Применение эффекта Пельтье для охлаждения радиоаппаратуры
Микроминиатюризация радиоэлектронной аппаратуры, обеспечивая большую плотность элементов на единицу объема, приводит к низким уровням мощности (порядка десятков милливатт на функциональную схему). Такая низкая мощность не всегда может удовлетворять эксплуатационным требованиям, например, при работе в условиях помех. Увеличение мощности приводит к резкому перегреву функционального узла, так как в рабочем диапазоне температур при естественном охлаждении ограничена мощность рассеивания с единицы поверхности. Применение принудительного охлаждения позволяет увеличить мощность, сохраняя нормальную рабочую температуру. Однако большинство систем принудительного охлаждения является громоздким, сложным в эксплуатации и резко снижает эффект микроминиатюризации.
В настоящее время в качестве локальных систем охлаждения находят применение термоэлектрические холодильники, которые обладают рядом преимуществ при микроминиатюризации. Они обладают относительно малыми размерами, экономичны и могут поддерживать рабочую температуру в заданном интервале, т.е. обеспечивать термостатирование функционального узла.
Существует несколько способов термостатирования радиоэлектронного оборудования. Выбор способа термостатирования зависит от мощности объекта и его конструктивных особенностей. Поэтому наиболее приемлемыми для термостатирования микрорадиоэлектронной аппаратуры являются термостаты, основанные на термоэлектрическом свойстве полупроводников. В такой системе объект термостатирования термически изолируется от окружающей среды и путь теплового потока проходит только через термобатарею, состоящую из последовательно соединенных термоэлементов. Конструктивная схема полупроводникового термостата показана на рис. 2.29.
Рис. 2.29. Конструктивная схема термостата: 1 – рабочий объем; 2 – наружный кожух; 3 – теплоизоляция; 4 – внутренняя камера; 5 – объекты термостатирования; 6 – радиатор; 7 – термобатарея
Полупроводниковая термобатарея питается постоянным током 1,5 ÷ 1,8 А при напряжении около 8 В или от 5 до 15 А при напряжении около 1 В. Температура термостатирования может быть задана как выше, так и ниже температуры окружающей среды. Регулирование температуры осуществляется либо биметаллическими датчиками, либо термисторным мостом с электронным усилителем. Реверсивный характер термостатирования имеет большое практическое значение, а малые габариты и экономичность делают желательным применение полупроводниковых термостатов для бортовой микроминиатюрной радиоэлектронной аппаратуры.
К сожалению, технология изготовления полупроводниковых термобатарей не позволяет сделать их в настоящий момент достаточно дешевыми. Поэтому применение их для охлаждения радиоаппаратуры пока еще ограничено и полупроводниковые термостаты являются большой редкостью.
Описание установки и порядок выполнения работы
Лабораторная установка для изучения эффекта Пельтье представляет собой термоэлемент, состоящий из двух спаев медной и константановой проволоки большого сечения, заключенный под колпак из органического стекла. Разность температур этих спаев регистрируется другой термопарой, изготовленной из более тонкого провода, спаи которой помещены на спаях термоэлемента. Индикатором нуля служит чувствительный гальванометр, включенный в разрыв измерительной термопары.
Термоэлемент питается от специального выпрямителя позволяющего пропускать через него достаточно большой ток, который регистрируется прибором на передней панели установки. Вблизи охлаждающегося спая на медную проволоку термоэлемента намотана нагревательная спираль, предназначенная для компенсации теплоты Пельтье во время работы термоэлемента. Нагревательная печь использует источник питания, находящийся внутри лабораторной установки. Ток нагрева регистрируется прибором на передней панели и регулируется переменным сопротивлением, установленным здесь же.
Порядок выполнения работы следующий:
Вывести все регуляторы в левое положение.
Включить тумблер “баланс” и установить стрелку в среднее положение.
Включить в сеть выпрямитель питания термоэлемента.
Тумблером в правом нижнем углу включить термоэлемент и регулятором установить ток нагрузки в пределах 4 – 5 А.
Заметить направление отклонения стрелки гальванометра и через 5-10 минут включить обогреватель тумблером в левом верхнем углу передней панели установки.
Установить ток обогрева 200 mА и следить за поведением стрелки гальванометра. Если стрелка перейдет через нуль и будет уходить в другую сторону, уменьшить ток обогрева.
Подобрать такой ток обогрева, при котором стрелка гальванометра остановится на нуле. Если это не удается достигнуть уменьшением тока обогрева, увеличить ток через термоэлемент.
Подобрав ток обогрева и ток нагрузки такими, что стрелка гальванометра сколь угодно долго остается на нуле, записать эти значения и вычислить коэффициент Пельтье для данного термоэлемента из уравнения теплового баланса:
(2.72)
где Iоб – ток обогрева;
R – сопротивление нагревателя;
Iн – ток нагрузки через термоэлемент .
9. Проделать п.п. 3-8 для пяти значений токов нагрузки и обогрева.
10. Найти среднее значение коэффициента Пельтье, абсолютную и относительную ошибки.