Новости

О нас

О журнале Р&С

Архив Р&С

номера

разделы

Анонсы Р&C

ПОКУПАЕМ от АдоЯ

Архив АдоЯ

Файловый архив

Приглашаем

Реклама

Подписка

Где купить

Наши партнеры

Поиск Р&С

ТРИЗ

Запчасти

Архив_новости

В.Дьяконов, А.Ремнев, В.Смердов

Термоэлектрические охлаждающие устройства

Тер­мо­эле­к­т­ри­че­с­кие ох­лаж­да­ю­щие ус­т­рой­ст­ва (ТОУ) при­ме­ня­ют­ся для ох­лаж­де­ния и тер­мо­ста­ти­ро­ва­ния тер­мо­чув­ст­ви­тель­ных эле­мен­тов ра­дио­эле­к­трон­ной и оп­ти­че­с­кой ап­па­ра­ту­ры, а так­же в бы­то­вых и транс­порт­ных хо­ло­диль­ни­ках, тер­мо­ста­тах, ме­ди­ко-би­о­ло­ги­че­с­ких при­бо­рах и др. Эти ус­т­рой­ст­ва име­ют ряд прин­ци­пи­аль­ных пре­иму­ществ пе­ред обыч­ны­ми си­с­те­ма­ми при­ну­ди­тель­но­го ох­лаж­де­ния: ком­пакт­ность, лег­кость ре­гу­ли­ров­ки тем­пе­ра­ту­ры, ма­лую инер­ци­он­ность. ТОУ об­ла­да­ют удоб­ной и гиб­кой ха­рак­те­ри­с­ти­кой и не­слож­ным пе­ре­во­дом из ре­жи­ма ох­лаж­де­ния в ре­жим на­гре­ва­ния. Они от­ли­ча­ют­ся про­сто­той уп­рав­ле­ния, воз­мож­но­с­тью точ­но­го ре­гу­ли­ро­ва­ния тем­пе­ра­ту­ры, бес­шум­но­с­тью, хо­ро­ши­ми мас­со-­га­ба­рит­ны­ми по­ка­за­те­ля­ми, вы­со­кой на­деж­но­с­тью ра­бо­ты и име­ют прак­ти­че­с­ки не­о­гра­ни­чен­ный срок служ­бы.

ТОУ — это ус­т­рой­ст­ва для пе­ре­но­са теп­ло­вой энер­гии от теп­ло­пе­ре­дат­чи­ка с низ­кой тем­пе­ра­ту­рой к теп­ло­при­ем­ни­ку с вы­со­кой тем­пе­ра­ту­рой, дей­ст­вие ко­то­рых ос­но­ва­но на эф­фек­те Пель­тье. Ос­нов­ным функ­ци­о­наль­ным уз­лом ТОУ яв­ля­ет­ся тер­мо­эле­к­т­ри­че­с­кая ба­та­рея, на­бран­ная из эле­к­т­ри­че­с­ки со­еди­нен­ных меж­ду со­бой тер­мо­эле­мен­тов. При про­хож­де­нии эле­к­т­ри­че­с­ко­го то­ка (от внеш­не­го ис­точ­ни­ка) че­рез тер­мо­эле­мент воз­ни­ка­ет раз­ность тем­пе­ра­тур меж­ду го­ря­чим и хо­лод­ным спа­я­ми тер­мо­эле­мен­та. При этом на хо­лод­ном спае теп­ло­та по­гло­ща­ет­ся из ох­лаж­да­е­мо­го ве­ще­ст­ва и пе­ре­да­ет­ся го­ря­че­му сплаю и да­лее в ок­ру­жа­ю­щую сре­ду.

Эф­фект Пель­тье объ­яс­ня­ет­ся тем, что в раз­но­род­ных про­вод­ни­ках ки­не­ти­че­с­кая энер­гия эле­к­тро­нов раз­лич­на. Ес­ли на­прав­ле­ние то­ка та­ко­во, что эле­к­тро­ны с боль­шей энер­ги­ей пе­ре­хо­дят в про­вод­ник с мень­шей энер­ги­ей эле­к­тро­нов, то про­ис­хо­дит вы­де­ле­ние теп­ла на кон­так­те за счет пе­ре­да­чи из­бы­точ­ной энер­гии эле­к­тро­на кри­с­тал­ли­че­с­кой ре­шет­ке. Ес­ли же на­прав­ле­ние то­ка та­ко­во, что эле­к­тро­ны с мень­шей энер­ги­ей пе­ре­хо­дят в про­вод­ник с боль­шей энер­ги­ей эле­к­тро­нов, про­ис­хо­дит ох­лаж­де­ние кон­так­та, так как при­шед­ший эле­к­трон дол­жен вос­пол­нить не­до­ста­ю­щую энер­гию за счет энер­гии ре­шет­ки.

Ко­ли­че­ст­во вы­де­лен­но­го или по­гло­щен­но­го теп­ла

Q = P·I·t,

где P — ко­эф­фи­ци­ент Пель­тье (ЭДС Пель­тье); I — си­ла то­ка; t — вре­мя.

Од­но­вре­мен­но в це­пи тер­мо­эле­мен­та вы­де­ля­ет­ся теп­ло­та, ко­то­рая пе­ре­да­ет­ся к хо­лод­но­му спаю за счет теп­ло­про­вод­но­с­ти.

Осо­бен­но яр­ко эф­фект Пель­тье про­яв­ля­ет­ся на гра­ни­це по­лу­про­вод­ни­ков с ды­роч­ной и эле­к­трон­ной про­во­ди­мо­с­тью (рис. 1). Раз­ни­ца ки­не­ти­че­с­кой энер­гии но­си­те­лей по обе сто­ро­ны кон­так­та при этом осо­бен­но ве­ли­ка. При дви­же­нии эле­к­тро­нов из эле­к­трон­но­го по­лу­про­вод­ни­ка в ды­роч­ный в ме­с­те кон­так­та (конт. 2) про­ис­хо­дит ре­ком­би­на­ция эле­к­тро­нов и ды­рок. Эле­к­трон при этом из зо­ны про­во­ди­мо­с­ти по­па­да­ет в ва­лент­ную зо­ну и энер­гия вза­и­мо­дей­ст­вия эле­к­тро­на и дыр­ки пе­ре­хо­дит в теп­ло. Оно вы­де­ля­ет­ся на кон­так­те, и тем­пе­ра­ту­ра кон­так­та ста­новится боль­ше тем­пе­ра­ту­ры ок­ру­жа­ю­щей сре­ды Т₀, то есть Т₂ > Т₀.

Рис. 1. Зонная диаграмма контакта

полупроводника с металлом

Рис. 2. Конструкции термоэлементов, предусматривающие снижение

механических напряжений

Рис. 3. Виды соединений

термоэлементов в термобатарею

Рис. 4. Способы каскадного соединения термобатарей

Рис. 5. Конструкция трехкаскадного модуля

Рис. 6. Примеры маркировки термоэлектрических модулей

Рис. 7. Принципиальная схема регулируемого источника электропитания ПТМ

Эле­к­тро­ны в n-об­ла­с­ти и дыр­ки в p-об­ла­с­ти от­тя­ги­ва­ют­ся от конт. 1. При этом эле­к­тро­ны из ва­лент­ной зо­ны ды­роч­но­го по­лу­про­вод­ни­ка втя­ги­ва­ют­ся по­лем p-n пе­ре­хо­да в зо­ну про­во­ди­мо­с­ти эле­к­трон­но­го по­лу­про­вод­ни­ка. Воз­ни­ка­ю­щие в ре­зуль­та­те тер­мо­ге­не­ра­ции эле­к­тро­ны и дыр­ки дви­жут­ся в сто­ро­ну от кон­такта, а по­сколь­ку на со­зда­ние эле­к­трон­но-ды­роч­ных пар бы­ла за­тра­че­на энер­гия De, то она вос­пол­ня­ет­ся за счет энер­гии ре­шет­ки. Это при­во­дит к ох­лаж­де­нию кон­так­та.

Тер­мо­эле­мен­ты ха­рак­те­ри­зу­ют­ся эф­фек­тив­но­с­тью ох­лаж­де­ния

Z = a²·s/l,

где a — тер­мо­эле­к­т­ри­че­с­кий ко­эф­фи­ци­ент; s и l — удель­ные эле­к­т­ро- и теп­ло­про­вод­но­с­ти со­от­вет­ст­вен­но.

Оче­вид­но, что КПД тер­мо­эле­мен­та тем боль­ше, чем вы­ше эле­к­т­ро­про­вод­ность по­лу­про­вод­ни­ко­во­го ма­те­ри­а­ла, так как при этом умень­ша­ет­ся вну­т­рен­нее со­про­тив­ле­ние и по­те­ри на теп­ло, и тем мень­ше, чем боль­ше его теп­ло­про­вод­ность, так как при этом уве­ли­чи­ва­ет­ся по­ток теп­ла от го­ря­че­го спая к хо­лод­но­му. Па­ра­метр Z яв­ля­ет­ся функ­ци­ей тем­пе­ра­ту­ры и кон­цен­т­ра­ции но­си­те­лей за­ря­да, при­чем для каж­дой за­дан­ной тем­пе­ра­ту­ры су­ще­ст­ву­ет оп­ти­маль­ное зна­че­ние кон­цен­т­ра­ции, при ко­то­рой ве­ли­чи­на Z мак­си­маль­на. На­и­боль­шей эф­фек­тив­но­с­тью ох­лаж­де­ния об­ла­да­ют по­лу­про­вод­ни­ки. При из­го­тов­ле­нии тер­мо­эле­мен­тов обыч­но ис­поль­зу­ют та­кие по­лу­про­вод­ни­ко­вые ма­те­ри­а­лы как халь­ко­ге­ни­ды ви­с­му­та и сурь­мы. Та­кие со­еди­не­ния яв­ля­ют­ся уз­ко­зон­ны­ми по­лу­про­вод­ни­ка­ми с вы­со­кой по­движ­но­с­тью но­си­те­лей.

Теп­ло­вой ба­ланс кон­так­тов тер­мо­эле­мен­та скла­ды­ва­ет­ся из теп­ло­ты Пель­тье, по­гло­ща­е­мой на них, и джо­уле­ва теп­ла, вы­де­ля­е­мо­го при про­хож­де­нии то­ка. При этом тем­пе­ра­ту­ра ох­лаж­да­е­мо­го спая бу­дет по­ни­жать­ся при от­бо­ре теп­ла до тех пор, по­ка по­ток теп­ла, вы­зван­но­го эф­фек­том Пель­тье, не урав­но­ве­сит­ся встреч­ным по­то­ком, вы­зван­ным теп­ло­про­вод­но­с­тью и стре­мя­щим­ся вы­ров­нять тем­пе­ра­ту­ры хо­лод­но­го и го­ря­че­го спа­ев. Мак­си­маль­ная раз­ность тем­пе­ра­тур, по­лу­ча­е­мая на кон­цах тер­мо­эле­мен­та при про­пу­с­ка­нии че­рез не­го то­ка, свя­за­на с ве­ли­чи­ной эф­фек­тив­но­с­ти вы­ра­же­ни­ем

DT_макс = ZT²₀/2,

где T_{0 —} тем­пе­ра­ту­ра хо­лод­но­го спая тер­мо­эле­мен­та.

Со­вре­мен­ные по­лу­про­вод­ни­ко­вые ТОУ обес­пе­чи­ва­ют сни­же­ние тем­пе­ра­ту­ры от +20 до –200°С, их хо­ло­до­про­из­во­ди­тель­ность, как пра­ви­ло, не бо­лее 100 Вт.

От пра­виль­но­го кон­ст­рук­тив­но­го ре­ше­ния еди­нич­но­го тер­мо­эле­мен­та в зна­чи­тель­ной сте­пе­ни за­ви­сит ка­че­ст­вен­ная ра­бо­та все­го тер­мо­ох­лаж­да­ю­ще­го ус­т­рой­ст­ва. Ос­нов­ным тре­бо­ва­ни­ем, ко­то­ро­му долж­на удов­ле­тво­рять ра­ци­о­наль­ная кон­ст­рук­ция тер­мо­эле­мен­та, яв­ля­ет­ся ус­т­ра­не­ние или зна­чи­тель­ное умень­ше­ние ме­ха­ни­че­с­ких на­пря­же­ний, воз­ни­ка­ю­щих в по­след­нем в ре­зуль­та­те сжа­тия хо­лод­ных и рас­ши­ре­ния го­ря­чих ком­му­та­ци­он­ных пла­с­тин.

При под­клю­че­нии к тер­мо­эле­мен­ту пи­та­ю­ще­го на­пря­же­ния верх­няя ком­му­та­ци­он­ная пла­с­ти­на на­чи­на­ет ох­лаж­дать­ся и со­от­вет­ст­вен­но сжи­мать­ся. Ниж­няя, на­обо­рот, на­чи­на­ет на­гре­вать­ся и рас­ши­рять­ся. В ре­зуль­та­те это­го воз­ни­ка­ет па­ра сил. Под вли­я­ни­ем этих сил в тер­мо­эле­мен­те со­зда­ют­ся зна­чи­тель­ные ме­ха­ни­че­с­кие на­пря­же­ния, ко­то­рые мо­гут при­ве­с­ти к раз­ру­ше­нию по­след­не­го.

По­сколь­ку пол­но­стью ус­т­ра­нить ме­ха­ни­че­с­кие на­пря­же­ния не пред­став­ля­ет­ся воз­мож­ным, бы­ло раз­ра­бо­та­но не­сколь­ко кон­ст­рук­ций тер­мо­эле­мен­тов, в ко­то­рых ме­ха­ни­че­с­кие на­пря­же­ния сни­же­ны на­столь­ко, что они не при­во­дят к вы­хо­ду тер­мо­эле­мен­та из строя. Од­на из них пре­ду­с­ма­т­ри­ва­ет ис­поль­зо­ва­ние воз­мож­но бо­лее ко­рот­кой хо­лод­ной ком­му­та­ци­он­ной пла­с­ти­ны. В со­от­вет­ст­вии с этим вет­ви тер­мо­эле­мен­та не долж­ны быть да­ле­ко раз­не­се­ны од­на от дру­гой.

Вто­рой из воз­мож­ных кон­ст­рук­тив­ных ва­ри­ан­тов тер­мо­эле­мен­та со­сто­ит в том, что хо­лод­ная ком­му­та­ци­он­ная пла­с­ти­на из­го­тав­ли­ва­ет­ся в ви­де рес­со­ры (рис. 2, а). В этом слу­чае под вли­я­ни­ем воз­ни­ка­ю­щих в тер­мо­эле­мен­те ме­ха­ни­че­с­ких на­пря­же­ний она бу­дет из­ги­бать­ся, не вы­хо­дя за пре­де­лы уп­ру­гой де­фор­ма­ции. Ес­те­ст­вен­но, что се­че­ние рес­со­ры долж­но быть та­ким, что­бы про­хо­дя­щий че­рез нее ра­бо­чий ток не вы­де­лял за­мет­но­го ко­ли­че­ст­ва джо­уле­ва теп­ла.

На рис. 2, б изо­б­ра­же­на дру­гая кон­ст­рук­ция хо­лод­ной ком­му­та­ци­он­ной пла­с­ти­ны, в ко­то­рой сде­ла­но два иду­щих на­вст­ре­чу друг дру­гу сме­щен­ных тон­ких про­пи­ла. В ме­с­те А об­ра­зу­ет­ся до­ста­точ­но тон­кая пе­ре­мыч­ка не­боль­шой дли­ны, вы­пол­ня­ю­щая роль уп­ру­гой пла­с­ти­ны. Бла­го­да­ря не­зна­чи­тель­ной дли­не пе­ре­мыч­ка не вно­сит зна­чи­тель­но­го со­про­тив­ле­ния в эле­к­т­ри­че­с­кую цепь тер­мо­эле­мен­та.

Дру­гой путь умень­ше­ния вред­но­го вли­я­ния ме­ха­ни­че­с­ких на­пря­же­ний, воз­ни­ка­ю­щих в тер­мо­эле­мен­те, пре­ду­с­ма­т­ри­ва­ет со­зда­ние дем­пфи­ру­ю­щих сло­ев меж­ду вет­вя­ми тер­мо­эле­мен­та и ком­му­та­ци­он­ны­ми пла­с­ти­на­ми. Дем­пфи­ру­ю­щий слой дол­жен быть из­го­тов­лен из ма­те­ри­а­ла, об­ла­да­ю­ще­го до­ста­точ­ной пла­с­тич­но­с­тью и ма­лым оми­че­с­ким со­про­тив­ле­ни­ем.

На рис. 2, в изо­б­ра­же­на кон­ст­рук­ция по­доб­но­го тер­мо­эле­мен­та. К обе­им вет­вям 3, пред­ва­ри­тель­но за­лу­жен­ным лег­ко­плав­ким ком­му­та­ци­он­ным при­по­ем, при­па­и­ва­ют­ся свин­цо­вые пла­с­тин­ки 2 и 4. За­тем к ним при­па­и­ва­ют­ся верх­няя 1 и ниж­няя 5 ком­му­та­ци­он­ные пла­с­ти­ны. В ре­зуль­та­те хо­ро­шей пла­с­тич­но­с­ти свин­ца при­ме­не­ние та­ких дем­пфи­ру­ю­щих про­кла­док прак­ти­че­с­ки пол­но­стью сни­ма­ет ме­ха­ни­че­с­кие на­пря­же­ния, воз­ни­ка­ю­щие в тер­мо­эле­мен­те.

На рис. 2, г по­ка­зан тер­мо­эле­мент, в ко­то­ром роль дем­пфе­ра вы­пол­ня­ют срав­ни­тель­но тол­стые про­слой­ки ви­с­му­та 3 и 5, на­не­сен­ные на вет­ви тер­мо­эле­мен­та 4 и 8. При­пай­ка вет­вей к ком­му­та­ци­он­ным пла­с­ти­нам 1 и 7 осу­ще­ств­ля­ет­ся лег­ко­плав­ким ком­му­та­ци­он­ным спла­вом 2 и 6.

Тер­мо­эле­к­т­ри­че­с­кие ба­та­реи со­би­ра­ют­ся из по­сле­до­ва­тель­но со­еди­нен­ных тер­мо­эле­мен­тов, со­сто­я­щих из вет­вей р- и n-ти­па, свя­зан­ных че­рез ком­му­та­ци­он­ные пла­с­ти­ны, при этом ко­ли­че­ст­во тер­мо­эле­мен­тов мо­жет до­сти­гать не­сколь­ких со­тен. Обыч­но тер­мо­эле­мен­ты рас­по­ла­га­ют­ся та­ким об­ра­зом, что­бы все хо­лод­ные спаи вы­хо­ди­ли на од­ну сто­ро­ну ба­та­реи, а все го­ря­чие — на дру­гую (рис. 3, а-б).

Ино­гда тер­мо­эле­мен­ты со­еди­ня­ют­ся в ба­та­рею так, что ток про­хо­дит по ним, не ме­няя сво­е­го на­прав­ле­ния (рис. 3,в). Ком­му­та­ци­он­ные пла­с­ти­ны, слу­жа­щие ре­б­ра­ми, вы­во­дят­ся в раз­ные сто­ро­ны для хо­лод­ных и го­ря­чих спа­ев со­от­вет­ст­вен­но. Эта схе­ма поз­во­ля­ет умень­шить по­те­ри от вы­де­ле­ния теп­ла в ком­му­та­ци­он­ных пла­с­ти­нах, так как дли­на пу­ти то­ка в этом слу­чае ми­ни­маль­на. На­пря­же­ния из­ги­ба в по­лу­про­вод­ни­ках, воз­ни­ка­ю­щие от раз­лич­но­го рас­ши­ре­ния хо­лод­ной и го­ря­чей сто­рон ба­та­реи, ко­то­рые бы­ва­ют до­воль­но зна­чи­тель­ны­ми в обыч­ной схе­ме, в этом слу­чае от­сут­ст­ву­ют. Од­на­ко при та­кой схе­ме боль­ше по­те­ри от пе­ре­те­ка­ния теп­ла с го­ря­чей сто­ро­ны на хо­лод­ную по теп­ло­изо­ля­ции во­круг тер­мо­эле­мен­тов. Кро­ме то­го, бо­лее длин­ный путь для теп­ло­во­го по­то­ка вдоль ком­му­та­ци­он­ной пла­с­ти­ны, при мень­шем по­пе­реч­ном се­че­нии для оди­на­ко­вых ком­му­та­ци­он­ных пла­с­тин, вы­зы­ва­ет по­вы­шен­ные пе­ре­па­ды тем­пе­ра­тур по срав­не­нию с обыч­ной схе­мой. Тер­мо­эле­к­т­ри­че­с­кая ба­та­рея мо­жет быть со­зда­на и без ком­му­та­ци­он­ных пла­с­тин из од­но­го мо­но­кри­с­тал­ла (рис. 3, г).

По­лу­про­вод­ни­ко­вые тер­мо­эле­к­т­ри­че­с­кие мо­ду­ли (ПТМ) пред­став­ля­ют со­бой уни­фи­ци­ро­ван­ные од­но- или мно­го­ка­с­кад­ные ба­та­реи из по­сле­до­ва­тель­но или па­рал­лель­но-по­сле­до­ва­тель­но вклю­чен­ных тер­мо­эле­мен­тов. Мно­го­ка­с­кад­ные (мно­го­уров­не­вые) мо­ду­ли поз­во­ля­ют по­лу­чить пе­ре­пад тем­пе­ра­тур зна­чи­тель­но боль­ший, чем од­но­ка­с­кад­ные. В ря­де при­бо­ров, где теп­ло­вая на­груз­ка на тер­мо­эле­мен­ты не­ве­ли­ка, ши­ро­ко ис­поль­зу­ют­ся двух­ка­с­кад­ные мо­ду­ли. При кон­ст­ру­и­ро­ва­нии их ос­нов­ные за­да­чи сво­дят­ся к осу­ще­ств­ле­нию то­ко­под­во­да ко вто­ро­му ка­с­ка­ду и со­зда­нию эле­к­т­ро­изо­ля­ци­он­но­го пе­ре­хо­да меж­ду го­ря­чи­ми спа­я­ми вто­ро­го ка­с­ка­да и хо­лод­ным спа­ем пер­во­го ка­с­ка­да. Со­зда­ние то­ко­под­во­дов для пи­та­ния вто­ро­го ка­с­ка­да тер­мо­эле­к­т­ри­че­с­ко­го мо­ду­ля — весь­ма от­вет­ст­вен­ная за­да­ча, так как то­ко­под­вод дол­жен удов­ле­тво­рять двум ис­клю­ча­ю­щим друг дру­га ус­ло­ви­ям. С од­ной сто­ро­ны, он дол­жен об­ла­дать до­ста­точ­ным се­че­ни­ем, что­бы в нем не вы­де­ля­лось в зна­чи­тель­ном ко­ли­че­ст­ве джо­уле­во теп­ло, ко­то­рое бу­дет со­зда­вать вред­ную теп­ло­вую на­груз­ку на тер­мо­эле­мен­ты, и, с дру­гой сто­ро­ны, то­ко­под­вод дол­жен об­ла­дать боль­шим теп­ло­вым со­про­тив­ле­ни­ем, что­бы све­с­ти к ми­ни­му­му при­ток теп­ла че­рез не­го из ок­ру­жа­ю­щей сре­ды к тер­мо­эле­мен­там.

Эле­к­т­ри­че­с­кое со­еди­не­ние ка­с­ка­дов мо­жет про­из­во­дить­ся по­сле­до­ва­тель­но или па­рал­лель­но. При по­сле­до­ва­тель­ном со­еди­не­нии ка­с­ка­ды (рис. 4, а) раз­де­ля­ют­ся теп­ло­пе­ре­хо­да­ми. Со­еди­не­ние верх­не­го ка­с­ка­да с ниж­ним про­из­во­дит­ся пу­тем за­мы­ка­ния их ком­му­та­ци­он­ных пла­с­тин: го­ря­чей — верх­не­го ка­с­ка­да и хо­лод­ной — ниж­не­го.

При па­рал­лель­ном со­еди­не­нии (рис. 4, б) теп­ло­пе­ре­хо­ды не нуж­ны, так как каж­дая па­ра верх­не­го ка­с­ка­да под­клю­че­на па­рал­лель­но к хо­лод­ным спа­ям двух пар ниж­не­го ка­с­ка­да. Од­на­ко при этом воз­ни­ка­ет не­со­гла­со­ван­ность по на­пря­же­нию, так как оп­ти­маль­ные па­де­ния на­пря­же­ния в раз­лич­ных тем­пе­ра­тур­ных ин­тер­ва­лах раз­лич­ны. Это не­сколь­ко сни­жа­ет эф­фек­тив­ность ра­бо­ты по срав­не­нию с по­сле­до­ва­тель­ным со­еди­не­ни­ем. Мож­но со­еди­нить па­рал­лель­но це­ли­ком верх­ний и ниж­ний ка­с­ка­ды, что ус­т­ра­ня­ет не­со­гла­со­ван­ность, но тог­да не­об­хо­ди­мы теп­ло­пе­ре­хо­ды, так как оп­ти­маль­ное чис­ло эле­мен­тов в ка­с­ка­дах бу­дет раз­ное (рис. 4, в).

Для рас­пре­де­ле­ния теп­ла при пе­ре­хо­де от од­но­го ка­с­ка­да к дру­го­му, при раз­ном чис­ле эле­мен­тов в ка­с­ка­дах, меж­ду теп­ло­пе­ре­хо­да­ми ка­с­ка­дов по­ме­ща­ют пла­с­ти­ну из ма­те­ри­а­ла с хо­ро­шей теп­ло­про­вод­но­с­тью.

Теп­ло­об­мен внеш­ней сре­ды с ТОУ на­и­бо­лее про­сто осу­ще­ств­ля­ет­ся воз­ду­хом при про­пу­с­ка­нии его вдоль оре­б­рен­ных ком­му­та­ци­он­ных пла­с­тин. Дви­же­ние воз­ду­ха про­из­во­дит­ся как ес­те­ст­вен­ной кон­век­ци­ей, так и при­ну­ди­тель­ной по­да­чей с по­мо­щью вен­ти­ля­то­ра.

На­и­бо­лее пред­по­чти­тель­ным яв­ля­ет­ся теп­ло­об­мен при ес­те­ст­вен­ной цир­ку­ля­ции воз­ду­ха, так как при этом не тре­бу­ет­ся ни­ка­ких дви­жу­щих­ся ча­с­тей, а так­же спе­ци­аль­ных теп­ло­от­во­дя­щих сред, что обес­пе­чи­ва­ет на­и­боль­шую на­деж­ность. Бес­шум­ность ра­бо­ты при та­ком теп­ло­об­ме­не так­же со­став­ля­ет, в ря­де слу­ча­ев, су­ще­ст­вен­ное пре­иму­ще­ст­во. За­зо­ры меж­ду ре­б­ра­ми при ес­те­ст­вен­ном теп­ло­об­ме­не от­но­си­тель­но ве­ли­ки, вслед­ст­вие че­го они ма­ло под­вер­же­ны за­со­ре­нию. Од­на­ко теп­ло­от­вод с ес­те­ст­вен­ной кон­век­ци­ей тре­бу­ет очень гро­мозд­ких и тя­же­лых оре­б­ре­ний. Пе­ре­па­ды тем­пе­ра­тур на та­ких оре­б­ре­ни­ях до­ста­точ­но ве­ли­ки вслед­ст­вие не­боль­ших зна­че­ний ко­эф­фи­ци­ен­та теп­ло­от­да­чи и ма­ло­го ко­ли­че­ст­ва воз­ду­ха, про­хо­дя­ще­го че­рез оре­б­ре­ние. Это вы­зы­ва­ет силь­ный на­грев воз­ду­ха и по­вы­ше­ние сред­ней его тем­пе­ра­ту­ры меж­ду ре­б­ра­ми. Ре­б­ра нель­зя рас­по­ла­гать слиш­ком тес­но из-за ухуд­ше­ния теп­ло­от­да­чи, что ог­ра­ни­чи­ва­ет ве­ли­чи­ну теп­ло­пе­ре­да­ю­щей по­верх­но­с­ти. При на­ли­чии тол­стой теп­ло­изо­ля­ции для пе­ре­да­чи теп­ла от спа­ев к оре­б­ре­нию не­об­хо­ди­мы мас­сив­ные теп­ло­про­во­ды.

Улуч­шить теп­ло­об­мен мож­но, при­ме­нив ис­кус­ст­вен­ный про­дув воз­ду­ха вен­ти­ля­то­ром. При этом силь­но воз­ра­с­та­ют ко­эф­фи­ци­ен­ты теп­ло­от­да­чи, по­ни­жа­ет­ся сред­няя тем­пе­ра­ту­ра по­то­ка (из-за сбро­са теп­ла на боль­шее ко­ли­че­ст­во воз­ду­ха), и ре­б­ра мож­но рас­по­ла­гать с очень не­боль­ши­ми за­зо­ра­ми меж­ду ни­ми, что поз­во­ля­ет раз­ме­с­тить боль­шую по­верх­ность теп­ло­от­да­чи. Оре­б­ре­ние по­лу­ча­ет­ся бо­лее лег­ким и ком­пакт­ным, но оно бо­лее слож­но в из­го­тов­ле­нии, мо­жет за­со­рять­ся при дли­тель­ной экс­плу­а­та­ции, тре­бу­ет до­ро­гих уз­лов — эле­к­т­ро­дви­га­те­ля и вен­ти­ля­то­ра, при ра­бо­те воз­ни­ка­ет шум, дви­га­тель по­треб­ля­ет эле­к­т­ро­энер­гию. На­ли­чие дви­жу­щих­ся ча­с­тей вы­зы­ва­ет не­об­хо­ди­мость в спе­ци­аль­ном ухо­де за ус­та­нов­кой.

Ес­ли теп­ло пе­ре­да­ет­ся из­лу­че­ни­ем, то для уве­ли­че­ния теп­ло­пе­ре­да­чи на из­лу­ча­ю­щие по­верх­но­с­ти же­ла­тель­но на­но­сить по­кры­тия с боль­шой сте­пе­нью чер­но­ты.

Для ло­каль­но­го ох­лаж­де­ния и ста­би­ли­за­ции тем­пе­ра­ту­ры ма­ло­га­ба­рит­ных эле­мен­тов ра­дио­эле­к­трон­ной ап­па­ра­ту­ры оте­че­ст­вен­ной про­мы­ш­лен­но­с­тью раз­ра­бо­тан и вы­пу­с­ка­ет­ся уни­фи­ци­ро­ван­ный ряд по­лу­про­вод­ни­ко­вых тер­мо­эле­к­т­ри­че­с­ких мо­ду­лей ти­па ТМ. Па­ра­ме­т­ры не­ко­то­рых из них при­ве­де­ны в табл. 1-4. Эти мо­ду­ли ха­рак­те­ри­зу­ют­ся сле­ду­ю­щей си­с­те­мой па­ра­ме­т­ров:

I_макс, А — ток мо­ду­ля, при ко­то­ром до­сти­га­ет­ся мак­си­маль­ный пе­ре­пад тем­пе­ра­тур DТ_макс в от­сут­ст­вии теп­ло­вой на­груз­ки;

U_макс, В — на­пря­же­ние на мо­ду­ле, при ко­то­ром до­сти­га­ет­ся DТ_макс;

Q_макс, Вт — хо­ло­до­про­из­во­ди­тель­ность мо­ду­ля при мак­си­маль­ном то­ке и DТ_макс = 0;

DТ_макс, К — мак­си­маль­ный пе­ре­пад тем­пе­ра­тур при I_макс и от­сут­ст­вии теп­ло­вой на­груз­ки.

На рис. 6 пред­став­ле­ны ти­пы мар­ки­ро­вок тер­мо­эле­к­т­ри­че­с­ких мо­ду­лей ти­па ТМ.

В не­ко­то­рых мо­ду­лях по­сле мак­си­маль­но­го зна­че­ния то­ка в мар­ки­ров­ке ука­зы­ва­ют­ся кон­ст­рук­тив­ные осо­бен­но­с­ти ис­пол­не­ния:

М — с по­вы­шен­ной ви­б­ро­ус­той­чи­во­с­тью;

С — с ан­ти­кор­ро­зий­ным по­кры­ти­ем;

S — c до­пол­ни­тель­ной за­щи­той от вла­ги.

Важ­ным уз­лом эле­к­трон­ных ус­т­ройств ох­лаж­де­ния яв­ля­ет­ся ис­точ­ник эле­к­т­ро­пи­та­ния ПТМ. От­но­си­тель­но боль­шие по­сто­ян­ные то­ки и ма­лые ра­бо­чие на­пря­же­ния ПТМ со­зда­ют оп­ре­де­лен­ные про­бле­мы при про­ек­ти­ро­ва­нии для них вы­со­ко­эко­но­мич­ных ис­точ­ни­ков эле­к­т­ро­пи­та­ния. При ра­бо­те ПТМ в нем воз­ни­ка­ет про­ти­во-ЭДС, по­это­му ис­точ­ник пи­та­ния дол­жен об­ла­дать ха­рак­те­ри­с­ти­ка­ми ис­точ­ни­ка то­ка. Для из­ме­не­ния тем­пе­ра­тур­но­го ре­жи­ма этот ток дол­жен быть ре­гу­ли­ру­е­мым. При не­об­хо­ди­мо­с­ти ста­би­ли­за­ции тем­пе­ра­тур­но­го ре­жи­ма та­кой ис­точ­ник дол­жен лег­ко вклю­чать­ся в си­с­те­му ав­то­ма­ти­че­с­ко­го ре­гу­ли­ро­ва­ния.

Этим тре­бо­ва­ни­ям удов­ле­тво­ря­ет схе­ма, вы­пол­нен­ная на ба­зе ре­гу­ля­то­ра па­рал­лель­но­го ти­па и ис­пы­тан­ная в од­ном из ус­т­ройств ох­лаж­де­ния [2].

Та­кой ис­точ­ник поз­во­ля­ет обес­пе­чить оп­ти­маль­ный ре­жим ра­бо­ты си­ло­во­го клю­ча, вы­пол­нен­но­го на по­ле­вом тран­зи­с­то­ре, не­кри­тич­ность к ре­жи­му ко­рот­ко­го за­мы­ка­ния на­груз­ки, со­дер­жит ми­ни­маль­ное ко­ли­че­ст­во эле­мен­тов и обес­пе­чи­ва­ет галь­ва­ни­че­с­кую раз­вяз­ку меж­ду пи­та­ю­щей и вы­ход­ной це­пя­ми. Так как ко­ли­че­ст­во теп­ла, от­во­ди­мо­го ПТМ, за­ви­сит от ве­ли­чи­ны про­пу­с­ка­е­мо­го че­рез не­го то­ка, то ре­гу­ли­руя ток ис­точ­ни­ка пи­та­ния с по­мо­щью пе­ре­мен­но­го ре­зи­с­то­ра, мож­но из­ме­нять тем­пе­ра­тур­ный ре­жим ох­лаж­да­е­мой по­верх­но­с­ти.

При не­об­хо­ди­мо­с­ти ис­поль­зо­ва­ния при­ну­ди­тель­но­го об­ду­ва го­ря­чей гра­ни воз­ду­хом с по­мо­щью ма­ло­га­ба­рит­но­го вен­ти­ля­то­ра, его пи­та­ние мо­жет осу­ще­ств­лять­ся не­по­сред­ст­вен­но от это­го же ис­точ­ни­ка то­ка.

Ли­те­ра­ту­ра

1. Тер­мо­эле­к­т­ри­че­с­кие ох­ла­ди­те­ли. Под ред. А.Л. Вай­не­ра. — М.: Ра­дио и связь, 1993.

2. В.П. Дья­ко­нов, А. А. Мак­сим­чук, А.М. Рем­нев, В.Ю. Смер­дов. Эн­цик­ло­пе­дия ус­т­ройств на по­ле­вых тран­зи­с­то­рах. — М.: СО­ЛОН-Р, 2002.

Свежий номер

Опрос