第33卷第6期2020年12月
大学物理实验
PHYSICAL EXPERIMENT OF COLLEGE
lamentoVol.33No.6
Dec.2020
文章编号.1007-2934(2020)06-0072-05
基于半导体制冷片设计集制冷制热平台
楚亮，刘嘉辉，毛巍威，李兴鳌
(南京邮电大学，江苏南京210023)
摘要：设计出集制冷制热平台，外包装为可视的有机玻璃，方便在教学过程中展示实验现象的同时，宜观的讲解实验中实现这一现象背后的物理知识。该技术主要分为大功率电压降压技术、降压可调控制技术、半导体制冷技术、大功率散热、温度探测技术以及温度显示等技术。通过单刀双掷开关与旋转调节
旋钮来选择制冷制热及调控其强度，同时设计电子屏幕进行显示冷热温度。通过制冷使得平台中水滴凝固结冰以及加热使得其融化并沸腾，可直观地验证热力学第二定律，学生在课堂中可充分的开展讨论，提高学生理解和应用物理知识的能力。
关键词：集制冷制热平台；热力学第二定；方向性;BUCK电路；半导体制冷片
中图分类号：0551.1文献标志码：A DOI:10.14139/jki22-122&2020.06.020
物理学是一门以实验为基础的学科幽理定律就是在大量实验的基础上归纳总结出来的。当前，大学物理实验教学中，具体涉及物理学领域中的声、光、力、热、电磁等X。随着前沿科学的发展，各种新的技术在理应在物理学实验教学中受到重视⑶。热力学定律是热学知识的基础，是前人大量实验事实的总结。然而，在物理教学中，通常讲解热力学定律是通过直接的生活经验论来说。目前，直观的实验演示还相对缺乏，而且学生们学习这些知识感觉抽象。通过一个“直观”的实验，向学生展示热力学定律的魅力，尤其是热力学第二定律，已是物理学实验教学的一个急需解决的问题。
热力学第二定律告诉任何热力学自发进行的过程都是有方向的，例如，热量只能自发的由高温热源传给低温热源，如果改变这个方向，必须通过外界做功。验证热力学第二定律，可通过一个“可视化”的集制冷制热平台来展示。目前可同时制冷制热的设备虽然在生活中有应有，如典型的空调，但其工作过程“不可视化”，在教学中不方便展示，而且体积较大。制冷或制热平台应用了热力学第二定律，但
市场上销售的产品，其内部像一个黑箱，缺乏“可视化”，而且同时实验制冷制热的平台价格昂贵。为此，设计简单轻便“可视化”的集制冷制热平台演示热力学第二定律尤为重要。
本文设计了一种集制冷制热平台，该设备主要由大功率电压降压技术、降压可调控制技术、半导体制冷技术、大功率散热、温度探测技术以及温度显示等组成。通过降压及其可调技术获得合适的电压；通过单刀双支开关与旋转调节旋钮来选择制冷制热以及强度；设计电子屏幕进行显示冷热温度。该设备可演示热力学第二定律，温度自发由高温传输给低温，低温传给高温需要外界做功才能实现。深圳普通发票
1功能介绍
具体实物如图1所示，上面为两对称的制冷制热平台，通过单刀双掷开关控制制冷还是制热，开关中间为未工作状态，向上为加热(上方红色LED灯亮)，向下为制冷(下方橙色LED亮)，左开关侧控制左侧平台，右开光控制右侧平台，左右两侧可同时制冷或制热或者一制冷一制热，旋转调节旋钮调控工作功率，温度显示器显示左右平台温度。工作时候，散热水流系统一端进水，一端出水，带走部分热量，同时保重仪器不会因为温度过高而熔坏塑料外壳。
(a)前侧和(b)右侧图片。其中①和②左右
收稿日期：2020-09-30
基金项目：南京邮电大学实验室工作研究课题(2020XSG12)；南京邮电大学自制实验仪器设备课题(2018XZZ08)
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两对称的制冷制热平台台面，③和④其对应的单刀双掷开关,⑤和⑥其对应的电压旋转调节旋钮,⑦和⑧为其对应的LED显示灯（上为制热（红色）、下为制冷（橙色）），⑨温度显示器（L左侧,R 右侧），⑩散热水流系统，⑪和⑫温度传感器，⑬220V转化12V调压系统（电线由此引入），⑭和⑮为其对应左右平台的降压可调控制系统（调控范围3V~12V）,⑯主控。
"2②弭
（a）前侧图片
（b）右侧图片
图1集制冷制热平台光学图片
2仪器集成
人的安全电压为36V，严格控制实验用电，使用36V以下的安全电压，左下侧的调压电路系统将220V电压转化为12V o右下侧为降压可调控制系统，实现12V电压在3~12V范围内可调，旋转调节旋钮调控功率，电压给主控供电，实现制冷制热平台工作。具体各部分与功能介绍如下。
2.1220V转化12V调压系统
如图2所示为220V转化12V调压系统，电路首先整流220V交流电转化为直流电，再利用正/反激电路进行DC-DC降压。由于正/反激电路的开关频率很高，可以使用体积较小的高频变压器，使相同功率的降压电路体积相对于工频变压器制作的降压电源体积大大减小；同时，由于频率的升高，其降压效率也远远高于传统工频变压器降压电路。由于本设计中，考虑到220V电压远高于人体安全电压36V，也超过高校规定实验使用的最高电压48V，为确保安全，最终决定直接购买该电路成品。
图2220V转化12V调压系统具体实物图
2.2BUCK电路降压系统
PWM
L1
_____rvw-t
AD1
GND
图3经典BUCK电路原理图
BUCK电路在电力电子领域中来说，是一种非常经典的降压斩波器，属于一种非隔离式的开关电源⑷。降压变换器由于是为了实现降压，因此它的输出电压平均值％t总是会小于输入电压U iaO输出电压取决于占空比的大小，电路简单易于实现，经典BUCK电路结构如图3所示，为非同步BUCK电路。Q1的mos管具有开关的作用，当mos管导通时，输入侧电源通过mos管给电感充电并对输出侧负载供电。其中，电容C1为输入滤波电容,C2为输出滤波电容，在实际过程中, C2同时带有储能功能，它的存在可以保证输出侧电压不会突变。当mos管关断时，电感L1中所存储的电能与续流二极管D1构成回路对输出侧放电。输出侧滤波电容C2保证了输出侧电压的平
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稳。在这一过程中，控制mos 管的PWM 波决定 了输出电压的大小，当它占空比越大，输出电压就
越高，但不会超过输入侧的电压。输出电压与输 入电压、占空比之间的关系如下公式：
%5盅
(1)
其中，占空比D<l o 当将输出侧电压进行电压采
样并反馈给控制器时，控制器进行调节PWM 波 占空比，最终可以实现降压稳压的功能。
开关电源具有大功率和高效率的特点，但功
率的增大伴随着电流的增大，二极管导通会有约
日语 翻译0.7 V 的压降，而此时的大电流会使二极管耗散功
率增大，大电流下的功率耗散会更大，从而限制了 功率的进一步提升。因此,mos 管导通时的“零压
降”(实际中存在一定压降，但一般压降几毫伏甚 至几纳伏)极大提高了开关电路的功率；同时，由
于没有了续流二极管的功率耗散问题，其效率也 大大的提升，开关电源效率可达98%o 如图3所 示电路结构中的D1改为mos 管开关电源便可实
现同步BUCK 电路，具有整流开关电源作用。在 同步BUCK 电路中两个mos 管不得同时导通，如
果同时导通，电流会直接通过mos 管Q1、Q2构成 回路导致短路烧毁mos 管，在实际中,mos 管可能
会因为电流过大而发烫炸裂，称这种现象成为 “炸管”。所以，驱动两个mos 管的PWM 波为两 路互补波形，同时保证其中一只mos 管完全关断
才能打开另一只mos 管，因此，两路互补的PWM 波之间还纯在一定的死区时间。在设计BUCK 电
路时，做好这些细节问题，基本上就可以设计出功 率足够大高效低纹波的同步BUCK 开关电源。但
由于这样的电路有一定的开关频率，无论怎么做
好滤波等处理，依然会存在有纹波的问题，超低的 纹波也是衡量开关电源性能的一大指标。
根据BUCK 电路原理，集成化电子芯片设计
的同步开关降压电路如图4所示。在图4( a)中, 采用了 TL494芯片产生开关方波源，此款芯片的 使用需进行频率配置与反馈配置。通过改变
TL494周围元件的参数，便可决定开关频率大小
以及反馈程度。开关频率的大小决定了在一定纹
如果我在天堂遇见你
波下所需要的功率电感的大小，做好反馈的配置 之后,TL494便可以通过反馈管脚检测到输出电
压的大小控制输出方波的占空比，从而进行输出
成交英文
电压的稳定调节。
TL494输出的方波为单路波，而在同步开关
电源中需要两路互补方波分别驱动mos 管Q1、
Q2。因此，在TL494后级加入了 IR2104芯片，当
单路波送入IR2104芯片后，便可输出两路同频率 的互补波形(两路波相位差180。)再利用三极管
将得到的互补波形进行扩流，增大驱动能力，进行 后级mos 管的驱动。
8> o z o
U U M
".
*
O .
S (a)BUCK 电路降压原理图
(b)BUCK 电压降压实际电路设计图
(c)BUCK 电压降压电路图片
图4
同步开关降压电路
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2.3主控系统
在主控系统中，使用的处理器以及传感器为5V O因此,220V降为12V后，在利用7805芯片构成的降压电路进一步降到5V稳定的电压，为处理器与传感器供电。在图5(a)中，输入电压经过78M05芯片降压至5V,C1、C2与G3均为储能电容,5V电压直接连接处理器与传感器的供电端进行供电。两个传感器的信号线与处理器的I/O口(A6口与A0口)相连,LED显示屏与处理器通过I/C接口进行通信连接，处理器通过I/O 口进行读取传感器数值，并将读取参数经过处理后显示在屏幕中。具体实现程序如图6所示。
GND
GND
(a)主控电路原理图
(b)实际电路设计图(c)实际成品电路图片
图5主控电路
图6具体实现程序界面
2.4制冷制热加热台面
单刀双掷开关控制平台制冷或制热。两制冷制热台面附有温度传感器，其温度度数在温度显示器(L左侧,R右侧)上。两制冷制热台面的材质为半导体制冷片，其原理上为一热传递的工具。半导体制冷片的原理如下：
如图7所示,N型和P型半导体联结成热电偶对，当其通有电流时，两端间产生热量转移，热量从一端转移到另一端，从而产生温差形成冷热端。电流由N型元件流向P型元件的接头吸收热量，成为冷端；由P型元件流向N型元件的接头释放热量，成为热端⑸。但半导体自身存在电阻，当电流经过半导体时会产生热量，影响热传递；另外，两极间的热量也会通过空气和半导体材料自身进行逆向热传递。当冷热端达到一定温差，这两种热传递的量相等时，就会达到一个平衡点，正逆向热传递相互抵消。此时冷热端的温度就不会继续发生变化。为了达到更低的温度，可以采取散热等方式降低热端的温度来实现。
通常半导体制冷片冷热端的温差可以达到
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40~65。之间，如果通过主动散热的方式来降低热 端温度，那冷端温度也会相应地下降，从而达到更 低的温度。本设计通过循环水实现散热功能，同 时保护了塑料外壳。
本仪器可演示热力学第二定律，温度自发由 高温传输给低温，低温传给高温需要外界做功才 能实现。在N 型和P 型半导体联结成热电偶对 中，热量的流动通过电能做功来实现，高温热量自
发的传递给水循环带出一部分热量，热台可自发 的加热水沸腾，冷台可自发使水结冰，通过附加水 箱一台制热一台制冷可动态观察热流方向。该设
备可直观充分的展示热力学第二定律，可应用于 大学物理教学演示实验。
3总结
open up your dream
本文基于半导体制冷片设计了一种集制冷制
热平台，主要由大功率220 V 降压12 V 系统、
BUCK 降压可调控制技术、半导体制冷片、单刀双
掷开关、水循环、温度探测技术以及温度显示等组 成。单刀双掷开关与旋转调节旋钮巧妙的设计了
平台处于制冷还是制热状态，并通过旋转调节旋 钮来控制其强度。通过降压及BUCK 可调降压技 术获得合适的电压给主控及制冷片供电，设计电 子屏幕进行显示冷热温度，水循环保护外壳和进 一步降温或升温。该设备可直观演示热力学第二
定律，温度自发由高温传输给低温，低温传给高温 需要外界做功才能实现。
参考文献：dd wrt
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Design of Integrated Cooling-Heating Platform
美国运筹学专业排名Bad on Semiconductor Chilling Plate
CHU Liang ,LIU Jiahui , MAO Weiwei , LI Xing ' ao
(Nanjing University of Posts and Teleconununications ,Nanjing 210023,China)
kevin hartAbstract : The integrated cooling-heating platform has been designed , in which the outer packing is constructed
of visible perspex.lt is convenient to show the experimental phenomenon and explain the physics knowledge behind the phenomenon in the teaching process.The technology in the instrument is mainly divided into high-
power BUCK voltage , BUCK adjustment , miconductor refrigeration , high-power heat dissipation , temperature
detection and temperature display.Through the single-pole double-throw switch , the cooling or heating process
can be lected , which intensity can be controlled by their rotating adjusting knobs. Meanwhile , the corresponding electronic screens were installed to display the hot or cold temperature. By cooling to freeze the
water droplets or heating it to melt and boil on the platform,the cond law of thermodynamics can be visually
validated.Here , the students can fully discuss in the class , which will improve their ability to understand and
apply physics knowledge.
Key words ： integrated cooling-heating platform ；cond law of thermodynamics ；directivity ；BUCK circuitry ；
miconductor chilling
plate
