如何设计一个Peltier模块系统

由布鲁斯·罗斯

如何设计一个Peltier模块系统

珀尔帖模块,也被称为热电模块,当需要精确控制物体的温度时,往往是有效的热管理解决方案的核心。虽然它们可以用于加热或冷却物体,但Peltier模块最常见的用途是将物体冷却到低于环境温度。因为它们通常是作为一个组件而不是一个完整的系统提供的,所以需要一些设计工作来正确地集成和驱动模块。Peltier热系统的设计并不困难,但对热电模块特性的基本了解有助于确保成功的应用。为了简单起见,本文假设Peltier模块正在冷却感兴趣的对象。然而,应该指出的是,加热物体的设计考虑是相同的,除了一个事实,供电的电压和电流的极性是相反的(通过模块的热流的方向也是相反的)。

珀尔帖模块系统

下图显示了使用Peltier模块控制对象温度时所需的基本子系统。Peltier模块是系统中的关键元素,但其他元素也是必要的。热电模块将从被冷却的物体传递热量,而需要一个散热片来散热通过Peltier模块传递的热量和从电源产生的热量。电源提供操作Peltier设备所需的电流,与热监控器相连的外部反馈回路允许系统精确控制被冷却物体的温度。

一个典型的Peltier模块系统结构示意图
典型的Peltier模块系统构造

Peltier模块的初始选择标准

Peltier模块通常根据应用程序的热要求来选择。由此,可以确定所需的电流和相关的驱动电压。最重要的热条件是整个模块传递的热量,整个Peltier模块的最高温度,以及模块的最高热侧温度。Peltier制造商通常提供一系列热电模块,这些模块将服务于给定的一组热条件,并使一系列的电源电流和电压操作值。关于选择Peltier设备的详细讨论,请阅读我们的“如何选择Peltier模块”博客文章。

为Peltier模块供电

Peltier模块最容易被描述为当前的draw。应用所需的电流水平是通过评估所选佩尔蒂尔器件的特性曲线来确定的。影响所需电流的主要参数是要传递的热功率、要保持的温度和模块的工作温度。虽然Peltier模块的特性是由电流决定的,但可以使用可控电压源为设备供电,并提供所需的工作电流。通过查看所选热电模块的规格曲线(看例子).

控制供应给Peltier模块的电压

在某些应用中,目的是使Peltier模块以连续提供最大冷却量的方式运行。在这些情况下,对Peltier设备施加恒定的电压,根据数据表中的表征图可以确定产生的负载电流和冷却。

带电压源的Peltier模块系统设计示意图
恒压Peltier模块系统设计

然而,在其他应用中,Peltier模块被实现来保持一个对象在一个受控的温度。这些设计利用热传感器,如热电偶、固态温度传感器或红外传感器来监测物体的温度。温度数据通过热控制回路反馈到电源,以调整施加到Peltier模块的电压(或电流)。控制施加到热电模块的电压的一种常见方法是在标准电源的输出上包括脉冲宽度调制(PWM)阶段。外部PWM级是必要的,因为许多电源没有能力轻松地在大范围内调整输出电压。PWM级的输出电压也应该经过滤波,使其显示出小于5%左右的纹波。更高的纹波电压不会损坏Peltier模块,但会降低其性能系数(COP),并可能导致被冷却物体的电气噪声问题。热控制回路的设计可以以多种形式实现,因为需要低回路带宽。此外,如果温度控制系统需要冷却和加热物体,则控制的电压或电流的极性需要是可逆的。

带PWM级的Peltier模块系统设计示意图
带PWM级的Peltier模块系统设计

计算所有热源

当供电时,Peltier设备通过模块传递热量。除了传递的热量,热电模块在运行过程中产生额外的热量,由于电力被应用。Peltier系统的热解决方案必须能够驱散通过Peltier模块传递的热量以及自身产生的热量。在COP较低的系统中,Peltier设备的电气操作产生的热量将显著大于其传热。环境温度和散热器解决方案的有效性将决定Peltier模块的最高工作温度和系统的性能。

通过Peltier模块的典型热流示意图
通过Peltier模块的典型热流

总结

采用Peltier模块的系统可以是一种极其有效的方法来控制对象的温度。与传统的压缩机和基于耗散加热器的温度控制配置相比,这些系统具有优势,它们可以在任何方向运行,通常更小、更轻、更节能,同时表现出更低的电气噪声和噪音。标准组件还可以用于配置Peltier模块应用程序所需的几乎所有子系统。这使得Peltier模块成为一个有趣的选择,当涉及到OB欧宝 设计你的下一个项目。

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布鲁斯·罗斯

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技术因素

Bruce Rose在电子行业的设计、销售和市场营销工作了多年,他专注于模拟电路和电源交付。欧宝体育手机版ios他的工作经验包括组织和主持国际研讨会,在40多个技术会议和期刊上发表和发表文章,并获得了7项专利。在享受工作的同时,布鲁斯更享受与家人一起徒步旅行、骑自行车和划独木舟的时光,同时他也在追求自己对全尺寸和模型航空的热爱。

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