Za što su Peltier elementi? Peltier-ovi elementi: princip rada, karakteristike, primjena

Broj elektroničkih uređaja u svijetu konstantno raste kao gruda snijega. Svi oni troše električnu energiju, a ljudi moraju stalno nositi i nositi baterije ili ga proizvoditi na glomaznim uređajima. U kvaliteti izvori struje Ne tako davno počeli su se koristiti Peltier-ovi moduli - elementi koji stvaraju električnu struju pri stvaranju temperaturne razlike na njihovim suprotnim stranama.

Peltier i Seebeck efekti

Unatoč činjenici da je prije gotovo dva stoljeća nastao prvi Peltier element, načelo djelovanja je primijenjeno tek sada, kada su se pojavili prikladni materijali i potreba za korištenjem. Sastoji se od disipacije topline pri kontaktu različitih vodiča kada ona protječe. električna struja. Pri promjeni polariteta kontakt počinje se hladiti. Proces je reverzibilan: pri umjetnom održavanju temperaturne razlike na kontaktima vodiča u njihovom krugu teče struja (Seebeckov efekt).

Na temelju dva termoelektrična efekta stvoren je Peltier modul, čiji su elementi smješteni između dvije paralelne keramičke ploče u obliku različitih vodiča. Struja koja prolazi kroz kontakt vodiča je ista, a tokovi energije u svakom od njih su različiti. Kada energija dođe u kontakt više nego što izlazi iz nje, to znači da elektroni usporavaju u prijelaznom području, uzrokujući da se zagrije. Kada se promijeni polaritet, elektroni se ubrzavaju, uzimajući energiju iz kristalne rešetke, što uzrokuje njeno hlađenje.

Posebno je djelotvoran Peltierov efekt na granicama poluvodičkih elemenata, gdje se odvijaju najveći energetski procesi.

Termoelektrični modul

Peltier elementi nalaze primjenu u uređaju, koji se sastoji od skupa poluvodiča p i n tipova. Za razliku od tranzistora i dioda, prijelazna područja nalaze se na sučelju između metala i poluvodiča. U Peltier modulu, veliki broj elemenata nalazi se između keramičkih ploča, što vam omogućuje da napravite uređaj snažnijim.

Svaki element sadrži 4 prijelaza na kontaktu poluvodič-metal. Kada je električni krug zatvoren, elektroni se kreću od minus baterije do plus, prolazeći kroz sve prijelaze.

Na prvom prijelazu termoelektričnog modula (TEM) između bakrene sabirnice i p-poluvodiča u potonjem se oslobađa toplina, budući da protok naboja pada u područje s nižom energijom.

Na drugom kontaktu, energija se apsorbira u poluvodiču, budući da su elektroni "isisani" pomoću električnog polja, što se podudara s smjerom njihovog kretanja. Postoji proces hlađenja.

Na trećem kontaktu, energija elektrona se apsorbira, jer poluvodič n-tipa ima više energije nego metal.

Na četvrtom prijelazu oslobađa se toplina, jer se elektroni ponovno inhibiraju električnim poljem.

Tako se s jedne strane oslobađa toplina, a druga se hladi. Na jednom elementu ta pojava neće biti vidljiva, ali Peltier-ov modul, čiji su elementi smješteni između dvije keramičke ploče, stvara značajnu temperaturnu razliku.

Modul se može koristiti kao generator električne energije, ako održavate različite temperaturne ploče. Osim toga, svaki Peltier termoelektrični element je serijski spojen na susjedne pomoću bakrenih kratkospojnika, a njihove struje se zbrajaju.

Snage i slabosti

Prednosti TEM:

• male veličine;
• reverzibilnost procesa;
• koristiti kao električni generator ili hladnjak.

Nedostaci TEM-a su visoki troškovi, niska učinkovitost (ne više od 3%), visoki troškovi energije i potreba za održavanjem temperaturne razlike.

Hladnjak Peltier

Peltier element za hlađenje procesora je učinkovitiji od standardnih elemenata. U isto vrijeme, potonji ostaju, ali se koriste samo za uklanjanje topline iz zatvorenog prostora računala.

Prilikom projektiranja kao hladnjaka za elektronička sredstva, potrebno je razmotriti sljedeće značajke.

1. Snaga je izravno povezana s veličinom modula. Mali uređaji neće stvoriti potrebnu razinu hlađenja. Na primjer, neće pružiti normalno Temperatura procesora. Modul koji je previše snažan uzrokuje vlagu, koja je uzrok kratkih spojeva u elektroniki, budući da su udaljenosti između vodljivih elemenata tiskane pločice beznačajan.
2. Sami Peltier-ovi moduli trebaju biti hlađeni uz pomoć ventilatora i radijatora, jer emitiraju mnogo topline. To je potrebno radi smanjenja temperature u zatvorenom prostoru računala i normalizacije radnih uvjeta drugih elemenata.
3. Peltier modul je dodatno opterećenje u napajanju.
4. Hladnjak nakon otkaza je izolator između radijatora i ohlađenog elementa, što može dovesti do brzog kvara zbog pregrijavanja.
5. Moderni procesori mogu mijenjati potrošnju energije tijekom rada, što povoljno utječe na toplinsku ravnotežu, ali ne uvijek kada se koriste Peltier-ovi moduli. Najjednostavniji hladnjaci dizajnirani su za neprekidan rad i ne preporučuju se za uporabu s programima hlađenja.

Otpuštanje topline

Rashladni učinak TEM-a je mali i emitira mnogo topline. Kada se koristi u jedinici sustava, temperatura unutar uređaja se značajno povećava, što utječe na performanse ostatka opreme. Dodatna sredstva za njeno smanjenje su ventilatori i radijatori koji stvaraju toplinu.

Termički mod modula mora biti ispravno izračunat tako da nema pregrijavanja i kondenzacije na elektroničkim pločama. Peltier-ov hladnjak odabran je s optimalnom snagom, pri čemu je važno osigurati pravu ravnotežu temperature u kućištu, predmet hlađenja i vlažnost zraka.

Peltier element: karakteristike

TEM se bira termoelektričnim parametrima.

Izračun snage je sljedeći.

1. Odabran je maksimalni dopušteni napon U _max (V) i prema U (I) dijagramu pronađena je maksimalna struja I _max (A), koja teče kroz Peltier modul. Ovdje je važno da se njegova vrijednost nalazi u granicama rasta ovisnosti temperaturne razlike na struju dT (I) = T _h - T _s .
2. Prema zadanoj vrijednosti I odabire se karakteristika dT (Q), gdje je Q toplinska snaga hlađenog elementa.
3. Iz poznatih vrijednosti dT i T _h određuje se s T _s = T _h - dT.

Značajke dT (Q) pokazuju da se s povećanjem izlazne topline razlika dT smanjuje. To se može učiniti više povećanjem struje kroz modul, što bi zauzvrat trebalo biti ograničeno.

Primjer izračuna

Početni podaci: U = 12 V, Q _s = 60 W i T _h = 50 ° C.

Pri naponu od 12 V, prema karakteristici U (I), nalazimo struju I = 5 A.

Za struju od 5 A, temperaturna razlika je dT = 4 K. Tada je T _s = T _h - dT = 50 - 4 = 46 ° C.

Uzimajući snažniji modul, možete povećati dT. Za 131 W modul, gdje je I _max = 8,5 A, U _max = 28,8 V i objekt s toplinskom snagom od 60 W, temperaturna razlika bit će 40 ° C. Tada je T _s = 50 - 40 = 10 ° C.

Odabir snage TEM-a, ne smijemo zaboraviti koliko će topline dodijeliti. Taj toplinski tok treba ukloniti odgovarajućim rashladnim sredstvima. Kada se tradicionalna sredstva ne mogu nositi s proizvodnjom topline, koristi se vodeno hlađenje.

Klima uređaj

Klimatizacija na Peltier-ovim elementima u smislu učinkovitosti proporcionalna je njezinoj veličini. Njegov princip rada i prednosti isti su kao i kod hladnjaka. Problem je uklanjanje topline izvan ohlađenog prostora.

Klima uređaj zahtijeva 2 hladnjaka, gdje jedan od njih uklanja hladan zrak, a drugi - vruć. Izvor napajanja u automobilu je baterija, a za sobu će stati stari PSU iz osobnog računala.

Jedan modul za rad uređaja bit će mali. Obično se nekoliko elemenata lijepi termalnom pastom.

DIY hladnjak

Peltier efekt se koristi za izradu prijenosnih hladnjaka. Modul se može kupiti za 300-500 rubalja, a radijator s ventilatorom preuzet je iz starog računala. Kao spremnik možete koristiti bilo koju plastičnu, šperpločnu ili metalnu posudu, lijepljenu iznutra i izvana toplinski izolirajućim pločama (pjena, penleks itd.) S reflektirajućim slojevima aluminijske folije.

Peltier modul je prikladniji za ugradnju u poklopac, ali je također moguć u zidu kućišta. Ako se nalazi u gornjem dijelu spremnika, hladnoća se spušta prema dolje, osiguravajući jednaku temperaturu u unutrašnjosti.

Sa unutarnje strane na modul se pričvršćuje radijator, koji je također pričvršćen za poklopac. Možete međusobno zalijepiti dva modula, ali nemojte brkati polaritet. Vruća strana donjeg elementa mora biti u dodiru s hladnim vrhom. Učinkovitost hlađenja će se povećati.

Izvana radijator s ventilatorom iz računalnog hladnjaka zalijepljen je na modul i dodatno pričvršćen na poklopac pomoću vijaka ili vijaka. Spojni elementi s vrućih i hladnih strana moraju biti izolirani jedan od drugoga, a poklopci moraju biti ispunjeni vrućim ljepilom.

Važno je! Zatezanje pričvršćivača radijatora mora se obaviti pažljivo kako se ne bi ispucale keramičke ploče modula.

Unutar poklopca ugrađena je izolacijska brtva. Da bi se poboljšala toplinska izolacija, elementi sa krajeva su zatvoreni okvirom od toplinske izolacije.

Električar se spaja na napajanje.

Električni generatori iz Peltier modula

Peltier element, čiji je princip djelovanja reverzibilan, koristi se za stvaranje mini elektrana u nedostatku izvora električne energije. Za sastavljanje TEG-a potrebni su elementi:

1. Peltier modul sposoban izdržati temperature od 300 ° C. Modeli TEC-12712 s veličinama stranica kvadratnih ploča 40, 50 i 60 mm su uobičajeni. Ako odaberete proizvod maksimalne veličine, jedan element je dovoljan za punjenje mobilnog telefona. Maksimalna struja prikazana je s posljednje dvije znamenke oznake - 12 a.
2. Pojačanje pretvarača. Generator možda neće osigurati željeni napon i trebao bi biti povećan. Da biste naplatili gadgete, morate odabrati uređaj s USB priključkom.
3. Grijač i hladnjak. Za planinarske uvjete ili vikendice prikladan je izvor grijanja za vatru: domaća peć, svjetiljka, svijeća, požar. Moderno rješenje je katalitički grijač koji vam omogućuje punjenje mobitela u pokretu. Za hlađenje se može koristiti zrak ili voda.
4. Dizajn. Samostojeći Peltier element sastoji se od spremnika u kojem je vatra postavljena, a modul je postavljen na toplinsku pastu izvana. Kroz žice se spaja na pretvarač napona. Važno je da uređaj ne pregrijete. Radi toga, hladnjak je zalijepljen na hladnu stranu modula.

zaključak

Peltier-ovi moduli su elementi koji se široko koriste za hlađenje moderne elektroničke opreme. Pogotovo oni su potrebni za normalizaciju toplinskog načina rada moćnih procesora. Od njih čine vlastite ruke malim hladnjacima za automobile ili vile.

Budući da je proces reverzibilan, elementi se koriste kao prijenosne mini-elektrane na mjestima gdje nema izvora električne energije.