半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊的性能及在溫度檢測(cè)終端設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

運(yùn)行中的電力設(shè)備發(fā)熱是安全運(yùn)行的潛在威脅。通過(guò)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，在變電設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行中，運(yùn)行方式的改變、負(fù)荷變化較大、高溫天氣時(shí)，相關(guān)電氣設(shè)備大電流的回路連接點(diǎn)、閘刀觸頭比較容易產(chǎn)生發(fā)熱等異常情況。半導(dǎo)體溫差發(fā)電器是基于塞貝克效應(yīng)的一種可以將熱能直接轉(zhuǎn)換成電能的裝置。半導(dǎo)體溫差發(fā)電器作為一種特殊的能量轉(zhuǎn)化方式，有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，特別適合用于對(duì)低溫差能量的回收利用。 本文對(duì)半導(dǎo)體溫差發(fā)電器的工作過(guò)程進(jìn)行了火用分析，提出了用火用效率作為低溫差下半導(dǎo)體溫差發(fā)器工作性能的評(píng)價(jià)參數(shù)。并對(duì)半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊的工作性能進(jìn)行了分析，主要考慮了電偶臂的幾何尺寸、接觸效應(yīng)和湯姆遜效應(yīng)對(duì)其工作性能的影響。由于接觸效應(yīng)的影響，溫差發(fā)電器的工作效率將隨溫差電偶臂長(zhǎng)度的減小而降低，而且接觸效應(yīng)影響越顯著，工作效率降低的就越迅速。湯姆遜效應(yīng)對(duì)輸出功率有所影響，但并不影響取得最大輸出功率時(shí)，負(fù)載電阻的匹配條件，降低冷端溫度有利于減小湯姆遜效應(yīng)對(duì)最大輸出功率的影響。這樣可以解決目前面臨的問(wèn)題。電氣設(shè)備外部熱缺陷的診斷可參照表1。

在無(wú)現(xiàn)場(chǎng)供電和不使用電池的情況下，利用半導(dǎo)體溫差發(fā)電技術(shù)在高壓、高溫環(huán)境下為測(cè)溫和控制電路提供電能，當(dāng)發(fā)熱溫差大于10 K時(shí)即自動(dòng)啟動(dòng)測(cè)溫電路，否則斷電等待。利用低功耗單片機(jī)測(cè)溫電路結(jié)合間歇式工作方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與處理，理想地實(shí)現(xiàn)了高壓測(cè)溫一次設(shè)備和二次監(jiān)測(cè)設(shè)備的電隔離。

1 測(cè)溫方案及原理

如圖1所示，基于AVR低功耗單片機(jī)的測(cè)溫裝置由三部分組成：直流發(fā)電電路、穩(wěn)壓電路和低功耗單片機(jī)測(cè)溫報(bào)警電路。半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊的冷、熱面一旦有了溫度差，溫差發(fā)電模塊兩端就產(chǎn)生電壓差。由于溫度差很難固定，為此 ，首先須對(duì)電壓進(jìn)行升壓、穩(wěn)壓處理，然后用穩(wěn)定的電壓給單片機(jī)測(cè)溫電路提供電能。如果給一片40 mm×40 mm、126對(duì)PN結(jié)的半導(dǎo)體發(fā)電模塊提供15 K的溫差，就能產(chǎn)生約0.6 V（大于0.5 V的超低壓充電泵的開(kāi)啟電壓）的開(kāi)路電壓，通過(guò)超低壓充電泵啟動(dòng)DC-DC控制器工作，從而提供3.3 V、200 mA的輸出為后續(xù)測(cè)溫電路供電。

2 發(fā)電電路

半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊主要利用其冷面和熱面之間的溫差來(lái)產(chǎn)生電，因此如何獲得熱源以及如何降低冷面的溫度至關(guān)重要。根據(jù)實(shí)際測(cè)溫要求，選擇電氣設(shè)備發(fā)熱部件直接作為發(fā)電模塊熱面的加熱源，冷面加裝散熱片和一個(gè)風(fēng)扇，驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇的電能也是由半導(dǎo)體溫差模塊產(chǎn)生，其發(fā)電裝置如圖2所示。為了把發(fā)熱體的熱量盡可能高效地傳給半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊，把安裝片的一端面直接與發(fā)熱體接觸，另一面緊貼半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊3的熱面。同時(shí)在安裝片4和半導(dǎo)體溫差模塊的熱面（B面）之間涂上很薄的一層硅膠，可以把接觸面的空氣排走，讓模塊表面與安裝片充分接觸。半導(dǎo)體溫差模塊的冷面（A面）和散熱片2之間也涂有硅膠，并且在散熱片上加一個(gè)額定工作電壓為1.5 V的風(fēng)扇。風(fēng)扇的啟/停由單片機(jī)控制，這樣可以將冷面溫度控制在333 K以內(nèi)。

輸出開(kāi)路電壓隨溫差變化的情況如圖3所示，根據(jù)曲線可以看出 l K的溫差可以產(chǎn)生0.04 V以上的電壓。同時(shí)，在溫差發(fā)電模塊兩端接上匹配電阻時(shí)，輸出的功率隨溫度的變化情況如圖4所示，l K的溫差可以產(chǎn)生0.0045 W的匹配功率。當(dāng)溫差發(fā)電模塊冷、熱面溫差小于40 K時(shí)，溫差發(fā)電模塊輸出的電能僅提供給單片機(jī)測(cè)溫電路。當(dāng)溫差發(fā)電模塊冷、熱面溫差超過(guò)40 K時(shí)，電風(fēng)扇啟動(dòng)以降低冷面溫度，溫差發(fā)電模塊輸出電壓為1.6 V左右，此時(shí)一部分能量為風(fēng)扇供電，另一部分能量供給單片機(jī)測(cè)溫電路。

3 穩(wěn)壓電路

半導(dǎo)體溫差發(fā)電存在的突出問(wèn)題是輸出電壓不穩(wěn)定，當(dāng)溫差較小時(shí)輸出電壓也很小。由圖3可知，當(dāng)溫差發(fā)電模塊冷、熱面溫差小于25 K時(shí)，開(kāi)路輸出電壓小于1 V。要保證后續(xù)單片機(jī)電路正常工作，供電電壓必須大于2.6 V，傳統(tǒng)充電泵的最低輸入電壓在0.9～1.0 V之間，升壓式DC/DC轉(zhuǎn)換器的最低輸入電壓也為1.0 V左右。如果輸入電壓降到0.6 V以下，則傳統(tǒng)的充電泵或DC/DC轉(zhuǎn)換器內(nèi)部的電路不能正常工作，用傳統(tǒng)的升壓器件無(wú)法解決用0.6 V以下的輸入電壓達(dá)到升壓的目的。

這里采用一款超低輸入電壓同步DC/DC轉(zhuǎn)換器TPS61201。該IC的主要特點(diǎn)：效率高；根據(jù)輸入電壓的大小能自動(dòng)轉(zhuǎn)換成升壓模式或降壓模式；靜態(tài)電流??；輸入電壓在0.5 V時(shí)，在滿負(fù)載時(shí)也能啟動(dòng)工作；輸入工作電壓范圍寬，從0.3 V～5.5 V；輸入低電壓鎖存的電壓可設(shè)定；有輸出短路保護(hù)；有輸出電壓可設(shè)定及固定輸出的品種供用戶選擇；有可能強(qiáng)制按固定效率工作；在關(guān)閉電源時(shí)，負(fù)載與輸入端斷開(kāi)；有過(guò)熱保護(hù)；工作溫度范圍-40 ℃～+120 ℃（空氣自然散熱時(shí)推薦-40 ℃～+85 ℃）；小尺寸3 mm×3 mm QFN封裝。應(yīng)用電路如圖5所示。

4 測(cè)溫報(bào)警電路

本設(shè)計(jì)采用AVR低功耗單片機(jī)和一線制數(shù)字溫度傳感器結(jié)合紅外LED發(fā)射管組成測(cè)溫報(bào)警電路。控制器選用了ATmega8L型單片機(jī)；溫度測(cè)量采用DS18B20型溫度傳感器；報(bào)警發(fā)光二級(jí)管采用GP1303CA紅外線LED。電路構(gòu)成如圖6所示。

ATmega8L型單片機(jī)［6］，特性工作電壓2.7 V～5.5 V，4 MHz空閑模式功耗1 mA（3 V，25 ℃），內(nèi)部集成上電復(fù)位電路（Power-On-Reset）和掉電檢測(cè)電路（Brown-out-detection），并具有5種休眠模式。

DS18B20型溫度傳感器［7］，特性工作電壓3.0 V～5.5 V，測(cè)溫范圍-55 ℃～+125 ℃，分辯率：9～12位可調(diào)，最小溫度分辨率0.062 5 ℃，測(cè)量精度在-10 ℃～+85 ℃范圍內(nèi)±0.5 ℃，輸出接口為數(shù)字信號(hào)、1-Wire 總線。

選用防水電機(jī)SRE-300-14270，電機(jī)工作電壓0.5 V～4 V（額定電壓1.9 V），空載電流32 mA，最大輸出功率0.42 W。當(dāng)設(shè)備發(fā)熱部件溫升達(dá)到330 K時(shí)，CPU通過(guò)端口PB0（高電平有效）接通開(kāi)關(guān)管Q，由半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊直接給排風(fēng)扇供電對(duì)半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊的冷端進(jìn)行風(fēng)冷降溫，以確保冷、熱端間能獲得盡量大的溫度差。此時(shí)發(fā)電模塊的輸出電壓約1.8 V，輸出電流可達(dá)100 mA，負(fù)載的總耗電流約80 mA，隨著溫度的升高，溫差模塊的輸出功率會(huì)逐漸增大，排風(fēng)扇的降溫效果也逐漸增強(qiáng)，測(cè)試表明在排風(fēng)扇工作的情況下，溫差模塊冷端的溫度被強(qiáng)制在340 K左右。

GP1303CA紅外線LED為GaAs材料，中心波長(zhǎng)940 nm，符合具有夜視能力的普通監(jiān)控CCD攝像機(jī)的敏感光譜范圍；輻射強(qiáng)度10 mW/sr，功率150 mW（If=20 mA），攝像機(jī)在150 m的距離可清晰攝取該紅外圖像。CPU根據(jù)發(fā)熱溫度是否超限以及發(fā)熱溫度與環(huán)境溫度的溫差值的不同以不同頻率驅(qū)動(dòng)紅外LED閃爍報(bào)警，報(bào)警紅外光信號(hào)由現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控?cái)z像機(jī)接收并處理。LED閃爍頻率與溫度差的對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表2。

5 終端工作原理

當(dāng)被監(jiān)測(cè)的設(shè)備部件有發(fā)熱且高于環(huán)境溫度12 K以上時(shí)，半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊輸出0.5 V左右的電壓，升壓式DC/DC轉(zhuǎn)換器TPS61201啟動(dòng)，對(duì)測(cè)溫電路提供穩(wěn)定的3.3 V供電。單片機(jī)ATmega8L由斷電等待狀態(tài)轉(zhuǎn)入通電工作狀態(tài)，終端控制程序被啟動(dòng)。正式使用時(shí)，終端首先完成其內(nèi)部系統(tǒng)的初始化；各端口使能與初始化，確認(rèn)溫度傳感器連接完好；向DS18B20中TH/TL位寫(xiě)入最高/最低溫度門限，讀取該溫度傳感器的身份標(biāo)志碼。啟動(dòng)后，終端由ATmega8L單片機(jī)控制，定期向溫度傳感器DS18B20發(fā)送溫度轉(zhuǎn)換指令，DS18B20在完成溫度轉(zhuǎn)換后會(huì)自動(dòng)將溫度值和TH/TL寄存器中的觸發(fā)門限相比較。如比較結(jié)果表明測(cè)量溫度高于TH或低于TL中的門限值，則設(shè)置報(bào)警標(biāo)志位。隨后，CPU在讀取溫度值的同時(shí)也讀取報(bào)警標(biāo)志位，CPU根據(jù)溫度是否超限以及溫度值的不同以不同頻率驅(qū)動(dòng)紅外LED閃爍報(bào)警，報(bào)警紅外光信號(hào)由現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控?cái)z像機(jī)接收并處理。測(cè)溫工作流程圖如圖7。

當(dāng)升壓式DC/DC轉(zhuǎn)換器提供的電壓低于ATmega8L最低工作電壓測(cè)試工作過(guò)程中VCC的變化。此觸發(fā)電平通過(guò)VBODLEVEL設(shè)定為2.7 V或4.0 V。工作過(guò)程中發(fā)生掉電檢測(cè)復(fù)位時(shí)將對(duì)其自身復(fù)位并處于掉電等待狀態(tài)，BOD的觸發(fā)電平具有遲滯功能以消除電源尖峰的影響。當(dāng)升壓式DC/DC轉(zhuǎn)換器TPS61201的輸入電壓低于0.3 V時(shí)，輸出被關(guān)閉（VOUT=0）并鎖存，只有當(dāng)VIN》0.4 V時(shí)電源才恢復(fù)工作。此時(shí)，單片機(jī)ATmega8L重新由斷電等待狀態(tài)轉(zhuǎn)入通電工作狀態(tài)。

本文設(shè)計(jì)的溫度檢測(cè)終端，其外圍設(shè)備簡(jiǎn)單，由現(xiàn)場(chǎng)發(fā)熱源提供電能，功耗低，傳輸無(wú)線化。可以用在需要對(duì)發(fā)熱缺陷進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)而現(xiàn)場(chǎng)不能提供電源、或采用電池供電連續(xù)工作時(shí)間短且更換不便等場(chǎng)合。