За какво са елементите на Пелтие? Елементи на Пелтие: принцип на действие, характеристики, приложение

Броят на електронните устройства в света постоянно нараства като снежна топка. Всички консумират електроенергия и хората трябва постоянно да носят и носят батерии или да го произвеждат на обемисти устройства. По качество източници на ток Неотдавна започнаха да се използват модулите на Пелтие - елементите, които образуват електрически ток при създаването на температурната разлика на противоположните им страни.

Ефекти на Пелтие и Зейбек

Независимо от факта, че преди почти 2 века е създаден първият елемент на Пелтие, принципът на действие се намира само сега, когато се появяват подходящи материали и необходимостта да се използват. Той се състои в разсейване на топлината при контакт на различни проводници, когато те преминават през него. електрически ток. При промяна на полярността на контакта започва да се охлажда. Процесът е обратим: при изкуствено поддържане на температурната разлика при контактите на проводниците в тяхната верига, протича електрически ток (ефект на Seebeck).

На базата на два термоелектрически ефекта, те създават модул на Пелтие, чиито елементи са разположени между две успоредни керамични плочи под формата на различни проводници. Токът, преминаващ през контакта на проводниците, е един и същ, а енергийните потоци във всяка от тях са различни. Когато енергията влезе в контакт повече, отколкото изтича от нея, това означава, че електроните забавят в преходния район, което води до загряване. Когато се промени полярността, електроните се ускоряват, като се взима енергия от кристалната решетка, което я кара да се охлади.

Ефектът на Пелтие е особено активен на границите на полупроводниковите елементи, където се срещат най-високите енергийни процеси.

Термоелектрически модул

Елементите на Пелтие намират приложение в устройството, състоящо се от набор от полупроводници от p и n типове. За разлика от транзисторите и диодите, преходните области са разположени на интерфейса между метала и полупроводника. В модула на Пелтие, между керамичните плочи са разположени голям брой елементи, което ви позволява да направите устройството по-мощно.

Всеки елемент съдържа 4 прехода на контакта полупроводник-метал. Когато електрическата верига е затворена, електроните се движат от минус на батерията до плюс, преминавайки през всички преходи.

При първия преход на термоелектричния модул (ТЕМ) между медната шина и р-полупроводника в последната се отделя топлина, тъй като потокът от зареждания попада в областта с по-ниска енергия.

В другия контакт енергията се абсорбира в полупроводника, тъй като електроните се изсмукват от електрическото поле, което съвпада с посоката на тяхното движение. Има процес на охлаждане.

При третия контакт енергията на електрони се абсорбира, тъй като полупроводник от n-тип има повече енергия от метал.

При четвъртия преход се отделя топлина, тъй като електроните отново се възпрепятстват от електрическото поле.

Така, от едната страна, топлината се освобождава, а другата се охлажда. На един елемент, това явление няма да бъде забележимо, но модулът на Пелтие, чиито елементи са разположени между две керамични плочи, създава значителна разлика в температурата.

Модулът може да се използва като генератор на електроенергия, ако поддържате различни температурни плочи. Освен това, всеки термоелектрически елемент на Пелтие е свързан последователно към съседните чрез медни джъмпери и техните токове са сумирани.

Силни и слаби страни

Предимства на ТЕМ:

• малки размери;
• обратимост на процеса;
• използвайте като електрически генератор или хладилник.

Недостатъците на ТЕМ включват висока цена, ниска ефективност (не повече от 3%), високи енергийни разходи и необходимост от поддържане на температурната разлика.

Хладилник Пелтие

Елементът на Пелтие за охлаждане на процесора е по-ефективен от стандартните елементи. В същото време последните остават, но се използват само за премахване на топлината от затвореното пространство на компютъра.

При проектирането им като охладител за електронни средства следва да се вземат предвид следните характеристики.

1. Захранването е пряко свързано с размера на модула. Малките устройства няма да създадат необходимото ниво на охлаждане. Например, те няма да осигурят нормално Температура на процесора. Модул, който е твърде мощен, причинява влага, която е причина за късо съединение в електрониката, тъй като разстоянията между проводимите елементи са печатни платки незначително.
2. Самите модули на Пелтие трябва да се охладят с помощта на вентилатори и радиатори, тъй като те излъчват много топлина. Това е необходимо за намаляване на температурата в затворено компютърно пространство и за нормализиране на условията на работа на други елементи.
3. Модулът Пелтие е допълнителен товар в захранването.
4. Хладилникът след повреда е изолатор между радиатора и охлаждания елемент, което може да доведе до бърза повреда на последния от прегряване.
5. Съвременните процесори могат да променят консумацията на енергия по време на работа, което благоприятно влияе на топлинния баланс, но не винаги при използването на модулите на Пелтиер. Най-простите хладилници са проектирани за непрекъсната работа и не се препоръчват за употреба с програми за охлаждане.

Освобождаване на топлина

Охлаждащият ефект на ТЕМ е малък и излъчва много топлина. Когато се използва в системната единица, вътрешната температура се повишава значително, което влияе върху работата на останалата част от оборудването. Допълнителни средства за неговото намаляване са вентилаторите и радиаторите, които създават топлинни изпускания.

Термичният режим на модула трябва да се изчисли правилно, така че да няма прегряване и кондензация на електронните платки. Охладителят Пелтие е избран с оптимална мощност, където е важно да се осигури правилния баланс на температурата вътре в кутията, обекта на охлаждане и влажността на въздуха.

Елемент на Пелтие: характеристики

ТЕМ се избира чрез термоелектрически параметри.

Изчисляването на мощността е както следва.

1. Избира се максимално допустимото напрежение Umax (V) и съгласно U (I) графиката се намира максималният ток I _max (A), който тече през модула на Пелтие. Тук е важно неговата стойност да е в границите на растежа на зависимостта на температурната разлика от тока dT (I) = T _h - T _s .
2. Съгласно зададената стойност I се избира характеристиката dT (Q), където Q е топлинната мощност на охладения елемент.
3. От известните стойности на dT и T _h се определя от T _с = T _h - dT.

Характеристиките на dT (Q) показват, че с увеличаване на топлинната мощност разликата dT намалява. Това може да бъде направено повече чрез увеличаване на тока през модула, което от своя страна трябва да бъде ограничено.

Пример за изчисление

Първоначални данни: U = 12 V, Q _с = 60 W и T _h = 50 ° C.

При напрежение 12 V, съгласно характеристиката на U (I), намираме ток I = 5 A.

За ток от 5 A, температурната разлика е dT = 4 K. Тогава T s = T _h - dT = 50 - 4 = 46 ° C.

Като вземете по-мощен модул, можете да увеличите dT. За 131 W модул, където I _max = 8.5 А, Umax = 28,8 V и обект с топлинна мощност 60 W, температурната разлика ще бъде 40 ° C. Тогава Т _с = 50 - 40 = 10 ° С.

Избирайки силата на ТЕМ, не трябва да забравяме колко топлина ще разпредели. Този топлинен поток трябва да се отстрани с подходящи охлаждащи течности. Когато традиционните средства не могат да се справят с производството на топлина, се използва водно охлаждане.

Климатик

Климатизацията на елементите на Пелтие по отношение на ефективността е пропорционална на нейния размер. Принципът на действие и предимства са същите като тези на хладилника. Проблемът е отстраняването на топлината извън охладеното пространство.

Климатикът се нуждае от 2 охладителя, където един от тях премахва студен въздух, а другият - горещ. Източник на захранване в колата е батерията, а за стаята ще се побере старата PSU от персонален компютър.

Един модул за работата на устройството ще бъде малък. Обикновено няколко елемента се залепват заедно с термична паста.

DIY хладилник

Ефектът на Пелтие се използва за създаване на преносими хладилници. Модулът може да се купи за 300-500 рубли, а радиаторът с вентилатор се взема от стария компютър. Като контейнер можете да използвате всякакви пластмасови, шперплатни или метални контейнери, залепени отвътре и отвън с топлоизолационни плочи (пяна, penlex и др.) С отразяващи слоеве от алуминиево фолио.

Модулът Пелтие е по-удобен за вграждане в капака, но е възможно и в стената на кутията. Ако е разположен в горната част на резервоара, студът се движи надолу, като осигурява вътрешна температура.

От вътрешната страна на термичната паста на модула е прикрепен радиатор, който също е прикрепен към капака. Можете да залепите двата модула един към друг, но не бъркайте полярността. Горещата страна на долния елемент трябва да е в контакт със студения връх. Ефективността на охлаждане ще се увеличи.

Отвън, към модула е залепен радиатор с вентилатор от компютърен охладител и допълнително прикрепен към капака с винтове или винтове. Скрепителните елементи от горещата и студената страна трябва да бъдат изолирани една от друга, а капачките трябва да се запълнят с горещо лепило.

Важно е! Затягането на скрепителните елементи на радиатора трябва да се извършва внимателно, за да не се напукат керамичните плочи на модулите.

Вътре в капака е монтиран изолационен уплътнител. За подобряване на топлоизолацията, елементите от краищата са затворени с рамка от топлоизолация.

Електрикът се свързва към електрозахранването.

Електрически генератори от модулите на Пелтие

Елементът на Пелтие, чийто принцип на действие е обратим, се използва за създаване на мини електроцентрали при липса на източници на електроенергия. За сглобяване на ТЕГ са необходими елементи:

1. Модул Пелтие, способен да издържа на температури от 300 ° С. Моделите TEC-12712 с размери на страните на квадратни плочи 40, 50 и 60 мм са общи. Ако изберете продукт с максимален размер, един елемент е достатъчен за презареждане на мобилния телефон. Максималният ток се показва с последните две цифри на маркировката - 12 a.
2. Boost конвертор. Генераторът може да не осигури желаното напрежение и да бъде увеличен. За да зареждате притурки, трябва да изберете устройство с USB конектор.
3. Нагревател и охладител. За полеви условия или вили е подходящ източник на отопление за пожар: домашна печка, лампа, свещ, огън. Модерното решение е каталитичен нагревател, който ви позволява да зареждате мобилния си телефон в движение. За охлаждане могат да се използват въздух или вода.
4. Design. Саморазработеният елемент на Пелтие се състои от резервоар, в който е поставен огънят, и модул е ​​монтиран на термичната паста отвън. Чрез кабелите се свързва към преобразувателя на напрежението. Важно е да не прегреете устройството. За тази цел към студената страна на модула е залепен радиатор.

заключение

Модулите Пелтие са елементи, които се използват широко за охлаждане на съвременното електронно оборудване. Особено те са необходими за нормализиране на топлинния режим на мощни процесори. От тях правят собствените си ръце малки хладилници за автомобили или вили.

Тъй като процесът е обратим, елементите се използват като преносими мини-електроцентрали на места, където няма източници на електричество.