Элемент Пельтье. Элемент пельтье что это такое.

Если вы делаете столь возвышенные выводы, будьте добры, уточните и опишите, на чем и где основаны эти ложные выводы. Тогда мы сможем провести дискуссию.

Элемент Пельтье

Все вы знаете, что электричество можно использовать для нагревания предметов. Это может быть паяльник, электрический чайник, утюг, фен, всевозможные нагревательные приборы и так далее. Но слышали ли вы когда-нибудь, что электричество можно использовать и для охлаждения предметов? «Как насчет холодильника, например», — скажете вы. И будете неправы. В бытовом холодильнике электричество выполняет лишь вспомогательную функцию: закачивает фреон.

Но существуют ли такие радиаторы, которые, питаясь от электричества, производят холод? Оказывается, существуют ;-). В 1834 году французский физик Жан Пельтье обнаружил поглощение тепла при прохождении электрического тока через контакт двух разнородных проводников. Или, другими словами, в этот момент наблюдалось понижение температуры. Теперь, как это обычно бывает в физике, явление назвали именем первооткрывателя, чтобы не придумывать для него новое название. Вы открыли что-то новое? Вам придется ответить за свои слова). С тех пор это явление называют эффектом Пельтье.

Удивительно, но элемент, который вызывает охлаждение, называется элементом Пельтье. Элемент Пельтье — это термоэлектрический преобразователь, основанный на эффекте Пельтье — создании разницы температур при протекании электрического тока. В англоязычной литературе элементы Пельтье также называют TEC (T hermo E lectric C ooler).

Практический опыт с элементом Пельтье

Выглядят они по-разному, но основная их форма — это прямоугольная или квадратная поверхность с двумя проводниками. Я сразу же отметил сторону «А» и сторону «В» для дальнейших экспериментов.

Почему я отметил стороны?

Как вы думаете, этот элемент полностью остынет, если мы просто приложим к нему сырое напряжение? Не хочу вас разочаровывать, но это не так. Еще раз внимательно прочитайте определение элемента Пельтье. Видите ли вы там фразу «разница температур»? Именно так. То есть у нас есть сторона, которая горячая, и сторона, которая холодная. В нашем мире нет ничего идеального.

Чтобы определить температуру на каждой стороне элемента Пельтье, я использую мультиметр, который поставляется вместе с термопарой.

Теперь он показывает температуру в помещении. Да, она теплая 😉

Чтобы определить, какая сторона элемента Пельтье нагревается, а какая охлаждается, мы подключаем красный провод к плюсу, а черный — к минусу и подаем небольшое напряжение, два-три вольта. Я обнаружил, что сторона «А» холодная, а сторона «В» горячая, прикоснувшись к ней рукой. Если поменять полярности местами, то никакого вреда не будет. Просто сторона А становится горячей, а сторона В — холодной, то есть они меняются ролями.

Пока вы здесь, узнайте, что такое твердотельное реле! Это бесплатно.

Итак, (нормальное) номинальное напряжение для работы элемента Пельтье составляет 12 вольт. После того как я подключу положительный полюс к красной клемме, а отрицательный — к черной, сторона B нагреется. Давайте измерим температуру. Подайте 12 вольт и посмотрите на показания мультиметра:

77 градусов Цельсия — это не шутка. Эта сторона настолько горячая, что вы обожжете пальцы, если прикоснетесь к ней.

Поэтому самый важный трюк при использовании элемента Пельтье в вашей электронике — это хороший теплоотвод. Желательно, чтобы теплоотвод обдувался вентилятором. На данный момент я взял теплоотвод от усилителя, который был отдан мне в ремонт. Я нанес термопасту KPT-8 и прикрепил элемент Пельтье к радиатору.

Я подал 12 вольт и измерил температуру на стороне A:

7 градусов Цельсия). Если дотронуться до него, пальцы замерзают.

Но есть и обратный эффект: с помощью элемента Пельтье можно вырабатывать электричество, когда одна сторона охлаждается, а другая нагревается. Очень хороший пример — факел, который работает от тепла рук.

Потребляемая мощность элемента Пельтье

Предполагается, что сам элемент Пельтье потребляет много энергии. Регулирование температуры его сторон достигается за счет напряжения. Чем выше напряжение, тем больший ток он потребляет. А чем больше ток, тем быстрее он нагревается. Поэтому регулировать охлаждение можно грубым изменением значения напряжения).

Вот некоторые значения тока, потребляемого элементом Пельтье:

При напряжении 1 вольт он потребляет 0,3 ампера. Неплохо)

Увеличьте напряжение до 3 вольт.

При напряжении 3 вольта потребляет 0,1 ампера.

Увеличьте до 5 вольт.

Чуть больше 1,5 ампера.

Достигаем 12 вольт, рабочего напряжения:

Почти 4 ампера! Ограбление).

Давайте рассчитаем приблизительную мощность. 4×12=48 ватт. Это даже больше, чем 40-ваттная лампочка, висящая в вашем шкафу). Если элемент Пельтье настолько прожорлив, имеет ли смысл строить из него холодильники и холодильные камеры? Конечно же, нет! Такой холодильник будет потреблять не менее 10 киловатт! Но есть одно маленькое преимущество — он будет абсолютно бесшумным). Но если нет возможности, то из элементов Пельтье делают и холодильники. По сути, это мини-холодильники для автомобилей. Некоторые люди также используют элементы Пельтье для охлаждения процессора в компьютере. Это очень эффективно, но с точки зрения потребления энергии лучше использовать старый добрый вентилятор.

Принцип работы устройства

Элемент Пельтье работает за счет взаимодействия одного проводящего материала с другим, который имеет другой энергетический уровень электронов в проводящей области. Когда электрон проходит через такой канал связи, он приобретает большой запас энергии, который позволяет ему войти в проводящую область с более высоким уровнем энергии. Поглощение этой энергии приводит к снижению температуры на стыке между проводниками. Когда ток течет обратно, спай нагревается, что проявляется в типичном тепловом эффекте.

При условии, что с одной стороны подключен теплоотвод, на другой стороне при работе системы излучения возникает сильный эффект охлаждения (до нескольких десятков градусов ниже температуры окружающей среды). Существует прямая зависимость между силой тока и степенью охлаждения. При изменении полярности стороны нагрева и охлаждения также меняют свое положение.

Когда элемент Пельтье взаимодействует с металлическими компонентами, производимый им эффект многократно снижается, а температурный контраст практически незаметен из-за различных эффектов теплопроводности в цепи. По этой причине в практических приложениях используются одновременно два полупроводника.

Термопары можно комбинировать в любом количестве в пределах сотни, что позволяет создать элемент Пельтье с любой охлаждающей способностью.

Термоэлектрический модуль

Эффект Пельтье особенно ярко проявляется при использовании p- и n-полупроводников: В зависимости от направления электрического тока энергия поглощается или выделяется при переходе через p-n контакт.

Единичным элементом термоэлектрического модуля (ТЭМ) является термопара, структура которой представляет собой соединение проводника p и проводника n. Если несколько таких элементов соединены последовательно, тепло поглощается на контакте n-p и выделяется на контакте p-n. Это приводит к уже описанной разнице температур. Обычный принцип подключения заключается в том, что горячая сторона всегда находится внизу на схеме

Рисунок 1: Термоэлектрический модуль Пельтье

В ТЭМ термопары закреплены между двумя керамическими пластинами. Каждая из нитей приваривается к проводящим медным площадкам (шинам), которые, в свою очередь, соединены с теплопроводящим материалом, таким как оксид алюминия.

Рабочее напряжение блока должно определяться в зависимости от количества компонентов. Наиболее распространены конструкции блоков с 127 парами и максимальным напряжением 16 вольт. Однако обычно достаточно 75 % от этого значения. Более того, этот процент является наиболее подходящим, так как отвечает требованиям условий эксплуатации и достаточно экономичен. Повышение напряжения приводит лишь к незначительному увеличению производительности, но потребление энергии при этом значительно выше.

Применение на практике

На сегодняшний день применение элемента Пельте особенно актуально в устройствах следующих типов:

• Холодильники;
• Кондиционеры;
• Автомобильные охладители;
• Кулеры для воды;
• Видеокарты для персонального компьютера.

В целом, можно сказать, что элемент Пельтье стал неотъемлемой частью различных систем охлаждения и кондиционирования воздуха. Использование этого устройства — отличный подход к решению проблемы перегрева оборудования. В настоящее время элемент Пельтье можно использовать и для охлаждения акустического и звукового оборудования, так как он абсолютно бесшумен и идеально подходит для этих целей.

Есть несколько качеств элемента Пельтье, которые пользуются большим спросом:

• Они обеспечивают достаточно мощную теплоотдачу;
• Имеют весьма скромные размеры, что позволяет использовать их практически в любых устройствах;
• Способны к сохранению одного и того же температурного режима на протяжении продолжительного срока (благодаря радиаторам);
• Отличаются изрядной долговечность, поскольку укомплектованы из ряда цельных недвижимых компонентов.

Простейшая часть элемента состоит из двух медных проводников, соединенных контактами, с изолирующим элементом (из нержавеющей стали или керамики) на соединительных проводах.

Устройство и принцип работы

Современные устройства состоят из двух изолирующих пластин (обычно из керамики), соединенных последовательно с термопарами. Упрощенное представление такого элемента показано на рисунке ниже.

Примечания:

• А – контакты для подключения к источнику питания;
• B – горячая поверхность элемента;
• С – холодная сторона;
• D – медные проводники;
• E – полупроводник на основе р-перехода;
• F – полупроводник n-типа.

Конструкция такова, что каждая сторона модуля контактирует либо с p-n, либо с n-p контактами n (в зависимости от полярности). Контакты p-n нагреваются, а контакты n-p охлаждаются (см. рисунок 3). Следовательно, на сторонах элемента возникает разность температур (DT). Для наблюдателя это явление выглядит как передача тепловой энергии между сторонами элемента. Примечательно, что изменение полярности источника питания приводит к смене горячей и холодной поверхностей.

Технические характеристики

Свойства термоэлектрических модулей описываются следующими параметрами:

• холодопроизводительностью (Q_max), эта характеристика определяется на основе максимально допустимого тока и разности температуры между сторонами модуля, измеряется в Ваттах;
• максимальным температурным перепадом между сторонами элемента (DT_max), параметр приводится для идеальных условий, единица измерения — градусы;
• допустимая сила тока, необходимая для обеспечения максимального температурного перепада – I_max;
• максимальным напряжением U_maxнеобходимый для тока I_maxдля достижения максимальной разности DT_max;
• внутренним сопротивлением модуля – Resistance, указывается в Омах;
• коэффициентом эффективности – СОР (аббревиатура от английского — coefficient of performance), по сути это КПД устройства, показывающее отношение охлаждающей к потребляемой мощности. У недорогих элементов этот параметр находится в пределах 0,3-0,35, у более дорогих моделей приближается к 0,5.

Маркировка

На примере рисунка 4 показано, как расшифровать стандартную маркировку единиц измерения.

Маркировка разделена на три важные группы:

1. Обозначение элемента. Две первые литеры всегда неизменны (ТЕ), говорят о том, что это термоэлемент. Следующая указывает размер, могут быть литеры «С» (стандартный) и «S» (малый). Последняя цифра указывает, сколько слоев (каскадов) в элементе.
2. Количество термопар в модуле, изображенном на фото их 127.
3. Величина номинального тока в Амперах, у нас – 6 А.

Маркировка других моделей серии TEC1 может быть прочитана таким же образом, например: 12703, 12705, 12710 и т.д.

Характеристики элементов Пельтье

На рынке представлено множество различных типов элементов Пельтье, но все они имеют следующие характеристики:

• холодопроизводительность;
• максимальная разность температур между сторонами;
• рабочий ток, обеспечивающий необходимую разность температур;
• напряжение, при котором через устройство протекает рабочий ток;
• омическое сопротивление устройства;
• коэффициент эффективности или КПД (отношение мощности, необходимой для охлаждения к потребляемой электрической мощности).

Как и все в жизни, элементы Пельтье имеют некоторые недостатки, которые необходимо учитывать. Одним из их недостатков является высокое энергопотребление. В зависимости от температуры и влажности окружающей среды в устройстве может образовываться конденсат, а при определенных условиях даже лед.

Где применяется

Практическое применение элементов Пельтье неограниченно, так как существует множество приложений, которые одновременно охлаждают и нагревают. Благодаря огромному прогрессу в области полупроводников, сейчас производятся устройства размером с монету с эффектом Пельтье.

Охлаждающий элемент размером в несколько миллиметров обеспечивает мощность охлаждения до 0,5 Вт. Другими словами, для достижения мощности охлаждения 15-20 Вт требуются батареи, содержащие по меньшей мере 30 или 40 элементов. Соединение большого количества элементов увеличивает поверхность излучения и, следовательно, мощность охлаждения. Таким образом, и размер, и результирующая мощность нагрева зависят от количества элементов, соединенных в блок.

Элементы или устройства Пельтье чаще используются для охлаждения, чем для нагрева. Для нагрева лучше подходят электрические резисторы, которые гораздо эффективнее элементов Пельтье. Последние больше подходят для охлаждения, поскольку их малые размеры позволяют заменить дорогие и громоздкие охлаждающие устройства, требующие специальных газов или жидкостей.

Другое применение — охлаждение процессора на материнских платах, т.е. использование в качестве кулера.

Проверка элементов Пельтье

Самый простой способ проверить устройство — использовать принцип его работы, т.е. пропустить через него электрический ток и вручную проверить, что одна сторона нагревается, а другая охлаждается.

Также можно проверить работу элемента на основе обратного эффекта Зеебека. В этом случае к элементу необходимо подключить мультиметр. После подключения измеренное значение должно быть равно нулю. Если теперь поднести горящую зажигалку к одной стороне элемента, мультиметр должен показать электрический ток.

Что можно сделать из элементов Пельтье?

Казалось бы, элементы Пельтье не представляют собой ничего нового, но многие люди не совсем понимают принцип их работы и не знают, на что способны эти устройства и для чего они используются. Изобретатель Игорь Белецкий показывает несколько наглядных экспериментов, чтобы вы могли получить представление о том, на что способны эти пластины.

Их легко купить в Интернете, а также доставить вам по почте. Лучшее место для покупки пластины Пельтье — этот китайский магазин. Там же есть специальный кулер.

Изображение: устройство Пельтье

Самый популярный модуль Пельтье TEC1-12706

Самым популярным элементом среди профессионалов, интересующихся свободной природной энергией, и производителей технического оборудования является элемент размером 40 x 40 мм под названием TEC1-12706, который состоит из 127 крошечных пар термопар, представляющих собой полупроводники разных типов, соединенных попарно медными шортами, образуя гирлянду, и имеет выходную мощность до 5 А постоянного тока при напряжении 12 вольт.

Некоторые люди считают, что модули Пельтье похожи на солнечные батареи — ведь они такие же плоские, из них торчат провода, и оба могут вырабатывать электричество. К сожалению, в действительности это не совсем так. Чтобы понять, как работают загадочные панели, посмотрите видео И. Белецкого, описание которого в текстовом виде приведено ниже.

Эффекты Пельте и Зебека — функции модуля

Это устройство имеет два режима работы — 1. генерация холода и тепла; 2.

1. знаменитый эффект Пельтье (тепло-холод). Это происходит, когда вы подаете постоянный ток на элемент и замечаете, что одна сторона элемента стала более горячей, а другая — более холодной. Таким образом, он работает как тепловой насос. Очень полезное свойство. В этом нет никаких сомнений.

2 Но, оказывается, существует и обратный процесс — так называемый эффект Зебека, то есть возникновение электрического тока при создании и поддержании определенной разницы температур на сторонах самого элемента (пластины).

Примечание: Не перегревайте элементы, если вы хотите проводить с ними дальнейшие эксперименты. Полупроводники модуля припаяны с помощью клеящего материала, температура плавления которого может составлять от восьмидесяти до двухсот градусов. А если учесть, где сегодня производится большинство этих компонентов, то можно только представить, в какие козявки они впаяны.

Схема. Как создается электричество при нагреве сторон Пельтье

Проблема в том, что этот элемент будет работать правильно только в том случае, если его эффективно охлаждать.

Тест с получением электричества

Например, мы хотим проверить эффект Зебека. Для этого мы ставим на него чашку с кипятком. Таким образом мы не превысим 100 градусов, которые допускает нагреватель.

Мы наблюдаем за появлением тенденции. Интересно, что когда мы меняем направление теплового потока через устройство, направление постоянного тока меняется. Однако со временем, из-за теплопроводности элемента Пельтье, температура увеличится и на другой стороне, и напряжение, естественно, уменьшится.

Для того чтобы эффект был постоянным, необходим непрерывный отвод тепла. Для этого устройство помещают в массивный теплоотвод, желательно с активным охлаждением. Производительность, как вы можете себе представить, намного выше. Однако это требует дополнительного потребления энергии.

Допустим, вы хотите превратить этот предмет в зарядное устройство для мобильного телефона в походных условиях. Тогда кулер можно поместить в холодную воду на природе, может быть, даже в проточную или замороженную воду, что, безусловно, еще лучше. Самое перспективное время для использования этих предметов — зима, когда стоит хороший минус.

Однако одного улья, конечно, недостаточно для зарядки мобильного телефона. Но два лучше. Если мы увеличим нагрев, то, конечно, увеличится и выходная мощность. Однако это очень рискованный шаг, на который можно пойти только в экспериментальных целях. Работа такого генератора долго не продлится.

Теперь перейдем к эффекту Пельтье, то есть к генерации холода.

Холодильник на модулях Пельте — насколько он эффективен?

Для эксперимента используется автомобильный холодильник. Его полезный объем составляет 20 литров. Обратите внимание, что указанная выходная мощность составляет 48 Вт при силе тока 4 ампера и напряжении 12 вольт постоянного тока. Это означает, что в нем находится только 1 маленький элемент Пельтье. Для тех, кто не знает: Обычный бытовой холодильник имеет такую же мощность, но его размеры во много раз больше. Но в любом случае, сейчас не об этом. Давайте посмотрим на его производительность. Например, примем за задачу-минимум охладить чашку воды с комнатной температурой 26 градусов. Для работы кулера мы будем использовать тот агрегат, который наиболее соответствует его параметрам. В цепи также будет установлен ваттметр. Он будет показывать ток, напряжение и мощность в реальном времени. Но самое главное — это потребление, так называемые ватты в час. Так мы сможем примерно оценить энергопотребление нашего холодильника.