Елемент Пельтьє — це термоелектричний перетворювач, принцип дії якого базується на ефекті Пельтьє — виникненні різниці температур при протіканні електричного струму. В англомовній літературі елементи Пельтьє позначаються TEC (від англ. Thermoelectric Cooler — Термоелектричний охолоджувач).
Елемент Пельтьє | |
Названо на честь | d |
---|---|
Протилежне | термоелектрогенератор |
Елемент Пельтьє у Вікісховищі |
Ефект, зворотний ефекту Пельтьє, називається ефектом Зеебека.
Принцип дії
В основі роботи елементів Пельтьє лежить контакт двох струмопровідних матеріалів з різними рівнями енергії електронів у зоні провідності. При протіканні струму через контакт таких матеріалів, електрон повинен отримати енергію, щоб перейти у більш високоенергетичну зону провідності іншого напівпровідника. При поглинанні цієї енергії відбувається охолодження місця контакту напівпровідників. При протіканні струму в зворотному напрямку відбувається нагрівання місця контакту напівпровідників, додатково до звичайного тепловому ефекту.
При контакті металів ефект Пельтьє настільки малий, що непомітний на тлі омічного нагріву і явищ теплопровідності. Тому при практичному застосуванні використовуються контакт двох напівпровідників.
Елемент Пельтьє складається з однієї або більше пар невеликих напівпровідникових паралелепіпедів — одного N-типу і одного Р-типу в парі (зазвичай телуриду вісмуту, Bi2Te3 та германіду кремнію), які попарно з'єднані за допомогою металевих перемичок. Металеві перемички одночасно служать термічними контактами і ізольовані непровідною плівкою або керамічною пластинкою. Пари паралелепіпедів з'єднуються таким чином, що утворюється послідовне з'єднання багатьох пар напівпровідників з різним типом провідності, так щоб вгорі були одні послідовності з'єднань (п-> р), а знизу протилежні (p-> п). Електричний струм протікає послідовно через всі паралелепіпеди. В залежності від напрямку струму верхні контакти охолоджуються, а нижні нагріваються — або навпаки. Контакт у якому струм тече від n до p буде охолоджуватися, а з іншої сторони з'єднання протилежне (p-> n), там контакт відповідно нагрівається. Таким чином електричний струм переносить тепло з одного боку елемента Пельтьє на протилежну і створює різницю температур.
Переваги і недоліки
Перевагою елемента Пельтьє є невеликі розміри, відсутність будь-яких рухомих частин, а також газів і рідин. При зміні напрямку струму можливо як охолодження, так і нагрівання — це дає можливість термостатування при температурі навколишнього середовища як вище, так і нижче температури термостатування.
Недоліком елемента Пельтьє є дуже низький коефіцієнт корисної дії, що веде до великої споживаної потужності для досягнення помітної різниці температур. Незважаючи на це, елементи Пельтьє знайшли широке застосування, оскільки без будь-яких додаткових пристроїв можна реалізувати температури нижче 0 °C.
У батареях елементів Пельтьє можливе досягнення теоретично дуже великої різниці температур, у зв'язку з цим краще використовувати імпульсний метод регулювання температури, завдяки якому можна знизити також споживання енергії.
Застосування
Елементи Пельтьє застосовуються в ситуаціях, коли необхідно охолодження з невеликою різницею температур, або енергетична ефективність охолоджувача не важлива. Наприклад, елементи Пельтьє застосовуються в ПЛР-ампліфікаторах, маленьких автомобільних холодильниках, оскільки застосування компресора в цьому випадку неможливо через обмежені розміри, і, крім того, необхідна потужність охолодження невелика.
Крім того, елементи Пельтьє застосовуються для охолодження пристроїв із зарядовим зв'язком в цифрових фотокамерах. За рахунок цього досягається помітне зменшення теплового шуму при тривалих експозиціях (наприклад в астрофотографії). Багатоступінчасті елементи Пельтьє застосовуються для охолодження приймачів випромінювання в .
Також елементи Пельтьє часто застосовуються для охолодження та термостатування діодних лазерів з тим, щоб стабілізувати довжину хвилі випромінювання.
У приладах, при низькій потужності охолодження, елементи Пельтьє часто використовуються як друга чи третя ступінь охолодження. Це дозволяє досягти температур на 30-40 °C нижче, ніж за допомогою звичайних компресорних охолоджувачів (до -80 °C для одностадійних холодильників і до -120 °C для двостадійних).
Якщо охолоджувати нагрівальну сторону елемента Пельтьє, наприклад за допомогою радіатора і вентилятора, то температура холодної сторони стає ще нижча. У одноступінчатих елементів, в залежності від типу елемента і величини струму, різниця температур може досягати приблизно 70 К.
Найчастіше використовують елементи Пельтьє для побудови автомобільних холодильників. Цьому сприяє:
- схожа вольт-амперна характеристика модулів та автомобільної електронної мережі, що дозволяє уникнути додаткових пристроїв перетворення: низька напруга (12 В), високий струм (0..6 А);
- надійність, через стійкість до змінних механічних навантажень, тряски. Відсутність рухливих деталей, робить такі холодильники надзвичайно надійними;
- компактність. Елементи Пельтьє спрощено — дві пластини, яким можна завдати будь-яку форму, головне забезпечити потрібний температурний інгредієнт.
- тихість. Знов таки, відсутність рухомих компонентів, основних джерел звуків, пояснює цю властивість.
- можливість роботи в цілком у вологому середовище або агресивному через те, що сам елемент є також цілком герметичним елементом.
Типова характеристика модуля
Основні параметри, які характеризують модуль:
- Qmax (Вт) — холодоутворення. Визначається як вся теплова енергія, що передається без втрат з гарячої поверхні на холодну.
- delta Tmax (град) — максимальна різниця температур між поверхнями модуля, яка може бути досягнена в ідеальних умовах: температура гарячої поверхні завжди +27 °C, холодна не відводить тепло.
- Imax (А) — струм, який забезпечує в модулі різницю температур delta Tmax.
- Umax (В) — напруга яка має бути на модулі за умов наявності струму Imax та різниці температур delta Tmax.
- Resistance (Ом) — електричній опір модуля постійному струму.
- COP (Coefficient Of Performance) — коефіцієнт, що позначає відношення потужності охолодження до використаної електричної потужності модуля. Характеризує ККД модуля, зазвичай, має значення 0,3..0,5.
Характеристики типового модуля Пельтьє, який промислово випускається та доступний кінцевому користувачеві TEC1-12706 60W:
- Ширина — 40 мм.
- Довжина — 40 мм.
- Товщина — 4 мм.
- Ресурс — 200 тис. год.
- Допустиме нагрівання гарячої поверхні модуля — до 50 °C.
- Максимальний перепад температури між поверхнями елементу — 75 °C.
- Споживча потужність — 57 Вт.
- Максимальна сила струму — до 6,4 А.
- Максимальна напруга — до 16,4 В.
- Кількість елементів в модулі — 127.
Особливості використання модулів
- Модулі можна об'єднувати в каскадні збірки для збільшення різниці температур.
- Модуль є оборотним — при зміні полярності постійного струму гаряча та холодна пластини змінюються місцями. Дроти модуля розташовані з різних його боків й мають різний колір. Так, плюсовий має червоний колір, розташований праворуч відносно гарячої сторони модуля.
- Модулі мають бути обладнаними потужними радіаторами, тому що в роботі виробляють велику кількість тепла.
- Модулі споживають великі струми, тому мають бути під'єднати до блоків живленнями товстими мідними дротами.
- Модулі чутливі до пульсації струму, бажано, забезпечувати постійним струмом з пульсацією менш 5 %. Інакше швидко втрачається ККД. Відповідно, для регулювання потужності модулів, не треба використовувати ШІМ-модуляцію.
- Для регулювання потужності модуля потрібно використовувати регулятори електричної потужності — модуль має нелінійну залежність характеристики як від струму, так й від його сили.
- В разі виходу з ладу модуля, він перетворюється в теплоізолятор. Це призводить до швидкого порушення теплового режиму, й відповідно, до аварії всього пристрою.
- Модулі відповідають технічним вимогам протягом 2-х років з дати виготовлення при дотриманні споживачем умов зберігання та експлуатації. Термін експлуатації до 15 років. Строк експлуатації модуля зменшується з підвищенням його температури, її збільшення до температури плавлення олова, що призводить до руйнування модуля, внаслідок порушення теплового контакту зовнішніх пластин із внутрішніми напівпровідниковими елементами.
- Кожний модуль має свою оптимальну напругу де його ККД найбільший. Для найпоширеніших модулів, що складаються із 127 елементів, оптимальнішою є 12В (при максимально допустимій 16В). Збільшення за 12В не істотно збільшує різницю температур на пластинах елементу, проте швидко росте сила струму.
- Потужність модуля залежить від його розміру. Для охолодження великих площ слід застосовувати великі за розміром модулі, використання ж маленьких призведе до великого перепаду температур на обмеженій площі. Тут доведеться не тільки вирішувати задачу рівномірного розповсюджування теплової енергії по всій площині, але й компенсувати прояв побічних наслідків, як-то конденсат, теплове напруження в конструкціях тощо. Особливо небезпечним є утворення конденсату, який призводить до ризику короткого замикання та корозії.
Див. також
Примітки
- http://uamper.com/products/datasheet/TEC1-12706.pdf [ 20 січня 2022 у Wayback Machine.] Технічна специфікація TEC1-12706
- http://mypractic.ru/element-pelte-tec1-12706-xarakteristiki-primenenie-usloviya-ekspluatacii.html [ 16 січня 2017 у Wayback Machine.] Практичний досвід використання модулів Пельтьє
- http://uamper.com/products/datasheet/TEC1-12706_ap_noter.pdf [ 24 червня 2021 у Wayback Machine.] Див. мал 5 на стор 3
Джерела
- Иоффе А. Ф. Полупроводниковые термоэлементы. — М.-Л.: Из-во АН СССР, 1960. — 188 с. (рос.)
- Термоэлементы и термоэлектрические устройства: Справочник / Анатычук Л. И. — К.: Наукова думка, 1979. — 768 с. (рос.)
- Вайнер А. Л. Каскадные термоэлектрические источники холода. — М.: Советское радио, 1976. — 137 с. (рос.)
Посилання
- Саморобний пристрій на елементах Пельтьє [ 14 січня 2017 у Wayback Machine.] для живлення фонового освітлення глухих приміщень від батарей опалення.
- Використання елементів Пельтьє [ 16 січня 2017 у Wayback Machine.] для охолодження складових (насамперед CPU) в системних блоках ПК.
Це незавершена стаття про електроніку. Ви можете проєкту, виправивши або дописавши її. |
Вікіпедія, Українська, Україна, книга, книги, бібліотека, стаття, читати, завантажити, безкоштовно, безкоштовно завантажити, mp3, відео, mp4, 3gp, jpg, jpeg, gif, png, малюнок, музика, пісня, фільм, книга, гра, ігри, мобільний, телефон, android, ios, apple, мобільний телефон, samsung, iphone, xiomi, xiaomi, redmi, honor, oppo, nokia, sonya, mi, ПК, web, Інтернет
Element Peltye ce termoelektrichnij peretvoryuvach princip diyi yakogo bazuyetsya na efekti Peltye viniknenni riznici temperatur pri protikanni elektrichnogo strumu V anglomovnij literaturi elementi Peltye poznachayutsya TEC vid angl Thermoelectric Cooler Termoelektrichnij oholodzhuvach Element Peltye Nazvano na chestd Protilezhnetermoelektrogenerator Element Peltye u VikishovishiZovnishnij viglyad elementa Peltye Pri propushenni strumu teplo perenositsya z odniyeyi storoni na inshu Efekt zvorotnij efektu Peltye nazivayetsya efektom Zeebeka Princip diyiV osnovi roboti elementiv Peltye lezhit kontakt dvoh strumoprovidnih materialiv z riznimi rivnyami energiyi elektroniv u zoni providnosti Pri protikanni strumu cherez kontakt takih materialiv elektron povinen otrimati energiyu shob perejti u bilsh visokoenergetichnu zonu providnosti inshogo napivprovidnika Pri poglinanni ciyeyi energiyi vidbuvayetsya oholodzhennya miscya kontaktu napivprovidnikiv Pri protikanni strumu v zvorotnomu napryamku vidbuvayetsya nagrivannya miscya kontaktu napivprovidnikiv dodatkovo do zvichajnogo teplovomu efektu Pri kontakti metaliv efekt Peltye nastilki malij sho nepomitnij na tli omichnogo nagrivu i yavish teploprovidnosti Tomu pri praktichnomu zastosuvanni vikoristovuyutsya kontakt dvoh napivprovidnikiv Element Peltye skladayetsya z odniyeyi abo bilshe par nevelikih napivprovidnikovih paralelepipediv odnogo N tipu i odnogo R tipu v pari zazvichaj teluridu vismutu Bi2Te3 ta germanidu kremniyu yaki poparno z yednani za dopomogoyu metalevih peremichok Metalevi peremichki odnochasno sluzhat termichnimi kontaktami i izolovani neprovidnoyu plivkoyu abo keramichnoyu plastinkoyu Pari paralelepipediv z yednuyutsya takim chinom sho utvoryuyetsya poslidovne z yednannya bagatoh par napivprovidnikiv z riznim tipom providnosti tak shob vgori buli odni poslidovnosti z yednan p gt r a znizu protilezhni p gt p Elektrichnij strum protikaye poslidovno cherez vsi paralelepipedi V zalezhnosti vid napryamku strumu verhni kontakti oholodzhuyutsya a nizhni nagrivayutsya abo navpaki Kontakt u yakomu strum teche vid n do p bude oholodzhuvatisya a z inshoyi storoni z yednannya protilezhne p gt n tam kontakt vidpovidno nagrivayetsya Takim chinom elektrichnij strum perenosit teplo z odnogo boku elementa Peltye na protilezhnu i stvoryuye riznicyu temperatur Perevagi i nedolikiPerevagoyu elementa Peltye ye neveliki rozmiri vidsutnist bud yakih ruhomih chastin a takozh gaziv i ridin Pri zmini napryamku strumu mozhlivo yak oholodzhennya tak i nagrivannya ce daye mozhlivist termostatuvannya pri temperaturi navkolishnogo seredovisha yak vishe tak i nizhche temperaturi termostatuvannya Nedolikom elementa Peltye ye duzhe nizkij koeficiyent korisnoyi diyi sho vede do velikoyi spozhivanoyi potuzhnosti dlya dosyagnennya pomitnoyi riznici temperatur Nezvazhayuchi na ce elementi Peltye znajshli shiroke zastosuvannya oskilki bez bud yakih dodatkovih pristroyiv mozhna realizuvati temperaturi nizhche 0 C U batareyah elementiv Peltye mozhlive dosyagnennya teoretichno duzhe velikoyi riznici temperatur u zv yazku z cim krashe vikoristovuvati impulsnij metod regulyuvannya temperaturi zavdyaki yakomu mozhna zniziti takozh spozhivannya energiyi ZastosuvannyaElementi Peltye zastosovuyutsya v situaciyah koli neobhidno oholodzhennya z nevelikoyu rizniceyu temperatur abo energetichna efektivnist oholodzhuvacha ne vazhliva Napriklad elementi Peltye zastosovuyutsya v PLR amplifikatorah malenkih avtomobilnih holodilnikah oskilki zastosuvannya kompresora v comu vipadku nemozhlivo cherez obmezheni rozmiri i krim togo neobhidna potuzhnist oholodzhennya nevelika Krim togo elementi Peltye zastosovuyutsya dlya oholodzhennya pristroyiv iz zaryadovim zv yazkom v cifrovih fotokamerah Za rahunok cogo dosyagayetsya pomitne zmenshennya teplovogo shumu pri trivalih ekspoziciyah napriklad v astrofotografiyi Bagatostupinchasti elementi Peltye zastosovuyutsya dlya oholodzhennya prijmachiv viprominyuvannya v Takozh elementi Peltye chasto zastosovuyutsya dlya oholodzhennya ta termostatuvannya diodnih lazeriv z tim shob stabilizuvati dovzhinu hvili viprominyuvannya U priladah pri nizkij potuzhnosti oholodzhennya elementi Peltye chasto vikoristovuyutsya yak druga chi tretya stupin oholodzhennya Ce dozvolyaye dosyagti temperatur na 30 40 C nizhche nizh za dopomogoyu zvichajnih kompresornih oholodzhuvachiv do 80 C dlya odnostadijnih holodilnikiv i do 120 C dlya dvostadijnih Yaksho oholodzhuvati nagrivalnu storonu elementa Peltye napriklad za dopomogoyu radiatora i ventilyatora to temperatura holodnoyi storoni staye she nizhcha U odnostupinchatih elementiv v zalezhnosti vid tipu elementa i velichini strumu riznicya temperatur mozhe dosyagati priblizno 70 K Najchastishe vikoristovuyut elementi Peltye dlya pobudovi avtomobilnih holodilnikiv Comu spriyaye shozha volt amperna harakteristika moduliv ta avtomobilnoyi elektronnoyi merezhi sho dozvolyaye uniknuti dodatkovih pristroyiv peretvorennya nizka napruga 12 V visokij strum 0 6 A nadijnist cherez stijkist do zminnih mehanichnih navantazhen tryaski Vidsutnist ruhlivih detalej robit taki holodilniki nadzvichajno nadijnimi kompaktnist Elementi Peltye sprosheno dvi plastini yakim mozhna zavdati bud yaku formu golovne zabezpechiti potribnij temperaturnij ingrediyent tihist Znov taki vidsutnist ruhomih komponentiv osnovnih dzherel zvukiv poyasnyuye cyu vlastivist mozhlivist roboti v cilkom u vologomu seredovishe abo agresivnomu cherez te sho sam element ye takozh cilkom germetichnim elementom Tipova harakteristika modulyaOsnovni parametri yaki harakterizuyut modul Qmax Vt holodoutvorennya Viznachayetsya yak vsya teplova energiya sho peredayetsya bez vtrat z garyachoyi poverhni na holodnu delta Tmax grad maksimalna riznicya temperatur mizh poverhnyami modulya yaka mozhe buti dosyagnena v idealnih umovah temperatura garyachoyi poverhni zavzhdi 27 C holodna ne vidvodit teplo Imax A strum yakij zabezpechuye v moduli riznicyu temperatur delta Tmax Umax V napruga yaka maye buti na moduli za umov nayavnosti strumu Imax ta riznici temperatur delta Tmax Resistance Om elektrichnij opir modulya postijnomu strumu COP Coefficient Of Performance koeficiyent sho poznachaye vidnoshennya potuzhnosti oholodzhennya do vikoristanoyi elektrichnoyi potuzhnosti modulya Harakterizuye KKD modulya zazvichaj maye znachennya 0 3 0 5 Harakteristiki tipovogo modulya Peltye yakij promislovo vipuskayetsya ta dostupnij kincevomu koristuvachevi TEC1 12706 60W Shirina 40 mm Dovzhina 40 mm Tovshina 4 mm Resurs 200 tis god Dopustime nagrivannya garyachoyi poverhni modulya do 50 C Maksimalnij perepad temperaturi mizh poverhnyami elementu 75 C Spozhivcha potuzhnist 57 Vt Maksimalna sila strumu do 6 4 A Maksimalna napruga do 16 4 V Kilkist elementiv v moduli 127 Osoblivosti vikoristannya modulivModuli mozhna ob yednuvati v kaskadni zbirki dlya zbilshennya riznici temperatur Modul ye oborotnim pri zmini polyarnosti postijnogo strumu garyacha ta holodna plastini zminyuyutsya miscyami Droti modulya roztashovani z riznih jogo bokiv j mayut riznij kolir Tak plyusovij maye chervonij kolir roztashovanij pravoruch vidnosno garyachoyi storoni modulya Moduli mayut buti obladnanimi potuzhnimi radiatorami tomu sho v roboti viroblyayut veliku kilkist tepla Moduli spozhivayut veliki strumi tomu mayut buti pid yednati do blokiv zhivlennyami tovstimi midnimi drotami Moduli chutlivi do pulsaciyi strumu bazhano zabezpechuvati postijnim strumom z pulsaciyeyu mensh 5 Inakshe shvidko vtrachayetsya KKD Vidpovidno dlya regulyuvannya potuzhnosti moduliv ne treba vikoristovuvati ShIM modulyaciyu Dlya regulyuvannya potuzhnosti modulya potribno vikoristovuvati regulyatori elektrichnoyi potuzhnosti modul maye nelinijnu zalezhnist harakteristiki yak vid strumu tak j vid jogo sili V razi vihodu z ladu modulya vin peretvoryuyetsya v teploizolyator Ce prizvodit do shvidkogo porushennya teplovogo rezhimu j vidpovidno do avariyi vsogo pristroyu Moduli vidpovidayut tehnichnim vimogam protyagom 2 h rokiv z dati vigotovlennya pri dotrimanni spozhivachem umov zberigannya ta ekspluataciyi Termin ekspluataciyi do 15 rokiv Strok ekspluataciyi modulya zmenshuyetsya z pidvishennyam jogo temperaturi yiyi zbilshennya do temperaturi plavlennya olova sho prizvodit do rujnuvannya modulya vnaslidok porushennya teplovogo kontaktu zovnishnih plastin iz vnutrishnimi napivprovidnikovimi elementami Kozhnij modul maye svoyu optimalnu naprugu de jogo KKD najbilshij Dlya najposhirenishih moduliv sho skladayutsya iz 127 elementiv optimalnishoyu ye 12V pri maksimalno dopustimij 16V Zbilshennya za 12V ne istotno zbilshuye riznicyu temperatur na plastinah elementu prote shvidko roste sila strumu Potuzhnist modulya zalezhit vid jogo rozmiru Dlya oholodzhennya velikih plosh slid zastosovuvati veliki za rozmirom moduli vikoristannya zh malenkih prizvede do velikogo perepadu temperatur na obmezhenij ploshi Tut dovedetsya ne tilki virishuvati zadachu rivnomirnogo rozpovsyudzhuvannya teplovoyi energiyi po vsij ploshini ale j kompensuvati proyav pobichnih naslidkiv yak to kondensat teplove napruzhennya v konstrukciyah tosho Osoblivo nebezpechnim ye utvorennya kondensatu yakij prizvodit do riziku korotkogo zamikannya ta koroziyi Div takozhTermoelektrichni yavisha Efekt Zeyebeka Teplovij nasosPrimitkihttp uamper com products datasheet TEC1 12706 pdf 20 sichnya 2022 u Wayback Machine Tehnichna specifikaciya TEC1 12706 http mypractic ru element pelte tec1 12706 xarakteristiki primenenie usloviya ekspluatacii html 16 sichnya 2017 u Wayback Machine Praktichnij dosvid vikoristannya moduliv Peltye http uamper com products datasheet TEC1 12706 ap noter pdf 24 chervnya 2021 u Wayback Machine Div mal 5 na stor 3DzherelaIoffe A F Poluprovodnikovye termoelementy M L Iz vo AN SSSR 1960 188 s ros Termoelementy i termoelektricheskie ustrojstva Spravochnik Anatychuk L I K Naukova dumka 1979 768 s ros Vajner A L Kaskadnye termoelektricheskie istochniki holoda M Sovetskoe radio 1976 137 s ros PosilannyaSamorobnij pristrij na elementah Peltye 14 sichnya 2017 u Wayback Machine dlya zhivlennya fonovogo osvitlennya gluhih primishen vid batarej opalennya Vikoristannya elementiv Peltye 16 sichnya 2017 u Wayback Machine dlya oholodzhennya skladovih nasampered CPU v sistemnih blokah PK Ce nezavershena stattya pro elektroniku Vi mozhete dopomogti proyektu vipravivshi abo dopisavshi yiyi