Peltierův článek je termoelektrický měnič, který při protékání elektrického proudu vytváří na svých površích teplotní rozdíl. Princip činnosti je založen na Peltierově jevu - vzniku teplotního rozdílu v místě kontaktu vodičů pod vlivem elektrického proudu.

Konstrukce a princip činnosti Peltierova článku.

Myslím, že jen odborníci na fyziku mohou pochopit, jak vlastně Peltierův prvek funguje. Pro praktiky je hlavní, že existuje minimální modulová jednotka - termočlánek, což jsou dva spojené vodiče typu p a n.

Když proud prochází termočlánkem, teplo se absorbuje na kontaktu n-p a teplo se uvolňuje na kontaktu p-n. V důsledku toho se část polovodiče sousedící s n-p přechodem ochladí a protější část se zahřeje. Pokud změníte polaritu proudu, pak naopak, sekce n-p se zahřeje a protější sekce se ochladí.

Existuje také opačný efekt. Když je jedna strana termočlánku zahřátá, vzniká elektrický proud.

Pro praktická aplikace Energie absorpce tepla jednoho termočlánku nestačí. Termoelektrický modul používá mnoho termočlánků. Elektricky jsou zapojeny do série. A konstrukce je taková, že přechody chlazení a topení jsou umístěny na různých stranách modulu.

Termočlánky se instalují mezi dvě keramické desky. Jsou propojeny měděnými přípojnicemi. Počet termočlánků může dosáhnout několika stovek. Výkon modulu závisí na jejich počtu.

Teplotní rozdíl mezi teplou a studenou stranou Peltierova modulu může dosáhnout 70 °C.

Musíte pochopit, že Peltierův termoelektrický modul snižuje teplotu jedné strany vzhledem k druhé. Tito. Aby měla studená strana nízkou teplotu, je nutné odebrat teplo z horkého povrchu a snížit jeho teplotu.

Pro zvýšení teplotního rozdílu je možné sériové (kaskádové) zapojení modulů.

Aplikace.

Používají se Peltierovy termoelektrické moduly:

• v malých domácích a autochladničkách;
• ve vodních chladičích;
• v chladicích systémech elektronických zařízení;
• v termoelektrických generátorech.

Udělal jsem to pomocí Peltierova prvku.

Výhody a nevýhody Peltierových modulů.

Srovnávat Peltierovy články s kompresorovými chladicími jednotkami je nějak špatně. Vůbec různá zařízení– velký mechanický systém s kompresorem, plynem, kapalinou a malou polovodičovou součástkou. A není s čím srovnávat. Proto jsou výhody a nevýhody Peltierových modulů velmi relativní pojem. Jsou oblasti, ve kterých nejsou vyměnitelné a v jiných případech je jejich použití zcela nepraktické.

Mezi výhody Peltierových prvků patří:

• nepřítomnost mechanicky pohyblivých částí, plynů, kapalin;
• tichý provoz;
• malé velikosti;
• schopnost zajistit chlazení i vytápění;
• Možnost plynulé regulace chladicího výkonu.

nedostatky:

• nízká účinnost;
• potřeba zdroje energie;
• omezený počet start-stopů;
• vysoká cena výkonných modulů.

Parametry Peltierových prvků.

• Qmax(W) – chladící výkon s maximálním přípustným proudem a teplotním rozdílem mezi teplou a studenou stranou rovným 0. Předpokládá se, že veškerá tepelná energie přiváděná na studený povrch je okamžitě beze ztrát převedena na horký povrch.
• Delta Tmax(stupeň) - maximální teplotní rozdíl mezi povrchy modulu za ideálních podmínek: teplota teplé strany je 27 °C a studené strany s nulovým přenosem tepla.
• Imax(A) – proud zajišťující teplotní rozdíl delta Tmax.
• Umax(V) – napětí, při proudu Imax a teplotním rozdílu delta Tmax.
• Odpor(Ohm) – odolnost modulu proti stejnosměrnému proudu.
• POLICAJT(Coefficient Of Performance) – koeficient, poměr chladicího výkonu k elektrické energii spotřebované modulem. Tito. zdání účinnosti. Obvykle 0,3-0,5.

Provozní požadavky na Peltierovy prvky.

Peltierovy moduly jsou vrtošivá zařízení. Jejich použití je spojeno s řadou požadavků, jejichž nedodržení vede k degradaci či selhání modulu a snížení účinnosti systému.

• Moduly generují značné množství tepla. K odvodu tepla musí být instalován vhodný radiátor. V opačném případě:
  • Není možné dosáhnout požadované teploty studené strany, protože... Peltierův článek snižuje teplotu relativně horkého povrchu.
  • Přípustný ohřev teplé strany je obvykle + 80 °C (u vysokoteplotních aplikací až 150 °C). Tito. modul může jednoduše selhat.
  • Při vysokých teplotách dochází k degradaci krystalů modulu, tzn. snižuje se účinnost a životnost modulu.
• Důležité spolehlivý tepelný kontakt modulu s chladícím chladičem.
• Musí být zajištěno napájení modulu proud se zvlněním ne více než 5%. Při vyšší úrovni pulzace se účinnost modulu sníží podle některých údajů o 30-40%.
• K ovládání Peltierova prvku není přípustné používat reléové regulátory. To povede k rychlé degradaci modulu. Každé zapnutí a vypnutí způsobuje degradaci polovodičových termočlánků. V důsledku náhlých teplotních změn mezi deskami modulu dochází k mechanickému namáhání na přechodech s polovodiči. Výrobci Peltierových prvků standardizují počet start-stop cyklů modulu. U modulů pro domácnost je to asi 5000 cyklů. Reléový regulátor deaktivuje Peltierův modul za 1-2 měsíce.
• Kromě toho má Peltierův článek vysokou tepelnou vodivost mezi povrchy. Po vypnutí se teplo z radiátoru na horké straně přenese přes modul na studenou stranu.
• Nepřijatelný pro regulaci výkonu na Peltierově článku, použít PWM modulaci.
• Jak by měl být Peltierův článek napájen zdrojem proudu nebo napětí? Obvykle se používá zdroj napětí. Je to jednodušší na implementaci. Ale charakteristika proudu a napětí Peltierova modulu je nelineární a strmá. Tito. Při malé změně napětí se výrazně změní proud. A navíc se charakteristika mění při změně teploty povrchů modulů. Musíme stabilizovat sílu, tj. součin proudu procházejícího modulem a napětí na něm. Chladicí kapacita Peltierova článku přímo souvisí s elektrickou energií. To samozřejmě vyžaduje poměrně složitý regulátor.
• Napětí modulu závisí na počtu termočlánků v něm. Nejčastěji se jedná o 127 termočlánků, což odpovídá napětí 16 V. Vývojky prvků Doporučuje se napájet až 12V nebo 75 % Umax. Toto napětí zajišťuje optimální účinnost modulu.
• Moduly jsou hermeticky uzavřeny a lze je používat i ve vodě.
• Polarita modulu je vyznačena barvami vodičů - černá a červená. Typicky je červený (kladný) vodič umístěn na pravé straně vzhledem ke studené straně.

Vyvinul jsem lednici, která všechny tyto požadavky splňuje. On:

• Vyrábí energii pro Peltierův prvek se zvlněním ne větším než 2 %.
• Stabilizuje na modulu elektrická energie, tj. součin proudu a napětí.
• Zajišťuje plynulou aktivaci modulu.
• Regulace teploty probíhá na principu analogového řízení, tzn. plynulá změna výkonu na Peltierově článku.
• Ovladač je určen pro lednici, takže matematika ovladačů zohledňuje setrvačnost chlazení vzduchu v komoře.
• Poskytuje modulovou regulaci teploty horké strany a ovládání ventilátoru.
• Má vysokou účinnost a širokou funkčnost.

Termoelektrický Peltierův modul TEC1-12706.

Jedná se o nejběžnější typ Peltierova prvku. Používá se v mnoha domácí přístroje. Není drahý, s dobrými parametry. Dobrá volba pro výrobu chladniček s nízkým výkonem, vodních chladičů atd.

Uvádím charakteristiku modulu TEC1-12706 přeloženou do ruštiny z dokumentace výrobce - HB Corporation.

Technické parametry TEC1-12706.

Grafické vlastnosti.

0 Kategorie: . Můžete si to uložit do záložek.

Mnozí slyšeli o „magických“ Peltierových prvcích - když jimi prochází proud, jedna strana se ochladí a druhá se zahřívá. To funguje i v opačném směru – pokud je jedna strana ohřívána a druhá ochlazována, vzniká elektřina. Peltierův jev je znám již od roku 1834, ale dodnes nás těší inovativní produkty na jeho bázi (stačí si uvědomit, že při výrobě elektřiny, např. solární panely- existuje bod maximálního výkonu a pokud od něj pracujete daleko, účinnost výroby se značně sníží).

V NedávnoČíňané strčili jehlu a zaplavili internet svými relativně levnými moduly, takže experimenty s nimi už nezaberou příliš peněz. Číňané slibují maximální teplotní rozdíl mezi teplou a studenou stranou 60-67 stupňů. Hmmm... Co když vezmeme 5 prvků a zapojíme je do série, pak bychom měli dostat 20C-67*5 = -315 stupňů! Ale něco mi říká, že všechno není tak jednoduché...

Stručná teorie

Klasické „čínské“ Peltierovy prvky je 127 prvků zapojených do série a připájených ke keramickému „ tištěný spoj"z Al2O3. Pokud je tedy provozní napětí 12 V, pak každý prvek představuje pouze 94 mV. Existují prvky s různým počtem po sobě jdoucích prvků a podle toho i s jiným napětím (například 5V).

Musíme si pamatovat, že Peltierův článek není rezistor, jeho odpor je nelineární, takže pokud použijeme 12V - nemusíme dostat 6 ampér (pro 6 ampérový prvek) - proud se může měnit v závislosti na teplotě (ale ne příliš mnoho ). Také při 5V (tedy méně než je jmenovitá hodnota) nebude proud 2,5A, ale menší.

Kromě toho je množství přenášeného tepla vysoce závislé na teplotním rozdílu mezi povrchy. S rozdílem 60-67C má přenos tepla tendenci k 0 a s nulovým rozdílem - 51 Watt pro 12*6 = 72W prvek. Zjevně to již neumožňuje tak snadné zapojování prvků do série - každý další musí mít menší velikost než předchozí, jinak se nejchladnější prvek bude snažit vydat více tepla (72 W) než prvek další stupeň může sám procházet při požadovaném teplotním rozdílu (1-51W).

Peltierovy prvky jsou montovány nízkotavnou pájkou s bodem tavení 138C - pokud by tedy prvek náhodou zůstal bez chlazení a přehříval se, pak bude stačit rozpájet jeden z 127*2 kontaktů a prvek vyhodit na skládku. No, prvky jsou velmi křehké - jak keramika, tak samotné chladicí prvky - omylem jsem roztrhl 2 prvky "podélně" kvůli těsně zaschlé tepelné pastě:

Zkusme to

Takže malý prvek je 5V * 2A, velký je 12 * 9A. Chladič s heatpipe, pokojová teplota. Výsledek: -19 stupňů. Zvláštní... 20-67-67 = -114, ale ukázalo se, že je to žalostných -19...

Myšlenka je vyndat vše na mrazivý vzduch, ale je tu problém - chladič heatpipe se dobře ochladí pouze tehdy, když teplota „horké“ a „studené“ strany chladiče leží na opačných stranách plynné kapaliny. fázový přechod výplně trubek. V našem případě to znamená, že chladič v zásadě není schopen uchladit nic pod +20C (protože dole fungují jen tenké stěny heatpipe). Budeme se muset vrátit k základům – k celoměděnému chladicímu systému. A aby omezený výkon chladiče neovlivnil měření, přidáváme kilogramovou měděnou desku - tepelný akumulátor.

Výsledek je šokující – stejných -19 s jedním i dvěma stupni. Okolní teplota - -10. Tito. s nulovou zátěží jsme udělali sotva ubohých 9 stupňů rozdílu.

Rozjeďte těžké dělostřelectvo

Ukázalo se, že chladírna č. 7 není daleko ode mě a rozhodl jsem se zastavit s kartonovou krabicí. Vrátil se s 5 kilogramy suchého ledu (teplota sublimace -78C). Spustíme tam měděnou konstrukci - zapojíme proud - při 12V začne teplota okamžitě stoupat, při 5V klesne o 1 stupeň za vteřinu a pak rychle stoupá. Všechny naděje jsou zmařeny...

Závěry a video pro dezert

Účinnost konvenčních čínských Peltierových prvků rychle klesá při teplotách pod nulou. A i když je stále možné chladit plechovku koly se zdánlivou účinností, teploty pod -20 nelze dosáhnout. A problém není s konkrétními prvky - prvky jsem zkoušel různé modely od 3 různých prodejců - chování je stejné. Zdá se, že kryogenní stupně vyžadují prvky z jiných materiálů (a možná každý stupeň vyžaduje jiný materiál prvku).

Se zbývajícím suchým ledem můžete udělat následující:

PS. A pokud smícháte suchý led s isopropylalkoholem, získáte tekutý dusík pro „chudé“ – stejně zábavné je zmrazovat a lámat květiny atd. Je to jen proto, že se alkohol při kontaktu s pokožkou nevaří, a proto je mnohem snazší získat omrzliny.

Peltierův článek je speciální termoelektrický měnič, který pracuje na stejnojmenném Peltierově principu - vznik teplotního rozdílu při dodávce elektrického proudu. V anglický jazyk nejčastěji označovaný jako TEC, což znamená termoelektrický chladič.

Jak funguje Peltierův prvek?

Činnost Peltierova prvku je založena na kontaktu dvou vodivých materiálů, které mají různé úrovně energie elektronů ve vodivém pásmu. Když je přes takové spojení přiváděn elektrický proud, elektron získává vysokou energii, aby se pak přesunul do vyššího energetického vodivostního pásma jiného polovodiče. V okamžiku absorpce této energie se chladící oblast vodiče ochladí. Pokud proud teče opačným směrem, vede to k zahřívání kontaktního bodu a k obvyklému tepelnému efektu.

Pokud je na jedné straně dobrý odvod tepla např. při použití radiátorových systémů, tak studená strana může zajistit velmi nízkou teplotu, která bude o desítky stupňů nižší než teplota okolního světa. Velikost proudu je úměrná stupni chlazení. Pokud změníte polaritu elektrického proudu, pak strany (teplé a studené) jednoduše změní místo.

Při kontaktu s kovovým povrchem se Peltierův článek stává tak malým, že je téměř nemožné si toho všimnout na pozadí ohmického ohřevu a jiných tepelně vodivých efektů. Proto se v praxi používají dva polovodiče.

Počet termočlánků může být velmi různorodý - od 1 do 100, díky čemuž je možné vyrobit Peltierův článek s téměř libovolným chladícím výkonem.

Praktické použití

V dnešní době Peltierovy prvky aktivně se používá pro:

1. chladničky;
2. klimatizace;
3. Automobilové chladiče;
4. vodní chladiče
5. PC grafické karty;

Peltierův článek je široce používán v různých chladicích systémech, včetně chladniček a klimatizací. Jeho schopnost dosahovat velmi nízkých teplot z něj činí vynikající řešení pro chlazení elektrických spotřebičů nebo technických zařízení, která jsou vystavena teplu. Dnes vývojáři používají Peltierovy prvky v akustických a zvukových systémech, kde fungují jako běžný chladič. Absence intenzivních zvuků způsobuje, že proces chlazení je téměř tichý, což je vynikající výhoda prvku.

V dnešní době je tato technologie velmi oblíbená díky jejímu velmi silný odvod tepla. Moderní Peltierovy články mají navíc velmi kompaktní rozměry a jejich radiátory jsou schopny dlouhodobě udržovat požadovanou teplotu. Další výhodou Peltierových prvků je jejich odolnost, protože... sestávají z pevných, stacionárních prvků, což snižuje pravděpodobnost poruch. Konstrukce nejběžnějšího typu vypadá velmi jednoduše a obsahuje dva měděné vodiče s kontakty a propojovacími vodiči a také izolační prvek, který je vyroben z nerezové oceli nebo keramických materiálů.

Vzhledem k jednoduchosti designu není výroba Peltierova prvku vlastníma rukama doma vůbec obtížná. Dá se použít pro ledničky nebo jiné spotřebiče. Před zahájením práce je třeba připravit dvě kovové desky a kabeláž s kontakty. Zpočátku připravte vodiče, které je třeba nainstalovat na základnu prvku. Zpravidla se používají vodiče označené „PP“.

Také se vyplatí postarat se předem o polovodiče na výstupu. Budou sloužit k přenosu tepla na horní desku. Při instalaci použijte páječku. V závěrečné fázi musíte připojit dva vodiče. První je instalován na základně a pevně upevněn v blízkosti vnějšího vodiče. Je důležité zajistit, aby byl vyloučen jakýkoli kontakt s deskou.

Druhý vodič je připevněn nahoře. Připevňuje se stejným způsobem jako první - na krajní vodič. Chcete-li zkontrolovat funkčnost zařízení, měli byste použít tester. Jednoduše připojte dva vodiče k zařízení a zkontrolujte napětí. Odchylka napětí bude být někde kolem 23V.

Jak vyrobit Peltierovy prvky pro lednici?

Udělejte si svépomocí Peltierovy prvky pro lednici také snadno a rychle. První věc, kterou musíte před prací zvážit, je materiál desky. Musí to být odolná keramika. Pokud jde o vodiče, je třeba je připravit minimálně 20 kusů, což umožní dosáhnout maximálního rozdílu teplot. Při správném výpočtu lze účinnost zvýšit o 70 %.

Hodně záleží na výkonu použitého zařízení. Pokud chladnička funguje na bázi tekutého freonu, pak nikdy nebudou problémy s napájením. Peltierův článek, který byl vyroben ručně, je instalován přímo vedle výparníku, který je instalován společně s motorem. Pro takovou instalaci budete muset mít zásobu nejstandardnější sady nástrojů a těsnění. Budou aplikovány na modelový prvek ze startovací štafety. S tímto řešením bude chlazení ve spodní části zařízení probíhat mnohem rychleji.

Stojí za to pamatovat, že než si vyrobíte Peltierův prvek pro ledničku vlastníma rukama, musíte zásobit dostatečným počtem elektrických vodičů. Abyste dosáhli rozdílu teplot při vývoji prvku vlastníma rukama, použijte alespoň 16 vodičů. Nezapomeňte je opatřit kvalitní izolací a teprve poté je připojit ke kompresoru. Poté, co se ujistíte, že spojení mezi vodiči je spolehlivé a bezpečné, můžete přistoupit k jejich připojení. Po dokončení instalace znovu zkontrolujte pevnost limitního napětí pomocí testeru. Pokud byl provoz prvku narušen, projeví se to nejprve na termostatu. Někdy to zkratuje.

Kromě chladniček se Peltierovy prvky aktivně používají také v chladičích automobilů. Vyrobte si kvalitní autochladnička Dělat to sami je také docela jednoduché. K tomu musíte najít dobrou keramickou desku o tloušťce alespoň 1,1 milimetru. Vodiče musí být nemodulární. Jako vodiče je nejlepší použít měděné dráty s šířkou pásma ne méně než 4 ampéry.

V tomto ohledu maximální odchylka teploty dosáhne deseti stupňů, což je považováno za normální. V častých případech se používají vodiče označené „PR20“, které se dokázaly vyznačovat maximální spolehlivostí a stabilitou provozu. Navíc jsou vhodné pro různé typy kontakty. Při připojování zařízení ke kondenzátoru byste měli použít páječku.

Jak vyrobit Peltierův článek pro chladič pitné vody?

Chladič pitné vody je velmi důležité a potřebné zařízení, které včas ochladí nebo ohřeje pitnou vodu. Na urychlit proces chlazení, můžete použít Peltierův prvek. Můžete to udělat stejně jednoduše jako ledničku nebo autochladničku:

• Jako talíř byste měli používat výhradně keramický povrch.
• Zařízení používá minimálně 12 vodičů, které snesou vysoký odpor.
• Pro připojení je třeba použít dva vodiče (nejlépe měděné). Prvek je instalován ve spodní části chladiče. Navíc se může dostat do kontaktu s krytem zařízení. Ale aby se zabránilo možné zkraty upevněte veškerou kabeláž k mřížce nebo krytu.

DIY Peltierův prvek pro klimatizace

Pokud mluvíme o Peltierově prvku pro klimatizace, pak může být vyroben pouze z vodiče „PR12“. Faktem je, že tento typ vodiče dobře snáší abnormální teploty a je schopen dodat napětí až 23V. Odpor by měl kolísat do 3 ohmů. Maximální teplotní rozdíly dosáhnou 10 stupňů a účinnost bude 65 procent. Potřebné vodiče seřadit.

Za zmínku stojí, že Peltierův prvek může sloužit jako chladič pro grafickou kartu osobního počítače. Chcete-li vyrobit chladič, musíte vzít 14 vodičů, nejlépe z mědi. Chcete-li připojit Peltierův prvek k počítačové grafické kartě, musíte použít nemodulární vodič. Samotné zařízení je namontováno vedle vestavěného chladiče na grafické kartě. Pro upevnění můžete použít malé kovové rohy a pro upevnění běžné matice.

Pokud během provozu zaznamenáte nějaké intenzivní zvuky nebo jiné nepřirozené zvuky, vyplatí se zkontrolovat funkčnost elektroinstalace a prohlédnout každý vodič.

Chladicí zařízení se v našich životech tak pevně usadilo, že je dokonce těžké si představit, jak bychom se bez něj obešli. Ale klasické designy chladiv nejsou vhodné pro mobilní použití, například jako cestovní chladící taška.

K tomuto účelu se používají instalace, ve kterých je princip činnosti založen na Peltierově jevu. Pojďme si o tomto fenoménu krátce povědět.

co to je?

Tento termín označuje termoelektrický jev objevený v roce 1834 francouzským přírodovědcem Jeanem-Charlesem Peltierem. Podstatou efektu je uvolňování nebo absorpce tepla v oblasti, kde jsou v kontaktu různé vodiče, kterými prochází elektrický proud.

V souladu s klasickou teorií existuje pro tento jev následující vysvětlení: elektrický proud přenáší elektrony mezi kovy, které mohou urychlovat nebo zpomalovat jejich pohyb v závislosti na rozdílu kontaktních potenciálů ve vodičích z různých materiálů. V souladu s tím se s nárůstem kinetické energie přeměňuje na tepelnou energii.

Na druhém vodiči je pozorován opačný proces vyžadující doplnění energie v souladu se základním fyzikálním zákonem. K tomu dochází v důsledku tepelné vibrace, která způsobuje ochlazování kovu, ze kterého je vyroben druhý vodič.

Moderní technologie umožňují vyrábět polovodičové prvky-moduly s maximálním termoelektrickým účinkem. Má smysl krátce mluvit o jejich designu.

Konstrukce a princip činnosti

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

Označení:

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

Konstrukce je provedena tak, že každá strana modulu je v kontaktu buď p-n nebo n-p přechody(v závislosti na polaritě). Kontakty p-n zahřát, n-p – vychladnout (viz obr. 3). V souladu s tím vzniká na stranách prvku teplotní rozdíl (DT). Pro pozorovatele bude tento efekt vypadat jako přenos tepelné energie mezi stranami modulu. Je pozoruhodné, že změna polarity napájení vede ke změně horkých a studených povrchů.

Rýže. 3. A – horká strana termočlánku, B – studená strana

Specifikace

Vlastnosti termoelektrických modulů jsou popsány následujícími parametry:

• chladicí výkon (Q max), tato charakteristika je určena na základě maximálního přípustného proudu a teplotního rozdílu mezi stranami modulu, měřeno ve Wattech;
• maximální teplotní rozdíl mezi stranami prvku (DT max), parametr je uveden pro ideální podmínky, jednotkou měření jsou stupně;
• přípustný proud potřebný k zajištění maximálního teplotního rozdílu – I max;
• maximální napětí U max potřebné k tomu, aby proud I max dosáhl špičkového rozdílu DT max ;
• vnitřní odpor modulu – Odpor, udávaný v Ohmech;
• koeficient účinnosti - COP (zkratka z angličtiny - koeficient výkonu), v podstatě se jedná o účinnost zařízení, ukazující poměr chlazení ke spotřebě energie. U levných prvků se tento parametr pohybuje v rozmezí 0,3-0,35, u dražších modelů se blíží 0,5.

Označení

Podívejme se, jak jsou dešifrována typická označení modulů na příkladu na obrázku 4.

Obrázek 4. Peltierův modul označený TEC1-12706

Označení je rozděleno do tří smysluplných skupin:

1. Označení prvku. První dvě písmena jsou vždy nezměněna (TE), což znamená, že se jedná o termočlánek. Další označuje velikost, mohou tam být písmena „C“ (standardní) a „S“ (malá). Poslední číslo udává, kolik vrstev (kaskád) je v prvku.
2. Počet termočlánků v modulu zobrazený na fotografii je 127.
3. Jmenovitý proud je v ampérech, pro nás je to 6 A.

Stejným způsobem se čtou i označení ostatních modelů řady TEC1, např.: 12703, 12705, 12710 atd.

aplikace

Navzdory poměrně nízké účinnosti jsou termoelektrické prvky široce používány v měřicích, výpočetních a domácích spotřebičích. Moduly jsou důležitým provozním 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.

Chladnička využívající Peltierovy články

Termoelektrické chladicí jednotky mají výrazně nižší výkon než kompresorové a absorpční analogy. Mají však významné výhody, proto je jejich použití za určitých podmínek vhodné. Mezi tyto výhody patří:

• jednoduchost designu;
• odolnost proti vibracím;
• nepřítomnost pohyblivých prvků (kromě ventilátoru foukajícího chladič);
• nízká hladina hluku;
• malé rozměry;
• schopnost pracovat v jakékoli pozici;
• dlouhá životnost;
• nízká spotřeba energie.

Tyto vlastnosti jsou ideální pro mobilní instalace.

Peltierův článek jako generátor elektřiny

Termoelektrické moduly mohou fungovat jako generátory elektřiny, pokud je jedna z jejich stran vystavena nucenému ohřevu. Čím větší je teplotní rozdíl mezi stranami, tím vyšší je proud generovaný zdrojem. Bohužel maximální teplota pro tepelný generátor je omezená, nemůže být vyšší než bod tání pájky použité v modulu. Porušení této podmínky povede k poruše prvku.

Pro hromadnou výrobu tepelných generátorů se používají speciální moduly se žáruvzdornou pájkou, které lze zahřát na teplotu 300°C. V běžných prvcích, například TEC1 12715, je limit 150 stupňů.

Protože účinnost takových zařízení je nízká, používají se pouze v případech, kdy není možné použít efektivnější zdroj elektrické energie. Mezi turisty, geology a obyvateli odlehlých oblastí jsou však žádané tepelné generátory 5-10 W. Velký a silný stacionární instalace, poháněné vysokoteplotním palivem, se používají k napájení plynových rozvodů, zařízení meteorologických stanic apod.

K chlazení procesoru

Relativně nedávno se tyto moduly začaly používat v systémech chlazení CPU osobní počítače. Vzhledem k nízké účinnosti termoprvků jsou výhody takových konstrukcí spíše pochybné. Například pro chlazení 100-170W zdroje tepla (vhodné pro většinu moderní modely CPU), budete muset utratit 400-680 W, což vyžaduje instalaci výkonného napájecího zdroje.

Druhé úskalí spočívá v tom, že nezatížený procesor uvolní méně tepelné energie a modul jej dokáže ochladit pod rosný bod. V důsledku toho se začne tvořit kondenzát, který zaručeně poškodí elektroniku.

Ti, kteří se rozhodnou vytvořit 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 systému chlazení CPU nákladově efektivní, navíc mohou způsobit poruchu počítačové vybavení mimo provoz.

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

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

Klimatizace založená na Peltierových prvcích

Teoreticky bude takové zařízení konstrukčně mnohem jednodušší než klasické klimatizační systémy, ale to vše souvisí s nízkým výkonem. Jedna věc je chladit malý objem ledničky, druhá věc je chladit místnost nebo interiér auta. Klimatizační jednotky využívající termoelektrické moduly spotřebují více elektřiny (3-4krát) než zařízení běžící na chladivo.

Pokud jde o použití jako automobilový systém klimatizace, pak výkon standardního generátoru nebude k provozu takového zařízení stačit. Jeho výměna za účinnější zařízení povede ke značné spotřebě paliva, což není nákladově efektivní.

Na tematických fórech se pravidelně objevují diskuse na toto téma a zvažují se různé domácí návrhy, ale plnohodnotný funkční prototyp ještě nevznikl (nepočítám-li klimatizaci pro křečka). Je docela možné, že se situace změní, až budou široce dostupné moduly s přijatelnější účinností.

Pro chladicí vodu

Termoelektrický prvek se často používá jako chladicí kapalina pro vodní chladiče. Konstrukce obsahuje: chladicí modul, termostatem řízený regulátor a ohřívač. Tato implementace je mnohem jednodušší a levnější než kompresorový okruh, navíc je spolehlivější a snadněji se ovládá. Existují však také určité nevýhody:

• voda neochlazuje pod 10-12°C;
• chlazení trvá déle než jeho kompresorový protějšek, proto není takový chladič vhodný do kanceláře velké množství dělníci;
• zařízení je citlivé na vnější teplotu, v teplé místnosti se voda neochladí na minimální teplotu;
• Instalace v prašných místnostech se nedoporučuje, protože může dojít k ucpání ventilátoru a selhání chladicího modulu.

Stolní vodní chladič s Peltierovým prvkem

Vysoušeč vzduchu na bázi Peltierových prvků

Na rozdíl od klimatizace je implementace odvlhčovače pomocí termoelektrických prvků docela možná. Design je poměrně jednoduchý a levný. Chladicí modul snižuje teplotu chladiče pod rosný bod, v důsledku čehož se na něm usazuje vlhkost obsažená ve vzduchu procházejícím zařízením. Usazená voda je vypouštěna do speciální akumulační nádrže.

I přes nízkou účinnost je v tomto případě účinnost zařízení vcelku uspokojivá.

Jak se připojit?

S připojením modulu nebudou problémy, na výstupní vodiče musí být přivedeno konstantní napětí, jeho hodnota je uvedena v datasheetu prvku. Červený vodič musí být připojen ke kladnému pólu, černý vodič k zápornému pólu. Pozornost! Obrácením polarity se obrátí pozice chlazených a vyhřívaných povrchů.

Jak zkontrolovat funkčnost Peltierova prvku?

Nejjednodušší a spolehlivým způsobem– hmatové. Je nutné připojit modul k příslušnému zdroji napětí a dotýkat se jeho různých stran. U pracovního prvku bude jeden z nich teplejší, druhý chladnější.

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

1. připojte sondy ke svorkám modulu;
2. přiveďte zapálený zapalovač na jednu ze stran;
3. Sledujeme hodnoty přístroje.

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

Jak vyrobit Peltierův prvek vlastníma rukama?

Je téměř nemožné vyrobit domácí modul doma, zejména proto, že to nemá smysl, vzhledem k jejich relativně nízké ceně (asi 4 až 10 $). Můžete si ale sestavit zařízení, které se vám bude hodit na túru, například termoelektrický generátor.

Pro stabilizaci napětí je nutné na IC čip L6920 sestavit jednoduchý převodník.

Na vstup takového převodníku je přiváděno napětí v rozsahu 0,8-5,5 V, na výstupu bude vyrábět stabilních 5 V, což je dostačující pro dobití většiny mobilní zařízení. V případě použití klasického Peltierova článku je nutné omezit rozsah provozních teplot vyhřívané strany na 150 °C. Abyste se vyhnuli potížím se sledováním, je lepší jako zdroj tepla použít hrnec s vroucí vodou. V tomto případě je zaručeno, že se prvek nezahřeje nad 100 °C.

Termočlánek (Peltierův modul) funguje na opačném principu termočlánku - vznik teplotního rozdílu při protékání elektrického proudu.

Jak funguje Peltierův prvek?

Poměrně jednoduché je použití Peltierova modulu, jehož principem je uvolnit nebo absorbovat teplo v okamžiku kontaktu různé materiály když jím prochází energetický tok elektronů před a po kontaktu, je to jiné. Pokud je na výstupu méně, znamená to, že se tam vytváří teplo. Když jsou elektrony v kontaktu inhibovány elektrickým polem, přenášejí kinetickou energii do krystalové mřížky a zahřívají ji. Pokud se zrychlí, teplo se absorbuje. K tomu dochází v důsledku skutečnosti, že část energie je odebírána krystalová mřížka a ochladí se.

Tento jev je do značné míry vlastní polovodičům, což se vysvětluje velkým rozdílem v nábojích.

Peltierův modul, jehož aplikace je tématem našeho přehledu, se používá při vytváření termoelektrických chladicích zařízení (TEC). Nejjednodušší z nich se skládá ze dvou polovodičů typu p a n zapojených do série přes měděné kontakty.

Pokud se elektrony přesunou z polovodiče "p" do "n", na prvním spojení s kovovým můstkem se rekombinují a uvolňují energii. Další přechod z polovodiče "p" na měděný vodič je doprovázen "protahováním" elektronů kontaktem elektrickým polem. Tento proces vede k absorpci energie a ochlazování oblasti kolem kontaktu. Procesy probíhají podobným způsobem na následujících přechodech.

Umístěním vyhřívaných a chlazených kontaktů do různých rovnoběžných rovin bude dosaženo praktické implementace metody. Polovodiče jsou vyrobeny ze selenu, vizmutu, antimonu nebo teluru. Peltierův modul obsahuje velké množství termočlánků umístěných mezi keramickými deskami z nitridu hliníku nebo oxidu hliníku.

Faktory ovlivňující účinnost TEM

• Síla proudu.
• Počet termočlánků (až několik stovek).
• Druhy polovodičů.
• Rychlost chlazení.

Větších hodnot zatím nebylo dosaženo kvůli nízké účinnosti (5-8 %) a vysoké ceně. Pro úspěšnou práci TEM je nutné zajistit efektivní odvod tepla z ohřívané strany. To vytváří potíže při praktické implementaci metody. Pokud je polarita obrácená, studená a horká strana se navzájem obrátí.

Výhody a nevýhody modulů

Potřeba TEM vznikla s příchodem elektronických zařízení vyžadujících miniaturní chladicí systémy. Výhody modulů jsou následující:

• kompaktnost;
• žádné pohyblivé spoje;
• Peltierův modul má reverzibilní princip činnosti při změně polarity;
• jednoduchost kaskádových zapojení pro zvýšení výkonu.

Hlavní nevýhodou modulu je nízká účinnost. To se projevuje vysokou spotřebou energie pro dosažení požadovaného chladicího efektu. Navíc má vysokou cenu.

Aplikace TEM

Peltierův modul se používá především pro chlazení mikroobvodů a malých dílů. Bylo zahájeno chlazení prvků vojenské techniky:

• mikroobvody;
• infračervené detektory;
• laserové prvky;
• krystalové oscilátory.

Peltierův termoelektrický modul se postupně začal používat v domácích spotřebičích: k výrobě ledniček, klimatizací, generátorů a termostatů. Jeho hlavním účelem je chlazení malých předmětů.

Chlazení CPU

Hlavní součásti počítačů se neustále zdokonalují, což vede ke zvýšení tvorby tepla. Společně s nimi jsou vyvíjeny chladicí systémy využívající inovativní technologie a moderní ovládání. Peltierův modul našel v této oblasti uplatnění především v chladicích mikroobvodech a dalších rádiových součástkách. Tradiční chladiče si již neporadí s nuceným přetaktováním režimů mikroprocesorů. A zvýšení frekvence procesorů umožňuje zvýšit jejich výkon.

Zvýšení otáček ventilátoru má za následek značný hluk. To je eliminováno použitím Peltierova modulu v kombinovaném chladicím systému. Přední společnosti si tak rychle osvojily výrobu účinných chladicích systémů, které začaly být velmi žádané.

Teplo je obvykle odváděno z procesorů chladiči. Proud vzduchu může být nasáván zvenčí nebo přicházet zevnitř systémové jednotky. Hlavním problémem je, že teplota vzduchu je někdy nedostatečná pro odvod tepla. Proto se TEM začal používat k chlazení proudu vzduchu vstupujícího do systémová jednotka, čímž se zvyšuje účinnost přenosu tepla. Vestavěná klimatizace je tedy pomocníkem tradičního systému chlazení počítače.

Na obou stranách modulu jsou připevněny hliníkové radiátory. Ze strany studené desky je do procesoru pumpován chladicí vzduch. Poté, co odebere teplo, jej další ventilátor vyfoukne přes chladič horké desky modulu.

Moderní TEM je řízen elektronické zařízení s teplotním čidlem, kdy stupeň chlazení je úměrný zahřívání procesoru.

Určité problémy způsobuje také aktivace chlazení procesoru.

1. Jednoduché chladicí moduly Peltier jsou určeny pro nepřetržitý provoz. Nižší spotřeba také snižuje odvod tepla, který může způsobit přechlazení čipu a následné zamrznutí procesoru.
2. Pokud není provoz chladničky a chladničky správně sladěn, může se stát, že se chladnička přepne do režimu vytápění místo chlazení. Přídavný zdroj tepla způsobí přehřátí procesoru.

Tedy pro moderní procesory Potřebujeme pokročilé technologie chlazení s kontrolou provozu samotných modulů. K takovým změnám provozních režimů nedochází u grafických karet, které také vyžadují intenzivní chlazení. Proto je pro ně TEM ideální.

Autochladnička pro kutily

V polovině minulého století se domácí průmysl snažil ovládnout výrobu malých ledniček na bázi Peltierova jevu. Stávající technologie té doby to neumožňovaly. V dnešní době je limitujícím faktorem především vysoká cena, ale pokusy pokračují a úspěchu již bylo dosaženo.

Široká výroba termoelektrických zařízení vám umožňuje vytvořit malou ledničku s vlastními rukama, vhodnou pro použití v automobilech. Jeho základem je „sendvič“, který se vyrábí následovně.

1. Na horní radiátor se nanese vrstva teplovodivé pasty typu KPT-8 a z jedné strany keramického povrchu se přilepí Peltierův modul.
2. Podobně je k němu ze spodní strany připevněn další radiátor určený pro umístění do komory chladničky.
3. Celé zařízení je pevně slisováno a sušeno po dobu 4-5 hodin.
4. Chladiče jsou instalovány na obou radiátorech: horní odvádí teplo a spodní vyrovnává teplotu v komoře chladničky.

Tělo chladničky je vyrobeno s tepelně izolačním těsněním uvnitř. Je důležité, aby se těsně uzavřel. K tomu můžete použít běžnou plastovou krabici na nářadí.

Napájení 12V je napájeno ze systému vozidla. Lze to provést i ze sítě 220 V střídavý proud, s napájením. Používá se nejjednodušší převodní obvod AC na DC. Obsahuje usměrňovací můstek a kondenzátor vyhlazující zvlnění. Je důležité, aby na výstupu nepřesáhly 5% jmenovité hodnoty, jinak se snižuje účinnost zařízení. Modul má dva výstupy z barevných vodičů. „Plus“ je vždy spojeno s červenou a „mínus“ s černou barvou.

Výkon TEM musí odpovídat objemu krabice. První 3 číslice označení udávají počet párů polovodičových mikroprvků uvnitř modulu (49-127 nebo více). vyjádřeno posledními dvěma číslicemi označení (od 3 do 15 A). Pokud výkon nestačí, musíte na radiátory nalepit další modul.

Poznámka! Pokud proud překročí výkon prvku, zahřeje se na obou stranách a rychle selže.

Peltierův modul: generátor elektrické energie

TEM lze použít k výrobě elektřiny. K tomu je nutné vytvořit teplotní rozdíl mezi deskami a termočlánky umístěné mezi nimi budou generovat elektrický proud.

Pro praktické využití potřebujete TEM s alespoň 5 V. Pak jej můžete použít k nabíjení mobilní telefon. Vzhledem k nízké účinnosti Peltierova modulu bude nutný boost konvertor DC napětí. K sestavení generátoru budete potřebovat:

• 2 Peltierovy moduly TEC1-12705 s rozměrem desky 40x40 mm;
• převodník EK-1674;
• hliníkové desky tloušťky 3 mm;
• vodní pánev;
• tepelně odolné lepidlo.

Dva moduly jsou umístěny mezi desky s lepidlem a poté je celá konstrukce připevněna ke dnu pánve. Pokud jej naplníte vodou a zapálíte, získáte požadovaný teplotní rozdíl, který vytváří EMF řádově 1,5 V. Připojením modulů k boost měniči můžete zvýšit napětí na 5 V, což je nutné k nabití baterie telefonu.

Čím větší je teplotní rozdíl mezi vodou a nižší vyhřívanou deskou, tím je generátor účinnější. Proto se musíme snažit snížit ohřev vody různé způsoby: zajistěte průtok, vyměňte jej častěji za čerstvý atd. Efektivní způsob, jak zvýšit teplotní rozdíl, je kaskádování modulů, kdy jsou vrstveny jeden na druhém. Zvětšení celkových rozměrů zařízení umožňuje umístit více prvků mezi desky a tím zvýšit celkový výkon.

Výkon generátoru bude dostatečný pro nabíjení malých baterií, provoz LED lampy nebo rádio. Poznámka! K vytvoření tepelných generátorů budete potřebovat moduly schopné provozu při 300-400 0 C! Zbytek je vhodný pouze pro zkušební testování.

Na rozdíl od jiných prostředků alternativní výroby elektřiny mohou fungovat za jízdy, pokud vytvoříte něco jako katalytické topení.

Domácí Peltierovy moduly

TEM vlastní výroby se na našem trhu objevily teprve nedávno. Jsou vysoce spolehlivé a mají dobré vlastnosti. Modul Peltier, který je velmi žádaný, má rozměry 40x40 mm. Je určen pro maximální proud 6 A a napětí do 15 V.

Domácí Peltierův modul lze pořídit za nízkou cenu. Při výkonu 85 W vytváří teplotní rozdíl 60 0 C. Spolu s chladičem dokáže ochránit procesor před přehřátím se ztrátovým výkonem 40 W.

Charakteristika modulů předních společností

Zahraniční zařízení jsou na trhu prezentována ve větší rozmanitosti. Pro ochranu procesorů od předních společností je jako chladnička použit modul PAX56B Peltier, jehož cena včetně ventilátoru je 35 dolarů.

S rozměry 30x30 mm udržuje teplotu procesoru maximálně 63 0 C s výkonem 25 W. Pro napájení stačí napětí 5 V a proud nepřesahuje 1,5 A.

Modul PA6EXB Peltier se dobře hodí pro chlazení procesoru, poskytuje normální teplotní podmínky se ztrátovým výkonem 40 W. Plocha jeho modulu je 40x40 mm a proudový odběr až 8 A. Kromě působivých rozměrů - 60x60x52,5 mm (včetně ventilátoru) - vyžaduje zařízení kolem sebe volný prostor. Jeho cena je 65 dolarů.

Když je použit Peltierův modul, Specifikace musí odpovídat potřebám chlazených zařízení. Je nepřijatelné, aby jejich teplota byla příliš nízká. To může vést ke kondenzaci vlhkosti, která může být škodlivá pro elektroniku.

Moduly pro výrobu generátorů, jako jsou, se vyznačují vyšším výkonem - 72 W a 108 W, resp. Vyznačují se značkami, které jsou vždy aplikovány na horkou stranu. Maximální přípustná teplota horké strany je 150-160 0 C. Čím větší je teplotní rozdíl mezi deskami, tím vyšší je výstupní napětí. Zařízení pracuje při maximálním teplotním rozdílu 600 0 C.

Peltierův modul si můžete koupit levně – asi 10 dolarů nebo méně za kus, pokud se pořádně podíváte. Prodejci poměrně často výrazně navyšují ceny, ale pokud je koupíte ve slevě, můžete je najít několikanásobně levněji.

Závěr

Peltierův jev nyní našel uplatnění při vytváření malých ledniček nezbytných pro moderní technologie. Reverzibilita procesu umožňuje vyrábět mikroelektrárny, které jsou žádané pro nabíjení baterií elektronických zařízení.

Na rozdíl od jiných prostředků alternativní výroby energie mohou fungovat za jízdy, pokud je nainstalováno katalytické topení.