Peltier thermoelektrisches Modul - Gerät, Funktionsprinzip, Eigenschaften

Das Phänomen der Entstehung von Thermo-EMF wurde bereits 1821 vom deutschen Physiker Thomas Johann Seebeck entdeckt. Und dieses Phänomen besteht in der Tatsache, dass in einem geschlossenen Stromkreis, der aus in Reihe geschalteten heterogenen Leitern besteht, vorausgesetzt, dass ihre Kontakte unterschiedliche Temperaturen haben, eine EMF auftritt.

Dieser Effekt, benannt nach seinem Entdecker, dem Seebeck-Effekt, wird jetzt einfach genannt thermoelektrischer Effekt.

Wenn die Schaltung nur aus einem Paar unterschiedlicher Leiter besteht, wird eine solche Schaltung aufgerufen Thermoelement. In erster Näherung kann argumentiert werden, dass die Größe der Thermo-EMF nur vom Material der Leiter und von den Temperaturen der kalten und heißen Kontakte abhängt. In einem kleinen Temperaturbereich ist die Thermo-EMF daher proportional zur Temperaturdifferenz zwischen kalten und heißen Kontakten, und der Proportionalitätskoeffizient in der Formel wird als Thermo-EMF-Koeffizient bezeichnet.

So hat beispielsweise bei einer Temperaturdifferenz von 100 ° C bei einer Kaltkontakttemperatur von 0 ° C ein Paar Kupferkonstante einen Thermo-EMF-Wert von 4,25 mV.

Inzwischen Der thermoelektrische Effekt basiert auf drei Komponenten:

Der erste Faktor ist der Unterschied zwischen verschiedenen Substanzen in Abhängigkeit von der durchschnittlichen Elektronenenergie von der Temperatur. Wenn folglich die Temperatur des Leiters an einem Ende höher ist, nehmen die Elektronen dort höhere Geschwindigkeiten an als die Elektronen am kalten Ende des Leiters.

Übrigens steigt auch die Konzentration der Leitungselektronen in Halbleitern mit Erwärmung an. Elektronen rasen mit hoher Geschwindigkeit zum kalten Ende, und dort sammelt sich eine negative Ladung an, und am heißen Ende wird eine nicht kompensierte positive Ladung erhalten. Es gibt also eine Komponente der Thermo-EMF, die volumetrische EMF.

Der zweite Faktor ist, dass für verschiedene Substanzen die Kontaktpotentialdifferenz unterschiedlich von der Temperatur abhängt. Dies ist auf den Unterschied in der Fermi-Energie jedes der in Kontakt gebrachten Leiter zurückzuführen. Die in diesem Fall auftretende Kontaktpotentialdifferenz ist proportional zur Fermi-Energiedifferenz.

Ein elektrisches Feld wird in einer dünnen Kontaktschicht erhalten, und die Potentialdifferenz auf jeder Seite (für jeden der in Kontakt gebrachten Leiter) ist dieselbe, und wenn der Stromkreis in einem geschlossenen Stromkreis eingekreist wird, ist das resultierende elektrische Feld Null.

Wenn sich jedoch die Temperatur eines der Leiter von der Temperatur des anderen unterscheidet, ändert sich aufgrund der Abhängigkeit der Fermi-Energie von der Temperatur auch die Potentialdifferenz. Infolgedessen kommt es zu Kontakt-EMF - der zweiten Komponente von Thermo-EMF.

Der dritte Faktor ist der Phononenanstieg der EMF. Vorausgesetzt, es gibt einen Temperaturgradienten im Festkörper, überwiegt die Anzahl der Phononen (Phonon - das Quantum der Schwingungsbewegung der Kristallatome), die sich in Richtung vom heißen zum kalten Ende bewegen, wodurch zusammen mit den Phononen eine große Anzahl von Elektronen zum kalten Ende hin abtransportiert wird und eine negative Ladung wird sich dort ansammeln, bis der Prozess zum Gleichgewicht kommt.

Dies ergibt die dritte Komponente der Thermo-EMF, die bei niedrigen Temperaturen hunderte Male höher sein kann als die beiden oben genannten Komponenten.

1834 entdeckte der französische Physiker Jean Charles Peltier den gegenteiligen Effekt. Er fand heraus, dass Wärme freigesetzt oder absorbiert wird, wenn ein elektrischer Strom durch eine Verbindung zweier unterschiedlicher Leiter fließt.

Die Menge der absorbierten oder freigesetzten Wärme hängt von der Art der gelöteten Substanzen sowie von der Richtung und Größe des durch die Verbindungsstelle fließenden elektrischen Stroms ab.Der Peltier-Koeffizient in der Formel ist numerisch gleich dem Thermo-EMF-Koeffizienten multipliziert mit der absoluten Temperatur. Dieses Phänomen ist jetzt bekannt als Peltier-Effekt.

1838 verstand der russische Physiker Emiliy Khristianovich Lenz die Essenz des Peltier-Effekts. Er testete experimentell den Peltier-Effekt, indem er einen Wassertropfen in die Verbindung von Antimon- und Wismutproben gab. Als Lenz einen elektrischen Strom durch den Stromkreis leitete, verwandelte sich das Wasser in Eis, aber als der Wissenschaftler die Richtung des Stroms umkehrte, schmolz das Eis schnell.

Der Wissenschaftler stellte fest, dass beim Stromfluss nicht nur Joule-Wärme freigesetzt wurde, sondern auch zusätzliche Wärme absorbiert oder freigesetzt wurde. Diese zusätzliche Wärme wurde Peltier-Wärme genannt.

Die physikalische Basis des Peltier-Effekts ist wie folgt. Das Kontaktfeld an der Verbindungsstelle zweier Substanzen, das durch die Kontaktpotentialdifferenz erzeugt wird, verhindert entweder den Stromfluss durch den Stromkreis oder trägt dazu bei.

Wenn der Strom gegen das Feld geleitet wird, ist die Arbeit der Quelle erforderlich, die Energie für die Überwindung des Kontaktfelds aufwenden sollte, wodurch der Übergang erwärmt wird. Wenn der Strom so gerichtet ist, dass das Kontaktfeld ihn unterstützt, erledigt das Kontaktfeld die Arbeit, und die Energie wird der Substanz selbst entzogen und nicht von der Stromquelle verbraucht. Infolgedessen wird die Substanz in der Verbindungsstelle abgekühlt.

Der ausdrucksstärkste Peltier-Effekt in Halbleitern, aufgrund dessen Peltier-Module oder thermoelektrische Wandler.

Im Herzen von Peltier-Element zwei miteinander in Kontakt stehende Halbleiter. Diese Halbleiter zeichnen sich durch die Energie der Elektronen im Leitungsband aus. Wenn also ein Strom durch den Kontaktpunkt fließt, müssen die Elektronen Energie aufnehmen, um auf ein anderes Leitungsband übertragen zu können.

Wenn sie sich also zu einem Leitungsband mit höherer Energie eines anderen Halbleiters bewegen, absorbieren die Elektronen Energie und kühlen die Übergangsstelle. In der entgegengesetzten Richtung des Stroms geben die Elektronen Energie ab und es kommt zusätzlich zur Joule-Wärme zu einer Erwärmung.

Das Peltier-Halbleitermodul besteht aus mehreren Paaren Halbleiter vom p- und n-Typgeformt wie kleine Parallelepipeds. Üblicherweise werden Wismuttellurid und eine feste Lösung von Silizium und Germanium als Halbleiter verwendet. Halbleiter-Parallelepipeds sind paarweise durch Kupferbrücken miteinander verbunden. Diese Jumper dienen als Kontakte für den Wärmeaustausch mit Keramikplatten.

Jumper sind so angeordnet, dass auf einer Seite des Moduls nur Jumper einen n-p-Übergang und andererseits nur Jumper einen p-n-Übergang bereitstellen. Infolgedessen erwärmt sich beim Anlegen eines Stroms eine Seite des Moduls, die andere Seite kühlt sich ab, und wenn die Polarität der Versorgung umgekehrt wird, wechseln die Heiz- und Kühlseiten entsprechend die Position. Somit wird beim Durchgang von Strom Wärme von einer Seite des Moduls zur anderen übertragen, und es tritt eine Temperaturdifferenz auf.

Wenn nun eine Seite des Peltier-Moduls erwärmt und die andere gekühlt wird, erscheint im Stromkreis eine Thermo-EMK, dh der Seebeck-Effekt wird realisiert. Offensichtlich sind der Seebeck-Effekt (thermoelektrischer Effekt) und der Peltier-Effekt zwei Seiten derselben Medaille.

Heute können Sie Peltier-Module problemlos zu einem relativ günstigen Preis erwerben. Die beliebtesten Perrier-Module sind vom Typ TEC1-12706 mit 127 Thermoelementen und einer 12-Volt-Versorgung.

Bei einem maximalen Verbrauch von 6 Ampere ist eine Temperaturdifferenz von 60 ° C erreichbar, während der vom Hersteller angegebene sichere Betriebstemperaturbereich von -30 ° C bis + 70 ° C reicht. Die Größe des Moduls beträgt 40 mm x 40 mm x 4 mm. Das Modul kann sowohl im Kühl-Heiz-Modus als auch im Generierungsmodus.

Es gibt leistungsstärkere Peltier-Module, zum Beispiel TEC1-12715 mit einer Leistung von 165 Watt. Wenn dieses Modul mit einer Spannung von 0 bis 15,2 Volt und einer Stromstärke von 0 bis 15 Ampere betrieben wird, kann es eine Temperaturdifferenz von 70 Grad entwickeln.Die Größe des Moduls beträgt ebenfalls 40 mm x 40 mm x 4 mm. Der Bereich sicherer Arbeitstemperaturen ist jedoch größer - von -40 ° C bis + 90 ° C.

Die folgende Tabelle zeigt die Daten zu Peltier-Modulen, die heute auf dem Markt weit verbreitet sind:

Daten zu Fellmodulen