Термоэлементы

Принцип действия термоэлемента (ТЭ) основан на термоэлектрическом эффекте Зеебека, который заключается в появлении термо-ЭДС в цепи, состоящей из двух разнородных по составу проводников, при нагревании падающим потоком излучения места их спая (рис. 5.1 б) [54, 55].

При наличии градиента температуры вдоль проводника электроны с горячего конца диффундируют в направлении, обратном температурному градиенту, так как имеют более высокую энергию и скорость, чем на холодном конце. В результате на холодном конце возникает отрицательный заряд, а на горячем — положительный. В полупроводниках это явление выражено еще сильнее, так как ЭДС электронного и дырочного полупроводников складывается. У различных пар материалов значения термо-ЭДС неодинаковы. Для изготовления ТЭ используют различные металлические и полупроводниковые пары материалов. При сравнении пар пользуются удельной термо-ЭДС характеризуемой ЭДС, возникающей при единичном температурном перепаде:

D V _т = a_тD T, (5.1)

где D V _т — термо-ЭДС, возникающая при нагреве спая до температуры D T; a_т — удельная термо-ЭДС ТЭ, численно равная разности потенциалов, возникающей при разности температур горячего и холодного спаев 1 К.

Удельная термо-ЭДС металлических ТЭ достигает 10 мкВ/К, у полупроводниковых ТЭ она значительно выше, так как число носителей с температурой в полупроводнике растет. Металлические ТЭ изготавливают из меди, никеля, висмута, платины, кобальта, алюминия, тантала, серебра, сурьмы, железа, константана (сплава меди и никеля) и т. д. Полупроводниковые — из сурьмы, кремния, теллура, селена. Термоэлемент в простейшем случае работает так (рис. 5.1 б): на спай падает поток излучения DF, он вызывает разность температур D T и, как результат, разность потенциалов D V _т = a_тD T. Через сопротивление нагрузки R _н потечет ток, который вызовет противоположный термоэлектрическому эффекту эффект Пельтье: при пропускании тока горячий спай охлаждается. Количество теплоты, отводимое в 1 с от спая, т. е. поток тепловой энергии, определяется как

DF_т = –P_т i, P_т = a_т T,

где i — ток; P_т — коэффициент Пельтье; T — температура проводника, по которому течет ток i.

Следовательно,

DF_т = –a_т Ti. (5.2)

Выделением тепла по закону Джоуля–Ленца пренебрегаем из-за малости токов. Тогда общая термо-ЭДС с учетом явлений Зеебека и Пельтье:

D V = D V _т – D V _п, V на U!!!! (5.3)

причем

D V _п = DF_тa_т/s_т, (5.4)

где s_т — полная термическая проводимость спая, Вт/К.

С учетом уравнений (5.1), (5.2), (5.4) получим Эффект Пельтье увеличивает эффективное сопротивление цепи термоэлемента на величину Тогда откуда

где R — сопротивление ТЭ.

Если пренебречь эффектом Пельтье, то интегральная вольтовая чувствительность холостого хода:

S_{U инт}» D V _т/DF = a_тD T /DF @ a_тa/s_т,

где a — коэффициент поглощения.

При работе с модулированным потоком излучения

S_{U инт} = a_тa/(2p fC),

где C — теплоемкость спая, Дж/К.

Для увеличения вольтовой чувствительности надо увеличивать удельную термо-ЭДС a_т и уменьшать полную термическую проводимость спая s_т: a_т увеличивают за счет чернения спая, а s_т уменьшают за счет вакуумирования приемного элемента. Кроме того, применяют последовательное включение нескольких ТЭ.

Теплопроводность висмута, железа, никеля, свинца, ртути, селена составляет 0,15–0,015 Вт/(м×К), а сплавов — 0,005–0,008 Вт/(м× К). Интегральная вольтовая чувствительность металлических ТЭ изменяется в пределах от 3 до 5 В/Вт, чувствительность полупроводниковых ТЭ — от 30 до 50 В/Вт, постоянная времени металлических — от 0,1 до 2 с, а полупроводниковых — от 0,04 до 0,1 с. Пороговые потоки ТЭ в заданной полосе частот лежат в пределах от 10^–8 до 10^–11 Вт по любому излучателю, так как они неселективны. Основные шумы ТЭ — тепловой и радиационный. Окна ТЭ делают из стекла, кварца, германия, кремния, флюорита, хлористого натрия или калия, слюды и т. д.

Качество работы ТЭ наиболее полно определяет его КПД — отношение мощности, полученной на сопротивлении нагрузки, к мощности излучения, падающего на чувствительный элемент:

h_тэ = P /F.

Определим оптимальное сопротивление нагрузки для ТЭ, при которой на этом сопротивлении рассеивается максимальная электрическая мощность (работа с гальванометром):

где U_р — рабочее напряжение ТЭ; U_с — напряжение сигнала на сопротивлении нагрузки.

Найдем значение R _н, при котором P = P _max:

Тогда мощность на сопротивлении и КПД:

Обычно величина h_тэ не превосходит долей процента для металлов и нескольких процентов для полупроводников.

Малое собственное сопротивление ТЭ вынуждает делать усилители с трансформаторным входом, что сильно их усложняет. Кроме того, ТЭ имеют сложную конструкцию и большую инерционность.

На рис. 5.2 приведены спектральные характеристики ТЭ типа ПРТЭ-1, а в таблице 5.1 — технические параметры.

автоРис. 2 Рис. 5.2

Спектральная чувствительность термоэлементов ПРТЭ-1 с сурьмяной чернью (а) и золотой чернью (б) для различных образцов