Глава VIII. ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ОХЛАЖДАЮЩИХ ПРИБОРОВ

Поскольку для питания термоэлектрических охлаждающих устройств требуется постоянный ток относительно большой силы при низком напряжении, вопросы выбора соответствующего источника питания приобретают самостоятельное значение. В зависимости от конкретных условий эксплуатации термоохлаждающего прибора для его питания могут быть использованы выпрямители, аккумуляторы, преобразователи тока и термоэлектрогенераторы.

§ 1. ВЫПРЯМИТЕЛИ

В стационарных условиях эксплуатации наиболее целесообразно питать термоохлаждающие устройства от выпрямителя. Несмотря на потребление постоянного тока большой силы, потребляемая термоохлаждающим прибором мощность от источника питания невелика и обычно не превышает нескольких десятков ватт, а наиболее часто равна нескольким ваттам. В связи с этим соответствующий выпрямитель будет малогабаритным и достаточно простым по конструкции. Как правило, выпрямители для питания термоохлаждающих приборов собираются по двухполупериодной схеме, в результате чего на выходе получается постоянный ток с пульсацией. Весьма существенным обстоятельством является максимальное снижение пульсации выпрямленного тока, так как наличие переменной

Рис. 49. Зависимость перепада температур на термоэлементе от величины пульсации питающего тока

составляющей будет приводить к выделению на термобатарее джоулева тепла, которое снизит эффект охлаждения.

На рис. 49 приведена зависимость перепада температур на термоэлементе от величины пульсации питающего тока.

Достижение необходимой стабилизации выпрямленного тока является довольно сложной задачей, так как в данном случае мы имеем дело с током большой силы и низкого напряжения, что практически исключает использование емкостных фильтров. Поэтому фильтрация выпрямленного тока, как правило, осуществляется в индуктивном фильтре — дросселе.

Так как все ранее приведенные соотношения, характеризующие работу термоэлектрического охлаждающего устройства, относились к случаю питания его строго постоянным током, рассмотрим влияние на работу термобатареи переменной составляющей в питающем ее токе. При питании термобатареи выпрямленным током, в котором присутствует переменная составляющая, будет иметь место два явления — выделение джоулева тепла, которое пропорционально среднеквадратичному значению переменной составляющей тока, и поглощение теплоты Пельтье, которое пропорционально среднему значению постоянной составляющей питающего тока.

Эти две величины связаны друг с другом так называемым формфактором который определяется как отношение среднеквадратичного тока переменной составляющей к среднему значению тока постоянной составляющей т. е.

Очевидно, что формфактор, отличный от единицы, будет снижать величину термоэдс а до В соответствии с этим во все соотношения, характеризующие работу термоэлектрической батареи, в членах, учитывающих джоулево тепло, следует внести среднеквадратичное значение тока, а в членах, определяющих теплоту Пельтье, необходимо писать среднее значение постоянной составляющей тока

Нетрудно показать, что основные параметры темоэлектрической батареи, питаемой током, имеющим переменную составляющую, будут отличаться от этих же параметров в случае питания батареи постоянным током на величину либо Если обозначить параметры термобатареи, питаемой током с переменной составляющей, звездочкой, то отношение их к параметрам термобатареи, питающейся постоянным током, будет иметь вид:

а) для максимального перепада температур

б) для тока в режиме максимальной холодопроизводительности

б) для тока в режиме максимального холодильного коэффициента

г) для режима максимальной холодопроизводительности

На рис. 50 приведены графические зависимости основных параметров термоэлектрической батареи от величины формфактора.

Из приведенных кривых видно, что при малых разностях температур, что соответствует в ряде случаев использованию слаботочных термобатерей, влияние формфактора не сильно сказывается на основных параметрах. Однако при необходимости достижения максимально возможных перепадов температур формфактор оказывает весьма существенное влияние на работу термобатареи. связи с этим выпрямитель, - предназначенный для питания слаботочной термобатареи, может иметь на выходе ток с пульсацией В случае же питания сильноточных термобатарей коэффициент пульсации выпрямленного тока должен быть максимально снижен и не превышать 5—7%.

Не менее важным обстоятельством является правильный выбор вентилей, так как для достижения высокого k. п. д. выпрямителя прямое падение напряжения на вентиле должно быть достаточно мало. Наиболее подходящими для указанной цели следует считать сильноточные германиевые диоды.

Отечественной промышленностью выпускаются германиевые сильноточные вентили на токи от 1 до 1000 а и напряжения от 15 до 200 в (в зависимости от класса). Прямое падение напряжения у германиевых вентилей лежит в пределах от 0.16 до 0.22 в для группы А и до 0.5 в для группы . В зависимости от условий охлаждения вентили подразделяются на тип с воздушным естественным либо принудительным охлаждением и с водяным охлаждением. Германиевые вентили работают при весьма

больших плотностях тока, достигающих 100 а/см2, в то время как селеновые и медцозакисные (купроксные) выпрямители работают при плотностях прямого тока а/см2. Столь значительные плотности рабочего тока позволили создать германиевые вентили малых габаритов и веса. Так, например, удельный объем германиевого вентиля равен что в 50—100 раз меньше, чем у селенового выпрямителя. Столь же значительно различаются и удельные массы германиевых и селеновых вентилей соответственно). Особенно существенным является низкое значение прямого падения напряжения на вентиле, лежащее, согласно классификационной характеристике, в пределах от 0.16 до 0.5 в. Коэффициент полезного действия германиевого вентиля достигает 98%.

Рис. 50. Зависимость оптимальных значений силы тока в режиме максимального холодильного коэффициента режиме максимальной холодопроизводительности и перепада температур от формфактора

К недостаткам сильноточных германиевых вентилей следует отнести низкую перегрузочную способность. связи с этим рабочая температура германиевого вентиля не должна превышать 50°. Основные данные выпускаемых промышленностью сильноточных германиевых вентилей приведены в табл. 7.

В последние годы были разработаны и освоены в серийном производстве сильноточные кремниевые вентили. Основное преимущество кремниевого вентиля перед германиевым состоит в более высокой рабочей температуре, доходящей до 200°. Это обстоятельство позволяет эксплуатировать кремниевые вентили при плотностях тока в 300—500 а/см2, что в 5 раз больше, чем у германиевых вентилей. Существенным нёдостатком кремниевых вентилей является почти в два раза большее, чем у германиевых, падение напряжения в прямом направлении, что весьма нежелательно при использовании их в выпрямительных устройствах низкого напряжения, питающих термоэлектрические приборы. Габаритные и весовые характеристики кремниевых вентилей лучше, чем у германиевых, что связано с небольшими размерами кристалла кремния. В частности удельный объем и удельная масса кремниевого вентиля равны всего лишь Однако из-за небольших размеров кристалла кремния перегрузочная способность вентиля ниже, чем германиевого. В табл. 8 приведены основные характеристики серийнйх сильноточных кремниевых вентилей. Диапазон рабочих температур

Таблица 7 (см. скан) Основные параметры сильноточных германиевых вентилей (ГОСТ 10662-63)

приведенных в таблице вентилей — однако нормальной рабочей температурой для вентиля является При превышении рабочей температуры на каждые 10° величина допустимого прямого тока через вентиль должна быть снижена на 10%.

В табл. 9 приведены сравнительные параметры сильноточных вентилей различных типов.

В тех случаях, когда экономичность выпрямителя не является определяющим обстоятельством, в качестве вентилей могут быть использованы селеновые шайбы. Правда, в результате большего, чем у германиевых и кремниевых вентилей, падения напряжения в прямом направлении к. п. д. селеновых выпрямителей равен 70—80% вместо 95—98% для германиевых вентилрй и 98—99% — для кремниевых вентилей. Однако это обстоятельство

(см. скан)

компенсируется простотой, доступностью и дешевизной селеновых выпрямителей.

Необходимо отметить, что за последние годы в связи с разработкой силовых германиевых и кремниевых вентилей внимание к селеновым вентилям стало ослабевать. Это следует признать неправильным, так как в ряде случаев применение селеновых вентилей является более целесообразным и экономически оправданным, чем использование германиевых или кремниевых вентилей.

В качестве иллюстрации можно привести пример использования селеновых вентилей в выпрямителе для питания термоэлектрического бытового холодильника. Четыре селеновые шайбы размером 100x100 мм были соединены по мостовой схеме. Выпрямитель, собранный на зтих шайбах, обеспечивал постоянный ток 25 а при напряжении 3.5 в. Коэффициент полезного действия выпрямителя был при этом равен 75%.