Za kaj so Peltierjevi elementi? Peltierjevi elementi: princip delovanja, značilnosti, uporaba

Število elektronskih naprav na svetu nenehno narašča kot snežne kepe. Vsi porabijo elektriko, ljudje pa morajo nenehno nositi in prenašati baterije ali jih proizvajati na obsežnih napravah. V kakovosti trenutnih virov Pred kratkim so se začeli uporabljati Peltierjevi moduli - elementi, ki pri ustvarjanju temperaturne razlike na nasprotnih straneh tvorijo električni tok.

Peltierjevi in ​​Seebeckovi učinki

Kljub temu, da je pred skoraj dvema stoletjema nastal prvi Peltierjev element, se je načelo delovanja uporabljalo šele zdaj, ko so se pojavili primerni materiali in potreba po uporabi. Sestoji iz odvajanja toplote pri stiku različnih vodnikov, ko teče skozi njega. električni tok. Pri spreminjanju polarnosti se kontakt začne ohladiti. Postopek je reverzibilen: pri umetnem ohranjanju temperaturne razlike pri stikih vodnikov v njihovem tokokrogu teče električni tok (Seebeckov učinek).

Na podlagi dveh termoelektričnih učinkov so ustvarili Peltierjev modul, katerega elementi se nahajajo med dvema vzporednima keramičnima ploščama v obliki različnih vodnikov. Tok, ki poteka skozi stik vodnikov, je enak in tokovi energije v vsakem od njih so različni. Ko se energija dotakne več, kot jo izteka, to pomeni, da se elektroni v prehodnem območju upočasnijo, kar povzroči, da se ogreje. Ko se polarnost spremeni, se elektroni pospešijo in vzamejo energijo iz kristalne rešetke, kar povzroči, da se ohladi.

Peltierjev učinek je še posebej aktiven na mejah polprevodniških elementov, kjer se pojavljajo najvišji energetski procesi.

Termoelektrični modul

Peltierjevi elementi so našli uporabo v napravi, sestavljeni iz niza polprevodnikov p in n tipov. V nasprotju s tranzistorji in diodami se prehodna območja nahajajo na vmesniku med kovino in polprevodnikom. V Peltierjevem modulu se med keramičnimi ploščami nahaja veliko število elementov, kar vam omogoča, da napravo naredite močnejšo.

Vsak element vsebuje 4 prehoda na stik polprevodniških kovin. Ko je električni tokokrog zaprt, se elektroni premaknejo od minus akumulatorja do plus, skozi vse prehode.

Pri prvem prehodu termoelektričnega modula (TEM) med bakrenim vodilom in p-polprevodnikom v slednji se sprosti toplota, saj tok dajatev pade v območje z nižjo energijo.

Pri drugem kontaktu se energija absorbira v polprevodniku, saj elektrone "izženejo" električno polje, ki sovpada s smerjo njihovega gibanja. Obstaja postopek hlajenja.

Pri tretjem stiku se energija elektronov absorbira, ker ima polprevodnik n-tipa več energije kot kovina.

Pri četrtem prehodu se sprosti toplota, ker elektroni ponovno zavirajo električno polje.

Tako se na eni strani sprosti toplota, druga pa se ohladi. Na enem elementu ta pojav ne bo opazen, vendar Peltierjev modul, katerega elementi se nahajajo med dvema keramičnima ploščama, ustvarja pomembno temperaturno razliko.

Modul se lahko uporablja kot generator električne energije, če vzdržujete različne temperaturne plošče. Poleg tega je vsak Peltierjev termoelektrični element zaporedno priključen na sosednje prek bakrenih skakalcev, njihovi tokovi pa se seštevajo.

Prednosti in slabosti

Prednosti TEM:

• majhne velikosti;
• reverzibilnost procesa;
• uporaba kot električni generator ali hladilnik.

Pomanjkljivosti TEM so visoki stroški, nizka učinkovitost (ne več kot 3%), visoki stroški energije in potreba po ohranjanju temperaturne razlike.

Peltierjev hladilnik

Peltierjev element za hlajenje procesorja je bolj učinkovit kot standardni elementi. Hkrati pa slednji ostajajo, vendar se uporabljajo samo za odstranjevanje toplote iz zaprtega prostora računalnika.

Pri načrtovanju hladilnikov z elektronskimi sredstvi je treba upoštevati naslednje značilnosti.

1. Moč je neposredno povezana z velikostjo modula. Majhne naprave ne bodo ustvarile zahtevane ravni hlajenja. Na primer, ne bodo zagotovili normalnih CPU temperatura. Modul, ki je preveč močan, povzroča vlago, ki je vzrok za kratke stike v elektroniki, saj so razdalje med prevodnimi elementi tiskana vezja nepomembno.
2. Peltierjeve module je treba ohladiti s pomočjo ventilatorjev in radiatorjev, saj oddajajo veliko toplote. To je potrebno za zmanjšanje temperature v zaprtem računalniškem prostoru in normalizacijo delovnih pogojev drugih elementov.
3. Peltierjev modul je dodatna obremenitev v napajalniku.
4. Hladilnik po okvari je izolator med radiatorjem in ohlajenim elementom, kar lahko privede do hitre odpovedi slednjega zaradi pregrevanja.
5. Sodobni procesorji lahko med obratovanjem spremenijo porabo energije, kar ugodno vpliva na toplotno ravnovesje, vendar ne vedno pri uporabi Peltierjevih modulov. Najenostavnejši hladilniki so zasnovani za neprekinjeno delovanje in se ne priporočajo za uporabo s programi hlajenja.

Izpust toplote

Hladilni učinek TEM je majhen in oddaja veliko toplote. Ko se uporablja v sistemski enoti, se temperatura v notranjosti znatno poveča, kar vpliva na delovanje preostale opreme. Dodatno sredstvo za njegovo zmanjšanje so ventilatorji in radiatorji, ki ustvarjajo odvajanje toplote.

Termični način modula mora biti pravilno izračunan, tako da na elektronskih ploščah ni pregrevanja in kondenzacije. Peltierjev hladilnik je izbran z optimalno močjo, kjer je pomembno zagotoviti pravo ravnovesje temperature v ohišju, predmet hlajenja in vlažnosti zraka.

Peltierjev element: značilnosti

TEM se izbere s termoelektričnimi parametri.

Izračun moči je naslednji.

1. Izbere se največja dovoljena napetost U _max (V) in po U (I) ploskvi najdemo največji tok I _max (A), ki teče skozi Peltierjev modul. Pri tem je pomembno, da je njegova vrednost v mejah rasti odvisnosti temperaturne razlike od toka dT (I) = T _h - T _s .
2. Glede na nastavljeno vrednost I izberemo karakteristiko dT (Q), kjer je Q toplotna moč ohlajenega elementa.
3. Iz znanih vrednosti dT in T _h določa T _z = T _h - dT.

Značilnosti dT (Q) kažejo, da se z dvigom toplotne moči razlika dT zmanjša. To je mogoče storiti več s povečanjem toka skozi modul, ki pa naj bi bil omejen.

Primer izračuna

Začetni podatki: U = 12 V, Q _z = 60 W in T _h = 50 ° C.

Pri napetosti 12 V, glede na karakteristiko U (I), najdemo tok I = 5 A.

Za tok 5 A je temperaturna razlika dT = 4 K. Nato T _s = T _h - dT = 50 - 4 = 46 ° C.

Ob močnejšem modulu lahko povečate dT. Za 131 W modul, kjer je I _max = 8,5 A, U _max = 28,8 V in objekt s toplotno močjo 60 W, temperaturna razlika bo 40 ° C. Potem T _z = 50 - 40 = 10 ° C.

Če izberemo moč TEM, ne smemo pozabiti, koliko toplote bo dodelila. Ta toplotni tok je treba odstraniti z ustreznimi hladilnimi sredstvi. Kadar tradicionalna sredstva ne zadostujejo za proizvodnjo toplote, se uporablja vodno hlajenje.

Klimatska naprava

Klimatizacija na Peltierjevih elementih v smislu učinkovitosti je sorazmerna z njeno velikostjo. Njegovo delovanje in prednosti so enake kot pri hladilniku. Problem je odstranitev toplote zunaj ohlajenega prostora.

Klimatska naprava potrebuje 2 hladilnika, kjer eden od njih odstrani hladen zrak, drugi pa vroč. Vir napajanja v avtu je baterija, in za sobo bo ustrezal stari PSU iz osebnega računalnika.

En modul za delovanje naprave bo majhen. Običajno je več elementov zlepljenih s termično pasto.

DIY hladilnik

Peltierjev učinek se uporablja za izdelavo prenosnih hladilnikov. Modul lahko kupite za 300-500 rubljev, radiator z ventilatorjem pa je vzet iz starega računalnika. Kot posodo lahko uporabite vse plastične, vezane plošče ali kovinske posode, zlepljene znotraj in zunaj s toplotno izolacijskimi ploščami (pena, penlex itd.) Z odsevnimi plastmi aluminijaste folije.

Peltierjev modul je bolj primeren za vgradnjo v pokrov, možen pa je tudi v steni ohišja. Če se nahaja v zgornjem delu rezervoarja, se hladi premika navzdol in v notranjosti zagotavlja enakomerno temperaturo.

Na toplotno pasto na modulu je pritrjen radiator, ki je pritrjen tudi na pokrov. Dva modula lahko zlepite med seboj, vendar ju ne smete zamenjevati. Vroča stran spodnjega elementa mora biti v stiku s hladnim vrhom. Učinkovitost hlajenja se bo povečala.

Zunaj je na modul pritrjen radiator z ventilatorjem iz računalniškega hladilnika in dodatno pritrjen na pokrov z vijaki ali vijaki. Pritrdilni elementi iz vroče in hladne strani morajo biti izolirani drug od drugega, kapice pa morajo biti napolnjene z vročim lepilom.

Pomembno je! Zategovanje pritrdilnih elementov radiatorja je treba opraviti previdno, da se ne bi razpokale keramične plošče modulov.

V notranjosti pokrova je nameščeno izolacijsko tesnilo. Za izboljšanje toplotne izolacije so elementi s koncev zaprti z okvirjem iz toplotne izolacije.

Električar se priključi na napajanje.

Električni generatorji iz Peltierjevih modulov

Peltierjev element, katerega načelo delovanja je reverzibilen, se uporablja za izdelavo mini elektrarn v odsotnosti virov električne energije. Za sestavljanje TEG so potrebni elementi:

1. Peltierjev modul, ki vzdrži temperature od 300 ° C. Modeli TEC-12712 z velikostjo stranic kvadratnih plošč 40, 50 in 60 mm so skupni. Če izberete izdelek z največjo velikostjo, je en element dovolj za polnjenje mobilnega telefona. Največji tok je prikazan z zadnjima dvema številkama oznake - 12 a.
2. Boost pretvornik. Generator morda ne zagotavlja želene napetosti in ga je treba povečati. Za polnjenje pripomočkov morate izbrati napravo s priključkom USB.
3. Grelec in hladilnik. Za terenske razmere ali koče je primeren vir ogrevanja s ognjem: domača peč, svetilka, sveča, ogenj. Sodobna rešitev je katalizator, ki omogoča polnjenje vašega mobilnega telefona na poti. Za hlajenje se lahko uporablja zrak ali voda.
4. Gradnja Samostojni Peltierjev element je sestavljen iz rezervoarja, v katerem je nameščen ogenj, na zunanji strani pa je nameščen modul. S pomočjo žic se priključi na napetostni pretvornik. Pomembno je, da naprave ne pregrejete. V ta namen se na hladno stran modula prilepi radiator.

Zaključek

Peltierjevi moduli so elementi, ki se pogosto uporabljajo za hlajenje sodobne elektronske opreme. Še posebej so potrebne za normalizacijo termičnega načina močnih procesorjev. Od njih naredijo svoje roke majhne hladilnike za avtomobile ali vile.

Ker je postopek reverzibilen, se elementi uporabljajo kot prenosne mini elektrarne na mestih, kjer ni virov električne energije.