Peltierův termoelektrický modul - zařízení, princip činnosti, vlastnosti

Fenomén vzniku termo-EMF objevil německý fyzik Thomas Johann Seebeck již v roce 1821. A tento jev spočívá v tom, že v uzavřeném elektrickém obvodu sestávajícím z heterogenních vodičů zapojených do série za předpokladu, že jejich kontakty jsou při různých teplotách, dochází k EMF.

Tento efekt, pojmenovaný po svém objeviteli, efekt Seebeck, se nyní jednoduše nazývá termoelektrický efekt.

Pokud se obvod skládá pouze z dvojice odlišných vodičů, pak se takový obvod nazývá termočlánek. V první aproximaci lze tvrdit, že velikost termoelefu závisí pouze na materiálu vodičů a na teplotách studených a horkých kontaktů. V malém teplotním rozsahu je tedy termo-EMF úměrný teplotnímu rozdílu mezi studenými a horkými kontakty a koeficient proporcionality ve vzorci se nazývá koeficient termo-EMF.

Například při teplotním rozdílu 100 ° C, při studené kontaktní teplotě 0 ° C má dvojice mědi-konstantan hodnotu termo-EMF 4,25 mV.

Mezitím Termoelektrický efekt je založen na třech složkách:

Prvním faktorem je rozdíl v různých látkách v závislosti na průměrné energii elektronů na teplotě. Výsledkem je, že pokud je teplota vodiče na jednom konci vyšší, pak elektrony tam získají vyšší rychlosti než elektrony na studeném konci vodiče.

Mimochodem, koncentrace vodivých elektronů se také zvyšuje v polovodičích s ohřevem. Elektrony spěchají k studenému konci vysokou rychlostí a akumuluje se tam záporný náboj a na horkém konci se získá nekompenzovaný kladný náboj. Existuje tedy komponenta termo-EMF, nazývaná volumetrický EMF.

Druhým faktorem je to, že pro různé látky závisí rozdíl kontaktního potenciálu na teplotě odlišně. To je způsobeno rozdílem ve Fermiho energii každého z vodičů přivedených do kontaktu. Rozdíl kontaktního potenciálu vznikající v tomto případě je úměrný rozdílu energie Fermi.

Elektrické pole je získáno v tenké kontaktní vrstvě a rozdíl potenciálů na každé straně (pro každý z dirigentů přivedených do kontaktu) bude stejný, a když obvod cirkuluje v uzavřeném obvodu, výsledné elektrické pole bude nulové.

Pokud se však teplota jednoho z vodičů liší od teploty druhého, pak v důsledku závislosti Fermiho energie na teplotě se také změní potenciální rozdíl. Výsledkem bude kontakt EMF - druhá složka termo EMF.

Třetím faktorem je zvýšení fononu v EMF. Za předpokladu, že v pevné látce bude teplotní gradient, bude převažovat počet fononů (fonon - kvantum vibračního pohybu atomů krystalu), pohybujících se ve směru od horkého konce k chladu, v důsledku čehož bude spolu s fonony odvedeno velké množství elektronů směrem ke studenému konci a bude se zde akumulovat záporný náboj, dokud se proces nedostane do rovnováhy.

Tím se získá třetí složka termo-EMF, která může být při nízkých teplotách stokrát vyšší než výše uvedené dvě složky.

V roce 1834 objevil opačný účinek francouzský fyzik Jean Charles Peltier. Zjistil, že když elektrický proud prochází spojením dvou rozdílných vodičů, uvolňuje se nebo absorbuje teplo.

Množství pohlceného nebo uvolněného tepla je spojeno s typem pájených látek a také se směrem a velikostí elektrického proudu protékajícího křižovatkou.Peltierův koeficient ve vzorci se numericky rovná koeficientu termo-EMF vynásobenému absolutní teplotou. Tento jev je nyní známý jako peltierův efekt.

V roce 1838 ruský fyzik Emiliy Khristianovich Lenz pochopil podstatu Peltierova efektu. Experimentálně testoval Peltierův efekt umístěním kapky vody do spojení vzorků antimonu a bizmutu. Když Lenz prošel obvodem elektrický proud, voda se změnila v led, ale když vědec obrátil směr proudu, led se rychle roztál.

Vědec se ustanovil tak, že když proud teče, uvolnilo se nejen Joulovo teplo, ale také došlo k absorpci nebo uvolnění dalšího tepla. Toto další teplo se nazývalo Peltierovo teplo.

Fyzický základ Peltierova jevu je následující. Kontaktní pole na spojení dvou látek, vytvořené rozdílem kontaktního potenciálu, zabraňuje průchodu proudu obvodem, nebo k němu přispívá.

Pokud je proud veden proti poli, je zapotřebí práce zdroje, která by měla vynaložit energii na překonání kontaktního pole, v důsledku čehož se křivka zahřeje. Pokud je proud nasměrován tak, že ho kontaktní pole podporuje, pak kontaktní pole pracuje a energie je odebrána ze samotné látky a není spotřebována zdrojem proudu. Výsledkem je ochlazení látky ve spoji.

Nejvýraznější Peltierův efekt v polovodičích, díky kterému Peltierovy moduly nebo termoelektrické převodníky.

V srdci Peltierův prvek dva polovodiče ve vzájemném kontaktu. Tyto polovodiče se vyznačují energií elektronů ve vodivém pásmu, takže když proud protéká kontaktním bodem, jsou elektrony nuceny získat energii, aby se mohly přenést do jiného vodivého pásma.

Když tedy přecházíme do vodivého pásma jiného polovodiče s vyšší energií, elektrony absorbují energii a ochlazují místo přechodu. V opačném směru proudu uvolňují elektrony energii a kromě Jouleova tepla dochází k zahřívání.

Peltierův polovodičový modul se skládá z několika párů polovodiče typu p a nve tvaru malých rovnoběžníků. Jako polovodiče se obvykle používají telurid bizmutu a pevný roztok křemíku a germania. Polovodičové rovnoběžníky jsou ve dvojicích propojeny měděnými propojkami. Tyto propojky slouží jako kontakty pro výměnu tepla s keramickými deskami.

Propojky jsou umístěny tak, že na jedné straně modulu jsou pouze propojky poskytující přechod n-p, a na druhé straně pouze propojky poskytující přechod p-n. Výsledkem je, že když je přiveden proud, jedna strana modulu se zahřeje, druhá strana se ochladí a pokud se změní polarita výkonu, odpovídajícím způsobem se změní i topná a chladicí strana. Při průchodu proudu se tedy teplo přenáší z jedné strany modulu na druhou a dochází k teplotnímu rozdílu.

Pokud je nyní jedna strana Peltierova modulu zahřátá a druhá je ochlazena, objeví se v okruhu termo-emf, to znamená, že bude realizován Seebeckův efekt. Je zřejmé, že Seebeckův efekt (termoelektrický efekt) a Peltierův efekt jsou dvě strany téže mince.

Dnes si můžete snadno zakoupit moduly Peltier za relativně dostupnou cenu. Nejoblíbenější moduly Perrier jsou typu TEC1-12706, obsahující 127 termočlánků a určené pro napájení 12 voltů.

Při maximální spotřebě 6 ampérů je možné dosáhnout teplotního rozdílu 60 ° C, zatímco bezpečný provozní rozsah uváděný výrobcem je od -30 ° C do + 70 ° C. Velikost modulu je 40 mm x 40 mm x 4 mm. Modul může pracovat v režimu chlazení i topení i v režimu generační režim.

Existují výkonnější moduly Peltier, například TEC1-12715, ohodnocené na 165 wattů. Při napájení napětím od 0 do 15,2 V při proudové síle 0 až 15 ampérů je tento modul schopen vyvinout teplotní rozdíl 70 stupňů.Velikost modulu je také 40 mm x 40 mm x 4 mm, rozsah bezpečných pracovních teplot je však širší - od -40 ° C do + 90 ° C.

Níže uvedená tabulka ukazuje data modulů Peltier, které jsou dnes na trhu široce dostupné:

Data o modulech Pelt