Peltier termoelektrični modul - uređaj, princip rada, karakteristike

Fenomen nastanka termo-EMF-a otkrio je njemački fizičar Thomas Johann Seebeck još davne 1821. godine. A ovaj se fenomen sastoji u činjenici da se u zatvorenom električnom krugu koji se sastoji od heterogenih vodiča spojenih u seriju, pod uvjetom da su njihovi kontakti na različitim temperaturama, da nastane EMF.

Taj se učinak, nazvan po otkriću, Seebeckovom efektu, sada jednostavno naziva termoelektrični učinak.

Ako se krug sastoji samo od par različitih vodiča, tada se takav krug naziva termoelektrična baterija, U prvom aproksimaciji može se tvrditi da vrijednost termo-EMF ovisi samo o materijalu vodiča i o temperaturi hladnih i toplih kontakata. Stoga je u malom temperaturnom rasponu termo-EMF proporcionalan temperaturnoj razlici između hladnih i vrućih kontakata, a koeficijent proporcionalnosti u formuli naziva se koeficijent termo-EMF.

Tako, na primjer, pri temperaturnoj razlici od 100 ° C, pri temperaturi hladnog kontakta od 0 ° C, par bakra-konstantana ima termo-EMF vrijednost 4,25 mV.

U međuvremenu, Termoelektrični učinak temelji se na tri komponente:

Prvi faktor je razlika u različitim tvarima u ovisnosti prosječne energije elektrona o temperaturi. Kao rezultat toga, ako je temperatura vodiča na jednom kraju viša, tada elektroni tamo dobivaju veće brzine od elektrona na hladnom kraju vodiča.

Usput, koncentracija elektrona provodljivosti također se povećava u poluvodičima s grijanjem. Elektroni velikom brzinom jure prema hladnom kraju i tamo se akumulira negativni naboj, a na vrućem kraju dobiva se nekompenzirano pozitivno naelektrenje. Dakle, postoji komponenta termo-EMF-a, koja se naziva volumetrijski EMF.

Drugi čimbenik je da za različite tvari razlika kontaktnih potencijala različito ovisi o temperaturi. To je zbog razlike u Fermijevoj energiji svakog od vodiča dovedenih u kontakt. Razlika kontaktnih potencijala koja nastaje u ovom slučaju proporcionalna je Fermijevoj energijskoj razlici.

Električno polje dobiva se u tankom kontaktnom sloju, a razlika potencijala na svakoj strani (za svaki od vodiča dovedenih u kontakt) bit će ista, a kada se krug kruži zatvorenim krugom, rezultirajuće električno polje bit će nula.

Ali ako se temperatura jednog vodiča razlikuje od temperature drugog, tada se zbog ovisnosti Fermijeve energije o temperaturi mijenja i potencijalna razlika. Kao rezultat, doći će do EMF-a u kontaktu - druge komponente termo-EMF-a.

Treći faktor je fononsko povećanje EMF-a, Pod uvjetom da u krutini postoji temperaturni gradijent, prevladavat će broj folona (fonon - kvant vibracijskog gibanja kristalnih atoma) koji se kreću u smjeru od vrućeg kraja do hladnog, što će rezultirati time da će zajedno s foonima velik broj elektrona biti odveden prema hladnom kraju , a negativni se naboj tamo akumulira dok proces ne dođe u ravnotežu.

To daje treću komponentu termo-EMF-a, koja pri niskim temperaturama može biti stotinama puta veća od gore spomenute dvije komponente.

Francuski fizičar Jean Charles Peltier je 1834. otkrio suprotan učinak. Otkrio je da kada električna struja prolazi kroz spoj dva različita vodiča, toplina se oslobađa ili apsorbira.

Količina apsorbirane ili oslobođene topline povezana je s vrstom lemljenih tvari, kao i sa smjerom i veličinom električne struje koja teče kroz spoj.Peltierov koeficijent u formuli je brojčano jednak koeficijentu termo-EMF pomnoženo s apsolutnom temperaturom. Ova pojava je sada poznata kao efekt peltiera.

1838. ruski fizičar Emiliy Khristianovich Lenz shvatio je suštinu Peltierovog efekta. Eksperimentalno je testirao Peltierov efekt stavljajući kap vode u spoj uzoraka antimona i bizmuta. Kad je Lenz prošao električnu struju kroz krug, voda se pretvorila u led, ali kada je znanstvenik preokrenuo smjer struje, led se brzo rastopio.

Znanstvenik je uspostavio na takav način da se, kada struja teče, nije oslobađala samo Joulova toplina, već i apsorpcija ili oslobađanje dodatne topline. Ta se dodatna toplina zvala Peltier toplina.

Fizička osnova Peltierovog učinka je sljedeća. Kontaktno polje na spoju dviju tvari, stvoreno razlikom kontaktnog potencijala, ili sprečava prolazak struje kroz krug, ili doprinosi tome.

Ako struja prolazi protiv polja, tada je potreban rad izvora koji treba trošiti energiju na prevladavanje kontaktnog polja, uslijed čega se spoj zagrijava. Ako je struja usmjerena tako da ga kontaktno polje podržava, tada kontaktno polje radi, a energija se oduzima od same tvari, a ne troši ga trenutni izvor. Kao rezultat, tvar u spojnici se hladi.

Najekspresivniji Peltier-ov efekt u poluvodičima, zbog kojeg Peltier-ovi moduli ili termoelektrični pretvarači.

U srcu Peltier element dva poluvodiča koji su u međusobnom dodiru. Ti se poluvodiči razlikuju po energiji elektrona u provodnom pojasu, pa kada struja teče kroz dodirnu točku, elektroni su prisiljeni sticati energiju kako bi se mogli prenijeti u drugi vodljivi pojas.

Dakle, kada se kreću u visoko energetski opseg drugog poluvodiča, elektroni apsorbiraju energiju hladeći prijelazno mjesto. U suprotnom smjeru od struje, elektroni odaju energiju, a uz Jouleovu toplinu dolazi i zagrijavanje.

Peltier-ov poluvodički modul sastoji se od nekoliko parova poluvodiči p i n-tipau obliku malih paralelepipeda. Obično se kao poluvodiči koriste bizmut-telurid i čvrsta otopina silicija i germanija. Poluvodičke paralelepipede povezane su u paru bakrenim skakačima. Ovi skakači služe kao kontakti za izmjenu topline s keramičkim pločicama.

Džamperi su smješteni tako da s jedne strane modula postoje samo skakači koji omogućuju n-p prijelaz, a s druge strane, samo skakači koji pružaju p-n prijelaz. Kao rezultat toga, kada se primijeni struja, jedna se strana modula zagrijava, druga se strana hladi, a ako se polaritet dovoda preokrene, stranice grijanja i hlađenja će mijenjati mjesta u skladu s tim. Tako se s prolaskom struje toplina prenosi s jedne na drugu stranu modula i dolazi do temperaturne razlike.

Ako se sada jedna strana Peltierovog modula zagrijava, a druga hladi, tada će se u krugu pojaviti termo-emf, odnosno ostvarit će se Seebeckov efekt. Očito su Seebeckov efekt (termoelektrični učinak) i Peltierov efekt dvije strane iste kovanice.

Danas možete jednostavno kupiti Peltier module po relativno pristupačnoj cijeni. Najpopularniji Perrier moduli su tipa TEC1-12706, koji sadrži 127 termoelemenata, a dizajnirani su za napajanje od 12 volti.

S maksimalnom potrošnjom od 6 ampera, postignuta je temperaturna razlika od 60 ° C, dok je sigurni raspon radne temperature koji je proizvođač proglasio od -30 ° C do + 70 ° C. Veličina modula je 40 mm x 40 mm x 4 mm. Modul može raditi iu načinu hlađenja i grijanja način generacije.

Postoje snažniji Peltier-ovi moduli, na primjer TEC1-12715, ocijenjeni na 165 vata. Kada se napaja naponom od 0 do 15,2 volta, trenutne snage od 0 do 15 ampera, ovaj modul može razviti temperaturnu razliku od 70 stupnjeva.Veličina modula je također 40 mm x 40 mm x 4 mm, međutim, raspon sigurnih radnih temperatura je širi - od -40 ° C do + 90 ° C.

Tablica u nastavku prikazuje podatke o Peltier modulima koji su danas široko dostupni na tržištu:

Podaci o Pelt modulima