Peltierov termoelektrický modul - zariadenie, princíp činnosti, charakteristiky

Fenomén vzniku termo-EMF objavil nemecký fyzik Thomas Johann Seebeck už v roku 1821. Tento jav spočíva v tom, že v uzavretom elektrickom obvode pozostávajúcom z heterogénnych vodičov zapojených do série, za predpokladu, že ich kontakty sú pri rôznych teplotách, dôjde k EMF.

Tento efekt, pomenovaný podľa svojho objaviteľa, Seebeckov efekt, sa teraz jednoducho nazýva termoelektrický efekt.

Ak obvod pozostáva iba z dvojice odlišných vodičov, potom sa tento obvod nazýva termoelektrický článok, V prvej aproximácii je možné tvrdiť, že veľkosť termofónu závisí iba od materiálu vodičov a od teplôt studených a horúcich kontaktov. Teda v malom teplotnom rozsahu je termo-EMF úmerný teplotnému rozdielu medzi studenými a horúcimi kontaktmi a koeficient proporcionality vo vzorci sa nazýva koeficient termo-EMF.

Napríklad pri teplotnom rozdiele 100 ° C, pri studenej kontaktnej teplote 0 ° C má dvojica konštantanu medi hodnotu termo-EMF 4,25 mV.

Medzitým Termoelektrický efekt je založený na troch zložkách:

Prvým faktorom je rozdiel v rôznych látkach v závislosti od priemernej elektrónovej energie od teploty. V dôsledku toho, ak je teplota vodiča na jednom konci vyššia, elektróny tam získavajú vyššie rýchlosti ako elektróny na studenom konci vodiča.

Mimochodom, koncentrácia vodivých elektrónov sa tiež zvyšuje v polovodičoch so zahrievaním. Elektróny sa ponáhľajú do studeného konca vysokou rýchlosťou a akumuluje sa tam záporný náboj a na horúcom konci sa získa nekompenzovaný kladný náboj. Existuje teda súčasť termo EMF, ktorá sa nazýva volumetrický EMF.

Druhým faktorom je to, že v prípade rôznych látok závisí rozdiel kontaktného potenciálu od teploty odlišne. Je to kvôli rozdielu vo Fermiho energii každého z vodičov privedených do kontaktu. Rozdiel kontaktného potenciálu vznikajúci v tomto prípade je úmerný rozdielu vo Fermiho energii.

Elektrické pole sa získa v tenkej kontaktnej vrstve a rozdiel potenciálov na každej strane (pre každý z vodičov privedených do kontaktu) bude rovnaký a keď obvod okruhu cirkuluje v uzavretom obvode, výsledné elektrické pole bude nulové.

Ak sa však teplota jedného z vodičov líši od teploty druhého, potom sa v dôsledku závislosti Fermiho energie od teploty zmení aj potenciálny rozdiel. Výsledkom bude kontakt EMF - druhá zložka termo EMF.

Tretím faktorom je nárast fonónov v EMF, Za predpokladu, že v pevnej látke bude teplotný gradient, prevládne počet fonónov (fonón - kvantum vibračného pohybu atómov kryštálov) pohybujúcich sa v smere od horúceho konca do studeného, ​​v dôsledku čoho bude spolu s fonónmi odvádzané veľké množstvo elektrónov smerom k chladnému koncu. a bude sa akumulovať záporný náboj, až kým sa proces nevyrovná.

Takto sa získa tretia zložka termo EMF, ktorá môže byť pri nízkych teplotách stokrát vyššia ako vyššie uvedené dve zložky.

V roku 1834 objavil opačný účinok francúzsky fyzik Jean Charles Peltier. Zistil, že keď elektrický prúd prechádza spojením dvoch rôznych vodičov, teplo sa uvoľňuje alebo absorbuje.

Množstvo absorbovaného alebo uvoľneného tepla je spojené s typom spájkovaných látok, ako aj so smerom a veľkosťou elektrického prúdu pretekajúceho križovatkou.Peltierov koeficient vo vzorci sa číselne rovná koeficientu termo-EMF vynásobenému absolútnou teplotou. Tento jav sa v súčasnosti nazýva peltierov efekt.

V roku 1838 ruský fyzik Emiliy Khristianovich Lenz pochopil podstatu Peltierovho efektu. Experimentálne testoval Peltierov efekt umiestnením kvapky vody do spojenia vzoriek antimónu a bizmutu. Keď Lenz prešiel obvodom elektrický prúd, voda sa zmenila na ľad, ale keď vedec zmenil smer prúdu, ľad sa rýchlo roztopil.

Vedec sa ustanovil takým spôsobom, že keď prúd prúdil, uvoľňovalo sa nielen Joulovo teplo, ale tiež došlo k absorpcii alebo uvoľneniu dodatočného tepla. Toto ďalšie teplo sa nazývalo Peltierovo teplo.

Fyzikálny základ Peltierovho efektu je nasledujúci. Kontaktné pole na križovatke dvoch látok, vytvorené rozdielom kontaktného potenciálu, bráni priechodu prúdu cez obvod alebo k nemu prispieva.

Ak je prúd vedený do poľa, potom je potrebné pracovať so zdrojom, ktorý by mal minúť energiu na prekonanie kontaktného poľa, v dôsledku čoho sa spojenie zahreje. Ak je prúd nasmerovaný tak, aby ho podporilo kontaktné pole, potom kontaktné pole vykoná prácu a energia sa odoberie od samotnej látky a nespotrebuje sa prúdovým zdrojom. Výsledkom je ochladenie látky v spoji.

Najvýraznejší Peltierov jav v polovodičoch, vďaka ktorým Peltierove moduly alebo termoelektrické meniče.

V centre mesta Peltierov prvok dva polovodiče, ktoré sú vo vzájomnom kontakte. Tieto polovodiče sa vyznačujú energiou elektrónov vo vodivom pásme, takže keď prúd prúdi cez kontaktný bod, elektróny sú nútené získavať energiu, aby sa mohli preniesť do iného vodivého pásma.

Keď sa teda presúvame do vodivého pásma iného polovodiča s vyššou energiou, elektróny absorbujú energiu a ochladzujú prechodové miesto. V opačnom smere prúdu elektróny odovzdávajú energiu a okrem Joulovho tepla dochádza k zahrievaniu.

Peltierov polovodičový modul sa skladá z niekoľkých párov polovodiče typu p a nv tvare malých rovnobežníkov. Ako polovodiče sa zvyčajne používajú telurid bizmutu a pevný roztok kremíka a germánium. Polovodičové rovnobežné rúrky sú vzájomne prepojené medenými prepojkami. Tieto prepojky slúžia ako kontakty na výmenu tepla s keramickými doskami.

Prepojky sú umiestnené tak, že na jednej strane modulu sú iba prepojky, ktoré poskytujú prechod n-p, a na druhej strane iba prepojky, ktoré poskytujú prechod p-n. Výsledkom je, že keď sa privádza prúd, jedna strana modulu sa zahrieva, druhá strana sa ochladí a ak sa zmení polarita napájania, tak sa príslušne zmení aj vykurovacia a chladiaca strana. Pri prechode prúdu sa teda teplo prenáša z jednej strany modulu na druhú a dochádza k teplotným rozdielom.

Ak je teraz jedna strana Peltierovho modulu zahrievaná a druhá je ochladená, potom sa v okruhu objaví termoemf, to znamená, že sa uskutoční Seebeckov efekt. Je zrejmé, že Seebeckov efekt (termoelektrický efekt) a Peltierov efekt sú dve strany tej istej mince.

Dnes si môžete moduly Peltier ľahko kúpiť za relatívne prijateľnú cenu. Najobľúbenejšie moduly Perrier sú typu TEC1-12706, obsahujúce 127 termočlánkov a určené na napájanie 12 voltov.

Pri maximálnej spotrebe 6 ampérov je možné dosiahnuť teplotný rozdiel 60 ° C, zatiaľ čo bezpečný rozsah prevádzkových teplôt deklarovaný výrobcom je od -30 ° C do + 70 ° C. Veľkosť modulu je 40 mm x 40 mm x 4 mm. Modul môže pracovať v režime chladenia a kúrenia aj v režime generačný režim.

Existujú výkonnejšie moduly Peltier, napríklad TEC1-12715, s výkonom 165 wattov. Keď je tento modul napájaný napätím od 0 do 15,2 voltov, so silou prúdu 0 až 15 ampérov, je schopný vyvinúť teplotný rozdiel 70 stupňov.Veľkosť modulu je tiež 40 mm x 40 mm x 4 mm, rozsah bezpečných pracovných teplôt je však širší - od -40 ° C do + 90 ° C.

V nasledujúcej tabuľke sú uvedené údaje o moduloch Peltier, ktoré sú dnes na trhu bežne dostupné:

Údaje o moduloch Pelt