對紅外探測器,激光器和光電倍增管等光電器件的制冷。比如,德國Micropelt公司的半導(dǎo)體制冷器占用面積非常小,只有1mm2,可以和激光器一起使用TO封裝。
溫室里面過高或過低的溫度,都將導(dǎo)致秧苗壞死,尤其部分名貴植物對環(huán)境更加敏感,迫切需要將適宜的溫度檢測及控制系統(tǒng)應(yīng)用于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)。
半導(dǎo)體溫控系統(tǒng)在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用更為廣泛。如:用于蛋白質(zhì)功能研究、基因擴增的高檔PCR儀、電泳儀及一些智能精確溫控的恒溫儀培養(yǎng)箱等;用于開發(fā)具有特殊溫度平臺的掃描探針顯微鏡等。
激光技術(shù)用美容儀器,微型零件加工等,其在工作中都產(chǎn)生局部熱,通過半導(dǎo)體制冷器,采用水冷或微型制冷器冷卻。
如實驗用的顯微鏡攝像頭,冷阱、冷箱、冷槽、電子低溫測試裝置、各種恒溫、高低溫實驗儀片
空調(diào)、冷熱兩用箱、飲水機、電子信箱、電腦以及其他電器等。此外,還有其它方面的應(yīng)用,這里就不一一提了
半導(dǎo)體制冷器件大致可以分為四類
(1)用于冷卻某一對象或者對某個特定對象進行散熱,這種情況大量出現(xiàn)在電子工業(yè)領(lǐng)域中;
(2)用于恒溫,小到對個別電子器件維持恒溫 ,大到如制造恒溫槽,空調(diào)器等;
(3)制造成套儀器設(shè)備,如環(huán)境實驗箱,小型冰箱,各種熱物性測試儀器等;
(4)民用產(chǎn)品,冷藏烘烤兩用箱,冷暖風機等。
半導(dǎo)體制冷技術(shù)簡介
材料是當今世界的三大支柱產(chǎn)業(yè)之一,材料是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ),尤其是近幾十年來隨著人類科學(xué)技術(shù)的進步,材料的發(fā)展更是日新月異,新材料層出不窮,其中半導(dǎo)體制冷材料就是其中的一個新興的熱門材料,其實半導(dǎo)體制冷技術(shù)早在二十世紀三十年代就已經(jīng)出現(xiàn)了,但其性能一直不盡如人意,
這個首先是由半導(dǎo)體制冷片本身功率決定的,一但半導(dǎo)體制冷片確定了,個人實踐發(fā)現(xiàn)主要還是要散熱做得足夠好,才能達到很好的制冷效果。至于調(diào)節(jié)冷端溫度,在相同散熱條件下,這就是你的控制算法的問題了。你可以簡單...
導(dǎo)語:半導(dǎo)體這個東西對于大家來說肯能是比較陌生的,因為半導(dǎo)體是一種科研上用的東西,在我們?nèi)粘I钪惺潜容^少見的。我們?nèi)粘I钪幸姷降闹饕且恍┌雽?dǎo)體制作的產(chǎn)品,比如說我們常用的半導(dǎo)體收音機以及半導(dǎo)...
我是專做電器研發(fā)的,半導(dǎo)體制冷的效率只有50-65%左右,從環(huán)保能效角度不建議采用半導(dǎo)體制冷。你要求的大約比環(huán)境溫度低10~20度是目前半導(dǎo)體制冷無法達到的,在密閉環(huán)境下,如果散熱能滿足時,大約在24...
半導(dǎo)體制冷器的尺寸小,可以制成體積不到1cm3的制冷器;重量輕,微型制冷器能夠做到只有幾十克甚至數(shù)克;無機械傳動部分,工作中無噪音,無液態(tài)、氣態(tài)工作介質(zhì),因而不污染環(huán)境,制冷參數(shù)不受空間方向以及重力影響,在大的機械過載條件下,能夠正常地工作;通過調(diào)節(jié)工作電流的大小,可方便調(diào)節(jié)制冷速率;通過切換電流方向,可使制冷器從制冷狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橹茻峁ぷ鳡顟B(tài);作用速度快,使用壽命長,且易于控制。
半導(dǎo)體制冷器件的工作原理是基于帕爾帖原理,該效應(yīng)是在1834年由J.A.C帕爾帖首先發(fā)現(xiàn)的,即利用當兩種不同的導(dǎo)體A和B組成的電路且通有直流電時,在接頭處除焦耳熱以外還會釋放出某種其它的熱量,而另一個接頭處則吸收熱量,且帕爾帖效應(yīng)所引起的這種現(xiàn)象是可逆的,改變電流方向時,放熱和吸熱的接頭也隨之改變,吸收和放出的熱量與電流強度I[A]成正比,且與兩種導(dǎo)體的性質(zhì)及熱端的溫度有關(guān),即: Qab=Iπab
πab稱做導(dǎo)體A和B之間的相對帕爾帖系數(shù) ,單位為[V], πab為正值時,表示吸熱,反之為放熱,由于吸放熱是可逆的,所以πab=-πab
帕爾帖系數(shù)的大小取決于構(gòu)成閉合回路的材料的性質(zhì)和接點溫度,其數(shù)值可以由賽貝克系數(shù)αab[V.K-1]和接頭處的絕對溫度T[K]得出πab=αabT與塞貝克效應(yīng)相,帕爾帖系也具有加和性,即:
Qac=Qab+Qbc=(πab+πbc)I
因此絕對帕爾帖系數(shù)有πab=πa- πb
金屬材料的帕爾帖效應(yīng)比較微弱,而半導(dǎo)體材料則要強得多,因而得到實際應(yīng)用的溫差電制冷器件都是由半導(dǎo)體材料制成的。
AVIoffe和AFIoffe指出,在同族元素或同種類型的化合物質(zhì)間,晶格熱導(dǎo)率Kp隨著平均原子量A的增長呈下降趨勢。RWKeyes通過實驗推斷出,KpT近似于Tm3/2ρ2/3A-7/6成比例,即近似與原子量A成正比,因此通常應(yīng)選取由重元素組成的化合物作為半導(dǎo)體制冷材料。
半導(dǎo)體制冷材料的另一個巨大發(fā)展是1956年由AFIoffe等提出的固溶體理論,即利用同晶化合物形成類質(zhì)同晶的固溶體。固溶體中摻入同晶化合物引入的等價置換原子產(chǎn)生的短程畸變,使得聲子散射增加,從而降低了晶格導(dǎo)熱率,而對載流子遷移率的影響卻很小,因此使得優(yōu)值系數(shù)增大。例如50%Bi2Te3-50%Bi2Se3固溶體與Bi2Te3相比較,其熱導(dǎo)率降低33%,而遷移率僅稍有增加,因而優(yōu)值系數(shù)將提高50%到一倍。
Ag(1-x)Cu(x)Ti Te、Bi-Sb合金和YBaCuO超導(dǎo)材料等曾經(jīng)成為半導(dǎo)體制冷學(xué)者的研究對象,并通過實驗證明可以成為較好的低溫制冷材料。下面將分別介紹這幾種熱電性能較好的半導(dǎo)體制冷材料。
二元固溶體,無論是P型還是N型,晶格熱導(dǎo)率均比Bi2Te3有較大降低,但N型材料的優(yōu)值系數(shù)卻提高很小,這可能是因為在Bi2Te3中引入Bi2Se3時,隨著
Bi2Se3摩爾含量的不同呈現(xiàn)出兩種不同的導(dǎo)電特性,勢必會使兩種特性都不會很強,通過合適的摻雜雖可以增強材料的導(dǎo)電特性,提高材料的優(yōu)值系數(shù),但歸根結(jié)底還是應(yīng)該在本題物質(zhì)上有所突破。
Bi2Te3 和Sb2Te3是菱形晶體結(jié)構(gòu),Sb2Se3是斜方晶體結(jié)構(gòu),在除去大Sb2Se3濃度外的較寬組份范圍內(nèi),他們可以形成三元固溶體。無摻雜時,此固溶體呈現(xiàn)P型導(dǎo)電特性,通過合適的摻雜,也可以轉(zhuǎn)變?yōu)镹型導(dǎo)電特性。在二元固溶體上添加Sb2Se3有兩個優(yōu)點:首先是提高了固溶體材料的禁帶寬度。其次是可以進一步降低晶格熱導(dǎo)率,因此Sb2Se3不論是晶體結(jié)構(gòu)還是還是平均原子量,都與Bi2Te3 和Sb2Te3相差很大。當三元固溶體中Sb2Te3+5% Sb2Se3的總摩爾含量在55%~75%范圍時,晶格熱導(dǎo)率最低,約為0.8×10-2W/cm K,這個值要略低于二元時的最低值0.9×10-2W/cm K。
但是,添加Sb2Se3也會降低載流子的遷移率,將會降低優(yōu)值系數(shù),因此必須控制Sb2Se3的含量。
AgTi Te材料由于具有很低的熱導(dǎo)率(k=0.3 W/cm K),因此如能通過合適的摻雜提高其載流子遷移率μ和電導(dǎo)率σ,將有可能得到較高的優(yōu)值系數(shù)Z。RMAyral-Marin等人通過實驗研究,發(fā)現(xiàn)將AgTi Te和CuTi Te通過理想的配比形成固溶體,利用Cu原子替換掉部分Ag原子后,可以得到一種性能較好的P型半導(dǎo)體制冷材料Ag(1-x)Cu(x)Ti Te,其中x在0.3左右時,材料的熱電性能最好。由此可見Ag(1-x)Cu(x)Ti Te的確是一種較好的P型半導(dǎo)體制冷材料。
無摻雜的Bi-Sb合金是目前20K到220K溫度凡內(nèi)優(yōu)值系數(shù)最高的半導(dǎo)體制冷材料,其在富Bi區(qū)域內(nèi)為N型,而當Sb含量超過75%時將轉(zhuǎn)變?yōu)镻型。在Bi的單晶體中引入Sb,沒有改變晶體結(jié)構(gòu),也沒有改變載流子(包括電子和空穴)濃度,但是拉大了導(dǎo)帶和禁帶之間的寬度。Sb的含量為0~5%時禁帶寬度約為0eV,即導(dǎo)帶和禁帶相連,屬于半金屬;Sb含量在5%~40%時,禁帶寬度值基本是在0.005eV左右,當Sb的含量在12%~15%時,達到最大,約為0.014eV,屬于窄帶本征半導(dǎo)體。由上文所述,禁帶寬度的增加必將提高材料的溫差電動勢。80K到110K溫度范圍內(nèi),是Bi85Sb15的優(yōu)值系數(shù)最高,高溫時則是Bi92Te8最高。
根據(jù)上面的介紹可知,在50K到200K的溫度范圍內(nèi),性能最好的半導(dǎo)體制坑材料是n型Bi(100-x)Sbx合金,其中Sb的含量在8%~15%。在100K零磁場的情況下,Bi-Sb合金的最高優(yōu)值系數(shù)可達到6.0×10-3K-1,而基于Bi、Te的p型固溶體材料在100K時的優(yōu)值系數(shù)卻低于2.0×10-3K-1并且隨著溫度的下降迅速減小。因此,必須尋找一種新的p型低溫熱電材料,以和n型Bi-Sb合金組成半導(dǎo)體制冷電對。利用高Tc氧化物超導(dǎo)體代替p型材料,作為被動式p型電臂(稱為HTSC臂,即High Tc Supercon-ducting Legs),理論上可以提高電隊的優(yōu)值系數(shù),經(jīng)過實驗證明也確實可行。半導(dǎo)體制冷電對在器件兩臂滿足最佳截面比時的最佳優(yōu)值系數(shù)為:
zmax= (1)
式中的下標p和n分別對應(yīng)p型材料和n型材料。由于HTSC超導(dǎo)材料的溫差電動勢率α幾乎為零,但其電導(dǎo)率無限大,因此熱導(dǎo)率κ和電導(dǎo)率δ的比值κ/δ卻是無限小的,這樣式(1)可以簡化為:
zmax(HTSC)=
即由n型熱電材料和HTSC臂所組成的制冷電對的優(yōu)值系數(shù),將等于n型材料的優(yōu)值系數(shù)。
Mosolov A B等人分別利用以SrTiO3座基地的YBaCuO超導(dǎo)薄膜和復(fù)合YBaCuO-Ag超導(dǎo)陶瓷片作為被動式HTSC臂材料,用Bi91Sb9合金作為n型材料,制成單級半導(dǎo)體制冷器。實驗結(jié)果表明:利用YBaCuO超導(dǎo)薄膜制成的制冷器,熱端溫度維持在85K,零磁場時可達到9.5K的最大制冷溫差,加上0.07T橫向磁場時能達到14.4K;利用YBaCuO-Ag超導(dǎo)陶瓷片制成的單擊制冷器,熱端溫度維持在77K時,相應(yīng)的最大制冷溫差分別是11.4K和15.7K。從半導(dǎo)體制冷器最大制冷溫差計算公式,可以反算出80Kzuoyou這種制冷電對的優(yōu)值系數(shù)約為6.0×10-3K-1,可見這種電對組合是有著很好的應(yīng)用潛力的。隨著高Tc超導(dǎo)體材料的發(fā)展,這種制冷點隊的熱端溫度將會逐漸提高,優(yōu)值系數(shù)也將逐漸增大,必將獲得更廣泛的應(yīng)用。
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半導(dǎo)體制冷技術(shù)原理與應(yīng)用——文章介紹了半導(dǎo)體制冷原理及特點,半導(dǎo)體制冷技術(shù)的應(yīng)用,半導(dǎo)體制冷技術(shù)研究熱點及前景展望,
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半導(dǎo)體制冷及其在微電子裝置中的應(yīng)用——本文主要介紹半導(dǎo)體制冷的基本原理及主仲技術(shù)在計算機散熱設(shè)計中的應(yīng)用.
福州大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院、國網(wǎng)福建省電力有限公司電力科學(xué)研究院、福建省高供電可靠性配電技術(shù)企業(yè)重點實驗室的研究人員許立彬、高源、高偉,在2017年第12期《電氣技術(shù)》雜志上撰文,研制了基于WSN及半導(dǎo)體制冷的變電站端子箱防潮控溫裝置。
裝置利用半導(dǎo)體制冷特性使水汽在制冷終端中凝結(jié)成水排出,并建立無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)與主站系統(tǒng)的信息交互,能夠同時實現(xiàn)實時監(jiān)控與有效除濕控溫的功能。
軟件設(shè)計上,采用卡爾曼濾波算法優(yōu)化監(jiān)測數(shù)據(jù),運用在線變增益PID算法控制輸出,以達到準確、快速控制的目的,并提出了通信報文完整性識別的方法及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組建方案。現(xiàn)場運行試驗表明,所設(shè)計的裝置運行可靠,能有效解決端子箱凝露問題。
端子箱是變電站的重要設(shè)備,是變壓器、開關(guān)等室外電氣設(shè)備與室內(nèi)保護、測量、通信等二次設(shè)備連接的中間環(huán)節(jié),一般安裝于戶外高壓設(shè)備附近以便于安裝、調(diào)試等,因此其工作條件受環(huán)境因素影響較大[1]。
當端子箱所處環(huán)境濕度較大時,若箱體密封不嚴或其他原因造成水汽進入,易在溫度較低、濕度較大處產(chǎn)生凝結(jié)成露的現(xiàn)象,即凝露。一旦產(chǎn)生凝露,將大大縮短端子箱壽命,同時加速電氣設(shè)備的腐蝕,使二次端子接觸不良。
若凝露滴至端子排則可能導(dǎo)致端子排短接,引起一系列故障甚至產(chǎn)生事故,威脅電網(wǎng)的安全、可靠、穩(wěn)定運行。因此對端子箱凝露現(xiàn)象的防治研究具有重要的意義。
目前,端子箱中安裝的防凝露控制裝置,主要通過加熱板驅(qū)潮,從而控制柜內(nèi)濕度。文獻[2]從端子箱的加工工藝出發(fā),采用硅膠超薄加熱器和復(fù)合材料設(shè)計的箱體提高加熱性能和防銹性能。
文獻[3]提出加強管理、封堵箱底、增加電纜溝通風等措施,以減少事故發(fā)生;文獻[4]著重智能凝露控制器的方案設(shè)計,通過加熱器和排氣扇的聯(lián)動防止端子箱內(nèi)凝露的產(chǎn)生。
然而通過加熱板驅(qū)潮,無法從根本上解決凝露現(xiàn)象的產(chǎn)生。在密閉的端子箱中,加熱只是增大空氣的飽和度,并不能徹底將水汽排出箱外。當水汽持續(xù)增加或溫度降低時,凝露現(xiàn)象又將產(chǎn)生,此時單機運行的設(shè)備,若發(fā)生故障,則不易被發(fā)現(xiàn),形成安全隱患。
基于此,本文提出一種具備實時監(jiān)控、有效除濕控溫的端子箱防潮新方案。利用半導(dǎo)體制冷特性將水汽從制冷終端中凝露排出,同時通過建立的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless SensorNetwork,WSN)[5-6],實現(xiàn)與主站系統(tǒng)的信息交互?,F(xiàn)場運行試驗表明,所設(shè)計的端子箱防潮控溫裝置能有效解決端子箱凝露的問題。
1 半導(dǎo)體制冷的基本原理
半導(dǎo)體制冷也叫熱電制冷[7-8]。由于P型和N型半導(dǎo)體分別以空穴和電子導(dǎo)電,空穴和電子在金屬中所具有的勢能比其在半導(dǎo)體中所具有的勢能低。當直流電流流過由P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體組成的電熱對,如圖1所示,在電場的作用下(從N→P),電子由勢能低的金屬板向勢能高的N型半導(dǎo)體流動,通過吸收金屬板的熱量來增加勢能,從而使金屬板冷卻獲得冷量。
同樣,空穴從勢能較低的金屬板向勢能較高的P型半導(dǎo)體流動,也需要吸收熱量來增加勢能,從而使金屬板進一步冷卻,得到更多的冷量。那么上面金屬片形成冷端,下面金屬片則形成熱端。
通常將多對PN結(jié)以串聯(lián)方式焊接在兩個陶瓷基板間制成單級制冷片(Single Stage TEC),由文獻[8]可知,制冷量與自身材料有關(guān),并與流過的電流成二次方關(guān)系。半導(dǎo)體制冷的特點是結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小,無運動部件,不需要制冷劑,壽命長,但需要有散熱設(shè)備。
圖1 半導(dǎo)體制冷原理圖
2 設(shè)計方案
防潮控溫裝置由控制單元和除濕控溫單元組成。如圖2所示,在控制單元中,交流電源經(jīng)過電源轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成不同電壓的直流供其他模塊使用;采樣到環(huán)境溫濕度后,微處理器模塊根據(jù)控制策略,通過輸出控制模塊以直接方式控制風扇、PWM方式控制除濕控溫單元運行;柜門以及空氣開關(guān)的狀態(tài)信息也可接入采集;溫濕度值、除濕控溫單元的工作狀態(tài)可以在數(shù)碼管上顯示;終端提供了3種通信接口:無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、RS-485以及遠紅外通信。
除濕控溫單元包括制冷終端和加熱板。制冷終端主要由半導(dǎo)體制冷片及散熱器組成,直流供電,額定功率24W;加熱板額定功率50W,在低溫時工作,用于提高環(huán)境溫度,交流220V供電。
3 控制單元硬件設(shè)計
3.1 微處理器模塊
作為控制核心,應(yīng)滿足如下要求:至少兩個UART接口以滿足ZigBee和RS-485通信;自帶硬件看門狗定時器WDT和兩個以上含預(yù)分頻功能的定時器;至少26個I/O引腳;具備參數(shù)掉電保持功能。因此,考慮采用Microchip的16位單片機PIC24FJ64G004。工作電壓2.0~3.6V,最高運行速度16MIPS(@32MHz),64kB的閃存,8kB的SRAM,44個I/O引腳,2個UART 模塊,5個定時器,5個PWM輸出,可通過在線編程將數(shù)據(jù)存入閃存中。
圖2 防潮控溫裝置結(jié)構(gòu)
3.2 溫濕度傳感器模塊
由于特殊的安裝環(huán)境,傳感器應(yīng)具備:較高的穩(wěn)定性和抗干擾性,保證能在最惡劣環(huán)境中正常工作;測量范圍廣、精度高、響應(yīng)速度快;體積小,方便安裝。綜合考慮,選擇數(shù)字式二合一傳感器——SHT11。SHT11是一款由瑞士Sensirion公司生產(chǎn)的含已校準信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器,功能、性能均滿足要求。SHT11采用兩線數(shù)字串行接口DATA和SCK,接口簡單,可以方便用微處理器的I/O口來模擬時序。
3.3 WSN通信模塊
WSN選擇ZigBee技術(shù)組網(wǎng),組網(wǎng)設(shè)備有芯片型和模塊型兩種。芯片型價格便宜,但需要進行二次開發(fā);模塊型應(yīng)用程序已經(jīng)內(nèi)置其中,只需進行簡單配置即可使用,性能穩(wěn)定、可靠,但是價格稍貴。
從開發(fā)周期、可靠性和成本角度考慮,本文采用美國Digi公司的XBee模塊?;贗EEE 802.15.4標準的ZigBee協(xié)議,容錯Mesh網(wǎng)架構(gòu),自動路由、自動診斷,傳輸距離(室外/明視)達120米。
XBee模塊為雙列直插設(shè)計,一共有20個引腳,使用其中的五個引腳:電源引腳VDD、GND連接3.3V電源;通信引腳TXD、RXD分別連接微處理器通信口1的收發(fā)引腳;聯(lián)網(wǎng)指示引腳ASSO以灌流式連接發(fā)光二極管。
3.4 RS-485及紅外通信模塊
終端不僅支持無線通信,也可通過RS-485接口與主站通信。同時,為方便信息配置及數(shù)據(jù)抄讀,設(shè)計了紅外通信接口。由于不常用,與RS-485共用微處理器的通信口2。
傳統(tǒng)的RS-485接口電路由電壓保護、光耦隔離和485接口芯片組成,器件繁多。RSM3485CT芯片集電源隔離、電氣隔離、RS-485接口芯片和總線保護器件于一身,簡化了設(shè)計,穩(wěn)定可靠,可取代原先的電路組合。芯片3.3V供電,最大波特率9600bps,要注意的是,數(shù)據(jù)流控制電平與普通485收發(fā)器芯片相反。
圖3 通信電路圖
紅外通信是利用800-950nm近紅外波段的紅外線作為傳遞信息的媒體,一般由紅外發(fā)射器、紅外信道、紅外接收器三部分組成[9]。串口發(fā)送的二進制數(shù)據(jù)和PWM輸出的38kHz的信號通過與門進行調(diào)制,經(jīng)過兩個非門對波形進行整形,再經(jīng)過兩個三極管組成的放大電路對信號進行放大,最后通過TSUS5402發(fā)射管發(fā)送。
接收管芯片TSOP1738是一款一體化紅外線接收器,具備放大、濾波、解調(diào)功率等功能,不需要任何外接元件,就能完成紅外信號接收到二進制數(shù)字信息輸出的工作。
3.5 電源轉(zhuǎn)換模塊
終端由交流220V供電,經(jīng)過降壓、整流、濾波后,形成兩路隔離的直流輸出。其中一路12V供給制冷裝置和風扇;另一路變?yōu)?V和3.3V供給控制單元。加熱器由交流220V直接供電。控制單元最大功率是2W,制冷裝置的最大功率是30W??紤]一定裕度,變壓器容量選擇40VA,第一路輸出容量37VA,電壓12~13.5V;第二路輸出容量3VA,電壓6~6.7V。經(jīng)過整流后電壓獲得提升,由于輸出電流較大,可用LM2596穩(wěn)壓芯片將進行穩(wěn)壓。
3.6 輸出控制模塊
半導(dǎo)體制冷片的工作由PWM模塊控制。單片機的控制信號經(jīng)PWM引腳輸出,通過光電耦合器控制達林頓管TIP122的通斷,以達到對制冷片輸入電壓的控制,進而控制了其冷端的工作溫度。輸出端 OUT+與OUT-分別接半導(dǎo)體制冷片的電源端。電容C1對輸出信號進行濾波,使得紋波系數(shù)小于10 %,以保證制冷工況[10]。
圖4 PWM控制模塊電路圖
4 制冷終端設(shè)計
如圖5,制冷終端由風扇、鋁制散熱器、半導(dǎo)體制冷片、接水盤及外殼組成。半導(dǎo)體制冷片型號TEC1-12703T125,最大溫差電流為3.0A,最大工作電壓為15.2V,最大產(chǎn)冷功率(冷熱端溫差為 0℃)為29.7W。
兩片鋁制散熱器緊密貼合在制冷片的冷、熱端,用于擴大表面積,加快冷熱氣擴散;吸氣風扇安裝于裝置的頂部,吹氣風扇安裝于冷端散熱器的前方,以加快氣流流通;接水盤置于散熱器的下方。
圖5 制冷終端結(jié)構(gòu)圖
制冷裝置可安裝在端子箱的中下部,運行時,吸氣風扇將頂部的空氣吸入,空氣中的水汽在冷端附近遇低溫凝露,附著在金屬塊表面。水滴逐漸變大,在重力作用下,沿金屬塊表面下滑滴入接水盤,經(jīng)接水盤的軟導(dǎo)管,引入電纜溝排出。
工作過程中,冷端溫度最低,只有此處有露水產(chǎn)生,冷氣排出后,可以逐漸降低環(huán)境的溫度,由于不是速降,不會引起其他地方發(fā)生凝露。通過氣流交換,端子箱內(nèi)的水汽不斷地被吸入制冷裝置中,形成水滴流出。
5 控制單元軟件設(shè)計
程序采用模塊化編程,按功能要求劃分不同的任務(wù),對任務(wù)進行輪詢調(diào)度,如圖6。實現(xiàn)思路:
圖6 主程序流程圖
(1)分成4個定時任務(wù):實時、20ms、1s以及15s。設(shè)定20ms基準定時器,1s和15s定時通過軟定時實現(xiàn)。
(2)在接收完成中斷中將數(shù)據(jù)寫入接收緩沖區(qū),接收到一條完整的數(shù)據(jù)報文后,中斷服務(wù)程序?qū)⒅梦唤邮胀瓿蓸酥尽S捎谕ㄐ诺闹匾院屯话l(fā)性,將其放入實時任務(wù)中處理,根據(jù)信息碼完成不同的報文處理。
(3)每隔20ms進行開關(guān)掃描,若當前狀態(tài)(第次)與第次相同,且與第次不同,則說明狀態(tài)發(fā)生變位,記錄當前狀態(tài)信息,并形成SOE報文。這種處理可以替代開關(guān)消抖的軟延時。
(4)1s的任務(wù)完成顯示刷新和溫濕度采樣。采集到的數(shù)據(jù)受環(huán)境和自身因素的影響,需要進行濾波處理,以提高信噪比。并根據(jù)起動判據(jù)對制冷控溫單元進行控制以達到合適的溫濕度,輸出控制采用PID調(diào)節(jié)。
紅外和串口通信采用主從方式,終端為從機。ZigBee通信采用定時發(fā)送+主從方式,每隔15s上傳一次溫濕度及狀態(tài)信息,期間若收到主站的查詢/設(shè)置命令,在ZigBee通信處理程序中進行處理。在定時發(fā)送報文中加入幀計數(shù)器,可用于檢測是否丟包。
5.1 報文完整性識別
單片機通信每次只能接收一個字符,而在接收到一條報文(幀)后方可進行數(shù)據(jù)處理。由于每條報文的格式、長短可能不盡相同,因此識別完整報文是通信的關(guān)鍵問題。鑒于通信協(xié)議一般要求每條報文之間的間隔大于3~4.5個字符,可通過報文間隔的長短進行判斷。
程序?qū)崿F(xiàn):(1)設(shè)置一個定時器,定時時間為(可在調(diào)試時適當調(diào)整),計算出初值;(2)在接收中斷服務(wù)程序中起動定時器,設(shè)定定時器初值;(3)由于同幀相鄰字符間的時間間隔小于,只要該幀沒結(jié)束,定時器不會溢出;相反,相鄰幀前后字符的時間間隔大于,在時間內(nèi),定時器溢出;(4)在定時器中斷服務(wù)程序中,關(guān)閉定時器,同時置位接收完成標志,代表一條完整報文接收完成。
圖7 幀識別過程
5.2 濾波處理
相對于溫度,濕度采樣受周圍環(huán)境和傳感器自身非線性因素的影響較大,有必要在監(jiān)測過程中對測量到的數(shù)據(jù)進行處理。為此采用了卡爾曼濾波算法進行處理,因無其他控制量,算法可簡化為[11-14]:
式中:為利用上一狀態(tài)預(yù)測的結(jié)果;為上一狀態(tài)最優(yōu)的結(jié)果;為對應(yīng)協(xié)方差;為對應(yīng)協(xié)方差;為時刻測量值;為卡爾曼增益;為協(xié)方差。連續(xù)采集10個小時,將處理前后的數(shù)據(jù)進行對比。從圖8可看出,卡爾曼算法能有效地壓縮隨機干擾,提高信噪比,改善監(jiān)測質(zhì)量,確??刂七^程更加平穩(wěn)、可靠。
圖8 卡爾曼濾波前后對比
5.3 輸出控制
終端允許手/自動控制防潮控溫單元的運行。自動模式下,終端根據(jù)預(yù)先設(shè)定的控制策略運行;手動模式下,按照主站下達的控制命令運行,為防止未及時復(fù)歸,到給定時間后,返回自動模式。
終端的運行狀態(tài)共分五種:正常狀態(tài)、濕度越限狀態(tài)、溫度越限狀態(tài)、溫濕度越限狀態(tài)和手動運行狀態(tài)。
針對不同的狀態(tài),控制規(guī)則不同:(1)進入濕度越限狀態(tài)(濕度超過設(shè)定值),除濕設(shè)備起動驅(qū)潮;(2)進入溫度越限狀態(tài)(溫度低于20℃),加熱器起動;(3)進入溫濕度越限狀態(tài),除濕設(shè)備和加熱器均起動;(4)手動運行,按照主站命令工作。
為提高效率,采用改進的在線變增益PID算法對防潮控溫單元進行控制。該控制算法根據(jù)偏差的大小在線調(diào)整PID參數(shù),可改善PID控制器的動靜態(tài)特性,使系統(tǒng)具有一定的魯棒性,算法簡單,易于在單片機中實現(xiàn)。
6 WSN參數(shù)設(shè)置
在Mesh網(wǎng)架構(gòu)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)中,存在著3種類型的節(jié)點:Coordinator(協(xié)調(diào)器,簡稱“C”),Router(路由器,簡稱“R”)及End Device(終端,簡稱“E”)。協(xié)調(diào)器負責組建和維護網(wǎng)絡(luò);路由器加入網(wǎng)絡(luò)后,可收發(fā)及協(xié)助路由報文;終端加入網(wǎng)絡(luò)后,必須依賴于父節(jié)點(協(xié)調(diào)器或路由器)存在,但可休眠,休眠期間父節(jié)點可幫助保存它的報文[16-17]。
在本文設(shè)計的WSN網(wǎng)絡(luò)中,只有協(xié)調(diào)器和路由兩種角色,網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點可以配置成兩種模式。第一,主站為協(xié)調(diào)器,防潮控溫終端為路由器的C2R模式;第二,主站、防潮控溫終端均為路由器的R2R模式。后一種模式需借助協(xié)調(diào)器建立網(wǎng)絡(luò),節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)后,路由器之間互相通信。
表1是兩種模式參數(shù)配置情況,說明如下:
(1)固件版本為ZB,支持標準ZigBee協(xié)議,可與其他廠家的ZigBee設(shè)備通信。
(2)ID(PAN ID,個域網(wǎng)地址):64位地址碼,為0時允許節(jié)點加入任意網(wǎng)絡(luò)。本文組建專屬網(wǎng)絡(luò),取非0值。
(3)SC:通道。ZigBee協(xié)議將2.4~2.408GHz頻段劃分16個通道,可固定某些通道讓協(xié)調(diào)器掃描,以建立網(wǎng)絡(luò)。
(4)OI:16位個域網(wǎng)地址。為減少通信報文長度,同一個網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點以16位的OI來標識所在網(wǎng)絡(luò)地址。OI是協(xié)調(diào)器在創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)后,隨機產(chǎn)生的,其他節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)后,繼承該OI。OI可以在協(xié)調(diào)器中通過命令“ATII+地址”指定。
(5)DH DL為64位目的地址。每個節(jié)點都有惟一地址,此外,為方便管理,ZigBee協(xié)議又將0x0000 0000定義為廣播地址, 0x0000 FFFF定義為協(xié)調(diào)器地址。
(6)C2R模式,主站的DH DL為廣播地址,終端的為協(xié)調(diào)器地址。路由算法選擇多對一模式,AR=0x3C,代表協(xié)調(diào)器每隔1min發(fā)送一次廣播幀;終端NW=1代表設(shè)置了看門狗,在(3*NW)min時間內(nèi)如果沒有收到協(xié)調(diào)器的響應(yīng),重新搜索網(wǎng)絡(luò)。
(7)R2R模式,主站的DH DL同樣為廣播地址,終端的為主站64位節(jié)點地址(非0x0000 FFFF)。如果在運行過程中主站的XBee模塊故障,更換XBee后需將新地址廣播給終端,終端收到地址,將其寫入DH DL中。路由算法選擇AODV(AR=0xFF),關(guān)閉看門狗、上電確認網(wǎng)絡(luò)等功能。在這種模式下,起動協(xié)調(diào)器,終端和主站加入網(wǎng)絡(luò)后,就將網(wǎng)絡(luò)參數(shù)(主要是OI)寫入非易失區(qū),即使協(xié)調(diào)器失去功能,終端依然可以和在網(wǎng)的主站通信。
采用C2R模式,應(yīng)用方便、網(wǎng)絡(luò)靈活,但是協(xié)調(diào)器在重新上電的時候可能會根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀況調(diào)整當前通道和OI,會出現(xiàn)節(jié)點短暫離網(wǎng)的情況;而采用R2R模式,程序較為復(fù)雜,網(wǎng)絡(luò)不夠靈活,但若入網(wǎng)就不會離網(wǎng),在沒有其他網(wǎng)絡(luò)干擾信道的情況下,通信成功率較高。
表1 兩種模式下XBee模塊參數(shù)配置
7 結(jié)論
將裝置安裝于950mm×670mm×1780mm的端子箱中進行試驗,在35℃/85%RH的工作環(huán)境下,24小時出水量達300mL。裝置已于2013年3月在福建邵武某220kV變電站投入運行,除濕效果良好。
基于WSN及半導(dǎo)體制冷的端子箱防潮控溫裝置是解決端子箱防潮、除濕、控溫問題的新方案,通過WSN進行數(shù)據(jù)傳輸,實現(xiàn)遠程監(jiān)控;采用半導(dǎo)體制冷配合加熱板,既能除濕,又可控溫;運用在線變增益PID算法進行輸出控制,控制平穩(wěn)、響應(yīng)速度快。此外,只需增大電源的輸出功率,實現(xiàn)除濕控溫單元級聯(lián)控制,本方案即可推廣應(yīng)用于環(huán)網(wǎng)柜和箱式變。
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如何在減少電磁干擾?如何解決實際應(yīng)用場景中熱效應(yīng)的影響并做相應(yīng)的處理?如何在高功率應(yīng)用下加強整版散熱性能?板材的選擇變得至關(guān)重要。
一塊性能好的電磁屏蔽材料,不僅可以減少環(huán)境對設(shè)備或者設(shè)備對環(huán)境的輻射干擾,使設(shè)備適應(yīng)復(fù)雜工作環(huán)境,還能確保設(shè)備正常實現(xiàn)設(shè)計功能,提高設(shè)備的可靠性、安全性;一塊合適的散熱材料,不僅能解決熱設(shè)計,還能有效提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性。
而如何在眾多的廠牌和眾多的材料中,選擇到合適自身項目的材料呢?筆者今天就著重來介紹一下世強代理的Laird、ROGERS、II-VI Marlow三大頂級廠商旗下的材料。
Laird是全球TOP3的導(dǎo)熱材料、電磁屏蔽材料供應(yīng)商。旗下的導(dǎo)熱產(chǎn)品包含導(dǎo)熱硅脂、導(dǎo)熱硅膠片、導(dǎo)熱絕緣材料、導(dǎo)熱凝膠,相變材料,是目前行業(yè)里最齊全導(dǎo)熱界面材料,且導(dǎo)熱率(1-8W/mk)、厚度(0.5-5mm),可提供多樣的優(yōu)質(zhì)選擇。旗下的電磁屏蔽產(chǎn)品包含吸波材料、導(dǎo)電橡膠、泡棉、導(dǎo)電膠、導(dǎo)電布、金屬簧片、屏蔽罩、金屬織網(wǎng)、磁珠、電感。其中導(dǎo)熱吸波CoolZorb 600系列,導(dǎo)熱吸波二合一,高導(dǎo)熱系數(shù)5.0W/m-K,低揮發(fā)Outgassing (TML) 0.15%,嚴苛環(huán)境下確保高可靠性;導(dǎo)電橡膠,種類形態(tài)豐富,可提供體電阻低至0.002 ohm cm,屏蔽效果高達120dB(10GHz),壓縮率可至45%產(chǎn)品;吸波材料BSR-1系列,超薄至0.25mm,雜波吸收頻率大于6GHZ,最高使用溫度170℃,體電阻(ohm-cm)2x108??蓮V泛應(yīng)用于工業(yè)自動化,國防工業(yè),電力電子,健保醫(yī)療等。
ROGERS,作為材料技術(shù)領(lǐng)域的世界領(lǐng)先者,通過提供先進的材料技術(shù)、應(yīng)用知識和全球化生產(chǎn)及設(shè)計協(xié)作,推動著材料領(lǐng)域可靠性、效率和性能的持續(xù)突破。而旗下產(chǎn)品也是覆蓋了對技術(shù)要求最苛刻的電路應(yīng)用領(lǐng)域,主要包括:定制材料、商業(yè)級材料、天線級材料、半固化片和粘結(jié)膜。旗下的RO4000?系列是碳氫化合物填充陶瓷層壓板,性價比極優(yōu);高可靠性RT/Duroid? 5000/6000系列是聚四氟乙烯(PTFE)填充了陶瓷或隨機玻璃纖維的層壓板,嚴苛的批次一致性,電氣性能極穩(wěn)定;高可靠性TMM? 系列,擁有豐富的候選介電常數(shù),隨溫度變化極低,DK從3.27-12.85,出色的機械性能,抵抗蠕變流動和冷流動;高導(dǎo)熱性92ML?系列是環(huán)氧樹脂+高導(dǎo)熱陶瓷粉填充的高導(dǎo)熱、高耐壓電子材料,UL MOT 150℃,相同介質(zhì)厚度耐壓絕對值更高,8mil>4500VAC。
II-VI Marlow,是高品質(zhì)熱電半導(dǎo)體制冷/發(fā)電技術(shù)的全球領(lǐng)軍企業(yè),旗下產(chǎn)品主要有半導(dǎo)體制冷片、溫差發(fā)電片、CLIMATHERM系列微型半導(dǎo)體空調(diào),可為航空航天、國防工業(yè)、醫(yī)療行業(yè)、工業(yè)領(lǐng)域、汽車制造、發(fā)電行業(yè)及通訊等市場,開發(fā)、生產(chǎn)熱電模塊和增值系統(tǒng)。II-VI Marlow旗下的半導(dǎo)體制冷片,可實現(xiàn)-100~100℃范圍內(nèi)的精準控溫;尺寸從1.5mm到62mm可選擇,可定制;在20~95℃范圍內(nèi),能夠達到上百萬次的冷熱循環(huán);溫差發(fā)電片,最高耐受溫度300℃;CLIMATHERM系列微型半導(dǎo)體空調(diào),集成了Marlow高性能的熱電技術(shù),高度優(yōu)化的性能和可靠性。
目前,這三大品牌都可以在世強進行購買,世強作為官方授權(quán)一級分銷商,不僅能夠滿足大批量的采購需求,提供庫存豐富、正品低價、旺季不缺貨不漲價的的服務(wù)保障,而且廣大工程師還可以通過世強元件電商(https://www.sekorm.com/)獲得產(chǎn)品相關(guān)的所有研發(fā)資料和技術(shù)服務(wù)支持,除此之外,世強元件電商還支持在線查看庫存及詢價,保障線上付款后2-5個工作日到貨的小批量供貨服務(wù)。