Do czego służą elementy Peltiera? Elementy Peltiera: zasada działania, cechy, zastosowanie

Liczba urządzeń elektronicznych na świecie stale rośnie jak śnieżka. Wszystkie zużywają energię elektryczną, a ludzie muszą stale nosić i przenosić baterie lub wytwarzać je na dużych urządzeniach. W jakości źródła bieżące Nie tak dawno temu zaczęto stosować moduły Peltiera - elementy tworzące prąd elektryczny przy tworzeniu różnicy temperatur po przeciwnych stronach.

Efekty Peltiera i Seebecka

Pomimo faktu, że prawie 2 stulecia temu powstał pierwszy element Peltiera, zasada działania znalazła zastosowanie dopiero teraz, kiedy pojawiły się odpowiednie materiały i potrzeba użycia. Polega na rozpraszaniu ciepła na styku różnych przewodników, gdy przez niego przepływa. prąd elektryczny. Po zmianie polaryzacji kontakt zaczyna się ochładzać. Proces jest odwracalny: gdy sztucznie utrzymujemy różnicę temperatur na stykach przewodów w ich obwodzie, przepływy prądu elektrycznego (efekt Seebecka).

Bazując na dwóch efektach termoelektrycznych stworzyli moduł Peltiera, którego elementy znajdują się pomiędzy dwiema równoległymi płytkami ceramicznymi w postaci odmiennych przewodów. Prąd płynący przez kontakt przewodników jest taki sam, a przepływy energii w każdym z nich są różne. Kiedy energia styka się więcej, niż wypływa z niej, oznacza to, że elektrony zwalniają w obszarze przejściowym, powodując jego nagrzanie. Kiedy zmienia się biegunowość, elektrony są przyspieszane, pobierając energię z sieci krystalicznej, co powoduje jej ochłodzenie.

Efekt Peltiera jest szczególnie aktywny na granicach elementów półprzewodnikowych, w których zachodzą procesy o najwyższej energii.

Moduł termoelektryczny

Elementy Peltiera znalazły zastosowanie w urządzeniu, składającym się z zestawu półprzewodników typu p i n. W przeciwieństwie do tranzystorów i diod, regiony przejściowe znajdują się na styku metalu z półprzewodnikiem. W module Peltiera duża liczba elementów znajduje się pomiędzy płytkami ceramicznymi, co pozwala zwiększyć moc urządzenia.

Każdy element zawiera 4 przejścia w styku półprzewodnik-metal. Kiedy obwód elektryczny jest zamknięty, elektrony przemieszczają się od minus akumulatora do plusa, przechodząc przez wszystkie przejścia.

Przy pierwszym przejściu modułu termoelektrycznego (TEM) między szyną miedzianą a p-półprzewodnikiem w tym ostatnim ciepło jest uwalniane, ponieważ przepływ ładunków spada do obszaru o niższej energii.

Przy drugim kontakcie energia jest pochłaniana w półprzewodniku, ponieważ elektrony są "odsysane" przez pole elektryczne, które pokrywa się z kierunkiem ich ruchu. Jest proces chłodzenia.

Przy trzecim kontakcie energia elektronu jest pochłaniana, ponieważ półprzewodnik typu n ma więcej energii niż metal.

Przy czwartym przejściu uwalniane jest ciepło, ponieważ elektrony są ponownie hamowane przez pole elektryczne.

Tak więc, po jednej stronie, ciepło jest uwalniane, a drugie jest chłodzone. Z jednej strony zjawisko to nie będzie zauważalne, ale moduł Peltiera, którego elementy znajdują się pomiędzy dwiema ceramicznymi płytkami, tworzy znaczącą różnicę temperatur.

Moduł może być używany jako generator energii elektrycznej, jeśli utrzymujesz inną temperaturę. Ponadto każdy element termoelektryczny Peltiera jest połączony szeregowo z sąsiednim za pomocą zworek miedzianych, a ich prądy są sumowane.

Mocne i słabe strony

Zalety TEM:

• małe rozmiary;
• odwracalność procesu;
• używać jako generator elektryczny lub lodówkę.

Wadami TEM są wysokie koszty, niska wydajność (nie więcej niż 3%), wysokie koszty energii i konieczność utrzymania różnicy temperatur.

Chłodziarka Peltiera

Element Peltiera do chłodzenia procesora jest bardziej wydajny niż standardowe elementy. W tym samym czasie te ostatnie pozostają, ale są używane tylko do usuwania ciepła z zamkniętej przestrzeni komputera.

Projektując je jako chłodnicę elektroniczną, należy wziąć pod uwagę następujące cechy.

1. Moc jest bezpośrednio związana z rozmiarem modułu. Małe urządzenia nie zapewniają wymaganego poziomu chłodzenia. Na przykład nie zapewnią normalności Temperatura procesora. Moduł, który jest zbyt silny, powoduje wilgoć, która jest przyczyną zwarcia w elektronice, ponieważ odległości między elementami przewodzącymi są płytki obwodów drukowanych nieistotne.
2. Moduły Peltiera muszą być chłodzone za pomocą wentylatorów i grzejników, ponieważ emitują dużo ciepła. Jest to konieczne, aby obniżyć temperaturę w zamkniętej przestrzeni komputera i znormalizować warunki pracy innych elementów.
3. Moduł Peltiera jest dodatkowym obciążeniem w zasilaniu.
4. Lodówka po awarii jest izolatorem między chłodnicą a ochłodzonym elementem, co może prowadzić do szybkiego uszkodzenia tych ostatnich przed przegrzaniem.
5. Nowoczesne procesory mogą zmieniać zużycie energii podczas pracy, co korzystnie wpływa na bilans cieplny, ale nie zawsze, gdy używane są moduły Peltiera. Najprostsze lodówki są zaprojektowane do ciągłej pracy i nie są zalecane do stosowania z programami chłodzącymi.

Uwolnienie ciepła

Efekt chłodzenia TEM jest niewielki i emituje dużo ciepła. Kiedy jest używany w jednostce systemowej, temperatura wewnątrz znacznie wzrasta, co wpływa na wydajność pozostałych urządzeń. Dodatkowymi środkami jego redukcji są wentylatory i grzejniki, które wytwarzają ciepło.

Tryb termiczny modułu musi być poprawnie obliczony, aby nie było przegrzania ani kondensacji na płytach elektronicznych. Chłodnica Peltiera jest wybierana z optymalną mocą, gdzie ważne jest zapewnienie właściwej równowagi temperatury wewnątrz obudowy, przedmiotu chłodzenia i wilgotności powietrza.

Element Peltiera: charakterystyka

TEM jest wybierany za pomocą parametrów termoelektrycznych.

Obliczenie mocy jest następujące.

1. Maksymalne dopuszczalne napięcie _Umax (V) jest wybrane i zgodnie z wykresem U (I), znajduje się maksymalny prąd I _max (A), który przepływa przez moduł Peltiera. Ważne jest, aby jego wartość mieściła się w granicach wzrostu zależności różnicy temperatur od prądu dT (I) = T _h - T _s .
2. Zgodnie z ustawioną wartością I wybrana jest charakterystyczna dT (Q), gdzie Q jest mocą cieplną chłodzonego elementu.
3. Ze znanych wartości dT i T _h jest określane przez T _z = T _h - dT.

Charakterystyka dT (Q) pokazuje, że wraz ze wzrostem mocy cieplnej różnica dT maleje. Można to zrobić bardziej zwiększając prąd przez moduł, który z kolei powinien być ograniczony.

Przykład kalkulacji

Dane początkowe: U = 12 V, Q _przy = 60 W i T _h = 50 ° C

Przy napięciu 12 V, zgodnie z charakterystyką U (I), znajdujemy prąd I = 5 A.

Dla prądu o wartości 5 A różnica temperatur wynosi dT = 4 K. Następnie T _с = T _h - dT = 50 - 4 = 46 ° C

Biorąc mocniejszy moduł, możesz zwiększyć dT. Dla modułu o mocy 131 W, gdzie I _max = 8,5 A, U _maks = 28,8 V i obiekt o mocy wytwarzania ciepła 60 W, różnica temperatur wynosi 40 ° C Następnie T _z = 50 - 40 = 10 ° C

Wybierając moc TEM, nie powinniśmy zapominać o tym, ile ciepła przeznaczy. Ten strumień ciepła należy usunąć odpowiednimi chłodziwami. Kiedy tradycyjne sposoby nie radzą sobie z wytwarzaniem ciepła, stosuje się chłodzenie wodne.

Klimatyzacja

Klimatyzacja na elementach Peltiera pod względem wydajności jest proporcjonalna do jego wielkości. Zasada działania i zalety są takie same jak w przypadku lodówki. Problem polega na usuwaniu ciepła poza schłodzoną przestrzenią.

Klimatyzator wymaga 2 chłodnic, z których jedna usuwa zimne powietrze, a druga - gorącą. Źródło zasilania w samochodzie jest bateria, a do pokoju zmieści się stary zasilacz z komputera osobistego.

Jeden moduł do obsługi urządzenia będzie mały. Zwykle kilka elementów skleja się razem z pastą termiczną.

DIY lodówka

Efekt Peltiera służy do tworzenia przenośnych lodówek. Moduł można kupić za 300-500 rubli, a grzejnik z wentylatorem pochodzi ze starego komputera. Jako pojemnik można używać wszelkich plastikowych, sklejkowych lub metalowych pojemników, przyklejonych wewnątrz i na zewnątrz za pomocą termoizolacyjnych płyt (pianka, penlex itp.) Z odblaskowymi warstwami folii aluminiowej.

Moduł Peltiera jest wygodniejszy do wbudowania w osłonę, ale jest również możliwy w ścianie obudowy. Jeśli znajduje się w górnej części zbiornika, zimno schodzi w dół, zapewniając jednolitą temperaturę wewnątrz.

Od wewnątrz do pasty termicznej na module przymocowany jest grzejnik, który również jest przymocowany do pokrywy. Można przykleić dwa moduły do ​​siebie, ale nie należy mylić polaryzacji. Gorąca strona dolnego elementu powinna stykać się z zimnym blatem. Wydajność chłodzenia wzrasta.

Na zewnątrz do modułu przyklejono grzejnik z wentylatorem z chłodnicy komputerowej i dodatkowo przymocowany do pokrywy za pomocą śrub lub wkrętów. Elementy mocujące z gorących i zimnych stron powinny być odizolowane od siebie, a czapki powinny być wypełnione gorącym klejem.

To ważne! Dokręcanie łączników grzejnika należy wykonywać ostrożnie, aby nie uszkodzić płytek ceramicznych modułów.

Wewnątrz pokrywy zainstalowana jest izolacyjna uszczelka. Aby poprawić izolację termiczną, elementy z końców są zamknięte ramą wykonaną z izolacji termicznej.

Elektryk łączy się z zasilaniem.

Generatory elektryczne z modułów Peltiera

Element Peltiera, którego zasada działania jest odwracalna, służy do tworzenia mini elektrowni przy braku źródeł energii elektrycznej. Aby złożyć TEG, potrzebne są elementy:

1. Moduł Peltiera zdolny wytrzymać temperatury od 300 ° C. Modele TEC-12712 o wymiarach boków kwadratowych płytek 40, 50 i 60 mm są powszechne. Jeśli wybierzesz produkt o maksymalnym rozmiarze, wystarczy jeden element, aby naładować telefon komórkowy. Maksymalny prąd pokazywany jest przez dwie ostatnie cyfry oznaczenia - 12 a.
2. Zwiększ konwerter. Generator może nie zapewniać pożądanego napięcia i powinien zostać zwiększony. Aby naładować gadżety, musisz wybrać urządzenie ze złączem USB.
3. Grzałka i chłodnica. W warunkach polowych lub domkach odpowiednie jest źródło ogrzewania przeciwpożarowego: domowy piec, lampa, świeca, ogień. Nowoczesne rozwiązanie to grzałka katalityczna, która umożliwia ładowanie telefonu komórkowego w podróży. Do chłodzenia może być stosowane powietrze lub woda.
4. Budowa Własnoręcznie wykonany element Peltiera składa się ze zbiornika, w którym ustawiono ogień, a moduł jest montowany na zewnętrznej powierzchni pasty termicznej. Przez przewody łączy się z konwerterem napięcia. Ważne jest, aby nie przegrzać urządzenia. W tym celu grzejnik przykleja się do zimnej strony modułu.

Wniosek

Moduły Peltiera to elementy szeroko stosowane do chłodzenia nowoczesnego sprzętu elektronicznego. Zwłaszcza są one niezbędne do normalizacji trybu termicznego wydajnych procesorów. Z nich własnymi rękami tworzą małe lodówki do samochodów lub willi.

Ponieważ proces jest odwracalny, elementy są wykorzystywane jako przenośne mini-elektrownie w miejscach, w których nie ma źródeł energii elektrycznej.