Nguyên tắc hoạt động của hệ pin nhiệt điện nhƣ sau:
- Tại mặt tiếp giáp lạnh, năng lƣợng (nhiệt) đƣợc hấp thu bởi điện tử khi chúng chuyển từ mức năng lƣợng thấp trong thành phần bán dẫn loại p tới một mức năng lƣợng cao hơn trong thành phần bán dẫn loại n.
- Nguồn nuôi cho pin lạnh cấp một năng lƣợng để chuyển rời điện từ qua hệ thống. - Tại mặt tiếp giáp nóng, năng lƣợng đƣợc tiêu tán trên tấm tỏa nhiệt khi điện tử chuyển rời từ thành phần có mức năng lƣợng cao (loại n) tới thành phần có mức năng lƣợng thấp (loại p).
Hình 2.6: Pin nhiệt điện Peltier
Nguyên tắc đo nhiệt độ một hệ thống làm lạnh TEC sử dụng một cặp nhiệt điện tiêu chuẩn. Cặp nhiệt điện gồm hai dây kim loại khác nhau về bản chất hóa học và đƣợc hàn với nhau ở hai đầu, điển hình là đồng - constantan, theo cách này hai tiếp giáp đƣợc tạo thành. Một tiếp giáp đƣợc giữ tại nhiệt độ tham chiếu, trong khi tiếp giáp còn lại đƣợc gắn tới vật đƣợc đo. Hệ thống đƣợc sử dụng khi hở mạch tại một điểm nào đó và điện áp sinh ra đƣợc đo. Ngƣợc lại, ta tƣởng tƣợng có một
năng lƣợng điện đƣợc đặt vào một cặp tiếp giáp trên cố định làm cho một tiếp giáp trở nên lạnh trong khi tiếp giáp còn lại trở nên nóng.
Pin nhiệt điện (hình 2.6) đƣợc làm từ hai thành phần bán dẫn, cơ bản là Bismuth Telluride, đƣợc pha tạp mạnh để tạo ra hoặc là thừa điện tử (loại n) hoặc là thiếu điện tử (loại p). Nhiệt hấp thu tại mặt lạnh đƣợc bơm tới mặt nóng tại một tốc độ tƣơng ứng với dòng qua mạch và số cặp nhiệt điện.
Nhƣ vậy, thiết bị làm lạnh nhiệt điện là dựa trên hiệu ứng Peltier, mà sự chênh lệch nhiệt độ ΔTmasđƣợc tạo ra giữa những bề mặt của những vật liệu khác nhau cấu thành nên một pin Peltier khi một dòng điện Imax chạy qua chúng. Thêm vào đó, nếu tồn tại một vật tỏa nhiệt đặt trên mặt lạnh của pin Peltier có công suất nhiệt Pth, công suất nhiệt này sẽ đƣợc chuyển tới mặt nóng của pin Peltier. Quá trình này kèm theo sự giảm chênh lệch nhiệt độ tới ΔT < ΔTmas. Kết hợp n pin Peltier bằng cách kết nối chúng nối tiếp về điện và song song về nhiệt, ta sẽ thu đƣợc một module peltier hoặc bộ làm lạnh nhiệt điện (TEC), module Peltier này có thể truyền công suất nhiệt nhiều hơn n lần so với pin peltier đơn tại cùng một chênh lệch nhiệt độ. Điều kiện ΔT = 0 tại dòng hoạt động của pin Peltier I = Imax đƣợc định nghĩa là công suất nhiệt lớn nhất Pth,max mà có thể đƣợc hấp thụ tại mặt lạnh của module Peltier.
Hình 2.7: Hệ thống làm lạnh bằng thiết bị nhiệt điện Peltier
Ngƣợc lại với chất dẫn nhiệt tự nhiên, hƣớng của dòng nhiệt bên ngoài qua module Peltier là song song với gradien nhiệt đƣợc tạo ra trong điều kiện
Pth< Pth,max. Trong điều kiện này hoạt động thuận lợi này của TEC, trở kháng nhiệt của module peltier là âm:
Do đó, việc đƣa thêm vào module Peltier trong đƣờng dẫn nhiệt của một hệ thống dẫn lạnh, trở kháng nhiệt có thể đƣợc giảm xuống đáng kể. Ví dụ của một hệ thống làm lạnh tăng cƣờng nhƣ trên hình 2.7. Mặc dù nhiệt độ xung là 30o
C, laser có thể vẫn hoạt động tại 55oC. Nếu không có sự hỗ trợ của TEC, nhiệt độ xung quanh phải thấp hơn 10oC. Một thuận lợi thứ hai của một TEC là nó có thể điều chỉnh đƣợc. Cảm biến nhiệt độ ghi lại nhiệt độ của laser diode trên đế tản nhiệt, giá trị điện thế trên cảm biến có thể đƣợc sử dụng nhƣ tín hiệu đầu vào của bộ điều khiển nhằm điều chỉnh dòng qua pin Peltier để thiết lập nhiệt độ laser mong muốn.
Sự chênh lệch nhiệt độ đạt đƣợc giữa mặt nóng và mặt lạnh của Peltier module có thể đƣợc xác định từ các thông số của linh kiện TEC với dạng tổng quát nhƣ sau
f, g là hàm của I/Imax phụ thuộc vào hệ số chất lƣợng nhiệt điện bên trong. Ví dụ, tại I = Imax thì f = 0 và g = 1. Trong khi sự chênh lệch nhiệt độ đƣợc cố định cho mỗi cấu hình bộ làm lạnh TEC cho sẵn, thì nhiệt độ của mặt nóng TH và mặt lạnh Tc là không cố định. Những nhiệt độ này phụ thuộc rất nhạy vào trở kháng nhiệt mặt nóng của hệ thống, bởi vì tại mặt nóng của module Peltier cả công suất nhiệt Pth của laser diode và công suất điện toàn bộ PPe của TEC cần đƣợc tiêu tán.
Vì công suất nhiệt có thể vận chuyển hay tiêu tán lớn nhất Pth,max tỉ lệ thuận với số module Peltier N và điện trở nhiệt mặt nóng giảm xuống khoảng 1/N nên công suất nhiệt lớn của laser có thể đƣợc tiêu tán bằng cách tăng số module Peltier. Trên hình 2.7 là cấu trúc của một bộ ổn định nhiệt độ sử dụng module Peltier với sự thông gió hỗ trợ bằng quạt điện. Nhiệt độ và điện trở nhiệt của từng phần bộ ổn định nhiệt độ cũng đƣợc chỉ ra trên hình 2.7.