Hva er et Peltier-element, dets struktur, driftsprinsipp og praktiske anvendelse. Peltier-effekt Termoelektrisk Peltier-effekt

Oppdaget i 1834 av J. Peltier, som oppdaget at når en strøm går gjennom et kryss mellom to forskjellige ledere, endres temperaturen i krysset. I 1838 viste E. H. Lenz det for tilstrekkelig stor styrke Strømmen kan enten fryses eller en dråpe vann som påføres krysset kan bringes til å koke ved å endre strømmens retning.

Essensen av Peltier-effekten er at når en elektrisk strøm passerer gjennom kontakten til to metaller eller halvledere i kontaktområdet, i tillegg til den vanlige Joule-varmen, frigjøres eller absorberes en ekstra mengde varme, kalt Peltier varme Q s. I motsetning til Joule-varme, som er proporsjonal med kvadratet av strømmen, størrelsen Q s proporsjonal med strømmens første potens.

Q p = P.I. t.

t- gjeldende passasjetid,

Jeg- strømstyrke.

P- Peltier-koeffisient, en proporsjonalitetskoeffisient som avhenger av arten av materialene som danner kontakten. Teoretiske konsepter gjør det mulig å uttrykke Peltier-koeffisienten gjennom de mikroskopiske egenskapene til ledningselektroner.

Peltier koeffisient P = T D en, Hvor T - absolutt temperatur, A Δ α - forskjell i termoelektriske koeffisienter til ledere. Strømretningen avgjør om Peltier-varme frigjøres eller absorberes.

Årsaken til effekten er at det ved kontakt mellom metaller eller halvledere oppstår en intern kontaktpotensialforskjell ved grensen. Dette fører til det faktum at den potensielle energien til bærere på begge sider av kontakten blir forskjellig, siden den gjennomsnittlige energien til strømbærere avhenger av deres energispektrum, konsentrasjon og spredningsmekanismer og er forskjellig i forskjellige ledere. Siden den gjennomsnittlige energien til elektroner involvert i strømoverføring er forskjellig i forskjellige ledere, i prosessen med kollisjoner med gitterioner, gir bærere overskudd kinetisk energi grill og varme frigjøres. Hvis den potensielle energien til bærere avtar når de passerer gjennom en kontakt, øker deres kinetiske energi og elektroner, som kolliderer med gitterioner, øker energien deres til en gjennomsnittsverdi, mens Peltier-varme absorberes. Således, når elektroner passerer gjennom en kontakt, overfører elektronene enten overflødig energi til atomene eller fyller på den på deres bekostning.

Under overgangen av elektroner fra en halvleder til et metall er energien til ledningselektronene til halvlederen betydelig høyere enn Fermi-nivået (se Fermi-energi) til metallet, og elektronene gir fra seg overskuddsenergien. Peltier-effekten er spesielt sterk i halvledere, som brukes til å lage kjøling og oppvarming av halvlederenheter, inkludert opprettelse av mikrokjøleskap i kjøleenheter.

Tidlig på 1800-tallet. Fysikkens og elektroteknikkens gullalder. I 1834 plasserte den franske urmakeren og naturforskeren Jean-Charles Peltier en dråpe vann mellom vismut- og antimonelektroder og førte den deretter gjennom en krets. elektrisitet. Til sin forbauselse så han at dråpen plutselig frøs.

Den termiske effekten av elektrisk strøm på ledere var kjent, men omvendt effekt var beslektet med magi. Man kan forstå Peltiers følelser: dette fenomenet i krysset mellom to forskjellige områder av fysikk - termodynamikk og elektrisitet - fremkaller fortsatt en følelse av mirakel i dag.

Problemet med kjøling den gang var ikke så akutt som det er i dag. Derfor ble Peltier-effekten vendt til bare nesten to århundrer senere, da elektroniske enheter dukket opp, hvis drift krevde miniatyrkjølesystemer. Verdighet Peltier kjøleelementer er små dimensjoner, fravær av bevegelige deler, mulighet for kaskadekobling for å oppnå store temperaturforskjeller.

I tillegg er Peltier-effekten reversibel: når polariteten til strømmen gjennom modulen endres, erstattes kjøling med oppvarming, slik at systemer for nøyaktig temperaturvedlikehold - termostater - enkelt kan implementeres på den. Ulempen med Peltier-elementer (moduler) er deres lave effektivitet, som krever tilførsel av store strømverdier for å oppnå en merkbar temperaturforskjell. Det er også vanskelig å fjerne varme fra platen på motsatt side av det avkjølte planet.

Men først ting først. La oss først prøve å vurdere de fysiske prosessene som er ansvarlige for det observerte fenomenet. Uten å stupe ned i avgrunnen av matematiske beregninger, vil vi ganske enkelt prøve å forstå naturen til dette interessante fysiske fenomenet.

Siden vi snakker om temperaturfenomener, erstatter fysikere, for bekvemmeligheten av matematisk beskrivelse, vibrasjonene til materialets atomgitter med en viss gass som består av partikler - fononer.

Temperaturen på fonongassen avhenger av temperaturen miljø og metallets egenskaper. Da er et hvilket som helst metall en blanding av elektron- og fonongasser som er i termodynamisk likevekt Når to forskjellige metaller kommer i kontakt i fravær av et eksternt felt, trenger den "varmere" elektrongassen inn i sonen til den "kaldere" og skaper den velkjente kontaktpotensialforskjellen.

Ved bruk av en potensiell forskjell på overgangen, dvs. Når strømmen flyter gjennom grensen til to metaller, tar elektroner energi fra fononene til det ene metallet og overfører det til fonongassen til det andre. Når polariteten endres, skifter overføringen av energi, som betyr oppvarming og avkjøling, fortegn.

I halvledere er elektroner og "hull" ansvarlige for energioverføring, men mekanismen for varmeoverføring og utseendet til en temperaturforskjell forblir den samme. Temperaturforskjellen øker til høyenergielektronene er utarmet. Temperaturlikevekt oppstår. Dette er det moderne bildet av beskrivelsen Peltier-effekt.

Av det er det klart at effektiviteten til Peltier-elementet avhenger av valget av et par materialer, strømstyrken og hastigheten på varmefjerning fra den varme sonen. For moderne materialer (vanligvis halvledere) er effektiviteten 5-8%.

Og nå om den praktiske anvendelsen av Peltier-effekten. For å øke den, er individuelle termoelementer (kryss av to forskjellige materialer) satt sammen i grupper bestående av titalls og hundrevis av elementer. Hovedformålet med slike moduler er å kjøle ned små gjenstander eller mikrokretser.

Termoelektrisk kjølemodul

Peltier-effektmoduler er mye brukt i nattsynsenheter med en rekke infrarøde mottakere. Charge-coupled device chips (CCD), som også brukes i digitale kameraer i dag, krever dyp kjøling for å registrere bilder i infrarød region. Peltier-moduler kjøler ned infrarøde detektorer i teleskoper, aktive elementer i lasere for å stabilisere strålingsfrekvensen og i presisjonstidssystemer. Men disse er alle militære og spesielle formål.

Nylig har Peltier-moduler funnet anvendelse i husholdningsprodukter. Hovedsakelig innen bilteknologi: klimaanlegg, bærbare kjøleskap, vannkjølere.

Et eksempel på praktisk bruk av Peltier-effekten

Den mest interessante og lovende anvendelsen av moduler er datateknologi. Høyytelses mikroprosessorer, prosessorer og skjermkortbrikker fremhever et stort nummer av varme. For å avkjøle dem brukes høyhastighetsvifter, som skaper betydelig akustisk støy. Bruken av Peltier-moduler som en del av kombinerte kjølesystemer eliminerer støy med betydelig varmeuttak.

Kompakt USB - Kjøleskap med Peltier-moduler

Og til slutt, et logisk spørsmål: vil Peltier-moduler erstatte de vanlige kjølesystemene i kompresjonskjøleskap til husholdninger? I dag er dette ulønnsomt med tanke på effektivitet (lav effektivitet) og pris. Kostnaden for kraftige moduler er fortsatt ganske høy.

Men teknologi og materialvitenskap står ikke stille. Det er umulig å utelukke muligheten for fremveksten av nye, billigere materialer med høyere effektivitet og høy Peltier-koeffisient. Allerede i dag er det rapporter fra forskningslaboratorier om de fantastiske egenskapene til nanokarbonmaterialer som radikalt kan endre situasjonen med effektive kjølesystemer.

Det har vært rapporter om den høye termoelektriske effektiviteten til clastrater - faste løsninger som i struktur ligner hydrater. Når disse materialene forlater forskningslaboratoriene, vil helt lydløse kjøleskap med ubegrenset levetid erstatte våre vanlige hjemmemodeller.

P.S. En av de mest interessante funksjonene termoelektrisk teknologi er at den ikke bare kan bruke elektrisk energiå få varme og kulde, men også takket være det kan vi men start den omvendte prosessen, og få for eksempel elektrisk energi fra varme.

Et eksempel på hvordan du kan få strøm fra varme ved hjelp av en termoelektrisk modul () se på dette video:

Hva tenker du om dette? Jeg ser frem til kommentarene dine!

Andrey Povny

Utført av en student fra AT-11-gruppen

Mukharlyamov Ildar

Peltier-effekt

Inngang: elektrisk strøm.

Utgang: mengde varme, temperatur.

Essens

Når en elektrisk likestrøm flyter i en krets som består av forskjellige ledere, absorberes eller frigjøres varme ved kontaktpunktene (kryssene) til lederne, avhengig av strømmens retning. Peltier-varmen som frigjøres eller absorberes i laget er proporsjonal med den totale ladningen som passerer gjennom krysset, eller produktet av strøm og tid. Peltier-koeffisienten avhenger av typen kontaktledere og deres temperaturer.

R eller n) (se bilde). Forklaringen på Peltier-effekten ligger i samspillet mellom ledningselektroner, bremset eller akselerert i kontaktpotensialet til pn-krysset, med termiske vibrasjoner av atomer i halvlederarrayen. Som et resultat, avhengig av bevegelsesretningen til elektroner og følgelig strøm, oppstår oppvarming () eller avkjøling (T Med ) seksjonen av halvlederen umiddelbart ved siden av krysset (R-n eller n-p-kryss).

Matematisk beskrivelse

Hvor - Peltier varme, J

P – Peltier koeffisient;

q– ladning som går gjennom kontakten, C;

Jeg- Strøm i konduktøren, A;

t– tid, s.

Peltier-varmen endrer fortegn når strømmens retning endres. Parameterendringsgrenser:

opptil 1 V - halvleder;

Jeg– opptil flere ampere;

Q– fra 0 til 50 J (på 1 sek.)

Peltier-koeffisienten kan uttrykkes i form av Thomson-koeffisienten:

q T,

Hvor
Thomson;

applikasjon

Peltier-modulen er kjent for det faktum at når elektrisk strøm passerer gjennom den, fungerer den som en termisk pumpe, dvs. pumper varme fra den ene siden til den andre, på grunn av hvilken den brukes aktivt i forskjellige kjølesystemer, fra drikkekjøleskap til kjølesystemer for kraftige halvlederlasere og forskjellige brikker, spesielt der det er nødvendig å fremskynde prosessen med varmeutvinning fra en varmeelement. Hovedområdene for praktisk bruk av Peltier-effekten i halvledere: å oppnå kulde for å lage termoelektriske kjøleenheter, oppvarming til oppvarmingsformål, termostatering, kontroll av krystalliseringsprosessen under konstante temperaturforhold.

For å øke signal-til-støy-forholdet til fotomultiplikatorrør (PMT), er en metode foreslått for kjøling av fotokatoder med termoelektriske elementer plassert inne i vakuumskallet til PMT (US Pat. 3757151).

En gassprøvetakingsanordning der kondensatavløpet er integrert med kjøleskapet. På innsiden De kalde overgangene til Peltier-elementene er festet til en hul kjegle og en rørledning for prøvetaking av målegassen forgrener seg fra den. Kjøleskapet er forskjellig ved at et batteri med termoelementer er gitt som en generator av strøm forbrukt av Peltier-elementer, hvis varme kryss er plassert i røykgasskanalen, og de kalde kryssene er i det ytre rommet (Søknad 1297U02 Tyskland).

Enhetsbilde

Fordeler og ulemper med å bruke TEM

Ofte inkluderer fordelene med Peltier-moduler:

relativt små dimensjoner;

evnen til å jobbe både for kjøling og oppvarming av systemet;

ingen bevegelige deler eller mekaniske komponenter utsatt for slitasje.

Samtidig har TEM-er en rekke ulemper som i betydelig grad hindrer deres utbredte praktiske bruk. Blant dem er følgende:

lav moduleffektivitet;

behovet for en strømkilde for deres drift;

stort strømforbruk for å oppnå en merkbar temperaturforskjell og, som et resultat, betydelig varmeutvikling;

begrensede dimensjoner

Kontrollspørsmål:

Hva er essensen av Peltier-effekten?

(Når en elektrisk likestrøm flyter i en krets som består av forskjellige ledere, absorberes eller frigjøres varme ved kontaktpunktene (kryssene) til lederne, avhengig av strømmens retning.)

Hva er Peltier-koeffisienten avhengig av?

(Peltier-koeffisienten avhenger av typen kontaktledere og deres temperaturer.)

Hvilke ledere brukes i Peltier-effekten?

Peltier-effekten manifesterer seg sterkest ved kontaktene til halvledere med forskjellige typer ledningsevne ( R eller n)

Hvordan er Peltier-koeffisienten relatert til Thomson-koeffisienten?

q T,

Hvor
Thomson;

T – temperaturkoeffisient, K.

Hovedanvendelse av effekten?

(Brukes i ulike kjølesystemer)

Oppgaver:

Finn Peltier-koeffisienten, vel vitende om at en strøm på 10 A passerte på 3 sekunder og frigjorde 50 J varme.

Hva vil Thomson-koeffisienten være lik hvis ladningen er 70 C og den absolutte temperaturen er 300 K. Peltier-koeffisienten er 1,7 V.

Hvor mye varme vil frigjøres ved kontaktpunktene til forskjellige ledere hvis Peltier-koeffisienten er 73 mV, og ladningen som går gjennom den termiske modulen er 40 C.

Løsning: Qp=P*q=2,92 (J).

Finn tiden det tar før strømmen går i lederen, vel vitende om at spenningen er 120 V, motstanden er 10 Ohm. I dette tilfellet frigjøres 1 J varme, og Peltier-koeffisienten er 60 mV.

Kjøleutstyr har blitt så godt etablert i livene våre at det til og med er vanskelig å forestille seg hvordan vi skulle klare oss uten det. Men klassisk kjølemiddeldesign er ikke egnet for mobil bruk, for eksempel som reisekjølebag.

Til dette formål brukes installasjoner hvor driftsprinsippet er basert på Peltier-effekten. La oss kort snakke om dette fenomenet.

Hva det er?

Dette begrepet refererer til et termoelektrisk fenomen oppdaget i 1834 av den franske naturforskeren Jean-Charles Peltier. Essensen av effekten er frigjøring eller absorpsjon av varme i området der forskjellige ledere som elektrisk strøm passerer gjennom er i kontakt.

I samsvar med klassisk teori Det er følgende forklaring på fenomenet: elektrisk strøm overfører elektroner mellom metaller, som kan akselerere eller bremse deres bevegelse, avhengig av kontaktpotensialforskjellen i ledere laget av forskjellige materialer. Følgelig, med en økning i kinetisk energi, omdannes den til termisk energi.

På den andre lederen observeres en omvendt prosess, som krever påfyll av energi, i samsvar med fysikkens grunnleggende lov. Dette oppstår på grunn av termisk vibrasjon, som forårsaker avkjøling av metallet som den andre lederen er laget av.

Moderne teknologier gjør det mulig å produsere halvlederelementer-moduler med maksimal termoelektrisk effekt. Det er fornuftig å kort snakke om designet deres.

Design og operasjonsprinsipp

Moderne moduler er en struktur som består av to isolerende plater (vanligvis keramiske), med seriekoblede termoelementer plassert mellom dem. Et forenklet diagram av et slikt element finner du i figuren nedenfor.

Betegnelser:

A – kontakter for tilkobling til en strømkilde;
B - varm overflate av elementet;
C - kald side;
D - kobberledere;
E – halvleder basert på p-kryss;
F – n-type halvleder.

Designet er laget på en slik måte at hver side av modulen er i kontakt enten p-n eller n-p overganger(avhengig av polaritet). Kontakter p-n varme opp, n-p – avkjøles (se fig. 3). Følgelig oppstår en temperaturforskjell (DT) på sidene av elementet. For en observatør vil denne effekten se ut som en overføring av termisk energi mellom sidene av modulen. Det er bemerkelsesverdig at endring av strømpolariteten fører til en endring i varme og kalde overflater.

Ris. 3. A – varm side av termoelementet, B – kald side

Spesifikasjoner

Egenskapene til termoelektriske moduler er beskrevet av følgende parametere:

kjølekapasitet (Q max), denne karakteristikken bestemmes basert på maksimalt tillatt strøm og temperaturforskjellen mellom sidene av modulen, målt i watt;
maksimal temperaturforskjell mellom sidene av elementet (DT max), parameteren er gitt for ideelle forhold, måleenheten er grader;
tillatt strøm som kreves for å sikre maksimal temperaturforskjell – I maks;
den maksimale spenningen U max som kreves for at strømmen I max skal nå toppforskjellen DT max ;
intern motstand i modulen – Motstand, angitt i ohm;
effektivitetskoeffisient - COP (forkortelse fra engelsk - ytelseskoeffisient), i hovedsak er dette effektiviteten til enheten, som viser forholdet mellom kjøling og strømforbruk. For rimelige elementer er denne parameteren i området 0,3-0,35, for dyrere modeller nærmer den seg 0,5.

Merking

La oss se på hvordan typiske modulmerker blir dechiffrert ved å bruke eksempelet i figur 4.

Figur 4. Peltier-modul merket TEC1-12706

Markeringen er delt inn i tre meningsfulle grupper:

Elementbetegnelse. De to første bokstavene er alltid uendret (TE), noe som indikerer at dette er et termoelement. Den neste angir størrelsen, det kan være bokstavene "C" (standard) og "S" (liten). Det siste tallet angir hvor mange lag (kaskader) det er i elementet.
Antall termoelementer i modulen vist på bildet er 127.
Merkestrømmen er i ampere, for oss er den 6 A.

Merkingene til andre modeller i TEC1-serien leses på samme måte, for eksempel: 12703, 12705, 12710, etc.

applikasjon

Til tross for den ganske lave effektiviteten, er termoelektriske elementer mye brukt i måling, databehandling og husholdningsapparater. Moduler er et viktig driftselement for følgende enheter:

mobile kjøleenheter;
små generatorer for å generere elektrisitet;
kjølesystemer i personlige datamaskiner;
kjølere for kjøling og oppvarming av vann;
avfuktere osv.

La oss gi detaljerte eksempler på bruk av termoelektriske moduler.

Kjøleskap med Peltier-elementer

Termoelektriske kjøleenheter er betydelig dårligere i ytelse enn kompressor- og absorpsjonsanaloger. Men de har betydelige fordeler, noe som gjør bruken tilrådelig under visse forhold. Disse fordelene inkluderer:

enkelhet i design;
vibrasjonsmotstand;
fravær av bevegelige elementer (bortsett fra viften som blåser radiatoren);
lavt støynivå;
små dimensjoner;
evne til å jobbe i enhver stilling;
lang levetid;
lavt energiforbruk.

Disse egenskapene er ideelle for mobile installasjoner.

Peltier-element som en strømgenerator

Termoelektriske moduler kan fungere som strømgeneratorer hvis en av sidene deres blir utsatt for tvungen oppvarming. Jo større temperaturforskjellen er mellom sidene, jo høyere er strømmen som genereres av kilden. Dessverre er den maksimale temperaturen for den termiske generatoren begrenset; den kan ikke være høyere enn smeltepunktet til loddet som brukes i modulen. Brudd på denne betingelsen vil føre til svikt i elementet.

For masseproduksjon av termiske generatorer brukes spesielle moduler med ildfast loddemiddel, de kan varmes opp til en temperatur på 300 °C. I vanlige elementer, for eksempel TEC1 12715, er grensen 150 grader.

Siden effektiviteten til slike enheter er lav, brukes de bare i tilfeller der det ikke er mulig å bruke en mer effektiv kilde til elektrisk energi. Imidlertid er 5-10 W termiske generatorer etterspurt blant turister, geologer og innbyggere i avsidesliggende områder. Store og kraftige stasjonære installasjoner drevet av høytemperaturbrensel brukes til å drive gassdistribusjonsenheter, meteorologisk stasjonsutstyr, etc.

For å avkjøle prosessoren

Relativt nylig begynte disse modulene å bli brukt i CPU-kjølesystemer til personlige datamaskiner. Tatt i betraktning den lave effektiviteten til termoelementer, er fordelene med slike strukturer ganske tvilsomme. For eksempel, for å avkjøle en varmekilde med en effekt på 100-170 W (tilsvarer de fleste moderne CPU-modeller), må du bruke 400-680 W, noe som krever installasjon av en kraftig strømforsyning.

Den andre fallgruven er at en ubelastet prosessor vil frigjøre mindre termisk energi, og modulen kan avkjøle den under duggpunktet. Som et resultat vil det begynne å dannes kondens, noe som garantert vil skade elektronikken.

De som bestemmer seg for å lage et slikt system på egen hånd, må utføre en rekke beregninger for å velge kraften til modulen for en spesifikk prosessormodell.

Basert på ovenstående er det ikke kostnadseffektivt å bruke disse modulene som et CPU-kjølesystem; i tillegg kan de forårsake feil data utstyr ute av drift.

Situasjonen er helt annerledes med hybridenheter, der termiske moduler brukes i forbindelse med vann- eller luftkjøling.

Hybride kjølesystemer har bevist sin effektivitet, men de høye kostnadene begrenser kretsen til deres beundrere.

Klimaanlegg basert på Peltier-elementer

Teoretisk sett vil en slik enhet være strukturelt mye enklere enn klassiske klimakontrollsystemer, men alt kommer ned til lav ytelse. Det er én ting å kjøle ned et lite volum av et kjøleskap, en annen ting å kjøle et rom eller interiøret i en bil. Klimaanlegg som bruker termoelektriske moduler vil forbruke mer strøm (3-4 ganger) enn utstyr som kjører på kjølemedium.

Når det gjelder å bruke det som et bilklimakontrollsystem, vil ikke kraften til en standard generator være nok til å betjene en slik enhet. Å erstatte den med mer effektivt utstyr vil føre til betydelig drivstofforbruk, noe som ikke er kostnadseffektivt.

I tematiske fora oppstår diskusjoner om dette emnet med jevne mellomrom, og ulike hjemmelagde design vurderes, men en fullverdig fungerende prototype er ennå ikke laget (ikke medregnet klimaanlegget for en hamster). Det er godt mulig at situasjonen vil endre seg når moduler med mer akseptabel effektivitet blir allment tilgjengelige.

For kjølevann

Det termoelektriske elementet brukes ofte som kjølevæske for vannkjølere. Designet inkluderer: en kjølemodul, en termostatstyrt kontroller og en varmeovn. Denne implementeringen er mye enklere og billigere enn en kompressorkrets; i tillegg er den mer pålitelig og enklere å betjene. Men det er også visse ulemper:

vann avkjøles ikke under 10-12°C;
kjøling tar lengre tid enn kompressorens motstykke, derfor er en slik kjøler ikke egnet for et kontor med et stort antall ansatte;
enheten er følsom for ekstern temperatur, i et varmt rom vil vannet ikke avkjøles til minimumstemperaturen;
Installasjon i støvete rom anbefales ikke, da viften kan bli tilstoppet og kjølemodulen kan svikte.

Vannkjøler på bord med Peltier-element

Lufttørker basert på Peltier-elementer

I motsetning til et klimaanlegg, er implementeringen av en avfukter ved hjelp av termoelektriske elementer ganske mulig. Designet er ganske enkelt og rimelig. Kjølemodulen senker temperaturen på radiatoren under duggpunktet, som et resultat av at fuktighet i luften som passerer gjennom enheten legger seg på den. Det sedimenterte vannet slippes ut i en spesiell lagertank.

Til tross for den lave effektiviteten, er effektiviteten til enheten i dette tilfellet ganske tilfredsstillende.

Hvordan koble til?

Det vil ikke være noen problemer med å koble til modulen; en konstant spenning må påføres utgangsledningene; verdien er angitt i databladet til elementet. Den røde ledningen må kobles til den positive, den svarte ledningen til den negative. Merk følgende! Reversering av polariteten reverserer posisjonene til de avkjølte og oppvarmede overflatene.

Hvordan sjekke Peltier-elementet for funksjonalitet?

Den enkleste og mest pålitelige metoden er taktil. Det er nødvendig å koble modulen til den aktuelle spenningskilden og berøre dens forskjellige sider. For et fungerende element vil en av dem være varmere, den andre kaldere.

Hvis du ikke har en passende kilde for hånden, trenger du et multimeter og en lighter. Bekreftelsesprosessen er ganske enkel:

koble probene til modulterminalene;
ta den tente lighteren til en av sidene;
Vi observerer avlesningene til enheten.

I arbeidsmodulen, når en av sidene er oppvarmet, genereres en elektrisk strøm, som vises på enhetens display.

Hvordan lage et Peltier-element med egne hender?

Det er nesten umulig å lage en hjemmelaget modul hjemme, spesielt siden det ikke er noen vits i å gjøre det, gitt deres relativt lave kostnader (ca. $4-$10). Men du kan sette sammen en enhet som vil være nyttig på en fottur, for eksempel en termoelektrisk generator.

For å stabilisere spenningen er det nødvendig å sette sammen en enkel omformer på L6920 IC-brikken.

Inngangen til en slik omformer leveres med en spenning i området 0,8-5,5 V, og ved utgangen vil den produsere en stabil 5 V, som er ganske nok til å lade de fleste mobile enheter. Hvis et konvensjonelt Peltier-element brukes, er det nødvendig å begrense driftstemperaturområdet til den oppvarmede siden til 150 °C. For å unngå bryet med sporing er det bedre å bruke en gryte med kokende vann som varmekilde. I dette tilfellet vil elementet garantert ikke varmes opp over 100 °C.

Til dette formål brukes installasjoner hvor driftsprinsippet er basert på Peltier-effekten. La oss kort snakke om dette fenomenet.

Hva det er?

I samsvar med den klassiske teorien er det følgende forklaring på fenomenet: elektrisk strøm overfører elektroner mellom metaller, som kan akselerere eller bremse deres bevegelse, avhengig av kontaktpotensialforskjellen i ledere laget av forskjellige materialer. Følgelig, med en økning i kinetisk energi, omdannes den til termisk energi.

Moderne teknologier gjør det mulig å produsere halvlederelementer-moduler med maksimal termoelektrisk effekt. Det er fornuftig å kort snakke om designet deres.

Design og operasjonsprinsipp

Betegnelser:

A – kontakter for tilkobling til en strømkilde;
B - varm overflate av elementet;
C - kald side;
D - kobberledere;
E – halvleder basert på p-kryss;
F – n-type halvleder.

Designet er laget på en slik måte at hver side av modulen er i kontakt med enten p-n- eller n-p-kryss (avhengig av polaritet). P-n-kontaktene varmes opp, n-p-kontaktene avkjøles (se fig. 3). Følgelig oppstår en temperaturforskjell (DT) på sidene av elementet. For en observatør vil denne effekten se ut som en overføring av termisk energi mellom sidene av modulen. Det er bemerkelsesverdig at endring av strømpolariteten fører til en endring i varme og kalde overflater.

Ris. 3. A – varm side av termoelementet, B – kald side

Spesifikasjoner

Egenskapene til termoelektriske moduler er beskrevet av følgende parametere:

kjølekapasitet (Q max), denne karakteristikken bestemmes basert på maksimalt tillatt strøm og temperaturforskjellen mellom sidene av modulen, målt i watt;
maksimal temperaturforskjell mellom sidene av elementet (DT max), parameteren er gitt for ideelle forhold, måleenheten er grader;
tillatt strøm som kreves for å sikre maksimal temperaturforskjell – I maks;
den maksimale spenningen U max som kreves for at strømmen I max skal nå toppforskjellen DT max ;
intern motstand i modulen – Motstand, angitt i ohm;
effektivitetskoeffisient - COP (forkortelse fra engelsk - ytelseskoeffisient), i hovedsak er dette effektiviteten til enheten, som viser forholdet mellom kjøling og strømforbruk. For rimelige elementer er denne parameteren i området 0,3-0,35, for dyrere modeller nærmer den seg 0,5.

Merking

La oss se på hvordan typiske modulmerker blir dechiffrert ved å bruke eksempelet i figur 4.

Figur 4. Peltier-modul merket TEC1-12706

Markeringen er delt inn i tre meningsfulle grupper:

Elementbetegnelse. De to første bokstavene er alltid uendret (TE), noe som indikerer at dette er et termoelement. Den neste angir størrelsen, det kan være bokstavene "C" (standard) og "S" (liten). Det siste tallet angir hvor mange lag (kaskader) det er i elementet.
Antall termoelementer i modulen vist på bildet er 127.
Merkestrømmen er i ampere, for oss er den 6 A.

Merkingene til andre modeller i TEC1-serien leses på samme måte, for eksempel: 12703, 12705, 12710, etc.

applikasjon

Til tross for den ganske lave effektiviteten, er termoelektriske elementer mye brukt i måling, databehandling og husholdningsapparater. Moduler er et viktig driftselement for følgende enheter:

mobile kjøleenheter;
små generatorer for å generere elektrisitet;
kjølesystemer i personlige datamaskiner;
kjølere for kjøling og oppvarming av vann;
avfuktere osv.

La oss gi detaljerte eksempler på bruk av termoelektriske moduler.

Kjøleskap med Peltier-elementer

enkelhet i design;
vibrasjonsmotstand;
fravær av bevegelige elementer (bortsett fra viften som blåser radiatoren);
lavt støynivå;
små dimensjoner;
evne til å jobbe i enhver stilling;
lang levetid;
lavt energiforbruk.

Disse egenskapene er ideelle for mobile installasjoner.

Peltier-element som en strømgenerator

For å avkjøle prosessoren

De som bestemmer seg for å lage et slikt system på egen hånd, må utføre en rekke beregninger for å velge kraften til modulen for en spesifikk prosessormodell.

Basert på ovenstående er det ikke kostnadseffektivt å bruke disse modulene som et CPU-kjølesystem; i tillegg kan de føre til at datautstyr svikter.

Situasjonen er helt annerledes med hybridenheter, der termiske moduler brukes i forbindelse med vann- eller luftkjøling.

Hybride kjølesystemer har bevist sin effektivitet, men de høye kostnadene begrenser kretsen til deres beundrere.

Klimaanlegg basert på Peltier-elementer

For kjølevann

vann avkjøles ikke under 10-12°C;
kjøling tar lengre tid enn kompressorens motstykke, derfor er en slik kjøler ikke egnet for et kontor med et stort antall ansatte;
enheten er følsom for ekstern temperatur, i et varmt rom vil vannet ikke avkjøles til minimumstemperaturen;
Installasjon i støvete rom anbefales ikke, da viften kan bli tilstoppet og kjølemodulen kan svikte.

Vannkjøler på bord med Peltier-element

Lufttørker basert på Peltier-elementer

Til tross for den lave effektiviteten, er effektiviteten til enheten i dette tilfellet ganske tilfredsstillende.

Hvordan koble til?

Hvordan sjekke Peltier-elementet for funksjonalitet?

Hvis du ikke har en passende kilde for hånden, trenger du et multimeter og en lighter. Bekreftelsesprosessen er ganske enkel:

koble probene til modulterminalene;
ta den tente lighteren til en av sidene;
Vi observerer avlesningene til enheten.

I arbeidsmodulen, når en av sidene er oppvarmet, genereres en elektrisk strøm, som vises på enhetens display.

Hvordan lage et Peltier-element med egne hender?

For å stabilisere spenningen er det nødvendig å sette sammen en enkel omformer på L6920 IC-brikken.