Peltier termoelektrisk modul - enhet, driftsprincip, egenskaper

Fenomenet med uppkomsten av termo-EMF upptäcktes av den tyska fysikern Thomas Johann Seebeck redan 1821. Och detta fenomen består i det faktum att i en sluten elektrisk krets bestående av heterogena ledare anslutna i serie, förutsatt att deras kontakter är vid olika temperaturer, inträffar en EMF.

Denna effekt, uppkallad efter upptäckaren Seebeck-effekten, kallas nu helt enkelt termoelektrisk effekt.

Om kretsen endast består av ett par olika ledare, kallas en sådan krets termoelement. Vid en första tillnärmning kan man hävda att termo-emfens storlek endast beror på materialet i ledarna och på temperaturen på kalla och varma kontakter. I ett litet temperaturområde är termo-EMF således proportionell mot temperaturskillnaden mellan kalla och varma kontakter, och proportionalitetskoefficienten i formeln kallas termo-EMF-koefficienten.

Så, till exempel, vid en temperaturskillnad av 100 ° C, vid en kall kontakttemperatur på 0 ° C, har ett koppar-konstantan ett termo-EMF-värde på 4,25 mV.

Samtidigt Den termoelektriska effekten baseras på tre komponenter:

Den första faktorn är skillnaden i olika ämnen beroende på den genomsnittliga elektronenergin på temperaturen. Som ett resultat, om temperaturen på ledaren i ena änden är högre, får elektronerna högre hastigheter där än elektronerna i den kalla änden av ledaren.

Förresten, koncentrationen av ledningselektroner ökar också i halvledare med uppvärmning. Elektroner rusar till den kalla änden med hög hastighet och en negativ laddning samlas där, och en okompenserad positiv laddning erhålls vid den heta änden. Så det finns en komponent i termo-EMF, kallad volumetrisk EMF.

Den andra faktorn är att för olika ämnen beror skillnaden i kontaktpotential på temperaturen på olika sätt. Detta beror på skillnaden i Fermi-energi för var och en av de ledare som bringas i kontakt. Skillnaden i kontaktpotential som uppstår i detta fall är proportionell mot Fermis energiförskjutning.

Ett elektriskt fält erhålls i ett tunt kontaktlager, och potentialskillnaden på varje sida (för var och en av de ledare som bringas i kontakt) kommer att vara densamma, och när kretsen cirkuleras i en sluten krets kommer det resulterande elektriska fältet att vara noll.

Men om temperaturen på en av ledarna skiljer sig från temperaturen hos den andra, kommer på grund av Fermi-energins beroende av temperaturen också att förändras potentialskillnaden. Som ett resultat kommer det att finnas kontakt EMF - den andra komponenten i termo-EMF.

Den tredje faktorn är fononökningen i EMF. Under förutsättning att det finns en temperaturgradient i det fasta materialet kommer antalet fononer (fonon - kvantiteten av vibrationsrörelse hos kristallatomer) som rör sig i riktningen från den heta änden till kylan att röra, vilket ett resultat av vilket tillsammans med fononer ett stort antal elektroner kommer att föras bort mot den kalla änden och en negativ laddning kommer att samlas där tills processen kommer i jämvikt.

Detta ger den tredje komponenten i termo-EMF, som vid låga temperaturer kan vara hundratals gånger högre än de två komponenterna som nämns ovan.

1834 upptäckte den franska fysikern Jean Charles Peltier motsatt effekt. Han fann att när en elektrisk ström passerar genom en korsning mellan två olika ledare, frigörs eller absorberas värme.

Mängden värme som absorberas eller frigörs är förknippad med typen av lödade ämnen, samt med riktningen och storleken på den elektriska strömmen som strömmar genom korsningen.Peltier-koefficienten i formeln är numeriskt lika med termo-EMF-koefficienten multiplicerad med den absoluta temperaturen. Detta fenomen är nu känt som peltiereffekt.

1838 förstod den ryska fysikern Emiliy Khristianovich Lenz essensen av Peltier-effekten. Han testade experimentellt Peltier-effekten genom att placera en droppe vatten i korsningen av antimon- och vismutprover. När Lenz passerade en elektrisk ström genom kretsen förvandlades vattnet till is, men när forskaren vänd strömriktningen smälte isen snabbt.

Forskaren etablerade på ett sådant sätt att när strömmen flyter, inte bara Joule-värme släpptes utan också absorption eller frigöring av ytterligare värme inträffade. Denna ytterligare värme kallades Peltiervärme.

Den fysiska basen för Peltier-effekten är följande. Kontaktfältet vid korsningen mellan två ämnen, skapat av skillnaden i kontaktpotential, förhindrar antingen att ström passerar genom kretsen eller bidrar till den.

Om strömmen passeras mot fältet, krävs källans arbete, som bör spendera energi på att övervinna kontaktfältet, vilket resulterar i att korsningen värms upp. Om strömmen riktas så att kontaktfältet stöder det, gör kontaktfältet arbetet, och energin tas bort från själva ämnet och förbrukas inte av strömkällan. Som ett resultat kyls ämnet i korsningen.

Den mest uttrycksfulla Peltier-effekten i halvledare, på grund av vilken Peltier-moduler eller termoelektriska omvandlare.

I hjärtat av Peltier-element två halvledare i kontakt med varandra. Dessa halvledare kännetecknas av elektronerna i ledningsbandet, så när en ström flyter genom kontaktpunkten tvingas elektronerna att skaffa energi för att kunna överföra till ett annat ledningsband.

Så när man flyttar till ett ledande band med högre energi hos en annan halvledare, absorberar elektronerna energi och kyler övergångsstället. I motsatt riktning mot strömmen avger elektronerna energi och uppvärmning sker utöver Joule-värmen.

Peltier halvledarmodul består av flera par halvledare p och n-typformade som små parallellpipeds. Vanligtvis används vismut Tellurid och en fast lösning av kisel och germanium som halvledare. Parallelfipar med halvledare kopplas samman parvis av kopparhoppar. Dessa hoppare fungerar som kontakter för värmeväxling med keramiska plattor.

Hoppare är placerade så att på ena sidan av modulen finns det bara hoppare som tillhandahåller en n-p-övergång, och å andra sidan endast jumpers som ger en p-n-övergång. Som ett resultat, när en ström appliceras, värms den ena sidan av modulen, den andra sidan svalnar, och om polariteten hos tillförseln vänds, kommer värme- och kylsidorna att ändras i enlighet därmed. Med strömgången överförs således värme från ena sidan av modulen till den andra, och en temperaturskillnad inträffar.

Om den ena sidan av Peltier-modulen nu värms upp och den andra kyls, kommer termo-emf att dyka upp i kretsen, det vill säga Seebeck-effekten. Uppenbarligen är Seebeck-effekten (termoelektrisk effekt) och Peltier-effekten två sidor av samma mynt.

Idag kan du enkelt köpa Peltier-moduler till ett relativt överkomligt pris. De mest populära Perrier-modulerna är av typen TEC1-12706, som innehåller 127 termoelement, och konstruerade för 12 volt-matning.

Med en maximal förbrukning på 6 ampere kan en temperaturskillnad på 60 ° C uppnås, medan det säkra drifttemperaturområdet som anges av tillverkaren är från -30 ° C till + 70 ° C. Storleken på modulen är 40 mm x 40 mm x 4 mm. Modulen kan fungera både i kylvärme och i genereringsläge.

Det finns kraftfullare Peltier-moduler, till exempel TEC1-12715, klassade till 165 watt. När den drivs med en spänning från 0 till 15,2 volt, med en strömstyrka på 0 till 15 ampère, kan denna modul utveckla en temperaturskillnad på 70 grader.Modulens storlek är också 40 mm x 40 mm x 4 mm, men området med säkra arbetstemperaturer är bredare - från -40 ° C till + 90 ° C.

Tabellen nedan visar informationen om Peltier-moduler som är allmänt tillgängliga på marknaden idag:

Data om Pelt-moduler