Peltier термоелектрически модул - устройство, принцип на работа, характеристики

Феноменът на появата на термо-ЕМП е открит от немския физик Томас Йохан Зеебек още през 1821г. И това явление се състои във факта, че в затворена електрическа верига, състояща се от разнородни проводници, свързани последователно, при условие че контактите им са при различни температури, възниква ЕМП.

Този ефект, кръстен на неговия откривател, ефекта Зеебек, сега просто се нарича термоелектричен ефект.

Ако веригата се състои само от двойка различни проводници, тогава се нарича такава схема термодвойка, В първо приближение може да се твърди, че величината на термо-емфа зависи само от материала на проводниците и от температурите на студения и горещ контакт. По този начин, в малък температурен диапазон, термо-ЕРС е пропорционален на температурната разлика между студени и горещи контакти, а коефициентът на пропорционалност във формулата се нарича коефициент на термо-ЕМП.

Така например, при температурна разлика от 100 ° C, при студена температура на контакт 0 ° C, двойка мед-константан има термо-EMF стойност 4,25 mV.

В същото време, Термоелектричният ефект се основава на три компонента:

Първият фактор е разликата в различните вещества в зависимостта на средната енергия на електрона от температурата. В резултат на това, ако температурата на проводника в единия край е по-висока, тогава електроните придобиват по-високи скорости от електроните в студения край на проводника.

Между другото, концентрацията на проводими електрони също се увеличава в полупроводници с нагряване. Електроните се втурват към студения край с висока скорост и там се натрупва отрицателен заряд, а в горещия край се получава некомпенсиран положителен заряд. Така че има компонент на термо-ЕМП, наречен обемна ЕМП.

Вторият фактор е, че за различните вещества разликата в контактния потенциал зависи от температурата по различен начин. Това се дължи на разликата в енергията на Ферми на всеки от проводниците, приведени в контакт. Разликата в потенциал за контакт, възникваща в този случай, е пропорционална на енергийната разлика на Ферми.

Получава се електрическо поле в тънък контактен слой и потенциалната разлика от всяка страна (за всеки проводник, приведен в контакт) ще бъде същата, а когато веригата се кръжи в затворен кръг, полученото електрическо поле ще бъде нула.

Но ако температурата на един от проводниците се различава от температурата на другия, тогава поради зависимостта на енергията на Ферми от температурата, потенциалната разлика също ще се промени. В резултат на това ще има контакт EMF - вторият компонент на термо-EMF.

Третият фактор е увеличаването на ЕМП на фононите, При условие, че в твърдото вещество има температурен градиент, броят на фононите (фонон - квантът на вибрационното движение на кристалните атоми) ще се движи в посока от горещия край към студа, в резултат на което заедно с фононите голям брой електрони ще бъдат отнесени към студения край и отрицателен заряд ще се натрупва там, докато процесът дойде до равновесие.

Това дава третия компонент на термо-ЕМП, който при ниски температури може да бъде стотици пъти по-висок от споменатите по-горе два компонента.

През 1834 г. френският физик Жан Чарлз Пелтие открил обратния ефект. Той откри, че когато електрически ток преминава през съединение на два различни проводника, топлината се отделя или поглъща.

Количеството топлина, погълната или освободена, се свързва с вида на запоените вещества, както и с посоката и големината на електрическия ток, протичащ през кръстовището.Коефициентът на Пелтие във формулата е числено равен на коефициента на термо-ЕМП, умножен по абсолютната температура. Сега това явление е известно като пелтие ефект.

През 1838 г. руският физик Емилий Христианович Ленц разбира същността на ефекта на Пелтие. Той експериментално изпробва ефекта на Пелтие, като постави капка вода в съединението на проби от сурма и бисмут. Когато Ленц премина електрически ток през веригата, водата се превърна в лед, но когато ученият обърна посоката на тока, ледът бързо се стопи.

Ученият установил по такъв начин, че когато тече токът, не се е отделяла само топлина на Джаул, но и се е получило абсорбцията или отделянето на допълнителна топлина. Тази допълнителна топлина се нарича Пелтие топлина.

Физическата основа на ефекта на Пелтие е следната. Контактното поле на съединението на две вещества, създадено от разликата в потенциал на контакт, или предотвратява преминаването на ток през веригата, или допринася за него.

Ако токът се предава спрямо полето, тогава се изисква работата на източника, който трябва да изразходва енергия за преодоляване на контактното поле, в резултат на което съединението се нагрява. Ако токът е насочен така, че контактното поле го поддържа, тогава контактното поле върши работа, а енергията се отнема от самото вещество и не се консумира от източника на ток. В резултат на това веществото в кръстовището се охлажда.

Най-изразителен ефект на Peltier в полупроводници, поради който Peltier модули или термоелектрически преобразуватели.

В сърцето на Елемент на Пелтие два полупроводника, които са в контакт един с друг. Тези полупроводници се отличават с енергията на електроните в лентата на проводимост, така че когато един ток тече през контактната точка, електроните са принудени да придобиват енергия, за да могат да се прехвърлят в друга зона на проводимост.

Така че, когато се движат към по-високо енергийна проводимост на друг полупроводник, електроните поглъщат енергия, охлаждайки мястото на прехода. В обратна посока на тока, електроните отделят енергия, а в допълнение към топлината на Джоул се нагрява.

Полупроводниковият модул Peltier се състои от няколко двойки полупроводници p и n-типоформени като малки паралелепипеди. Обикновено като полупроводници се използват телурид на бисмут и твърд разтвор на силиций и германий. Полупроводниковите паралелепипеди са свързани по двойки от медни джъмпери. Тези джъмпери служат като контакти за топлообмен с керамични плочи.

Джъмперите са разположени така, че от едната страна на модула има само джъмпери, осигуряващи n-p преход, а от друга страна, само джъмпери, осигуряващи p-n преход. В резултат на това, когато се приложи ток, едната страна на модула се загрява, другата страна се охлажда и ако полярността на захранването е обърната, страните за отопление и охлаждане ще променят местата си съответно. Така с преминаването на тока топлината се прехвърля от едната страна на модула към другата и се получава температурна разлика.

Ако сега едната страна на модула Peltier се нагрява, а другата се охлажда, тогава във веригата ще се появи термо-емф, тоест ефектът на Seebeck ще се реализира. Очевидно ефектът на Зеебек (термоелектричен ефект) и ефектът на Пелтие са две страни на една и съща монета.

Днес можете лесно да закупите Peltier модули на сравнително достъпна цена. Най-популярните модули Perrier са тип TEC1-12706, съдържащ 127 термодвойки, и са проектирани за захранване от 12 волта.

При максимална консумация от 6 ампера, температурна разлика е 60 ° C, докато безопасният работен температурен диапазон, обявен от производителя, е от -30 ° C до + 70 ° C. Размерът на модула е 40 мм х 40 мм х 4 мм. Модулът може да работи както в режим на охлаждане, така и в режим на охлаждане режим на генериране.

Има по-мощни Peltier модули, например TEC1-12715, оценени на 165 вата. Когато се захранва от напрежение от 0 до 15,2 волта, със сила на тока от 0 до 15 ампера, този модул е ​​в състояние да развие температурна разлика от 70 градуса.Размерът на модула също е 40mm x 40mm x 4mm, но диапазонът на безопасни работни температури е по-широк - от -40 ° C до + 90 ° C.

Таблицата по-долу показва данните за Peltier модули, които са широко достъпни на пазара днес:

Данни за Pelt модули