Peltier termoelektrinis modulis - įtaisas, veikimo principas, charakteristikos

Termo-EMF atsiradimo fenomeną 1821 metais atrado vokiečių fizikas Tomas Johanas Seebeckas. Ir šis reiškinys susideda iš to, kad uždaroje elektros grandinėje, susidedančioje iš nevienalyčių laidininkų, sujungtų nuosekliai, su sąlyga, kad jų kontaktai yra skirtingose ​​temperatūrose, atsiranda EML.

Šis efektas, pavadintas atradėjo, Seebecko efekto vardu, dabar tiesiog vadinamas termoelektrinis poveikis.

Jei grandinę sudaro tik poros skirtingų laidininkų, vadinama tokia grandinė termoelementas. Pirmame aproksimacijoje galima teigti, kad termo-emf dydis priklauso tik nuo laidininkų medžiagos ir nuo šaltų bei karštų kontaktų temperatūros. Taigi mažame temperatūros diapazone termo-EMF yra proporcingas temperatūros skirtumui tarp šaltų ir karštų kontaktų, o proporcingumo koeficientas formulėje vadinamas termo-EMF koeficientu.

Taigi, pavyzdžiui, esant 100 ° C temperatūros skirtumui, esant 0 ° C šalto kontakto temperatūrai, vario-konstanto pora turi termo-EMF vertę 4,25 mV.

Tuo tarpu Termoelektrinis poveikis pagrįstas trimis komponentais:

Pirmasis faktorius yra skirtingų medžiagų skirtumas priklausomai nuo vidutinės elektronų energijos nuo temperatūros. Dėl to, jei laidininko temperatūra viename gale yra aukštesnė, tada elektronai ten įgyja didesnį greitį nei elektronai šaltame laidininko gale.

Beje, laidumo elektronų koncentracija taip pat padidėja puslaidininkiuose su kaitinimu. Elektronai dideliu greičiu skrieja į šaltą galą ir ten kaupiasi neigiamas krūvis, o karštame gale gaunamas nekompensuojamas teigiamas krūvis. Taigi yra termo-EMF komponentas, vadinamas tūriniu EMF.

Antras veiksnys yra tai, kad skirtingoms medžiagoms kontaktinis potencialo skirtumas priklauso nuo temperatūros skirtingai. Taip yra dėl kiekvieno laidininko, su kuriuo susiliečiama, Fermi energijos skirtumų. Kontaktinis potencialo skirtumas, atsirandantis šiuo atveju, yra proporcingas Fermi energijos skirtumui.

Elektrinis laukas gaunamas plonu kontaktiniu sluoksniu, o potencialų skirtumas abiejose pusėse (kiekvienam laidininkui, į kurį liečiama) bus vienodas, o kai grandinė bus sukama uždarame kontūre, gaunamas elektrinis laukas bus lygus nuliui.

Bet jei vieno laidininko temperatūra skiriasi nuo kito, tada dėl Fermi energijos priklausomybės nuo temperatūros pasikeis ir potencialo skirtumas. Dėl to atsiras kontaktinis EMF - antrasis termo-EMF komponentas.

Trečias veiksnys yra fonono padidėjimas EML. Jei vientisoje vietoje yra temperatūros gradientas, vyrauja fononų (fonono - kristalų atomų vibracinio judesio kvantų) skaičius, judantis nuo karšto galo į šaltą, dėl to kartu su fononais didelis skaičius elektronų bus perneštas šaltojo galo link. , ir ten kaupsis neigiamas krūvis, kol procesas pasieks pusiausvyrą.

Tai suteikia trečiąjį termo-EMF komponentą, kuris žemoje temperatūroje gali būti šimtus kartų didesnis nei du aukščiau paminėti komponentai.

1834 m. Prancūzų fizikas Jeanas Charlesas Peltier atrado priešingą poveikį. Jis nustatė, kad kai elektros srovė praeina per dviejų skirtingų laidininkų sankryžą, šiluma išsiskiria arba sugeriama.

Sugertos ar išleistos šilumos kiekis yra susijęs su litavimo medžiagų rūšimi, taip pat su per sankryžą tekančios elektros srovės kryptimi ir dydžiu.Peltier koeficientas formulėje yra skaitmeniškai lygus termo-EMF koeficientui, padaugintam iš absoliučios temperatūros. Šis reiškinys dabar žinomas kaip peltier efektas.

1838 m. Rusų fizikas Emiliy Khristianovich Lenz suprato Peltier efekto esmę. Jis eksperimentiškai išbandė Peltier efektą įdėdamas lašelį vandens į stibio ir bismuto mėginių sankryžą. Kai Lenzas per grandinę praleido elektros srovę, vanduo virto ledu, tačiau, mokslininkui pakeitus srovės kryptį, ledas greitai ištirpo.

Mokslininkas nustatė taip, kad tekant srovei buvo išleista ne tik džaulio šiluma, bet ir absorbcija ar papildomos šilumos išsiskyrimas. Ši papildoma šiluma buvo vadinama Peltier šiluma.

Fizinis Peltier efekto pagrindas yra toks. Kontaktinis laukas, esantis dviejų medžiagų sankirtoje, sukurtas dėl kontaktinio potencialo skirtumo, arba užkerta kelią srovės praleidimui per grandinę, arba prisideda prie jo.

Jei srovė perduodama prieš lauką, reikia atlikti šaltinio darbą, kuris turėtų išleisti energiją kontaktinio lauko įveikimui, dėl kurio sankryža yra šildoma. Jei srovė nukreipta taip, kad kontaktinis laukas ją palaikytų, tada kontaktinis laukas atlieka darbą, o energija atimama iš pačios medžiagos, o ne sunaudojama srovės šaltinio. Dėl to sankryžoje esanti medžiaga atšaldoma.

Išraiškingiausias Peltier efektas puslaidininkiuose, dėl kurio Peltier moduliai arba termoelektriniai keitikliai.

Esmė Peltier elementas du puslaidininkiai, liečiantys vienas kitą. Šie puslaidininkiai išsiskiria elektronų energija laidumo juostoje, taigi, kai srovė teka per sąlyčio tašką, elektronai verčiami įgyti energijos, kad galėtų perkelti į kitą laidumo juostą.

Taigi, pereidami prie kito puslaidininkio didesnės energijos laidumo juostos, elektronai sugeria energiją, aušindami pereinamąją vietą. Priešinga srovės krypčiai, elektronai išskiria energiją, o kartu su džaulio šiluma vyksta ir kaitinimas.

Peltier puslaidininkių modulis susideda iš kelių porų puslaidininkiai p ir n tipoformos kaip maži lygiagretainiai. Paprastai puslaidininkiais naudojamas bismuto telluridas ir kietas silicio ir germanio tirpalas. Puslaidininkių lygiagretainiai yra sujungti poromis variniais trumpikliais. Šie megztiniai tarnauja kaip šilumos mainų su keraminėmis plokštėmis kontaktai.

Džemperiai yra išdėstyti taip, kad vienoje modulio pusėje yra tik džemperiai, užtikrinantys n-p perėjimą, o kita vertus, tik džemperiai, užtikrinantys p-n perėjimą. Dėl to, kai veikia srovė, viena modulio pusė įkaista, kita pusė atvėsta, o jei tiekimo poliškumas pasikeičia, šildymo ir aušinimo pusės atitinkamai pasikeis. Taigi, praeinant srovei, šiluma perduodama iš vienos modulio pusės į kitą ir atsiranda temperatūrų skirtumas.

Jei dabar viena „Peltier“ modulio pusė yra šildoma, o kita - aušinama, tada grandinėje atsiras termo-emf, tai yra, bus realizuotas Seebecko efektas. Akivaizdu, kad Seebecko efektas (termoelektrinis efektas) ir Peltier'io efektas yra dvi tos pačios monetos pusės.

Šiandien galite lengvai įsigyti „Peltier“ modulius už gana prieinamą kainą. Populiariausi „Perrier“ moduliai yra TEC1-12706 tipo, turintys 127 termoelementus ir skirti 12 voltų tiekimui.

Maksimalus 6 amperų suvartojimas gali pasiekti 60 ° C temperatūros skirtumą, o gamintojo nurodytas saugus darbo temperatūros diapazonas yra nuo -30 ° C iki + 70 ° C. Modulio dydis yra 40 mm x 40 mm x 4 mm. Modulis gali veikti tiek aušinant, tiek kaitinant kartos režimas.

Yra galingesnių „Peltier“ modulių, pavyzdžiui, TEC1-12715, kurių galia siekia 165 vatus. Šis modulis, maitinamas nuo 0 iki 15,2 voltų, kai srovės stipris yra nuo 0 iki 15 amperų, ​​gali sukurti 70 laipsnių temperatūros skirtumą.Modulio dydis taip pat yra 40 mm x 40 mm x 4 mm, tačiau saugios darbo temperatūros diapazonas yra platesnis - nuo -40 ° C iki + 90 ° C.

Žemiau esančioje lentelėje pateikiami duomenys apie „Peltier“ modulius, kurie šiandien plačiai prieinami rinkoje:

Duomenys apie „Pelt“ modulius