Пелтиер термоелектрични модул - уређај, принцип рада, карактеристике

Феномен настанка термо-ЕМФ-а открио је немачки физичар Тхомас Јоханн Сеебецк још давне 1821. године. А овај феномен се састоји у чињеници да се у затвореном електричном кругу који се састоји од хетерогених проводника повезаних низом, под условом да су њихови контакти на различитим температурама, да настане ЕМФ.

Овај ефекат, назван по проналазачу, Сеебецковом ефекту, сада се једноставно назива термоелектрични ефекат.

Ако се склоп састоји само од пара различитих проводника, такав се круг назива термоелемент. У првом апроксимацији може се тврдити да јачина термо-емфона зависи само од материјала проводника и од температуре хладних и топлих контаката. Дакле, у малом температурном опсегу, термо-ЕМФ пропорционалан је температурној разлици између хладних и топлих контаката, а коефицијент пропорционалности у формули се назива коефицијент термо-ЕМФ.

Тако, на пример, при температурној разлици од 100 ° Ц, при температури хладног контакта од 0 ° Ц, пар бакра-константана има термо-ЕМФ од 4,25 мВ.

У међувремену Термоелектрични ефекат заснован је на три компоненте:

Први фактор је разлика у различитим супстанцама у зависности просечне енергије електрона од температуре. Као резултат, ако се температура проводника загрева на једном крају, електрони тамо добијају веће брзине од електрона на хладном крају проводника.

Успут, концентрација електрона проводљивости такође се повећава у полуводичима са загревањем. Електрони појуре до хладног краја великом брзином, а негативни набој се акумулира, а на врућем крају се добија некомпензирано позитивно наелектрисање. Дакле, постоји компонента термо-ЕМФ, која се назива волуметријска ЕМФ.

Други фактор је да за различите материје разлика контактних потенцијала различито зависи од температуре. То је због разлике у Фермијевој енергији сваког од водича доведених у контакт. Разлика контактног потенцијала која настаје у овом случају пропорционална је Фермијевој енергетској разлици.

Електрично поље се добија у танком контактном слоју, а разлика потенцијала на свакој страни (за сваки од водича доведених у контакт) биће иста, а када се круг кружи затвореним кругом, резултирајуће електрично поље ће бити нула.

Али ако се температура једног проводника разликује од температуре другог, тада ће се због зависности Фермијеве енергије од температуре променити и потенцијална разлика. Као резултат тога, доћи ће до контактног ЕМФ - другог дела термо-ЕМФ-а.

Трећи фактор је фононско повећање ЕМФ-а. Под условом да постоји температурни градијент у чврстом материјалу, превладаће број фонона (фонон - квант вибрационог кретања кристалних атома) који се крећу у смеру од врелог краја ка хладном, што ће резултирати тиме да ће заједно са фоонима велики број електрона бити однесен према хладном крају , а негативни набој ће се акумулирати све док процес не дође у равнотежу.

То даје трећу компоненту термо-ЕМФ-а, која при ниским температурама може бити стотинама пута већа од две горе поменуте компоненте.

Француски физичар Јеан Цхарлес Пелтиер је 1834. открио супротан ефекат. Открио је да када електрична струја прође кроз спој два различита водича, топлота се ослобађа или апсорбује.

Количина апсорбоване или ослобођене топлоте повезана је са врстом лемљених супстанци, као и са правцем и величином електричне струје која тече кроз спој.Пелтиеров коефицијент у формули је бројчано једнак коефицијенту термо-ЕМФ помножен са апсолутном температуром. Ова појава је сада позната као ефект пелтиера.

Године 1838. руски физичар Емилиј Христијанович Ленз схватио је суштину Пелтиеровог ефекта. Експериментално је тестирао Пелтиеров ефекат тако што је ставио кап воде у спој узорака антимона и бизмута. Кад је Ленз прошао електричну струју кроз круг, вода се претворила у лед, али када је научник преокренуо смер струје, лед се брзо растопио.

Научник је успоставио на такав начин да се, када струја тече, није ослобађала само Јоуле топлота, већ и апсорпција или ослобађање додатне топлоте. Ова додатна топлота названа је Пелтиер-ова топлота.

Физичка основа Пелтиеровог ефекта је следећа. Контактно поље на месту спајања две супстанце, настало разликом контактног потенцијала, или спречава пролазак струје кроз круг, или доприноси њему.

Ако се струја преноси против поља, онда је потребан рад извора који треба да троши енергију на превазилажење контактног поља, услед чега се спој загрева. Ако је струја усмерена тако да га контактно поље подржава, тада контактно поље ради, а енергија се одузима од саме супстанце, а не троши га струјни извор. Као резултат, супстанца у спојници се хлади.

Најекспресивнији Пелтиер-ов ефекат у полуводичима, захваљујући којем Пелтиер-ови модули или термоелектрични претварачи.

У срцу Пелтиер елемент два полуводича који су у међусобном додиру. Ови полуводичи се разликују по енергији електрона у проводном опсегу, тако да када струја тече кроз додирну тачку, електрони су приморани да добијају енергију да би се могли пребацити у други опсег проводљивости.

Дакле, када се крећу у опсег проводљивости више енергије другог полуводича, електрони апсорбују енергију хладећи место прелаза. У супротном смеру струје, електрони одају енергију, а уз Јоуле топлоту долази и загревање.

Пелтиер-ов полуводички модул састоји се од неколико парова полуводичи п и н-типау облику малих паралелепипеда. Обично се као полуводичи користе телурид бизмута и чврста раствора силицијума и германија. Полупроводничке паралелепипеде повезане су у пару бакарним скакачима. Ови скакачи служе као контакти за размену топлоте са керамичким плочама.

Џампери су смештени тако да на једној страни модула постоје само скакачи који омогућавају н-п прелаз, а са друге стране, само скакачи који пружају п-н прелаз. Као резултат, када се примени струја, једна страна модула се загрева, друга страна се хлади, а ако се поларитет довода преокрене, стране за грејање и хлађење ће се у складу с тим променити. Тако се с проласком струје топлина преноси с једне на другу страну модула и долази до температурне разлике.

Ако се сада једна страна Пелтиер-овог модула загрева, а друга хлади, тада ће се у кругу појавити термо-емф, односно Сеебецков ефекат ће се остварити. Очигледно је да су Сеебецков ефекат (термоелектрични ефекат) и Пелтиеров ефекат две стране исте кованице.

Данас можете лако купити Пелтиер модуле по релативно повољној цени. Најпопуларнији Перриер модули су типа ТЕЦ1-12706, који садрже 127 термопарова, и дизајнирани су за напајање од 12 волти.

Са максималном потрошњом од 6 ампера, постиже се температурна разлика од 60 ° Ц, док је безбедан распон радне температуре који је произвођач декларисао од -30 ° Ц до + 70 ° Ц. Величина модула је 40 мм к 40 мм к 4 мм. Модул може радити и у режиму хлађења и грејања и у режиму режим генерације.

Постоје снажнији Пелтиер-ови модули, на пример ТЕЦ1-12715, са 165 вата. Када се напаја напоном од 0 до 15,2 волта, тренутне снаге од 0 до 15 ампера, овај модул може да развије температурну разлику од 70 степени.Величина модула је такође 40 мм к 40 мм к 4 мм, међутим, распон сигурних радних температура је шири - од -40 ° Ц до + 90 ° Ц.

Табела испод приказује податке о Пелтиер модулима који су данас широко доступни на тржишту:

Подаци о Пелт модулима