Co je Peltierův článek a jak si ho vyrobit svépomocí?

Chladicí zařízení se stalo natolik nedílnou součástí našich životů, že si jen těžko dokážeme představit, jak bychom bez něj mohli žít. Klasické konstrukce na bázi chladiva se však nehodí pro mobilní použití, jako například cestovní chladicí taška.

Pro tento účel se používají instalace, jejichž princip fungování je založen na Peltierově jevu. Pojďme si tento jev stručně rozebrat.

Co je to?

Tento termín označuje termoelektrický jev objevený v roce 1834 francouzským přírodovědec Jeanem-Charlesem Peltierem. Podstatou jevu je uvolňování nebo absorpce tepla v oblasti, kde se dotýkají různé vodiče, kterými prochází elektrický proud.

Podle klasické teorie existuje následující vysvětlení tohoto jevu: elektrický proud přenáší elektrony mezi kovy, což může urychlovat nebo zpomalovat jejich pohyb v závislosti na rozdílu kontaktního potenciálu ve vodičích vyrobených z různých materiálů. V souladu s tím se kinetická energie, která se zvyšuje, přeměňuje na teplo.

Na druhém vodiči je pozorován obrácený proces, který vyžaduje doplnění energie, v souladu se základním fyzikálním zákonem. K tomu dochází v důsledku tepelných oscilací, které způsobují ochlazování kovu, ze kterého je druhý vodič vyroben.

Moderní technologie umožňují výrobu polovodičových prvků – modulů s maximálním termoelektrickým efektem. Je vhodné stručně popsat jejich konstrukci.

Zařízení a princip činnosti

Moderní moduly jsou konstrukce sestávající ze dvou izolačních desek (obvykle keramických), mezi nimiž jsou sériově zapojené termočlánky. Zjednodušené schéma takového prvku lze nalézt na obrázku níže.

Označení:

• A – kontakty pro připojení ke zdroji napájení;
• B – horký povrch prvku;
• C – studená strana;
• D – měděné vodiče;
• E – polovodič na bázi p-přechodu;
• F – polovodič typu n.

Konstrukce je taková, že každá strana modulu se dotýká buď pn, nebo np přechodů (v závislosti na polaritě). Pn kontakty se zahřívají, np kontakty ochlazují (viz obr. 3). V důsledku toho vzniká na stranách prvku teplotní rozdíl (DT). Pro pozorovatele bude tento jev vypadat jako přenos tepelné energie mezi stranami modulu. Je třeba poznamenat, že změna polarity napájení vede ke změně horkých a studených povrchů.

Технические характеристики

Charakteristiky termoelektrických modulů jsou popsány následujícími parametry:

• chladicí kapacita (Q_max), tato charakteristika je určena na základě maximálního povoleného proudu a teplotního rozdílu mezi stranami modulu, měřeného ve wattech;
• maximální teplotní rozdíl mezi stranami prvku (DT_max), parametr je uveden pro ideální podmínky, jednotka měření je stupně;
• přípustná síla proudu potřebná k zajištění maximálního teplotního rozdílu – I_max;
• maximální napětí U_max, potřebný pro proud I_maxk dosažení maximálního rozdílu DT_max;
• vnitřní odpor modulu – odpor, udávaný v ohmech;
• koeficient účinnosti – COP (zkratka z angličtiny — coefficient of performance), v podstatě se jedná o účinnost zařízení, ukazující poměr chlazení k spotřebované energii. U levných prvků se tento parametr pohybuje v rozmezí 0,3–0,35, u dražších modelů se blíží 0,5.

značkování

Podívejme se na příklad na obrázku 4, jak se dešifrují typická označení modulů.

Značení je rozděleno do tří významných skupin:

1. Označení prvku. První dvě písmena jsou vždy stejná (TE), což značí, že se jedná o termočlánek. Další označuje velikost a může být „C“ (standardní) nebo „S“ (malý). Poslední číslice udává, kolik vrstev (kaskád) je v prvku.
2. Počet termočlánků v modulu zobrazeném na fotografii je 127.
3. Jmenovitá hodnota proudu v ampérech, v našem případě 6 A.

Označení ostatních modelů řady TEC1 se čte stejným způsobem, například: 12703, 12705, 12710 atd.

přihláška

Navzdory poměrně nízké účinnosti nacházejí termoelektrické články široké uplatnění v měření, výpočetní technice a domácích spotřebičích. Moduly jsou důležitým pracovním prvkem následujících zařízení:

• mobilní chladicí jednotky;
• malé generátory na výrobu elektřiny;
• chladicí systémy v osobních počítačích;
• chladiče pro chlazení a ohřev vody;
• odvlhčovače atd.

Uveďme podrobné příklady použití termoelektrických modulů.

Lednička na Peltierových článkech

Termoelektrické chladicí jednotky jsou ve srovnání s kompresorovými a absorpčními analogy výrazně horší ve výkonu. Mají však značné výhody, díky nimž je jejich použití za určitých podmínek vhodné. Mezi tyto výhody patří:

• jednoduchost designu;
• odolnost proti vibracím;
• žádné pohyblivé části (kromě ventilátoru foukajícího přes chladič);
• nízká hladina hluku;
• malé rozměry;
• schopnost pracovat v jakékoli poloze;
• dlouhá životnost;
• nízká spotřeba energie.

Díky těmto vlastnostem jsou ideální pro mobilní instalace.

Peltierův článek jako generátor elektrické energie

Termoelektrické moduly mohou fungovat jako generátory energie, pokud je jedna z jejich stran vystavena nucenému ohřevu. Čím větší je teplotní rozdíl mezi stranami, tím vyšší je proud generovaný zdrojem. Maximální teplota pro termoelektrický generátor je bohužel omezena; nemůže být vyšší než bod tání pájky použité v modulu. Porušení této podmínky povede k selhání prvku.

Pro sériovou výrobu termogenerátorů se používají speciální moduly se žáruvzdornou pájkou, které lze ohřát na teplotu 300 °C. U konvenčních prvků, například TEC1 12715, je limit 150 stupňů.

Vzhledem k nízké účinnosti těchto zařízení se používají pouze v případech, kdy není možné použít účinnější zdroj elektrické energie. Nicméně tepelné generátory o výkonu 5-10 W jsou žádané mezi turisty, geology a obyvateli odlehlých oblastí. Velké a výkonné stacionární jednotky pracující na vysokoteplotní palivo se používají k napájení plynových distribučních jednotek, zařízení meteorologických stanic atd.

Pro chlazení procesoru

Relativně nedávno se tyto moduly začaly používat v chladicích systémech CPU osobních počítačů. Vzhledem k nízké účinnosti tepelných prvků je přínos takových konstrukcí poněkud sporný. Například pro chlazení zdroje tepla o výkonu 100-170 W (což odpovídá většině moderních modelů CPU) bude nutné vynaložit 400-680 W, což vyžaduje instalaci výkonného zdroje napájení.

Druhým úskalím je, že nezatížený procesor bude vydávat méně tepelné energie a modul ho může ochladit pod rosný bod. V důsledku toho se začne tvořit kondenzace, která zaručeně vyřadí elektroniku z provozu.

Ti, kteří se rozhodnou vytvořit si takový systém sami, budou muset provést řadu výpočtů, aby vybrali výkon modulu pro konkrétní model procesoru.

Na základě výše uvedeného není použití těchto modulů jako chladicího systému CPU nákladově efektivní a mohou také způsobit selhání počítačového vybavení.

Zcela jiná situace je u hybridních zařízení, kde se tepelné moduly používají ve spojení s vodním nebo vzduchovým chlazením.

Hybridní chladicí systémy prokázaly svou účinnost, ale jejich vysoká cena omezuje okruh jejich fanoušků.

Klimatizace na Peltierových článkech

Teoreticky bude takové zařízení mnohem jednodušší konstrukčně než klasické systémy klimatizace, ale vše se scvrkává na nízkou produktivitu. Jedna věc je ochladit malý objem chladicí komory, druhá věc je ochladit místnost nebo interiér automobilu. Klimatizace na termoelektrických modulech spotřebují více elektřiny (3-4krát) než zařízení pracující na chladivo.

Pokud jde o použití jako systém klimatizace v automobilu, výkon standardního generátoru nebude k provozu takového zařízení stačit. Jeho nahrazení účinnějším zařízením povede k významné spotřebě paliva, což není nákladově efektivní.

Diskuse na toto téma se pravidelně objevují na tematických fórech a zvažují se různé domácí návrhy, ale plnohodnotný funkční prototyp dosud nebyl vytvořen (nepočítáme-li klimatizaci pro křečka). Je docela možné, že se situace změní, až se moduly s přijatelnější účinností stanou široce dostupnými.

Pro chladicí vodu

Termoelektrický článek se často používá jako chladič pro vodní chladiče. Konstrukce zahrnuje: chladicí modul, regulátor řízený termostatem a ohřívač. Toto provedení je mnohem jednodušší a levnější než kompresorový obvod, navíc je spolehlivější a snadněji se ovládá. Existují však určité nevýhody:

• voda neochlazuje pod 10–12 °C;
• Chlazení trvá déle než u kompresorového protějšku, proto takový chladič není vhodný pro kancelář s velkým počtem zaměstnanců;
• zařízení je citlivé na vnější teplotu; v teplé místnosti se voda neochladí na minimální teplotu;
• Nedoporučuje se instalovat v prašných místnostech, protože by se mohl ucpat ventilátor a chladicí modul by mohl selhat.

Peltierův odvlhčovač

Na rozdíl od klimatizace je docela možné implementovat odvlhčovač na termoelektrických prvcích. Konstrukce je poměrně jednoduchá a levná. Chladicí modul snižuje teplotu chladiče pod rosný bod, v důsledku čehož se na něm usazuje vlhkost obsažená ve vzduchu procházejícím zařízením. Usazená voda se vypouští do speciálního akumulátoru.

Navzdory nízké účinnosti je v tomto případě účinnost zařízení poměrně uspokojivá.

Jak se připojit?

S připojením modulu nebudou žádné problémy, je nutné na výstupní vodiče přivést konstantní napětí, jehož hodnota je uvedena v datovém listu prvku. Červený vodič musí být připojen k plusu, černý k mínusu. Pozor! Změnou polarity se prohodí chlazený a ohřívaný povrch.

Jak zkontrolovat funkčnost Peltierova článku?

Nejjednodušší a nejspolehlivější způsob je hmatový. Stačí připojit modul k odpovídajícímu zdroji napětí a dotknout se jeho různých stran. V pracovním prvku bude jedna z nich teplejší a druhá chladnější.

Pokud nemáte po ruce vhodný zdroj, budete potřebovat multimetr a zapalovač. Postup testování je poměrně jednoduchý:

1. připojte sondy ke svorkám modulu;
2. na jednu ze stran přineseme zapálený zapalovač;
3. Sledujeme údaje na přístrojích.

V pracovním modulu se při zahřívání jedné ze stran generuje elektrický proud, který se zobrazuje na displeji přístroje.

Jak si vyrobit Peltierův článek vlastníma rukama?

Vyrobit si doma modul je téměř nemožné, zejména proto, že to vzhledem k jeho relativně nízké ceně (kolem 4–10 dolarů) nedává smysl. Můžete si ale sestavit zařízení, které se vám bude hodit na túru, například termoelektrický generátor.

Pro stabilizaci napětí je nutné sestavit jednoduchý převodník na mikroobvodu L6920 IMS.

Vstup takového převodníku je dodáván s napětím v rozsahu 0,8-5,5 V, na výstupu bude produkovat stabilních 5 V, což je dostatečné pro nabíjení většiny mobilních zařízení. Pokud se používá běžný Peltierův článek, je nutné omezit provozní teplotní rozsah ohřívané strany na 150 °C. Abyste se neobtěžovali sledováním, je lepší použít jako zdroj tepla hrnec s vroucí vodou. V tomto případě je zaručeno, že se článek nezahřeje nad 100 °C.