemical thermcells)作为用于低品质热源的热电转换技术,是目前可穿戴电子产品的研究热点之一,使用中要求具有一定的温差环境.电化学热电池相应的性能测试 ...
基于TEC1-12706半导体制冷片的微型“小冰箱”
炎炎夏日,相信大家或多或少都会这样一种经历:上下班或者外出时,走在烈日当空的路上,仿佛整个人都快要被太阳给晒化了,迫不及待想跑进有空调的地方,来瓶冰镇饮料,甚至来点冰镇水果,那种感觉,简直爽歪歪! 作 ...
[激光器原理与应用-11]： 2022 年中国光纤激光器行业全景图谱
作者主页(文火冰糖的硅基工坊):文火冰糖(王文兵)的博客_文火冰糖的硅基工坊_CSDN博客本文网址: 目录第1章什么是激光器 1.1 什么是激光器 1.2 什么是光纤激光器第2章上下游产业链 ...
基于STM32的半导体制冷片控制系统设计
一些医疗检测仪器在检测时需要模拟人体温度环境以确保检测的精确性,本文以STM32为主控制器,电机驱动芯片DRV8834 为驱动器,驱动半导体致冷器(帕尔贴)给散热片加热或者制冷.但由于常规的温度控制存 ...
TEC温控器半导体制冷片驱动模块高精度温度控制器
18V10ATEC温度控制模块该温度控制器主要针对采用半导体TEC制冷片的温控系统设计,支持宽范围的TEC电压和电流,控温精度0.01°,适用于半导体激光器激光二极管的精确控温及倍频晶体的温控等,同 ...
[激光器原理与应用-5]：激光二极管LD (Laser Diode)与激光二极管驱动器(LD驱动器）
作者主页(文火冰糖的硅基工坊):文火冰糖(王文兵)的博客_文火冰糖的硅基工坊_CSDN博客本文网址: 目录第1章什么是半导体激光二极管 1.1 半导体激光二极管概述 1.2 什么是泵浦源 1.3 ...
[激光器原理与应用-8]：激光器电路的电磁兼容性EMC设计
目录第1章什么是电磁兼容性EMC 1.1 什么是EMC 1.2 电磁兼容设计要求 1.3 电磁干扰源 1.4 电磁干扰传播途径 1.5 电磁兼容的主要研究对象第2章提高电磁兼容性的措施 2.1 ...

[激光器原理与应用-7]：半导体制冷片与TEC温控器

前言：