Proč jsou Peltierovy prvky? Peltierovy prvky: princip činnosti, vlastnosti, aplikace

24. 4. 2019

Počet elektronických zařízení na světě neustále roste jako sněhová koule. Všichni spotřebovávají elektřinu a lidé musí neustále přenášet a přenášet baterie nebo je vyrábět na objemných zařízeních. V kvalitě proudových zdrojů Ne tak dávno se začaly používat Peltierovy moduly - prvky, které vytvářejí elektrický proud při vytváření teplotního rozdílu na opačných stranách. Peltier prvky

Účinky Peltier a Seebeck

Navzdory skutečnosti, že před téměř dvěma stoletími byl vytvořen první prvek Peltier, princip fungování se objevil až nyní, když se objevily vhodné materiály a potřeba použít. Spočívá v rozptylu tepla při kontaktu různých vodičů, když protéká skrz něj. elektrického proudu. Při změně polarity kontaktu začíná vychladnout. Proces je reverzibilní: při umělém udržování teplotního rozdílu u kontaktů vodičů ve svém obvodu proudí elektrický proud (efekt Seebeck).

Na základě dvou termoelektrických efektů vytvořili Peltierův modul, jehož prvky jsou umístěny mezi dvěma paralelními keramickými deskami ve formě rozdílných vodičů. Proud, který prochází kontaktem vodičů, je stejný a toky energie v každém z nich jsou různé. Když se energie dostane do kontaktu víc než to plyne, znamená to, že elektrony zpomalují přechodovou oblast a způsobují její zahřátí. Když se změní polarita, elektrony se zrychlují, přičemž energie z krystalové mřížky způsobí, že se ochladí.

Peltierův efekt je obzvláště aktivní na hranicích polovodičových prvků, kde se vyskytují nejvyšší energetické procesy.

Termoelektrický modul

Peltierovy prvky nalezly aplikaci v zařízení, skládající se z množiny polovodičů typu p a n. Na rozdíl od tranzistorů a diod jsou přechodové oblasti umístěny na rozhraní mezi kovem a polovodičem. V modulu Peltier je mezi keramickými deskami umístěno velké množství prvků, které vám umožňují zvýšit výkonnost zařízení.

aplikace peltierových prvků

Každý prvek obsahuje 4 přechody na kontaktu polovodičového kovu. Když je elektrický okruh zavřený, elektrony se pohybují od mínus baterie až po plus a procházejí všemi přechody.

Při prvním přechodu termoelektrického modulu (TEM) mezi měděnou sběrnici a p-polovodič v posledním teplu se uvolní, protože tok nábojů spadne do oblasti s nižší energií.

Při druhém kontaktu je energie absorbována v polovodiči, protože elektrony jsou "vysávány" elektrickým polem, které se shoduje se směrem jejich pohybu. Probíhá proces chlazení.

Při třetím kontaktu je energie elektronu absorbována, protože polovodič typu n má více energie než kov.

Při čtvrtém přechodu dochází k uvolnění tepla, protože elektrony jsou opět blokovány elektrickým polem.

Tím se na jedné straně uvolní teplo a druhá se ochladí. Na jednom prvku nebude tento jev patrný, ale Peltierův modul, jehož prvky jsou umístěny mezi dvěma keramickými deskami, vytváří významný teplotní rozdíl.

Modul lze použít jako generátor elektrické energie, pokud udržujete různé teplotní desky. Kromě toho je každý Peltierov termoelektrický prvek spojen sériově s přilehlými měděnými propojkami a jejich proudy jsou sčítány.

Peltier termoelektrický prvek

Silné a slabé stránky

Výhody TEM:

  • malé velikosti;
  • reverzibilita procesu;
  • použít jako elektrický generátor nebo chladničku.

Nevýhody TEM zahrnují vysoké náklady, nízkou účinnost (ne více než 3%), vysoké náklady na energii a potřebu udržovat teplotní rozdíl.

Lednička Peltier

Prvek Peltier pro chlazení procesoru je účinnější než standardní prvky. Současně zůstávají, ale slouží pouze k odstranění tepla z uzavřeného prostoru počítače.

Peltierův prvek pro chlazení procesoru

Při jejich návrhu jako elektronického chladícího prostředku je třeba zvážit následující funkce.

  1. Napájení je přímo závislé na velikosti modulu. Malé zařízení nevytvoří požadovanou úroveň chlazení. Například, nebudou poskytovat normální Teplota CPU. Modul, který je příliš silný, způsobuje vlhkost, což je příčinou zkratu v elektronice, protože vzdálenosti mezi vodivými prvky jsou desky s plošnými spoji nevýznamné.
  2. Peltierové moduly musí být chlazeny s pomocí ventilátorů a radiátorů, protože vyzařují hodně tepla. To je nezbytné ke snížení teploty v uzavřeném prostoru počítače a normalizaci pracovních podmínek jiných prvků.
  3. Peltier modul je dodatečné zatížení napájecího zdroje.
  4. Chladnička po poruše je izolát mezi chladičem a chlazeným prvkem, což může vést k jeho rychlému selhání při přehřátí.
  5. Moderní procesory mohou během provozu měnit spotřebu energie, což příznivě ovlivňuje tepelnou bilanci, ale ne vždy při použití modulů Peltier. Nejjednodušší chladničky jsou určeny pro nepřetržitý provoz a nedoporučují se je používat s programy chlazení.

Uvolnění tepla

Chladící efekt systému TEM je malý a vydává hodně tepla. Při použití v systémové jednotce se teplota uvnitř značně zvětšuje a ovlivňuje výkon ostatního zařízení. Dalšími prostředky pro jeho snížení jsou ventilátory a radiátory, které vytvářejí výfukový systém.

Tepelný režim modulu musí být správně vypočten, aby nedošlo k přehřátí a žádné kondenzace na elektronických deskách. Peltier chladič je vybrán s optimálním výkonem, kde je důležité zajistit správnou rovnováhu teploty uvnitř pouzdra, předmět chlazení a vlhkosti vzduchu.

Peltierův prvek: vlastnosti

TEM se volí termoelektrickými parametry.

Výpočet výkonu je následující.

  1. Maximální přípustné napětí U max (V) je zvoleno a podle grafu U (I) je zjištěn maximální proud I max (A), který proudí Peltierovým modulem. Zde je důležité, aby jeho hodnota byla v mezích růstu závislosti teplotního rozdílu na aktuálním dT (I) = T h - T s .
  2. Podle nastavené hodnoty I je zvolena charakteristická dT (Q), kde Q je tepelný výkon chlazeného prvku.
  3. Ze známých hodnot dT a T h je určena T s = T h - dT.

Vlastnosti prvku Peltier

Charakteristiky dT (Q) ukazují, že při zvýšení tepelného výkonu se rozdíl dT snižuje. Toho lze dosáhnout zvýšením proudu přes modul, který by měl být omezen.

Příklad výpočtu

Počáteční data: U = 12 V, Q s = 60 W a T h = 50 ° C.

Při napětí 12 V podle charakteristiky U (I) nalezneme proud I = 5 A.

Pro proud 5 A je teplotní rozdíl dT = 4 K. Potom T s = T h - dT = 50 - 4 = 46 ° C.

Díky výkonnějšímu modulu můžete zvýšit dT. U modulu 131 W, kde I max = 8,5 A, U max = 28,8 V a objekt s výkonem generace tepla 60 W, teplotní rozdíl bude 40 ° C. Pak T s = 50 - 40 = 10 ° C.

Při výběru síly TEM bychom neměli zapomenout na to, kolik tepla přidělí. Tento tepelný tok by měl být odstraněn vhodnými chladícími kapalinami. Když se tradiční prostředky nedokáží vyrovnat s výrobou tepla, používá se chlazení vodou.

Klimatizace

Klimatizační jednotka na Peltierových prvcích z hlediska účinnosti je úměrná velikosti. Jeho princip fungování a výhody jsou stejné jako u chladničky. Problémem je odstranění tepla mimo chlazený prostor.

Klimatizační zařízení vyžaduje 2 chladiče, kde jeden z nich odstraňuje studený vzduch a druhý - horký. Napájecí zdroj v autě je baterie a pro místnost se vejde starý PSU z osobního počítače.

Peltier klimatizace

Jeden modul pro provoz zařízení bude malý. Obvykle se několik lepených materiálů spojuje s tepelnou pastou.

DIY chladnička

Peltierův efekt se používá k vytvoření přenosných chladniček. Modul lze zakoupit za 300-500 rublů a chladič s ventilátorem je převzat ze starého počítače. Jako kontejner můžete použít jakékoliv plastové, překližkové nebo kovové nádoby, lepené uvnitř i venku pomocí tepelně izolačních desek (pěnové, penlexní atd.) S reflexními vrstvami z hliníkové fólie.

Modul Peltier je vhodnější vložit do krytu, ale je také možné v stěně pouzdra. Je-li umístěna v horní části nádrže, dochází ke zchlazení dolů, což zajišťuje jednotnou teplotu uvnitř.

Zevnitř je připojen radiátor k tepelné pastě na modulu, který je také připevněn k krytu. Tyto dva moduly můžete vzájemně přilepit, ale nezaměňujte polaritu. Horní strana spodního prvku by měla být v kontaktu s chladným vrcholem. Účinnost chlazení se zvýší.

Venku je k modulu přilepený chladič s ventilátorem z počítačového chladiče a dodatečně připojen k krytu pomocí šroubů nebo šroubů. Upevňovací prvky z horké a studené strany by měly být navzájem izolovány a víčka by měly být naplněny horkým lepidlem.

Je to důležité! Utažení upevňovacích prvků radiátoru musí být provedeno opatrně, aby nedošlo k prasknutí keramických desek modulů.

Uvnitř krytu je instalováno izolační těsnění. Pro zlepšení tepelné izolace jsou prvky z konců uzavřeny rámem z tepelné izolace.

Elektrikář se připojí k napájení.

Elektrické generátory z modulů Peltier

Peltierův prvek, jehož princip činnosti je reverzibilní, se používá při vytváření mini elektráren bez zdrojů elektrické energie. Pro sestavení TEG jsou potřebné prvky:

  1. Peltier modul schopný odolávat teplotám od 300 ° C Modely TEC-12712 s rozměry stran čtyřhranných desek 40, 50 a 60 mm jsou běžné. Pokud zvolíte výrobek s maximální velikostí, stačí jeden prvek pro dobití mobilního telefonu. Maximální proud je zobrazen posledními dvěma číslicemi značky - 12 a.
  2. Zesilovač konvertoru. Generátor nemusí poskytovat požadované napětí a měl by být zvýšen. Chcete-li načíst miniaplikace, musíte vybrat zařízení s konektorem USB.
  3. Ohřívač a chladič. Pro turistické podmínky nebo chalupy je vhodný zdroj požárního vytápění: domácí sporák, lampa, svíčka, oheň. Moderní řešení je katalytický ohřívač, který vám umožní nabíjet mobilní telefon na cestách. Pro chlazení lze použít vzduch nebo vodu.
  4. Výstavba Vlastní Peltierův prvek se skládá z nádrže, ve které je oheň nastaven a modul je namontován na tepelnou pastu venku. Prostřednictvím vodičů se připojuje k měniči napětí. Je důležité, aby zařízení nebylo přehřáté. K tomu je chladič přilepený ke studené straně modulu.

domácí zboží peltier

Závěr

Moduly Peltier jsou prvky, které se běžně používají pro chlazení moderních elektronických zařízení. Zvláště jsou nezbytné pro normalizaci tepelného režimu výkonných procesorů. Z nich dělají vlastní ruce malé chladničky pro automobily nebo vily.

Vzhledem k tomu, že proces je reverzibilní, prvky se používají jako přenosné mini-elektrárny v místech, kde neexistují zdroje elektrické energie.