Peltier termoelektrisk modul - enhet, driftsprinsipp, egenskaper

Fenomenet med fremveksten av termo-EMF ble oppdaget av den tyske fysikeren Thomas Johann Seebeck tilbake i 1821. Og dette fenomenet består i det faktum at i en lukket elektrisk krets bestående av heterogene ledere koblet i serie, forutsatt at kontaktene deres har forskjellige temperaturer, oppstår en EMF.

Denne effekten, oppkalt etter oppdageren Seebeck-effekten, kalles nå ganske enkelt termoelektrisk effekt.

Hvis kretsen bare består av et par forskjellige ledere, kalles en slik krets termo. I en første tilnærming kan det hevdes at størrelsen på termo-emf bare avhenger av materialet til lederne og temperaturene på de kalde og varme kontaktene. I et lite temperaturområde er termo-EMF således proporsjonal med temperaturforskjellen mellom kalde og varme kontakter, og proporsjonalitetskoeffisienten i formelen kalles termo-EMF-koeffisienten.

Så, for eksempel, ved en temperaturforskjell på 100 ° C, ved en kald kontakttemperatur på 0 ° C, har et par kobberkonstantan en termo-EMF-verdi på 4,25 mV.

I mellomtiden, Den termoelektriske effekten er basert på tre komponenter:

Den første faktoren er forskjellen i forskjellige stoffer i avhengighet av den gjennomsnittlige elektronenergien av temperatur. Som et resultat, hvis temperaturen på lederen i den ene enden er høyere, får elektronene høyere hastigheter der enn elektronene i den kalde enden av lederen.

Forresten, konsentrasjonen av ledningselektroner øker også i halvledere med oppvarming. Elektroner suser til den kalde enden med høy hastighet, og en negativ ladning akkumuleres der, og en ukompensert positiv ladning oppnås ved den varme enden. Så det er en komponent av termo-EMF, kalt volumetrisk EMF.

Den andre faktoren er at for forskjellige stoffer avhenger kontaktpotensialforskjellen av temperaturen på en annen måte. Dette skyldes forskjellen i Fermi-energien til hver av lederne som bringes i kontakt. Forskjellen i kontaktpotensialet som oppstår i dette tilfellet, er proporsjonal med Fermi-energiforskjellen.

Et elektrisk felt oppnås i et tynt kontaktlag, og potensialforskjellen på hver side (for hver av lederne som bringes i kontakt) vil være den samme, og når kretsløpet sirkles i en lukket krets, vil det resulterende elektriske feltet være null.

Men hvis temperaturen til en av lederne skiller seg fra temperaturen til den andre, så på grunn av Fermi-energiens avhengighet av temperatur, vil potensialforskjellen også endre seg. Som et resultat vil det være kontakt EMF - den andre komponenten i termo-EMF.

Den tredje faktoren er fononøkningen i EMF. Forutsatt at det er en temperaturgradient i det faste stoffet, vil antallet fononer (fonon - kvantiteten av vibrasjonsbevegelse av krystallatomer) som beveger seg i retningen fra den varme enden til kulden råde, som et resultat som sammen med fononer et stort antall elektroner vil bli ført bort mot den kalde enden , og en negativ ladning akkumuleres der til prosessen kommer i likevekt.

Dette gir den tredje komponenten i termo-EMF, som ved lave temperaturer kan være hundrevis av ganger høyere enn de to komponentene som er nevnt over.

I 1834 oppdaget den franske fysikeren Jean Charles Peltier den motsatte effekten. Han fant ut at når en elektrisk strøm går gjennom et kryss mellom to forskjellige ledere, frigjøres eller absorberes varme.

Mengden varme som absorberes eller frigjøres er assosiert med typen loddede stoffer, samt retningen og størrelsen på den elektriske strømmen som strømmer gjennom krysset.Peltier-koeffisienten i formelen er numerisk lik koeffisienten for termo-EMF multiplisert med den absolutte temperaturen. Dette fenomenet er nå kjent som peltier effekt.

I 1838 forsto den russiske fysikeren Emiliy Khristianovich Lenz essensen av Peltier-effekten. Han testet eksperimentelt Peltier-effekten ved å legge en dråpe vann i krysset mellom antimon- og vismutprøver. Da Lenz førte en elektrisk strøm gjennom kretsløpet, ble vannet om til is, men da forskeren snudde retning av strømmen, smeltet isen raskt.

Forskeren etablerte på en slik måte at når strømmen strømmer, ble ikke bare Joule-varmen frigjort, men også absorpsjon eller frigjøring av tilleggsvarme skjedde. Denne tilleggsvarmen ble kalt Peltier-varme.

Det fysiske grunnlaget for Peltier-effekten er som følger. Kontaktfeltet i krysset mellom to stoffer, skapt av kontaktpotensialforskjellen, hindrer enten passering av strøm gjennom kretsløpet, eller bidrar til det.

Hvis strømmen føres mot feltet, kreves det arbeid fra kilden, som må bruke energi for å overvinne kontaktfeltet, som et resultat av at krysset blir oppvarmet. Hvis strømmen blir rettet slik at kontaktfeltet støtter den, så utfører kontaktfeltet arbeidet, og energien blir tatt bort fra selve stoffet og ikke konsumert av strømkilden. Som et resultat blir stoffet i krysset avkjølt.

Den mest ekspressive Peltier-effekten i halvledere, på grunn av hvilken Peltier-moduler eller termoelektriske omformere.

Innerst i Peltier-element to halvledere i kontakt med hverandre. Disse halvlederne kjennetegnes ved energien til elektroner i ledningsbåndet, så når en strøm strømmer gjennom kontaktpunktet, blir elektronene tvunget til å skaffe energi for å kunne overføre til et annet ledningsbånd.

Så når du flytter til et ledende bånd med høyere energi fra en annen halvleder, absorberer elektronene energi og kjøler overgangsstedet. I motsatt retning av strømmen avgir elektronene energi, og oppvarming skjer i tillegg til Joule-varmen.

Peltier halvledermodul består av flere par halvledere p og n-typeformet som små parallellepipeder. Vanligvis brukes vismut Tellurid og en fast løsning av silisium og germanium som halvledere. Parallelfipler i halvleder er sammenkoblet parvis av kobberhoppere. Disse hopperne fungerer som kontakter for varmeveksling med keramiske plater.

Hoppere er plassert slik at på den ene siden av modulen er det bare hoppere som gir en n-p overgang, og på den andre siden er det bare hoppere som gir en p-n overgang. Som et resultat, når en strøm tilføres, varmes den ene siden av modulen opp, den andre siden avkjøles, og hvis polariteten i forsyningen blir reversert, vil varme- og kjølesidene skifte plass tilsvarende. Med strømmen blir det overført varme fra den ene siden av modulen til den andre, og det oppstår en temperaturforskjell.

Hvis nå den ene siden av Peltier-modulen blir oppvarmet og den andre blir avkjølt, vil termo-emf vises i kretsen, det vil si at Seebeck-effekten blir realisert. Selvfølgelig er Seebeck-effekten (termoelektrisk effekt) og Peltier-effekten to sider av den samme mynten.

I dag kan du enkelt kjøpe Peltier-moduler til en relativt rimelig pris. De mest populære Perrier-modulene er typen TEC1-12706, som inneholder 127 termoelementer, og designet for 12 volt forsyning.

Med et maksimalt forbruk på 6 ampere oppnås en temperaturforskjell på 60 ° C, mens det trygge driftstemperaturområdet som er erklært av produsenten er fra -30 ° C til + 70 ° C. Størrelsen på modulen er 40mm x 40mm x 4mm. Modulen kan fungere både i kjøleoppvarmingsmodus og i generasjonsmodus.

Det er kraftigere Peltier-moduler, for eksempel TEC1-12715, vurdert til 165 watt. Når den drives av en spenning fra 0 til 15,2 volt, med en strømstyrke på 0 til 15 ampere, er denne modulen i stand til å utvikle en temperaturforskjell på 70 grader.Størrelsen på modulen er også 40 mm x 40 mm x 4 mm, men området med sikre arbeidstemperaturer er bredere - fra -40 ° C til + 90 ° C.

Tabellen nedenfor viser dataene om Peltier-moduler som er mye tilgjengelige på markedet i dag:

Data om Pelt-moduler