PDF《贝克一种自供能温差监测仪的设计与实现》

假设导体 A 和B的自由电子密度分别为 NA、 NB, 且NA>

NB, 电子扩散 的结果将使导体 A 失去电子而带正电, 导体 B 则因获得电子 而带负电, 因而在接触面形成电场, 这个电场阻碍电子继续扩 散, 在达到平衡时, 接触区将形成一个稳定的电势差 dv, 即接 触电势差 [15 ] , 其值为: 图1塞贝克效应示意图 dv=( A -B ) dT ( 1) 式中: A 、 B 为塞贝克系数, 单位是 V/K, 由材料本身的电 子能带结构等特性决定, 如N型半导体的塞贝克系数为: = - KB e ( 1. 5-ln n Ne ) ( 2) 式中: KB 为玻耳兹曼常数, e 是电子电量, Ne 是导带态密 度, n 是电子浓度, 由掺杂浓度确定.对于 P 型半导体, 其塞 贝克系数表达式与此类似. 当两个接触面处于不同温度时, 对( 1) 两边同时积分得 塞贝克效应电势差的计算公式: V = ∫ T2 T1 ( αA - αB ) dT ( 3) 若塞贝克系数 A-与B 不随温度的变化而变化, 上式即 可表示成如下形式: v=( A -B ) ( T2 -T1 ) ( 4) 由( 4) 式知温差电势差与温度差成正比, 因此, 可以用电 势差来监测温差. 1.

2 系统工作原理 使温差发电片导热块冷端和热端分别连接欲监测温差的 部件, 若温差发电片两端的温度差达到一定值时, 温差发电片 两端产生电势差, 使相应的转换电路正常工作, 并且不同的温 差产生不同的电压, 从而使转换模块中的发光二极管发光的 数目不同作为监测信号来警示不同的温度差.另外, 系统不 需要外接电源供能, 达到利用温差发电技术实现温差的无源 监测的目的. ・

5 7 ・ 《自动化与仪器仪表》

2017 年第

6 期( 总第

212 期)

2 系统结构设计 系统主要由温差发电模块, 倍压模块和电光转换模块三 个部分组成.无源温差监测系统的结构示意图如图

2 所示. 使用的元件: 反转电源转换器 ICL7660, 温差发电片 TEPI - 142T300, 二极管 IN5822, 发光二极管, 三极管 9014, 电容, 电 阻等. 图2无源温差监测系统的结构示意图 2.

1 温差发电模块 温差发电模块如图

3 所示, 由温差发电片构成, 它将温差 发电片的导热块冷端和热端之间的温度差转换成相应的电压 输出. 图3温差发电模块示意图 2.

2 倍压模块 倍压模块结构如图

4 所示, 倍压模块的作用是实现升压, 为后续的电光转换电路提供相应的电压使其能正常工作. 图4倍压模块电路图 本设计采用 ICL7660 芯片组成的电压倍增电路, 输入端 Vin 接收温差发电片的输出电压 Vout1( Vin =Vout1) , 将其放大 输出得到倍压输出电压: Vout= 2*Vin -Vd ( 5) 上式中 Vd 表示二极管 D

1、 D2 的导通电压.转换模块正 常工作实现其功能即根据提供的电压不同驱动绿、 黄、 红三红 颜色的 LED 灯按顺序发光要满足的最低电压为 1. 8V, 而反转 电源转换器 ICL7600 的输入电压范围为 1. 5V 至10V, 则其倍 压输出电压最低为 2. 4V, 因此倍压模块能够满足电光转换模 块的最低驱动电压要求. 2.

3 电光转换模块 该模块结构如图

5 所示, 通过将温差发电片在温差的作 用下产生的电压经过升压放大后, 驱动点亮不同颜色和数目 的LED 灯来达到监测温差作用, 并且可以通过 LED 灯的颜 色、 亮度、 发光数目以及发光顺序直观地显示出此时对应的温 度差.温差越大, 则发电和升压模块输出的电压越高, LED 灯 点亮的数量越多, 因此本模块能较好地将温差变化转化为灯 光信号. 图5电光转换模块电路图