2 juni 2012 om 23:47 uur

Peltier-elementen of mijn pad naar cryogene temperaturen

• DIY of doe het zelf

Velen hebben gehoord van de 'magische' Peltier-elementen: wanneer er stroom doorheen gaat, koelt de ene kant af en warmt de andere op. Dit werkt ook binnen achterkant- als de ene kant wordt verwarmd en de andere wordt gekoeld, wordt elektriciteit opgewekt. Het Peltier-effect is al sinds 1834 bekend, maar tot op de dag van vandaag blijven we blij met innovatieve producten die daarop zijn gebaseerd (we moeten alleen niet vergeten dat bij het opwekken van elektriciteit, zoals zonnepanelen- er is een punt maximaal vermogen, en als je er ver vanaf werkt, wordt de opwekkingsefficiëntie aanzienlijk verminderd).

IN de laatste tijd De Chinezen hebben de naald gepusht en het internet overspoeld met hun relatief goedkope modules, zodat experimenten ermee niet langer teveel geld kosten. De Chinese belofte maximaal verschil temperaturen tussen de warme en koude kanten zijn 60-67 graden. Hmmm... Wat als we 5 elementen nemen en ze in serie verbinden, dan zouden we 20C-67*5 = -315 graden moeten krijgen! Maar iets zegt me dat alles niet zo eenvoudig is...

Korte theorie

Klassieke “Chinese” Peltier-elementen zijn 127 elementen die in serie zijn geschakeld en aan een keramiek zijn gesoldeerd. printplaat"van Al2O3. Dienovereenkomstig, als bedrijfsspanning 12V - dan is elk element slechts verantwoordelijk voor 94mV. Er zijn elementen met een ander aantal opeenvolgende elementen, en dienovereenkomstig een andere spanning (bijvoorbeeld 5V).

We moeten niet vergeten dat een Peltier-element geen weerstand is, de weerstand ervan is niet-lineair, dus als we 12V toepassen - krijgen we mogelijk geen 6 ampère (voor een element van 6 ampère) - kan de stroom veranderen afhankelijk van de temperatuur (maar niet te veel). Bovendien zal de stroom bij 5V (d.w.z. minder dan de nominale waarde) niet 2,5A zijn, maar minder.

Bovendien is de hoeveelheid overgedragen warmte sterk afhankelijk van het temperatuurverschil tussen de oppervlakken. Met een verschil van 60-67C neigt de warmteoverdracht naar 0, en met een verschil van nul - 51 Watt voor een element van 12*6 = 72 Watt. Het is duidelijk dat dit het niet langer mogelijk maakt om elementen zo gemakkelijk in serie te schakelen - elk volgend element moet kleiner van formaat zijn dan het vorige, anders zal het koudste element proberen meer warmte af te geven (72 W) dan het element van de vorige. de volgende fase kan zichzelf doorlopen bij het gewenste temperatuurverschil (1 -51W).

Peltier-elementen worden geassembleerd met laagsmeltend soldeer met een smeltpunt van 138C - dus als het element per ongeluk zonder koeling wordt achtergelaten en oververhit raakt, is het voldoende om een ​​van de 127 * 2 contacten los te maken om het element op een stortplaats te gooien. Nou, de elementen zijn erg kwetsbaar - zowel keramiek als de koelelementen zelf - ik heb per ongeluk 2 elementen "in de lengte" gescheurd vanwege goed opgedroogde koelpasta:

Laten we het proberen

Een klein element is dus 5V * 2A, een groot element is 12 * 9A. Koeler met heatpipes, kamertemperatuur. Resultaat: -19 graden. Vreemd... 20-67-67 = -114, maar het bleek een zielige -19 te zijn...

Het idee is om alles naar buiten te brengen in de ijzige lucht, maar er is een probleem: een koeler met warmtepijpen koelt alleen goed als de temperatuur van de “hete” en “koude” kanten van de koeler gelijk is. verschillende kanten gas-vloeistof faseovergang van de buisvuller. In ons geval betekent dit dat de koeler in principe niets onder +20C kan koelen (aangezien daaronder alleen dunne wanden van warmtepijpen werken). We zullen terug moeten gaan naar de basis: naar een volledig koperen koelsysteem. En zodat de beperkte prestaties van de koeler de metingen niet beïnvloeden, voegen we een kilogram koperen plaat toe - een warmteaccumulator.

Het resultaat is schokkend: dezelfde -19 met zowel één als twee fasen. Omgevingstemperatuur - -10. Die. zonder belasting konden we nauwelijks een schamel verschil van 9 graden uitpersen.

Rol de zware artillerie uit

Het bleek dat koelcel nr. 7 niet ver bij mij vandaan was, en ik besloot langs te gaan met een kartonnen doos. Hij kwam terug met 5 kilogram droogijs (sublimatietemperatuur -78C). We laten de koperstructuur daar zakken - sluiten de stroom aan - bij 12V begint de temperatuur onmiddellijk te stijgen, bij 5V daalt deze met 1 graad per seconde en stijgt dan snel. Alle hoop is vervlogen...

Conclusies en video als toetje

Het rendement van conventionele Chinese Peltier-elementen daalt snel bij temperaturen onder nul. En hoewel het nog steeds mogelijk is om een ​​blikje cola met ogenschijnlijke efficiëntie te koelen, kunnen temperaturen onder de -20°C niet worden bereikt. En het probleem is dat niet specifieke elementen- Ik heb de elementen geprobeerd verschillende modellen van 3 verschillende verkopers - het gedrag is hetzelfde. Het lijkt erop dat cryogene fasen elementen uit andere materialen vereisen (en misschien vereist elke fase een ander elementmateriaal).

Met het overgebleven droogijs kun je het volgende doen:

PS. En als je droogijs mengt met isopropylalcohol, krijg je vloeibare stikstof voor de "armen" - het is net zo leuk om bloemen te bevriezen en te breken, enz. Het is juist omdat alcohol niet kookt bij contact met de huid, dat het veel gemakkelijker is om bevriezing te krijgen.

Het fenomeen thermo-EMF werd in 1821 ontdekt door de Duitse natuurkundige Thomas Johann Seebeck. En dit fenomeen ligt in het feit dat in een gesloten elektrisch circuit, bestaande uit ongelijksoortige geleiders die in serie zijn geschakeld, op voorwaarde dat hun contacten verschillende temperaturen hebben, treedt er een emf op.

Dit effect, genoemd naar zijn ontdekker als het Seebeck-effect, wordt nu eenvoudigweg genoemd thermo-elektrisch effect.

Als een circuit slechts uit een paar ongelijke geleiders bestaat, wordt zo'n circuit genoemd. In eerste instantie kan worden beargumenteerd dat de omvang van de thermo-EMF alleen afhangt van het materiaal van de geleiders en van de temperaturen van de koude en warme contacten. In een klein temperatuurbereik is thermo-EMF dus evenredig met het temperatuurverschil tussen de koude en warme contacten, en de evenredigheidscoëfficiënt in de formule wordt de thermo-EMF-coëfficiënt genoemd.

Bij een temperatuurverschil van 100°C en een koude contacttemperatuur van 0°C heeft een koper-constantaanpaar bijvoorbeeld een thermische emf van 4,25 mV.

In de tussentijd, Het thermo-elektrische effect is gebaseerd op drie componenten:

De eerste factor is het verschil in de afhankelijkheid van de gemiddelde elektronenenergie van de temperatuur voor verschillende stoffen. Als gevolg hiervan, als, wanneer een geleider wordt verwarmd, de temperatuur aan het ene uiteinde hoger is, worden daar elektronen verkregen hoge snelheden dan de elektronen aan het koude uiteinde van de geleider.

Overigens neemt de concentratie van geleidingselektronen in halfgeleiders toe bij verwarming. Elektronen met hoge snelheid haast je naar het koude uiteinde, en daar hoopt zich een negatieve lading op, en aan het hete uiteinde wordt een niet-gecompenseerde positieve lading verkregen. Dit is hoe een component van thermo-EMF ontstaat, genaamd volumetrische EMF.

De tweede factor is dat voor verschillende stoffen het contactpotentiaalverschil verschillend afhankelijk is van de temperatuur. Dit komt door het verschil in Fermi-energie voor elk van de geleiders die met elkaar in contact worden gebracht. Het contactpotentiaalverschil dat in dit geval ontstaat, blijkt evenredig te zijn met het Fermi-energieverschil.

Het blijkt elektrisch veld in een dunne bijna-contactlaag, en het potentiaalverschil aan elke kant (voor elk van de geleiders die in contact worden gebracht) zal hetzelfde zijn, en als je in een gesloten lus door het circuit gaat, zal het resulterende elektrische veld nul zijn.

Maar als de temperatuur van een van de geleiders verschilt van de temperatuur van de andere, zal het potentiaalverschil ook veranderen als gevolg van de afhankelijkheid van de Fermi-energie van de temperatuur. Als gevolg hiervan zal contact-EMF ontstaan ​​- de tweede component van thermo-EMF.

De derde factor is de toename van de fonon in emf. Op voorwaarde dat er een temperatuurgradiënt is in een vaste stof, zal het aantal fononen (een fonon is een kwantum van de trillingsbeweging van kristalatomen) dat beweegt in de richting van het hete uiteinde naar het koude uiteinde de overhand hebben, als resultaat waarvan: samen met fononen groot aantal elektronen zullen naar het koude uiteinde worden getrokken en daar zal een negatieve lading zich ophopen totdat het proces een evenwicht bereikt.

Dit levert de derde component van thermo-emf op, die bij lage temperaturen honderden keren groter kan zijn dan de twee hierboven genoemde componenten.

In 1834 ontdekte de Franse natuurkundige Jean Charles Peltier het tegenovergestelde effect. Dat ontdekte hij bij het passeren elektrische stroom Door het contact (verbinding) van twee ongelijksoortige geleiders wordt warmte vrijgegeven of geabsorbeerd.

De hoeveelheid warmte die wordt geabsorbeerd of afgegeven, hangt samen met het type materiaal dat aan elkaar wordt gelast, evenals de richting en grootte van de elektrische stroom die door de verbinding vloeit. De Peltier-coëfficiënt in de formule is numeriek gelijk aan de thermo-EMF-coëfficiënt vermenigvuldigd met de absolute temperatuur. Dit fenomeen staat nu bekend als .

De essentie van het Peltier-effect werd in 1838 begrepen door de Russische natuurkundige Emilius Christianovich Lenz. Hij testte het Peltier-effect experimenteel door een druppel water op de kruising van antimoon- en bismutmonsters te plaatsen. Toen Lenz een elektrische stroom door het circuit liet gaan, veranderde het water in ijs, maar toen de wetenschapper de stroomrichting omkeerde, smolt het ijs snel.

De wetenschapper stelde vast dat wanneer er stroom vloeide, niet alleen Joule-warmte vrijkwam, maar ook extra warmte werd geabsorbeerd of vrijgegeven. Deze extra warmte wordt “Peltier-warmte” genoemd.

De fysieke basis van het Peltier-effect is als volgt. Het contactveld op de kruising van twee stoffen, gecreëerd door het contactpotentiaalverschil, verhindert de doorgang van de stroom die door het circuit gaat of vergemakkelijkt deze.

Als er stroom tegen het veld wordt geleid, is er werk van de bron nodig, die energie moet verbruiken om te overwinnen contactveld, waardoor verwarming van de kruising optreedt. Als de stroom zo wordt gericht dat het contactveld deze ondersteunt, wordt het werk gedaan door het contactveld en wordt de energie weggenomen van de substantie zelf en niet verbruikt door de stroombron. Als gevolg hiervan wordt de substantie op de kruising gekoeld.

Het Peltier-effect is het meest uitgesproken in halfgeleiders, waardoor staal mogelijke modules Peltier of thermo-elektrische omvormers.

In de kern Peltier-element twee halfgeleiders die met elkaar in contact staan. Deze halfgeleiders verschillen in de energie van de elektronen in de geleidingsband. Wanneer er stroom door het contactpunt vloeit, worden de elektronen gedwongen energie te verwerven om naar een andere geleidingsband te kunnen bewegen.

Wanneer elektronen dus naar een geleidingsband met hogere energie van een andere halfgeleider gaan, absorberen ze energie, waardoor de overgangsplaats wordt afgekoeld. Bij omgekeerde richting stroom, elektronen geven energie op en verwarming vindt plaats naast Joule-warmte.

De Peltier-halfgeleidermodule bestaat uit verschillende paren in de vorm van kleine parallellepipedums. Typisch worden bismuttelluride en een vaste oplossing van silicium en germanium als halfgeleiders gebruikt. Halfgeleider-parallellepipedums zijn paarsgewijs met elkaar verbonden door koperen jumpers. Deze jumpers dienen als contacten voor warmte-uitwisseling met keramische platen.

De jumpers zijn zo geplaatst dat er aan de ene kant van de module alleen jumpers zijn die zorgen voor een n-p-overgang, en aan de andere kant alleen jumpers die zorgen voor p-n-overgang. Als gevolg hiervan wordt, wanneer stroom wordt toegepast, de ene kant van de module opgewarmd, de andere koelt af, en als de polariteit van de voeding wordt omgekeerd, zullen de verwarmings- en koelzijde dienovereenkomstig van plaats veranderen. Wanneer er stroom vloeit, wordt er dus warmte overgedragen van de ene kant van de module naar de andere, en ontstaat er een temperatuurverschil.

Als nu de ene kant van de Peltier-module wordt verwarmd en de andere wordt gekoeld, ontstaat er een thermo-EMF in het circuit, dat wil zeggen dat het Seebeck-effect wordt gerealiseerd. Het is duidelijk dat het Seebeck-effect (thermo-elektrisch effect) en het Peltier-effect twee kanten van dezelfde medaille zijn.

Tegenwoordig kunt u eenvoudig Peltier-modules kopen tegen relatief lage prijzen betaalbare prijs. De meest populaire zijn Pertier-modules van het type TEC1-12706, met 127 thermokoppels en ontworpen voor 12 volt vermogen.

Met een maximaal verbruik van 6 ampère is een temperatuurverschil van 60°C haalbaar, terwijl het door de fabrikant opgegeven veilige bedrijfstemperatuurbereik van -30°C tot +70°C ligt. Modulegrootte 40 mm x 40 mm x 4 mm. De module kan werken in koel-verwarming of .

Er zijn ook krachtigere Peltier-modules, bijvoorbeeld TEC1-12715, met een vermogen van 165 W. Bij een voeding van 0 tot 15,2 volt, met een stroomsterkte van 0 tot 15 ampère, kan deze module een temperatuurverschil van 70 graden ontwikkelen. De modulegrootte is ook 40 mm x 40 mm x 4 mm, maar het bereik van veilige bedrijfstemperaturen is groter: van -40°C tot +90°C.

De onderstaande tabel geeft een overzicht van de Peltier-modules die momenteel algemeen op de markt verkrijgbaar zijn:

Andrej Povny

Het Peltier-element is al lang bekend in de wereld. In de 18e eeuw ontdekte de Franse horlogemaker Jean-Charles Peltier het geheel per ongeluk zelf nieuw effect op de grens van twee metalen: bismut en antimoon. Het bestond uit een scherpe verandering in de temperatuur van een druppel water die tussen de contacten werd geplaatst en die in ijs veranderde als er stroom op werd gezet. Deze eigenschap werd nieuw voor de horlogemaker, omdat tot dat moment geen enkele wetenschapper ter wereld ooit dergelijke informatie in zijn materialen had gepresenteerd.

Hoewel het effect interessant was, heb ik het niet gevonden praktische toepassing destijds, waar een klein bedrag aan verbonden was elektronische technologie, waarvoor intensieve koeling nodig is. Na 2 eeuwen de ontdekking van de wetenschapper werd herinnerd omdat er een dringende behoefte was aan een apparaat dat hierin kon voorzien hoogwaardige koeling kristal van een verwarmingsmicroprocessor.

Als resultaat van talrijke onderzoeken op dit gebied en een groot aantal praktische ervaringen Wetenschappers hebben ontdekt dat een thermo-elektrisch koppel voldoende koude kan produceren normale werking vrijwel elke microprocessor. En dankzij hun kleine formaat hebben ze geleerd ze te integreren in microcircuitbehuizingen, waardoor ze hun eigen interne koudegenerator vormen.

De ontdekking van Jean-Charles Pelte was een enorme impuls voor de hele industrie voor de productie van mobiele koelunits. Tegenwoordig eigendom van een thermo-elektrisch element gebruikt in de volgende technieken:

• draagbare koelkasten;
• auto-airconditioners;
• draagbare koelers;
• camera's, telescopen en nog veel meer.

Ze worden actief gebruikt voor het koelen van microprocessors en andere elektronische componenten. Naast het directe koeleffect begonnen velen het Peltier-element als generator te gebruiken. Een voorbeeld van hoe het zou kunnen zijn zaklamp met 3 elementen.

Weinig mensen weten dat soldaten, om radiocommunicatie met het commando uit te voeren, een speciale pot op het vuur hebben gezet en thee hebben gezet, pap en andere huishoudelijke artikelen hebben bereid, en tegelijkertijd de uitzending hebben uitgevoerd. noodzakelijke informatie via draagbare radio.

Hoe maak je een Peltier-element met je eigen handen?

Veel mensen zijn geïnteresseerd in de vraag: wat is een Peltier-element met hun eigen handen, hoe kun je het thuis maken? Hiervoor is een zeer nauwkeurige gedoseerde toevoeging van verschillende stoffen en materialen nodig. Thuis maken soortgelijk apparaat onmogelijk, omdat het technologie en de nodige metaalverwerkingsmethoden vereist. Bovendien zijn in dezelfde laboratoria bijzonder zuivere materialen nodig, wat thuis onmogelijk is. Daarom kan de vraag hoe een Peltier-thermo-elektrische module moet worden gemaakt, ondubbelzinnig worden beantwoord. Echt niet. Maar om te bouwen effectief systeem koeling is voldoende bestaande vaardigheden.

Een Peltier-element maken van diodes

Er is een mening over wat er gedaan kan worden diode thermo-elektrische module. Feit is dat elk paar ongelijksoortige halfgeleiders twee materialen is met p- en n-geleidbaarheid. En een diode is precies dat. Om veranderingen in de geleidbaarheid bij verhitting te detecteren, is het noodzakelijk om bepaalde elementen te selecteren. Maar geen enkele diode zal helpen een lage temperatuur op het oppervlak van het apparaat te verkrijgen. Bij het indienen hoge stroom Je kunt alleen een opwarming bereiken.

Radioamateurs gebruiken laagvermogendiodes als temperatuursensoren. glazen kast. Wanneer ze in de tegenovergestelde richting zijn aangesloten en zijn opgewarmd, begint de kruising te openen en wordt er stroom in de tegenovergestelde richting geleid. Maar het zal geen elektriciteit opwekken.

Hoe werkt het Pelte-element?

Een Peltier-thermo-elektrische module in vereenvoudigde vorm is een paar platen gemaakt van verschillende metalen, zoals bismut, antimoon, tellurium of selenium. Daartussen bevindt zich een paar n- en p-type halfgeleiders met verschillende geleidbaarheid. Allemaal gevormd door verschillende metalen thermo-elektrische koppels in serie geschakeld tot één enkel circuit. Het resultaat is een soort matrix van een groot aantal individuele thermokoppels, gelegen tussen twee keramische platen.

De thermo-elektrische module gevormd door thermokoppels wordt vervaardigd in een enkele behuizing kleine maten. Wanneer ze opeenvolgend zijn of parallelle verbinding het is mogelijk een verbeterd koel- of productie-effect te bereiken elektrische energie. In de koelere modus is de positieve pool van de matrix verbonden met het eerste paar met een n-type geleider, het negatieve contact is verbonden met p-type geleiders. Als buitenbekleding wordt speciaal keramiek uit aluminiumoxide en nitride gebruikt. Dit biedt beste prestatie warmteoverdracht aan beide zijden bij zowel hoge als lage temperaturen.

Aantal thermokoppels in de module wordt door niets beperkt en kan oplopen tot enkele honderden. Hoe meer er zijn, hoe beter het verkoelende effect wordt gevoeld. Om de efficiëntie van het Peltier-element te vergroten, wordt aan de koude zijde een radiator met het grootste warmteoverdrachtsoppervlak bevestigd. Het temperatuurverschil tussen de platen moet minimaal twee tientallen graden zijn.

Wanneer er spanning op de platen wordt gezet, wordt de ene kant heet en de andere koud. Wanneer de polariteit van de voedingsspanning verandert, verandert de temperatuur van de platen van plaats.

Gezien de complexiteit en maakbaarheid is het niet mogelijk om met uw eigen handen een thermo-elektrisch element te maken. Maar toch zijn er ambachtslieden die hun ontwikkelingen aanbieden. Het effect wordt waargenomen, maar voor toenemende efficiëntie het is onmogelijk te verkrijgen zonder een speciaal onderzoekslaboratorium. U kunt zelfs een video over dit onderwerp vinden met stapsgewijze begeleiding.

Kenmerken van het Peltier-element

Naar de kenmerken element gebaseerd op bimetaalparen moet het volgende bevatten:

Formuleweergave

Het Peltier-effect omvat de stroomstroom door het contact van twee metalen met verschillende geleidbaarheid. Als gevolg hiervan komt warmte of koude vrij, afhankelijk van de richting van de stroom.

In formule-uitdrukking kan het Peltier-effect worden weergegeven:

Q p=P12j, waarbij P12 de Peltier-coëfficiënt is. De indicator is afhankelijk van het gebruikte type metaal en de thermo-elektrische eigenschappen ervan.

Naast de voordelen heeft het apparaat ook enkele nadelen, waaronder:

Lage efficiëntie. Om een ​​aanzienlijk temperatuurverschil te verkrijgen, is het noodzakelijk om een ​​voldoende grote stroom aan de platen te leveren.

Om thermische energie effectief te verwijderen, is het noodzakelijk om een ​​radiator te voorzien.

Generatormodus van het Peltier-element

De ontdekking van Jacques-Charles Peltier zette de wereld letterlijk op zijn kop, omdat het apparaat kan worden gebruikt als een universele generator van warmte en koude. Naast deze functies werd nog een ander belangrijk effect opgemerkt: generatormodus. Als de warme kant van het apparaat wordt verwarmd en de koude kant wordt gekoeld, treedt er een potentiaalverschil op aan de klemmen en begint de stroom te stromen als het circuit gesloten is.

Generator op basis van een Peltier-element Je kunt het zelf doen en er zijn geen speciale vaardigheden voor nodig. Maar het is de moeite waard om te begrijpen dat het materiaal dat door Chinese ontwikkelaars wordt gebruikt geen ideale eigenschappen heeft waarmee ze maximale energie kunnen verkrijgen. De beschikbare thermo-elektrische modules die te koop zijn, zijn voldoende voor:

• mobiele apparaten opladen;
• voeding voor LED-verlichting;
• productie van een autonome radio-ontvanger en andere doeleinden.

Je kunt veel video's over dit onderwerp vinden gedetailleerde beschrijving alle fasen. Als je dus een thermo-elektrische module wilt maken om energie op te wekken, dan is dit heel goed mogelijk.

De eerste stap is het bestellen van het benodigde aantal Peltier-elementen, rekening houdend met hun kenmerken. Een apparaat met een vermogen van 10 W op dezelfde e-Bay kost $ 15. En dit zal voldoende zijn om smartphones op te laden. Vervolgens is het noodzakelijk om te zorgen voor een effectieve warmteafvoer. Voor deze doeleinden kan een systeem worden ontworpen vloeistofkoeling met natuurlijke circulatie. En verwarm de warme kant met elke warmtebron, inclusief open vuur. Als resultaat welke radioamateur dan ook kan zelf een uitstekende thermo-elektrische generator maken, die je mee kunt nemen tijdens een wandeling, vissen of naar het platteland.

Eén standaardcel produceert 5 V en 1 W vermogen, wat voldoende is voor kleine verlichting. Bijvoorbeeld voor het maken van een zaklamp die wordt verwarmd door de hitte van je handen. Er zijn ook kant-en-klare elementen met uitgangsspanningen tot 12 V te koop.

Draagbare thermo-elektrische kachel met generatormodus

Tegenwoordig kun je veel manieren vinden om met je eigen handen een redelijk efficiënte thermo-elektrische generator te maken op basis van een Peltier-element. Als een van hen - draagbare kachel met vuurhaard van oud computereenheid voeding. Het thermo-elektrische Peltier-element zelf is aan een van de zijkanten van de behuizing bevestigd door middel van koelpasta met een radiator van indrukwekkend formaat. Met deze installatie kunt u op elke geschikte plaats warmte verkrijgen, voedsel bereiden en uw telefoon opladen.

Het thermokoppel (Peltier-module) werkt volgens het omgekeerde principe van een thermokoppel: het optreden van een temperatuurverschil wanneer er elektrische stroom vloeit.

Hoe werkt het Peltier-element?

Het gebruik van een Peltier-module is vrij eenvoudig, met als principe het vrijgeven of absorberen van warmte op het moment van contact verschillende materialen wanneer de energiestroom van elektronen er voor en na contact doorheen gaat, is het anders. Als het bij de uitlaat minder is, betekent dit dat daar warmte wordt gegenereerd. Wanneer elektronen in contact worden geremd elektrisch veld, ze brengen kinetische energie over naar het kristalrooster, waardoor het wordt verwarmd. Als ze versnellen, wordt warmte geabsorbeerd. Dit gebeurt doordat een deel van de energie uit het kristalrooster wordt gehaald en het afkoelt.

Dit fenomeen is voor een groot deel inherent aan halfgeleiders, wat wordt verklaard door het grote verschil in ladingen.

De Peltier-module, waarvan de toepassing het onderwerp van onze bespreking is, wordt gebruikt bij het maken van thermo-elektrische koelapparaten (TEC's). De eenvoudigste bestaat uit twee halfgeleiders van het p- en n-type die in serie zijn verbonden via koperen contacten.

Als elektronen van een halfgeleider "p" naar "n" gaan, recombineren ze bij de eerste kruising met een metalen brug, waarbij energie vrijkomt. De volgende overgang van de halfgeleider "p" naar de koperen geleider gaat gepaard met het "trekken" van elektronen door het contact door een elektrisch veld. Dit proces leidt tot energieabsorptie en koeling van het gebied rond het contact. Processen vinden op vergelijkbare wijze plaats bij de volgende transities.

Wanneer de verwarmde en gekoelde contacten zich in verschillende parallelle vlakken bevinden, zal het resultaat zijn praktische uitvoering manier. Halfgeleiders worden gemaakt van selenium, bismut, antimoon of tellurium. De Peltier-module herbergt een groot aantal thermokoppels die tussen aluminiumnitride- of aluminiumoxide-keramische platen zijn geplaatst.

Factoren die de efficiëntie van TEM beïnvloeden

• Huidige sterkte.
• Aantal thermokoppels (tot enkele honderden).
• Soorten halfgeleiders.
• Koelsnelheid.

Grotere waarden zijn nog niet behaald vanwege het lage rendement (5-8%) en hoge kosten. Om een ​​TEM succesvol te laten werken, is het noodzakelijk om te zorgen voor een effectieve warmteafvoer vanaf de verwarmde zijde. Dit levert moeilijkheden op praktische uitvoering manier. Als de polariteit wordt omgekeerd, keren de koude en de hete kant elkaar om.

Voor- en nadelen van modules

De behoefte aan TEM's ontstond met de komst van elektronische apparaten die miniatuurkoelsystemen nodig hadden. De voordelen van de modules zijn als volgt:

• compactheid;
• geen bewegende gewrichten;
• de Peltier-module heeft een omkeerbaar werkingsprincipe bij het wisselen van polariteit;
• eenvoud van cascadeverbindingen voor meer vermogen.

Het grootste nadeel van de module is een laag rendement. Dit uit zich in een hoog stroomverbruik om het benodigde koeleffect te bereiken. Bovendien heeft het hoge kosten.

Toepassing van TEM

De Peltier-module wordt voornamelijk gebruikt voor het koelen van microcircuits en kleine onderdelen. Er werd een begin gemaakt met het koelen van elementen van militair materieel:

• microschakelingen;
• infrarood detectoren;
• laserelementen;
• kristaloscillatoren.

De Peltier-thermo-elektrische module wordt langzamerhand gebruikt huishoudelijke apparaten: voor het maken van koelkasten, airconditioners, generatoren, thermostaten. Het belangrijkste doel is het koelen van kleine voorwerpen.

CPU-koeling

De belangrijkste componenten van computers worden voortdurend verbeterd, wat leidt tot een toename van de warmteontwikkeling. Samen met hen ontwikkelen zich koelsystemen met behulp van innovatieve technologieën moderne middelen controle. De Peltier-module heeft op dit gebied vooral toepassing gevonden in het koelen van microschakelingen en andere radiocomponenten. Traditionele koelers kunnen niet langer omgaan met geforceerde overklokmodi van microprocessors. En het verhogen van de werkfrequentie van processors maakt het mogelijk om hun prestaties te verbeteren.

Het verhogen van de ventilatorsnelheid resulteert in aanzienlijk geluid. Dit kan worden geëlimineerd door de Peltier-module te gebruiken gecombineerd systeem koeling. Op deze manier beheersten toonaangevende bedrijven snel de productie van efficiënte koelsystemen, waar veel vraag naar was.

Warmte wordt meestal door koelers uit processors verwijderd. Luchtstroom kan van buitenaf worden aangezogen of van binnenuit de systeemeenheid komen. Belangrijkste probleem is dat de luchttemperatuur soms onvoldoende is voor warmteafvoer. Daarom begon TEM te worden gebruikt om de luchtstroom die het binnenkomen te koelen systeem eenheid, waardoor de efficiëntie van de warmteoverdracht wordt vergroot. De ingebouwde airconditioner is dus een assistent traditioneel systeem het koelen van de computer.

Aan beide zijden van de module zijn bevestigd aluminium radiatoren. Vanaf de koude plaatzijde wordt koellucht in de processor gepompt. Nadat deze de warmte heeft opgenomen, blaast een andere ventilator deze naar buiten via het koellichaam van de kookplaat van de module.

Een moderne TEM wordt bestuurd door een elektronisch apparaat met een temperatuursensor, waarbij de mate van koeling evenredig is aan de verwarming van de processor.

Het activeren van processorkoeling levert ook enkele problemen op.

1. Eenvoudige Peltier-koelmodules zijn ontworpen voor continu gebruik. Een lager stroomverbruik vermindert ook de warmteafvoer, waardoor de chip te koud kan worden en de processor vervolgens kan bevriezen.
2. Als de werking van de koeler en de koelkast niet goed op elkaar zijn afgestemd, kan deze laatste overschakelen naar de verwarmingsmodus in plaats van de koeling. De extra warmtebron zorgt ervoor dat de processor oververhit raakt.

Dus voor moderne verwerkers We hebben geavanceerde koeltechnologieën nodig met controle over de werking van de modules zelf. Dergelijke veranderingen in bedrijfsmodi komen niet voor bij videokaarten, die ook intensieve koeling vereisen. Daarom is TEM ideaal voor hen.

Doe-het-zelf autokoelkast

Halverwege de vorige eeuw probeerde de binnenlandse industrie de productie van kleine koelkasten onder de knie te krijgen op basis van het Peltier-effect. Bestaande technologieën dit was destijds niet toegestaan. Tegenwoordig is de beperkende factor vooral hoge prijs, maar de pogingen gaan door en er is al succes geboekt.

Door de wijdverbreide productie van thermo-elektrische apparaten kunt u met uw eigen handen een kleine koelkast maken, handig voor gebruik in auto's. De basis is een "sandwich", die als volgt wordt gemaakt.

1. Op de bovenste radiator wordt een laag warmtegeleidende pasta type KPT-8 aangebracht en aan één zijde van het keramische oppervlak wordt de Peltier-module verlijmd.
2. Op dezelfde manier is er vanaf de onderkant een andere radiator aan bevestigd, bedoeld voor plaatsing in de koelkamer.
3. Het hele apparaat wordt stevig samengedrukt en gedurende 4-5 uur gedroogd.
4. Op beide radiatoren zijn koelers geïnstalleerd: de bovenste verwijdert de warmte en de onderste zorgt ervoor dat de temperatuur in de koelkastkamer gelijk wordt gemaakt.

Het koelkastlichaam is gemaakt met een warmte-isolerende pakking aan de binnenkant. Het is belangrijk dat deze goed sluit. Hiervoor kunt u een gewone kunststof gereedschapskist gebruiken.

12V-stroom wordt geleverd door het voertuigsysteem. Het kan ook worden gedaan vanaf een 220 V-netwerk AC, met voeding. Er wordt gebruik gemaakt van het eenvoudigste AC naar DC-conversiecircuit. Het bevat een gelijkrichtbrug en een rimpelafvlakcondensator. Het is belangrijk dat ze bij de output niet meer dan 5% bedragen nominale waarde, anders wordt de efficiëntie van het apparaat verminderd. De module heeft twee uitgangen gemaakt van gekleurde draden. Een “plus” is altijd verbonden met rood, en een “min” met zwart.

De kracht van de TEM moet overeenkomen met het volume van de doos. De eerste 3 cijfers van de markering geven het aantal paren halfgeleidermicro-elementen in de module aan (49-127 of meer). uitgedrukt door twee laatste cijfers markeringen (van 3 tot 15 A). Als het vermogen niet voldoende is, moet je een andere module op de radiatoren lijmen.

Let op! Als de stroom het vermogen van het element overschrijdt, zal het aan beide kanten opwarmen en snel uitvallen.

Peltier-module: elektrische energiegenerator

TEM kan worden gebruikt om elektriciteit op te wekken. Om dit te doen, is het noodzakelijk om een ​​temperatuurverschil tussen de platen te creëren, en de daartussen gelegen thermokoppels zullen elektrische stroom genereren.

Voor praktisch gebruik je hebt een TEM nodig met minimaal 5 V. Dan kun je deze gebruiken om op te laden mobiele telefoon. Vanwege het lage rendement van de Peltier-module is een boost-converter vereist Gelijkstroom spanning. Om de generator te monteren heeft u het volgende nodig:

• 2 Peltier-modules TEC1-12705 met plaatmaat 40x40 mm;
• omzetter EK-1674;
• aluminium platen 3 mm dik;
• waterpan;
• hittebestendige lijm.

Twee modules worden met lijm tussen de platen geplaatst en vervolgens wordt de hele structuur aan de bodem van de pan bevestigd. Als je hem met water vult en in brand steekt, krijg je het benodigde temperatuurverschil, waardoor een EMF ontstaat in de orde van 1,5 V. Door de modules aan te sluiten op een boost-converter kun je de spanning verhogen tot 5 V, wat nodig om de batterij van de telefoon op te laden.

Hoe groter het temperatuurverschil tussen het water en de lager verwarmde plaat, hoe efficiënter de generator is. Daarom moeten we proberen de verwarming van het water te verminderen op verschillende manieren: laten doorstromen, vaker vervangen door een nieuw exemplaar, etc. Een effectief middel om het temperatuurverschil te vergroten is cascade-aansluiting modules wanneer ze op elkaar worden gestapeld. Toename algemene afmetingen tussen de platen kunnen apparaten worden geplaatst meer elementen en daardoor het algehele vermogen vergroten.

De prestaties van de generator zijn voldoende om kleine batterijen op te laden en te laten werken LED-lampen of radio. Let op! Om thermische generatoren te maken, heb je modules nodig die kunnen werken bij 300-400 0 C! De rest is alleen geschikt voor proeftesten.

In tegenstelling tot andere alternatieve manieren om elektriciteit op te wekken, kunnen ze tijdens het rijden werken als je zoiets als een katalytische verwarming creëert.

Binnenlandse Peltier-modules

TEM's van hun eigen productie verschenen nog niet zo lang geleden op onze markt. Ze zijn zeer betrouwbaar en hebben goede eigenschappen. De Peltier-module, waar veel vraag naar is, heeft afmetingen van 40x40 mm. Het is ontworpen voor maximale stroom 6 A en spanning tot 15 V.

Een binnenlandse Peltier-module kan voor een lage prijs worden gekocht. Bij 85 W zorgt hij voor een temperatuurverschil van 60 0 C. Samen met een koeler kan hij een processor beschermen tegen oververhitting met een vermogensverlies van 40 W.

Kenmerken van modules van toonaangevende bedrijven

Buitenlandse apparaten worden in grotere verscheidenheid op de markt gepresenteerd. Om processors te beschermen tegen toonaangevende bedrijven, wordt een PAX56B Peltier-module gebruikt als koelkast, waarvan de prijs, compleet met ventilator, $ 35 bedraagt.

Met afmetingen van 30x30 mm houdt hij de processortemperatuur niet hoger dan 63 0 C met een uitgangsvermogen van 25 W. Voor stroomvoorziening is een spanning van 5 V voldoende en de stroom bedraagt ​​niet meer dan 1,5 A.

De PA6EXB Peltier-module is zeer geschikt voor processorkoeling en levert normale temperatuur regime met een dissipatievermogen van 40 W. Het oppervlak van de module is 40x40 mm en het stroomverbruik is maximaal 8 A. Naast de indrukwekkende afmetingen - 60x60x52,5 mm (inclusief de ventilator) - heeft het apparaat een vrije ruimte. De prijs is $ 65.

Wanneer de Peltier-module wordt gebruikt, technische specificaties het moet voldoen aan de behoeften van de gekoelde apparaten. Het is onaanvaardbaar dat ze te veel hebben lage temperatuur. Dit kan leiden tot vochtcondensatie, wat schadelijk kan zijn voor de elektronica.

Modules voor de vervaardiging van generatoren, zoals, onderscheiden zich door een hoger vermogen - respectievelijk 72 W en 108 W. Ze onderscheiden zich door markeringen, die altijd op de hete kant zijn aangebracht. De maximaal toegestane temperatuur van de warme zijde is 150-160 0 C. Hoe groter het temperatuurverschil tussen de platen, hoe hoger de uitgangsspanning. Het apparaat werkt bij een maximaal temperatuurverschil van 600 0 C.

Je kunt goedkoop een Peltier-module kopen - ongeveer $ 10 of minder per stuk, als je goed zoekt. Heel vaak verhogen verkopers hun prijzen aanzienlijk, maar je kunt ze meerdere keren goedkoper vinden als je ze in de uitverkoop koopt.

Conclusie

Het Peltier-effect heeft nu toepassing gevonden bij het creëren van kleine koelkasten moderne technologie. De omkeerbaarheid van het proces maakt het mogelijk om micro-energiecentrales te produceren waar veel vraag naar is voor het opladen van batterijen van elektronische apparaten.

In tegenstelling tot andere vormen van alternatieve energieopwekking kunnen ze tijdens het rijden werken als er een katalytische verwarming is geïnstalleerd.

Je kunt alle voorwerpen verwarmen. Dit kan een soldeerbout, een waterkoker, een strijkijzer, een haardroger, verschillende soorten verwarmingstoestellen, enz. zijn. Maar heb je gehoord dat je elektrische stroom kunt gebruiken om dingen af ​​te koelen? "Nou, hoe zit het bijvoorbeeld met een huishoudelijke koelkast", zegt u. En je zult het mis hebben. In een huishoudelijke koelkast wordt alleen elektrische stroom uitgeoefend hulpfunctie: drijft freon in een cirkel.

Maar zijn er radio-elementen die, wanneer er een elektrische stroom op wordt toegepast, produceren? koud? Het blijkt dat ze bestaan ​​;-). In 1834 ontdekte de Franse natuurkundige Jean Peltier de absorptie van warmte wanneer een elektrische stroom door het contact van twee ongelijke geleiders gaat. Of beter gezegd: op deze plek waargenomen lage temperatuur . Nou, zoals het hoort in de natuurkunde, om geen nieuwe naam voor dit effect te verzinnen, is het vernoemd naar degene die het heeft ontdekt. Iets nieuws ontdekt? Wees verantwoordelijk voor de markt)). Sindsdien wordt dit effect genoemd Peltier-effect.

Nou, vreemd genoeg heet het element dat de kou veroorzaakt Peltier-element- Dit thermo-elektrische omvormer, waarvan het werkingsprincipe is gebaseerd op het Peltier-effect: het optreden van een temperatuurverschil wanneer er een elektrische stroom vloeit. In de Engelstalige literatuur worden Peltier-elementen aangeduid TEC(uit het Engels T hermo E elektrisch C ooler - thermo-elektrische koeler).

Peltier-element (oefenen)

Het ziet er misschien anders uit, maar het hoofdtype is een rechthoekig of vierkant platform met twee terminals. Markeer onmiddellijk kant “A” en kant “B” voor verdere experimenten

Waarom heb ik de zijkanten gemarkeerd?

Denk je dat als we gewoon domweg spanning op dit element zetten, het volledig zal worden afgekoeld? Ik wil je niet teleurstellen, maar dat is niet zo... Lees nogmaals aandachtig de definitie van het Peltier-element. Zie je daar de uitdrukking “temperatuurverschillen”? Dat is het. Dit betekent dat een deel van de kant wordt verwarmd en een deel wordt gekoeld. Er is niets ideaal in onze wereld.

Om de temperatuur van elke kant van het Peltier-element te bepalen, zal ik degene gebruiken die bij het thermokoppel werd geleverd

Nu blijkt het kamertemperatuur. Ja, ik heb het warm ;-).

Om te bepalen welke kant van het Peltier-element wordt verwarmd en welke wordt gekoeld, verbinden we hiervoor de rode pool met de plus, de zwarte met de min en brengen we een kleine spanning aan, twee of drie volt. Ik ontdekte dat mijn kant “A” afkoelde en kant “B” opwarmde door ze met mijn hand te voelen. Als je de polariteit omkeert, zal er niets ergs gebeuren. Het is alleen zo dat kant A zal opwarmen en kant B zal afkoelen, dat wil zeggen dat ze van rol zullen wisselen.

De nominale (normale) spanning voor werking van het Peltier-element is dus 12 Volt. Sinds ik hem op rood - plus, en op zwart - min heb aangesloten, warmt mijn kant B op. Laten we haar temperatuur opnemen. Breng een spanning van 12 volt aan en kijk naar de multimeterwaarden:

77 graden Celsius is geen grap. Deze kant is zo heet dat je je vingers verbrandt als je hem aanraakt.

Dat is waarom belangrijkste kenmerk met behulp van het Peltier-element in hun elektronische apparaten is grote radiateur. Het is raadzaam dat de radiator door een ventilator wordt geblazen. Voorlopig heb ik de radiator uit de versterker gehaald, die ter reparatie werd aangeboden. Ik heb KPT-8 koelpasta aangebracht en het Peltier-element op de radiator bevestigd.

Sluit 12 Volt aan en meet de temperatuur van kant A:

7 graden Celsius). Als je het aanraakt, bevriezen je vingers.

Maar er is ook het tegenovergestelde effect, waarbij met een Peltier-element elektriciteit kan worden opgewekt als de ene kant wordt gekoeld en de andere wordt verwarmd. Een zeer illustratief voorbeeld is een zaklamp die wordt aangedreven door handwarmte

Kracht van het Peltier-element

Het Peltier-element zelf wordt als zeer energieverbruikend beschouwd. Temperatuurregeling van de zijkanten wordt bereikt door spanning. Hoe hoger de spanning, hoe meer stroom er wordt verbruikt. En hoe meer stroom het verbruikt, hoe sneller de temperatuur stijgt. Daarom kunt u de koelte regelen door eenvoudigweg de spanningswaarde te wijzigen).

Hier zijn enkele waarden voor het elektrische stroomverbruik van een Peltier-element:

Bij een spanning van 1 Volt verbruikt hij 0,3 Ampère. Niet slecht)

Ik verhoog de spanning naar 3 Volt

Hij verbruikt al bijna 1 Ampere.

Ik verhoog het naar 5 Volt

Iets meer dan anderhalve ampère.

Ik geef 12 volt, dat wil zeggen de bedrijfsspanning:

Hij trekt al bijna 4 Ampère! Beroving).

Laten we grofweg de kracht ervan berekenen. 4x12=48Watt. Dat is zelfs meer dan de gloeilamp van 40 watt die je in je kast hebt hangen). Als het Peltier-element zo vraatzuchtig is, is het dan raadzaam om er huishoudelijke koelkasten en koelkasten van te maken? Natuurlijk niet! Zo’n koelkast verbruikt maar liefst 10 kilowatt! Maar er is een klein pluspunt: het zal absoluut stil zijn :-). Maar als dat niet mogelijk is, worden koelkasten zelfs gemaakt van Peltier-elementen. Dit zijn eigenlijk minikoelkasten voor auto's. Sommige mensen gebruiken het Peltier-element ook om de processor op een pc te koelen. Het blijkt heel efficiënt, maar qua energiekosten is het toch beter om een ​​ouderwetse ventilator te plaatsen.

Waar te kopen

Op Ali kun je hier zelfs een mini-airconditioner vinden die gemaakt is van een Peltier-element: dit link.

Op Ali kun je deze Peltier-elementen zo vaak kiezen als je wilt!