Moduł termoelektryczny Peltiera - urządzenie, zasada działania, charakterystyka

Zjawisko pojawienia się termo-EMF odkrył niemiecki fizyk Thomas Johann Seebeck w 1821 roku. Zjawisko to polega na tym, że w zamkniętym obwodzie elektrycznym złożonym z niejednorodnych przewodników połączonych szeregowo, pod warunkiem, że ich styki mają różne temperatury, występuje EMF.

Ten efekt, nazwany na cześć odkrywcy, efekt Seebecka, jest teraz po prostu wywoływany efekt termoelektryczny.

Jeśli obwód składa się tylko z pary różnych przewodów, wówczas taki obwód jest wywoływany termopara. W pierwszym przybliżeniu można argumentować, że wielkość termoemf zależy tylko od materiału przewodników i temperatur styków zimnych i gorących. Zatem w małym zakresie temperatur termo-EMF jest proporcjonalny do różnicy temperatur między zimnymi i gorącymi kontaktami, a współczynnik proporcjonalności we wzorze nazywa się współczynnikiem termo-EMF.

Tak więc, na przykład, przy różnicy temperatur 100 ° C, przy temperaturze kontaktu zimnego wynoszącej 0 ° C, para miedzi-constantan ma termo-EMF 4,25 mV.

Tymczasem Efekt termoelektryczny oparty jest na trzech składnikach:

Pierwszym czynnikiem jest różnica w różnych substancjach w zależności od średniej energii elektronowej od temperatury. W rezultacie, jeśli temperatura przewodnika na jednym końcu jest wyższa, wówczas elektrony uzyskują tam wyższe prędkości niż elektrony na zimnym końcu przewodnika.

Nawiasem mówiąc, stężenie elektronów przewodzących wzrasta również w półprzewodnikach z ogrzewaniem. Elektrony pędzą do zimnego końca z dużą prędkością, a tam gromadzi się ładunek ujemny, a na gorącym końcu uzyskuje się nieskompensowany ładunek dodatni. Jest więc element termo-EMF, zwany wolumetrycznym EMF.

Drugim czynnikiem jest to, że dla różnych substancji różnica potencjału kontaktowego zależy od temperatury w różny sposób. Wynika to z różnicy energii Fermiego każdego z wprowadzonych styków. Różnica potencjałów kontaktowych powstająca w tym przypadku jest proporcjonalna do różnicy energii Fermiego.

Pole elektryczne uzyskuje się w cienkiej warstwie kontaktowej, a różnica potencjałów z każdej strony (dla każdego z doprowadzonych do kontaktu przewodów) będzie taka sama, a gdy obwód zostanie zamknięty w obwodzie zamkniętym, powstałe pole elektryczne będzie wynosić zero.

Ale jeśli temperatura jednego z przewodników różni się od temperatury drugiego, to z powodu zależności energii Fermiego od temperatury różnica potencjałów również się zmieni. W rezultacie nastąpi kontakt z EMF - drugim składnikiem termo-EMF.

Trzecim czynnikiem jest wzrost fononu w polu elektromagnetycznym. Pod warunkiem, że w ciele występuje gradient temperatury, liczba fononów (fonon - kwantowy ruch wibracyjny atomów kryształu) poruszających się w kierunku od gorącego końca do zimna, w wyniku czego wraz z fononami duża liczba elektronów zostanie przeniesiona w kierunku zimnego końca , a ładunek ujemny będzie się tam gromadził, aż proces osiągnie równowagę.

Daje to trzeci składnik termo-EMF, który w niskich temperaturach może być setki razy wyższy niż dwa wspomniane powyżej składniki.

W 1834 roku francuski fizyk Jean Charles Peltier odkrył odwrotny efekt. Odkrył, że kiedy prąd elektryczny przepływa przez połączenie dwóch różnych przewodów, ciepło jest uwalniane lub pochłaniane.

Ilość pochłoniętego lub uwolnionego ciepła jest związana z rodzajem lutowanych substancji, a także z kierunkiem i wielkością prądu elektrycznego przepływającego przez złącze.Współczynnik Peltiera we wzorze jest liczbowo równy współczynnikowi termo-EMF pomnożonemu przez temperaturę bezwzględną. Zjawisko to jest obecnie znane jako efekt Peltiera.

W 1838 r. Rosyjski fizyk Emiliy Khristianovich Lenz zrozumiał istotę efektu Peltiera. Testował eksperymentalnie efekt Peltiera, umieszczając kroplę wody na styku próbek antymonu i bizmutu. Kiedy Lenz przepuścił prąd elektryczny przez obwód, woda zamieniła się w lód, ale kiedy naukowiec odwrócił kierunek prądu, lód szybko się stopił.

Naukowiec ustalił w taki sposób, że gdy prąd płynie, uwalniane jest nie tylko ciepło Joule'a, ale także pochłanianie lub uwalnianie dodatkowego ciepła. To dodatkowe ciepło nazwano ciepłem Peltiera.

Fizyczna podstawa efektu Peltiera jest następująca. Pole kontaktowe na styku dwóch substancji, utworzone przez różnicę potencjału stykowego, albo zapobiega przepływowi prądu przez obwód, albo przyczynia się do niego.

Jeśli prąd jest przekazywany na pole, wymagana jest praca źródła, które musi zużyć energię, aby pokonać pole styku, w wyniku czego złącze jest podgrzewane. Jeśli prąd jest kierowany tak, aby pole kontaktowe go wspierało, wówczas pole kontaktowe wykonuje pracę, a energia jest odbierana z samej substancji i nie jest zużywana przez źródło prądu. W rezultacie substancja w złączu jest chłodzona.

Najbardziej wyrazisty efekt Peltiera w półprzewodnikach, dzięki któremu moduły Peltiera lub konwertery termoelektryczne.

W sercu Element Peltiera dwa półprzewodniki stykają się ze sobą. Półprzewodniki te wyróżniają się energią elektronów w paśmie przewodzenia, więc gdy prąd przepływa przez punkt styku, elektrony są zmuszone do pozyskiwania energii, aby móc przenieść się na inne pasmo przewodzenia.

Tak więc, przechodząc do pasma przewodzenia o wyższej energii innego półprzewodnika, elektrony absorbują energię, chłodząc miejsce przejścia. W przeciwnym kierunku prądu elektrony wydzielają energię, a oprócz ciepła Joule'a następuje ogrzewanie.

Moduł półprzewodnikowy Peltiera składa się z kilku par półprzewodniki typu p i nw kształcie małych równoległościanów. Zwykle półprzewodniki są stosowane tellurku bizmutu i stałego roztworu krzemu i germanu. Równoległe półprzewodniki są połączone parami za pomocą zworek miedzianych. Te mostki służą jako kontakty do wymiany ciepła z płytkami ceramicznymi.

Zworki są umieszczone tak, że po jednej stronie modułu znajdują się tylko zworki zapewniające przejście n-p, az drugiej strony tylko zworki zapewniające przejście p-n. W rezultacie, po przyłożeniu prądu jedna strona modułu nagrzewa się, druga strona chłodzi, a jeśli biegunowość zasilania zostanie odwrócona, strony grzewcze i chłodzące odpowiednio zmienią miejsca. Tak więc wraz z przepływem prądu ciepło jest przenoszone z jednej strony modułu na drugą i występuje różnica temperatur.

Jeśli teraz jedna strona modułu Peltiera jest ogrzewana, a druga chłodzona, wówczas w obwodzie pojawi się termoemf, czyli efekt Seebecka. Oczywiście efekt Seebecka (efekt termoelektryczny) i efekt Peltiera to dwie strony tego samego medalu.

Dziś możesz łatwo kupić moduły Peltiera w stosunkowo przystępnej cenie. Najpopularniejsze moduły Perrier są typu TEC1-12706, zawierające 127 termopar i zaprojektowane do zasilania 12 woltów.

Przy maksymalnym zużyciu 6 amperów można osiągnąć różnicę temperatur 60 ° C, a deklarowany przez producenta bezpieczny zakres temperatur roboczych wynosi od -30 ° C do + 70 ° C. Rozmiar modułu wynosi 40 mm x 40 mm x 4 mm. Moduł może pracować zarówno w trybie chłodzenia-grzania, jak i w trybie tryb generowania.

Istnieją mocniejsze moduły Peltiera, na przykład TEC1-12715, o mocy 165 watów. Moduł zasilany napięciem od 0 do 15,2 V i natężeniem prądu od 0 do 15 amperów może wytworzyć różnicę temperatur wynoszącą 70 stopni.Rozmiar modułu wynosi również 40 mm x 40 mm x 4 mm, jednak zakres bezpiecznych temperatur pracy jest szerszy - od -40 ° C do + 90 ° C.

Poniższa tabela pokazuje dane dotyczące modułów Peltiera, które są obecnie powszechnie dostępne na rynku:

Dane dotyczące modułów Pelt