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普泰克-半導(dǎo)體控溫原理

來源:普泰克(上海)制冷設(shè)備技術(shù)有限公司   2025年07月10日 08:46  
半導(dǎo)體控溫技術(shù)主要基于珀?duì)柼?yīng)(Peltier Effect),通過半導(dǎo)體材料的電致溫差特性實(shí)現(xiàn)精確的溫度控制。其核心原理是利用直流電通過兩種不同半導(dǎo)體材料組成的電偶對時,在接口處產(chǎn)生吸熱或放熱現(xiàn)象,從而實(shí)現(xiàn)制冷或制熱,進(jìn)而精準(zhǔn)調(diào)節(jié)目標(biāo)物體的溫度。

一、核心原理:珀?duì)柼?yīng)

1834 年,法國物理學(xué)家讓 - 查理?珀?duì)柼l(fā)現(xiàn):當(dāng)兩種不同的導(dǎo)體(或半導(dǎo)體)組成閉合回路,且通入直流電時,兩個接口處會產(chǎn)生溫度差 —— 一個接口吸熱(制冷),另一個接口放熱(制熱),這種現(xiàn)象稱為珀?duì)柼?yīng)。


  • 半導(dǎo)體材料的選擇
    半導(dǎo)體(如碲化鉍 Bi?Te?及其合金)的珀?duì)柼?yīng)遠(yuǎn)強(qiáng)于金屬(金屬的效應(yīng)僅為半導(dǎo)體的 1/100~1/10),因此成為核心材料。其原理是:半導(dǎo)體中的載流子(電子或空穴)在電場作用下運(yùn)動時,會攜帶能量跨越不同材料的界面,導(dǎo)致能量(熱量)的轉(zhuǎn)移。
    • 當(dāng)電子從 P 型半導(dǎo)體(空穴導(dǎo)電)流向 N 型半導(dǎo)體(電子導(dǎo)電)時,接口處吸收熱量(制冷端);

    • 當(dāng)電子從 N 型半導(dǎo)體流向 P 型半導(dǎo)體時,接口處釋放熱量(制熱端)。

  • 可逆性:若改變電流方向,吸熱和放熱的接口會互換,即制冷端變制熱端,反之亦然,這一特性使其可靈活實(shí)現(xiàn)升溫和降溫控制。

二、半導(dǎo)體控溫系統(tǒng)的組成與工作流程

半導(dǎo)體控溫設(shè)備(如半導(dǎo)體溫控器、恒溫臺等)通常由以下部分組成,協(xié)同實(shí)現(xiàn)精確控溫:


  1. 半導(dǎo)體致冷片(TEC,Thermoelectric Cooler)
    • 核心元件,由多個 P 型和 N 型半導(dǎo)體顆粒交替排列,通過金屬導(dǎo)流片連接成電偶對,封裝在陶瓷基板之間(陶瓷絕緣且導(dǎo)熱)。

    • 一片 TEC 的制冷 / 制熱功率有限(通常幾瓦到數(shù)百瓦),實(shí)際應(yīng)用中可通過多片疊加或陣列組合提升功率。

  2. 溫度傳感器
    • 用于實(shí)時監(jiān)測被控對象的溫度(如熱電偶、鉑電阻 Pt100、NTC 熱敏電阻等),精度可達(dá) ±0.1℃甚至更高,為反饋控制提供數(shù)據(jù)。

  3. 控制電路(PID 控制器)
    • 若被控溫度高于設(shè)定值,控制 TEC 制冷端工作,電流方向使目標(biāo)端吸熱;

    • 若被控溫度低于設(shè)定值,切換電流方向,使目標(biāo)端放熱(制熱);

    • 通過微調(diào)電流強(qiáng)度,實(shí)現(xiàn)溫度的穩(wěn)定(波動可控制在 ±0.01℃以內(nèi),適用于高精度場景)。

    • 接收溫度傳感器的信號,與設(shè)定溫度對比后,通過 PID(比例 - 積分 - 微分)算法調(diào)節(jié)輸入 TEC 的電流大小和方向:

  4. 散熱系統(tǒng)
    • TEC 的制熱端(或制冷時的放熱端)會產(chǎn)生大量熱量,需通過散熱片、風(fēng)扇或水冷系統(tǒng)及時導(dǎo)出,否則會影響制冷效率甚至燒毀 TEC。


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