液态金属直写式热电发生器驱动LED灯实验

如下采用一个LED灯作为负载，以证明以上研制的热电发生器的实用价值。由于LED灯的工作电压是2V，约为现有输出电压的20倍，所以由该热电发生器直接驱动LED灯并不可行。为满足所需功率要求，可采用一个商用超低输入电压的升压型DC/DC转换器（LTC 3108，凌力尔特）来将mV级输入电压放大至几伏的量级，从而驱动LED灯。该转换器的最小输入电压为20 mV，并提供了4种可供选择的输出电压，分别为2.35 V、3.3V、4.1V和5V。这里选择2.35 V的输出电压。图13.5为升压转换电路的电路图和实物图。

图13.5　直写式热电发生器［15］

a.升压型DC/DC转换器；b.镓-康铜热电发生器改进原型机。

实验中，使热电发生器冷端保持30℃，热端持续升温至190℃，逐渐达到稳态后，可输出100～110 mV的电量。将热电发生器的输出端接到升压芯片输入端后，发现升压芯片输出电压可达到2.38 V，足以驱动LED灯（图13.5b）。

在实验中可以注意到，当热电发生器的输出电压（即升压芯片输入电压）达到稳态后一段时间，又开始逐渐降低，如图13.6所示。这是由于组成热电偶的导体上存在温度梯度，就不可避免地会发生不可逆的热传导现象，从而导致当热电偶两端温差增大到一定程度时开始减小，使得进一步输出的热电势减小。但从图13.6同时可以看出，在67 min的较长时间内，虽然热电发生器的输出电压从41 mV逐渐降低到38 mV，但升压后的输出电压稳定在2.38 V左右，可以保证LED灯维持正常工作，可见由此开发的热电发生器是可靠的。

至此，不难看到，直写式热电发生器能够可靠地驱动LED灯。为进一步得到热电发生器为LED灯提供的功率，可将一个10Ω的取样电阻和LED灯串联，当升压电路输入电压为117 mV时，测得LED灯和取样电阻端电压分别为1.59 V和443 μV，则LED灯的功率为：(www.xing528.com)

图13.6　热电发生器升压芯片输入及输出电压随时间变化情况［15］

其中，EL和E LED分别为取样电阻和LED灯上的电压，RL为取样电阻阻值。可见，该热电发生器可稳定供给LED灯70.44 μW电量，足以保证其正常工作。

热电发生器达到稳态后的能量转换效率可计算为：

可见，虽然这里制成的热电发生器可以提供实际应用所需的电压和功率，但由于镓康铜热电偶的热电优值较低，导致整个装置的转换效率偏低。为提高转换效率，有必要进一步提高热电优值。