Термоэлектрический усилитель Советский патент 1982 года по МПК H01L35/30 

1

Изобретение относится к термоэлектрическим преобразователям и может быть использовано в измерительной технике для усиления слабых электрических сигналов и управления световым сигналом.

Известно термоэлектрическое устройство для измерения теплового потока, содержащее два термопреобразователя, встречно включенные термопары которых через усилитель подключены к регистрирующему прибору 1. Недостатком известного термоэлектрического устройства является малая чувствительность, обусловленная малой добротностью металлических термопар.

Известно термоэлектрическое устройство для усиления слабых электрических сигналов, содержащее источник преобразуемого сигнала, источник вспомогательного сигнала, резисторы и два полупроводниковых термопреобразователя, включенных встречно 2.

Недостатком устройства является малый коэффициент усиления, обусловленный тем, что каждый преобразователь работает в прямом цикле (преобразование тепловой энергии в электрическую) и отсутствие возможности получения второго выходного сигнала в виде светового пучка. Как установлено авторами настоящей заявки, коэффициент усиления устройства прототипа не

ревышает 30, так как он ограничивается ерегревом термопреобразователей.

Целью изобретения является увеличение оэффициента усиления и возможность поучения второго выходного сигнала в виде светового пучка.

Поставленная цель достигается тем, что в термоэлектрическом усилителе, содержащем термопреобразователь, резистор и источник питающего напряжения, соединенные последовательно, термопреобразователь состоит из терморезистора, выполненного из материала, обладающего фазовым переходом, и термоэлемента Пельтье, спай которого находится в тепловом контакте с терморезистором, причем термопреобразователь размещен внутри термостата.

Кроме того, термоэлектрический усилитель снабжен источником света, а термостат имеет прозрачное окно, сквозь .которое проходит падающий от источника на терморезистор и отраженный от него световой луч. . На чертеже представлена схема предлагаемого устройства.

Устройство состоит из термопреобразователя, представляющего собой полупроводниковый термоэлемент 1 Пельтье, на рабо,чем спае которого в тепловом контакте с

ним находится терморезистор 2, выполненный из материала, обладающего фазовым переходом (например, из окисла ванадия). Противоположные спаи термоэлемента Пельтье (через электроизолированный теплопереход 3) находятся в тепловом контакте с термостатом 4, внутри которого размещены и термоэлемент 1 Пельтье и терморезистор 2. Термостат 4 имеет прозрачное окно 5, сквозь которое проходит от источника 6 падающий световой луч на терморезистор 2 и отраженный от него луч к приемнику 7. На термоэлемент 1 подается напряжение сигнала, терморезистор 2 включен последовательно с источником E-i питания и сопротивления нагрузки R. Работа предлагаемого устройства состоит в следующем. В термостате 4 устанавливают температуру, близкую к температуре фазового перехода материала терморезистора 2 (примерно на 1° или десятые доли градуса ниже температуры фазового перехода). Причем следует иметь в виду, что коэффициент усиления предлагаемого термоэлектрического усилителя тем больше, чем меньше разность между температурами обоих спаев термоэлемента. Минимальная разность указанных температур определяется температурной характеристикой сопротивления терморезистора. После установления нужной температуры в термостате на термоэлемент подают входной сигнал Е. При этом термоэлемент повышает температуру терморезистора, и происходит фазовый переход его материала. Сопротивление терморезистора падает на несколько порядков, что приводит к соответствующему изменению падения напряжения At/ на сопротивлении нагрузки R. При изменении знака входного сигнала Е происходит охлаждение спая термоэлемента, а следовательно, и терморезистора, что приводит к противоположному по знаку изменению падения напряжения Af/. Предлагаемое устройство дает также возможность управлять световым пучком, падающим на терморезистор, так как коэффициент отражения материала терморезистора при фазовом переходе меняется в десятки раз. При этом входная мошность, затрачиваемая на указанное управленпс коэффициентом отражения, весьма мала - десятые доли милливатта. В предлагаемом устройстве входной электрический сигнал подается на полупроводниковый термоэлемент и преобразуется в теплотуР, необходимую для осуществления фазового перехода материала терморезистора. Поэтому в данном устройстве эле-, мент Пельтье работает в обратном цикле (преобразование электрической энергии в тепловую). В этом случае затрата эл:ектроэнергии W на перекачку термоэлементом тепла Q равна Г - -у т где е - холодильный (или отопительный) коэффициент, l(z) - функция от критерия Иоффе Z, AT - разность температур, на которую подогревают (или охлаждают) терморезистор (от температуры термостата Т) для осуществления в нем фазового перехода. При , Г 300°К для современных 1ермоэлектрических гатериалов в- БО-100. При использовании еще меньишх АГ для управления фазовым переходом, к еще больnie возрастает, а затрата энергии на управ.ченне, соответственно, падает. Это связано с тем, что КПД обратного цикла термоэлемента (преобразованнг электрической энергии в тепловую) --. безгранично возрастает при . Малые затраты энергии на управление фазовым переходом с помощью термоэлемента, работающего в обратном цик.те при малом AT и применение терморезистора, испытывающего большие скачки сопротивления и коэффициента отражения, позволяет создать термоэлектрический усилитель с большим коэффициентом усилення и возможность получения второго выходного снгнала в виде светового пучка. ,. Проведена экспериментальная проверка предлагаемого устройства. Термоэле.мент был собран из полупроводпиковых ве1вей (р-ветвь на оспове сплава Bi--Те-SB п-ветвь на основе сплава Bi-Те-SB и через теплопереходы припаян к термостату. К рабочим спаям термоэлемента приклеен терморезистор, изготовленный из окисла ванадия, имеющего фазовый переход при Т 339°К. Устройство находилось при Т 338°К и при обеспечивало коэффициент усиления электрического сигнала 1000 (входной сигнал 3-5 мВ), а мощностью 0,5 мВт, подаваемую на термоэлемент, удалось менять коэффициент отражения поверхности терморезистора из окислов ванадия в 40 раз. Таки.м образом, устройство используется и как преобразователь малой электрической мощности во второй выходной сигнал в виде светового пучка. Предлагаемое устройство обладает коэффициеитом усиления электрического сигнала в несколько десятков раз большим, чем у известного термоэлектрического усилителя (у прототипа коэффициент усиления 30, у предлагаемого устройства - по крайней мере 1000). Устройство дает возможность получения второго выходного сигнала в виде светового пучка. Формула и 3 о б р е т е н 1И я 1. Термоэлектрический усилитель, содеращий термопреобразователь, резистор и сточник питающего напря кения, соединенные последовательно, о т л и чаю щ и ися тем, что с целью увеличения коэффициента усиления, термоиреобразователь состоит из терморезистора, выполненного из материала, обладающего фазовым переходом, и термоэлемента Пельтье, спай которого находится в тепловом контакте с терморезистором, причем термопреобразователь размещен внутри термостата.

2. Термоэлектрический усилитель поп. 1, отличающийся тем, что е целью получения второго выходного сигнала в виде светового пучка, он снабжен источником све6

та, а термостат имеет прозрачное окно, сквозь которое проходит падающий от источника на терморезистор и отра кенный от него световой луч.

Источн1И,ки информации, при.нятые во вииМание при экспертизе

1.Заявка ФРГ ЛЬ 15743204, кл. 42i 11/05, опублик. 1970.

2.Авторское свидетельство СССР № 607159 кл. G 01 R 19/24, 1975 (прототип) .

О