電熱半導體 制冷 片(組件)利用帕爾貼(Peltier)效應進行 制冷 。Peltier效應是指電流通過電熱偶時，一個節(jié)點發(fā)熱，另外一個節(jié)點吸熱的現(xiàn)象。這是由法國物理學家Jean Peltier在1834年發(fā)現(xiàn)的。

到了1960年左右，出現(xiàn)了利用N型、P型半導體材料制作的 制冷 片。因其體積小、 制冷 快、壽命長、無噪聲等優(yōu)點而被廣泛應用在軍事、醫(yī)療、實驗裝置中的 制冷 。

^一片半導體制冷片^

為了提高 制冷 片的效能，通常半導體 制冷 片中包含眾多由N、P型半導體組成的 制冷 小單元。它們組成陣列排列，相互之間電氣上是串聯(lián)在一起。它們的冷端和熱端則是并聯(lián)在一起，夾兩片陶瓷片之間進行固定。

^左：^^一個制冷單元;^^右：^^串聯(lián)在一起的制冷單元陣列^

制冷 片外部引線具有正負極性，由紅、黑兩種顏色區(qū)分。改變電流方向，就會改變 制冷 片的吸熱和發(fā)熱表面。

^TEC1-12706半導體制冷片^

02制冷片外部特性

由于 制冷 片是半導體材料制成，同時又具有熱電效應，所以直接使用數(shù)字萬用表測量 制冷 片外部引線，就會發(fā)現(xiàn)輸出的阻值會在很大范圍內(nèi)變化，并且隨著 制冷 片受熱而劇烈變化。

下圖實驗顯示當手觸碰 制冷 片表面時，數(shù)字萬用表讀出的阻值發(fā)生很大的變化。

使用數(shù)字萬用表測量制冷片的電阻

手摸 制冷 片，引起 制冷 片兩面溫度發(fā)生變化，使得測量電阻改變。真正的原因是 制冷 片產(chǎn)生電壓，使得數(shù)字萬用表讀出的電阻阻值不準確。

直接使用數(shù)字萬用表可以測量到 制冷 片兩邊的電壓。當在 制冷 面使用手掌加熱室， 制冷 片輸出負電壓。當噴射酒精將 制冷 面降溫時， 制冷 片輸出正電壓。

^改變半導體制冷片兩邊溫度會引起輸出電壓改變極性^

制冷 片既然可以產(chǎn)生電壓，也可以產(chǎn)生電流。下圖顯示使用數(shù)字萬用表的測量電流檔對 制冷 片輸出電流測量。

將手放在 制冷 片一個表面時， 制冷 片輸出的電流接近1mA左右。

^半導體制冷單元輸出電流^

03制冷片逆過程

既然半導體 制冷 片在有溫度差的情況下能夠輸出電壓和電流，所以可以用于發(fā)電。下圖顯示的是一個使用 制冷 片發(fā)電去給手機充電的系統(tǒng)。

在鍋里放置冷水、冰塊等。在鍋底貼有 制冷 片，通過煤氣罐從 制冷 片底下加熱。 制冷 片就會產(chǎn)生電能供給手機充電了。

^發(fā)電鍋原理^

當然了，上述發(fā)電方式效率是不高的。 制冷 片的實際用途還是用于 制冷 。

04測量制冷片變化過程

由于 制冷 片熱慣量很小，所以它的 制冷 速度非常快。使用紅外攝像頭觀察 制冷 片在通有電流時的溫度變化，可以看到在幾秒鐘之內(nèi) 制冷 片便達到熱平衡了。

實驗中的 制冷 片工作在外部12V電壓下，流經(jīng)的電流約3.4A。

^紅外攝像頭下顯示制冷片在通過電流時的發(fā)熱端溫度變化^

^紅外攝像頭下顯示制冷片在通過電流時的吸熱端溫度變化^

在通過電流時， 制冷 片在冷熱兩端會產(chǎn)生一定的溫度差。如果將 制冷 片的發(fā)熱端使用散熱片進行散熱，來降低熱端的溫度，這樣會使得吸熱端的溫度也得到了進一步降低。

下圖顯示了通過導熱膠粘貼在散熱片上的 制冷 片。

^使用導熱膠將制冷片粘貼在散熱片上^

工作在12V，3.4A下的 制冷 片。經(jīng)過散熱器將 制冷 片的發(fā)熱面溫度保持在室溫，則 制冷 表面的溫度很快就會達到零下30度。

05制冷下的實驗

在 制冷 表面滴下自來水滴，它很快就會凝結成冰。

在下圖實驗中，在水滴中加入了兩個電極，使用萬用表測量電極之間的電阻。在室溫下，水滴中電極之間的電阻大約是100k歐姆左右，隨著溫度降低，電阻增加。當水滴凝結成冰時，電極之間的電阻就會上升到10M歐姆。

^水滴中電極電阻隨著結冰和融化過程的變化曲線^

當關掉 制冷 片電源，溫度上升，冰重新融化成水滴后，電極兩端的電阻重新回到100k左右。這個實驗顯示水和冰的導電性能相差很大。

對于 制冷 片上的溫度測量，可以使用鉑電阻、熱電偶、半導體溫度傳感器進行測量。使用普通的二極管也可以進行測量。

二極管的正向導通電流與端口電壓之間的關系為下面公式所描述：

公式中：

Is:反向飽和電流，它與二極管的型號和溫度有關系。

k:玻爾茲曼常數(shù)：1.38E-23 J/K

q:電子電荷：1.609E-19 C

T:溫度，開爾文

上面公式顯示在相同電壓下溫度T越高，流過的電流越小。但實際二極管的電流曲線和溫度的關系卻是，隨著溫度增加，流過的電流就越大，表明二極管是一個負溫度系數(shù)的器件。如下圖所示：

^1N4148二極管在三種溫度下的電壓-電流關系^

實際二極管之所以具有導通特性負溫度系數(shù)，主要原因是在二極管電壓電流公式中，反向飽和電流Is也與溫度有關系，并且隨著溫度的增加而急劇增加。Is的增加遮蓋了二極管電壓電流公式中指數(shù)中的溫度T的影響。

根據(jù)二極管負溫度系數(shù)特性，在固定流過二極管電流時(比如流經(jīng)二極管電流為恒定的1mA)，二極管兩端的電壓則會隨著溫度的升高而降低。

下圖顯示了在五種不同導通電流下1N4148二極管端口電壓與溫度之間的曲線。顯示了電壓與溫度之間良好的線性關系。利用這種關系可以利用普通的二極管完成溫度的測量。

^在不同的導通電流下二極管前向電壓與溫度之間的關系^

下面動圖顯示了放在 制冷 片上的二極管在通有1mA恒流情況下隨著降溫時間出現(xiàn)的端口電壓的變化。在玻璃封裝的二極管周圍滴有自來水，最終降溫使得水凝固成冰，將二極管凍在 制冷 片上。

動圖顯示，隨著溫度降低，二極管端口電壓上升。由于電壓與溫度之間呈現(xiàn)反向線性關系，所以將下面的曲線上下顛倒過來看，可以認為是 制冷 片上表面溫度隨著時間降低的曲線。

^二極管導通電壓隨著降溫過程而發(fā)生變化^

將上面的二極管更換成一個510歐姆的小型金屬膜電阻，使用數(shù)字萬用表測量電阻阻值。

下圖顯示隨著降溫，電阻被最終凍結在 制冷 片上。電阻的數(shù)字大約增加了6歐姆左右。這個實驗結果也是非常奇怪的。通常情況下，電阻的阻值應該隨著溫度的升高而增加，不知道為何在這個實驗中所使用的電阻則是隨著溫度的降低而增加阻值。

^金屬膜電阻隨著溫度降低阻值變化曲線^

上面實驗顯示金屬膜電阻的溫度系數(shù)非常小。

下面是對一個小型鋁電解電容的溫度實驗。電解電容的標稱值為10uF/16V。將電容橫放在 制冷 片上，并用自來水滴在電容與 制冷 片之間以加強傳熱性能。

隨著 制冷 進行，電解電容溫度降低并最終被水冰凍在 制冷 片上。電解電容的容值從最初的9.4uF降低到8.2uF。

^電解電容隨著溫度降低容量變化曲線^