Peltierův článek: princip činnosti, testování a připojení

V roce 1834 objevil francouzský fyzik Jean Charles Peltier fenomén uvolňování nebo absorpce tepla, když elektrický proud prochází kontaktem dvou odlišných vodičů.
Jeden vodivý prvek je vyroben z vysoce vodivého materiálu a druhý z materiálu s nižší vodivostí. Pokud procházíte proudem přes spoj vodičů, pak elektron potřebuje akumulovat energii, aby mohl projít z nízkoenergetické oblasti do vysokoenergetické. Když je tato energie absorbována, kontaktní bod vodičů se ochladí.
V důsledku toho se jeden z vodičů výrazně ochladí a druhý se zahřeje. Množství generovaného tepla a chladu je přímo úměrné množství procházejícího proudu.
Změní-li se směr proudu, změní se i strana ohřevu a chlazení.

Tento jev se nazývá Peltierův jev.

První Peltierovy polovodičové prvky byly vyrobeny ve druhé polovině dvacátého století.

Dvojice polovodičů vyrobených z materiálů s různou vodivostí, spojených navzájem kovovou deskou, se nazývá termočlánek. Peltierův článek se skládá z termočlánků zapojených do série. Výkon Peltierova článku závisí na počtu termočlánků.

Elektrický proud protéká postupně všemi polovodiči. V závislosti na směru proudu se kontakty na jedné straně ochlazují a na druhé zahřívají, nebo naopak. Elektrický proud tedy přenáší teplo z jedné strany Peltierova článku na opačnou stranu a vytváří teplotní rozdíl.

Pokud je vyhřívaná strana Peltierova článku násilně chlazena, například pomocí radiátoru a ventilátoru, teplota studené strany se ještě sníží než před tímto zásahem (při stejné síle proudu).

S rozvojem průmyslu začaly Peltierovy prvky fungovat efektivněji a chladicí systémy založené na nich jsou nyní rozšířené.

Společnost Tachyon představuje nový produkt: Tepelná skříň TShO-60.76.35.200 s instalovaným termoelektrickým chladičem (TEC) na Peltierových prvcích.
Jmenovitý chladicí výkon TEC je 210 W. Vnější část TEO je opatřena ochranným obalem.

Vlastnosti a výhody použití.

Studie proveditelnosti se používá v případě, že požadavky na technické parametry termoskříně jsou takové, že již nestačí používat ventilační systém a použití klimatizace je nadměrné.

Termoelektrický chladič je rozměrově menší než klimatizace, nevyžaduje doplňování freonů a je prakticky bezúdržbový (s výjimkou použití v prašných oblastech).

Doporučujeme instalaci studie proveditelnosti v následujících případech:

– když je nutné dosáhnout teploty uvnitř skříně nižší než je okolní teplota. To je možné pouze v případě, že tepelný výkon zařízení ve skříni je menší než jmenovitý chladicí výkon TEC. Tohoto výsledku nelze dosáhnout ventilačním systémem.

– pokud existuje zařízení s vysokou provozní teplotou přesahující teplotu okolí. V tomto případě může produkce tepla zařízení překročit chladicí kapacitu TEC.

– pokud je požadována úroveň ochrany alespoň IP66.

Naše společnost má vlastní klimatickou laboratoř.
Testování klimatu je nedílnou součástí technologického procesu.

Představujeme výsledky testů termoskříň TShO-60.76.35.200 s instalovaným TEO v Tachyonové klimatické laboratoři v různých režimech.

– Při okolní teplotě +27°C, se zapnutým ventilátorem a chladičem a zátěži 180 W je teplota uprostřed termoskříně +35°C.

– Při okolní teplotě +50°C, se zapnutým ventilátorem a chladičem a zátěži 180 W je teplota uprostřed termoskříně +56°C.

– Při okolní teplotě +50°C, se zapnutým ventilátorem a chladičem a zátěži 306 W je teplota uprostřed termoskříně +71°C.

– Při okolní teplotě -50°C je teplota ve střední části tepelné skříně nastavena na -10°C.

– Doba „studeného startu“ zařízení při okolní teplotě -50°C byla 1 hodina 35 minut, s teplotou ve skříni: -10,5°C uprostřed; nahoře -7,5°C.

Získané výsledky testů potvrzují účinnost použití termoelektrických chladičů na bázi Peltierových článků.

Specialisté společnosti Tachyon provedou individuální kalkulaci podle vašich technických specifikací a doporučí, jaké zařízení se nejlépe hodí k řešení vašich problémů: ventilační systém, termoelektrický chladič nebo klimatizace.

Princip činnosti Peltierova prvku je založen na Peltierově jevu, který spočívá v tom, že při průchodu stejnosměrného elektrického proudu přechodem dvou různých vodičů dochází k přenosu energie z jednoho vodiče přechodu na druhý, přičemž teplo se uvolňuje nebo absorbuje na křižovatce.

Množství tepla uvolněného nebo absorbovaného během tohoto procesu bude úměrné proudu, době, po kterou protéká, a také Peltierově koeficientu charakteristickém pro daný pár pájených vodičů. Peltierův koeficient se zase rovná koeficientu termo-emf páru vynásobenému absolutní teplotou křižovatky v aktuálním okamžiku.

A protože je Peltierův jev nejvýraznější u polovodičů, využívá se této vlastnosti u oblíbených a cenově dostupných polovodičových Peltierových prvků. Na jedné straně Peltierova článku se teplo absorbuje, na druhé se uvolňuje. Dále se na tento fenomén podíváme blíže.

Přímý fyzikální Peltierův jev objevil v roce 1834 francouzský fyzik Jean Peltier a o čtyři roky později podstatu tohoto jevu zkoumal ruský fyzik Emilius Lenz, který ukázal, že pokud se tyčinky vizmutu a antimonu přivedou do těsného kontaktu, kapka vody spadne na místo kontaktu a poté prochází křižovatkou, existuje stejnosměrný proud určitého směru, pokud se s počátečním směrem proudu voda změní na led, pak pokud se směr proudu změní na naopak, pak tento led rychle roztaje.

Lenz ve svém experimentu jasně prokázal, že Peltierovo teplo se absorbuje nebo uvolňuje v závislosti na směru proudu přes přechod.

Níže je uvedena tabulka Peltierových koeficientů pro tři oblíbené dvojice kovů. Mimochodem, jev opačný k Peltierovu jevu se nazývá Seebeckův jev (kdy při zahřívání nebo ochlazování spojů uzavřeného okruhu vzniká v tomto obvodu elektrický proud).

Proč tedy dochází k Peltierovu jevu? Důvodem je to, že v místě kontaktu dvou látek je rozdíl kontaktních potenciálů, který mezi nimi vytváří kontaktní elektrické pole.

Pokud nyní kontaktem propustíme elektrický proud, pak toto pole buď toku proudu pomůže, nebo jej znemožní. Pokud je tedy proud namířen proti vektoru síly kontaktního pole, musí zdroj aplikovaného EMF pracovat a energie zdroje se uvolňuje v místě kontaktu, což povede k jeho zahřátí.

Pokud je zdrojový proud nasměrován podél kontaktního pole, bude dodatečně podporován tímto vnitřním elektrickým polem a pole nyní vykoná další práci pro přesun nábojů. Tato energie je nyní látce odebírána, což ve skutečnosti vede k ochlazení spoje.

Takže, protože víme, že Peltierovy prvky používají přechody dvojic polovodičů, jaký druh procesu je implementován v polovodičích?

Je to jednoduché. Tyto polovodiče se liší energetickými hladinami elektronů ve vodivém pásmu. Při průchodu elektronu místem kontaktu těchto materiálů získává elektron energii, aby se mohl přesunout do vyššího energetického vodivostního pásma druhého polovodiče z dvojice.

Když elektron absorbuje tuto energii, kontaktní bod mezi polovodiči se ochladí. Když proud teče opačným směrem, kontaktní bod mezi polovodiči se kromě obvyklého Jouleova tepla zahřívá. Pokud by byly v Peltierových prvcích místo polovodičů použity čisté kovy, tepelný efekt by byl tak malý, že by ho ohmický ohřev výrazně převýšil.

Ve skutečném Peltierově konvertoru, jako je TEC1-12706, je několik rovnoběžnostěnů vyrobených z teluridu bismutu a pevného roztoku křemíku a germania instalováno mezi dva keramické substráty, pájené dohromady v sériovém řetězci. Tyto dvojice polovodičů typu n a p jsou spojeny vodivými můstky, které jsou v kontaktu s keramickými substráty.

Každý pár malých polovodičových rovnoběžnostěnů tvoří kontakt pro průchod proudu z polovodiče typu n do polovodiče typu p na jedné straně Peltierova měniče a z polovodiče typu p do polovodiče typu n na straně druhé. straně převodníku.

Když proud prochází všemi těmito sériově zapojenými rovnoběžnostěny, pak na jedné straně všechny kontakty pouze ochlazují a na druhé se všechny pouze zahřívají. Pokud se změní polarita zdroje, strany si vymění role.

Na tomto principu funguje Peltierův článek nebo, jak se také nazývá, Peltierův termoelektrický konvertor, kde se teplo odebírá z jedné strany výrobku a přenáší na jeho opačnou stranu, čímž vzniká teplotní rozdíl na obou stranách výrobku. živel.

Topnou stranu Peltierova článku můžete ještě dále chladit pomocí radiátoru s ventilátorem, pak se teplota studené strany ještě sníží. V široce dostupných Peltierových prvcích může teplotní rozdíl dosáhnout asi 69 °C.

Pro kontrolu provozuschopnosti Peltierova článku stačí AA baterie. Červený vodič prvku je připojen ke kladné svorce napájecího zdroje, černý vodič k záporné svorce. Pokud prvek funguje správně, dojde k zahřívání na jedné straně a ochlazování na druhé straně, můžete to cítit prsty. Odpor běžného Peltierova prvku je v oblasti dvou nebo tří ohmů.

Telegramový kanál pro ty, kteří se chtějí každý den učit nové a zajímavé věci: Škola pro elektrikáře

Zjednodušte si výpočty elektrických obvodů, parametrů zařízení a dalších elektrotechnických úkolů s touto praktickou aplikací: Online kalkulačka elektrotechniky

Rozvíjejte své profesní dovednosti s katalogem specializovaných kurzů pro technické profesionály – vyberte si vhodný formát a témata.