Element Peltiera - jak działa i jak sprawdzić i podłączyć

Zasada działania elementu Peltiera opiera się na na efekt Peltiera, który polega na tym, że gdy prąd stały przepływa przez złącze dwóch różnych przewodników, energia jest przekazywana z jednego przewodnika przejściowego do drugiego, a ciepło jest uwalniane lub pochłaniane na złączu.

Ilość ciepła wydzielonego lub pochłoniętego podczas tego procesu będzie proporcjonalna do natężenia prądu, czasu jego przepływu, a także współczynnika Peltiera charakterystycznego dla danej pary lutowanych drutów. Z kolei współczynnik Peltiera jest równy współczynnikowi termoelektrycznemu pary pomnożonemu przez bezwzględną temperaturę złącza w danym momencie.

A ponieważ efekt Peltiera jest najbardziej wyrazisty w półprzewodnikach, to ta właściwość jest wykorzystywana w popularnych i niedrogich elementach półprzewodnikowych Peltiera. Po jednej stronie elementu Peltiera ciepło jest pochłaniane, po drugiej jest uwalniane. Następnie przyjrzymy się bliżej temu zjawisku.

Bezpośredni efekt fizyczny Peltiera został odkryty w 1834 roku.przez francuskiego fizyka Jeana Peltiera, a cztery lata później istotę tego zjawiska zbadał rosyjski fizyk Emilius Lenz, który wykazał, że jeśli pręty bizmutu i antymonu były w bliskim kontakcie, woda kapała w miejscu kontaktu, a następnie przez skrzyżowanie prąd stały o określonym kierunku, to jeśli w początkowym kierunku prądu woda zamieni się w lód, to jeśli kierunek prądu zmieni się na przeciwny, to lód ten szybko się stopi.

W swoim eksperymencie Lenz wyraźnie wykazał, że ciepło Peltiera jest pochłaniane lub uwalniane w zależności od kierunku prądu płynącego przez złącze.

Poniżej znajduje się tabela współczynników Peltiera dla trzech popularnych par metali. Nawiasem mówiąc, efekt odwrotny do efektu Peltiera nazywa się efektem Seebecka (kiedy podczas ogrzewania lub chłodzenia połączeń obwodu zamkniętego, Elektryczność).

Dlaczego więc występuje efekt Peltiera? Powodem jest to, że w punkcie styku dwóch substancji występuje kontaktowa różnica potencjałów, która generuje między nimi kontaktowe pole elektryczne.

Jeśli prąd elektryczny przepływa teraz przez styk, pole to albo pomoże w przepływie prądu, albo go uniemożliwi. Dlatego, jeśli prąd jest skierowany przeciwnie do wektora siły pola kontaktowego, to źródło przyłożonego pola elektromagnetycznego musi wykonać pracę, a energia źródła jest uwalniana w punkcie kontaktu, co spowoduje jego nagrzanie.

Jeśli prąd źródłowy jest skierowany wzdłuż pola kontaktowego, to jest niejako dodatkowo wspierany przez to wewnętrzne pole elektryczne, a teraz pole wykona dodatkową pracę, aby przenieść ładunki. Energia ta jest teraz odbierana substancji, co faktycznie powoduje ochłodzenie złącza.

Skoro więc wiemy, że w elementach Peltiera stosowane są pary półprzewodników, jaki proces stosuje się w półprzewodnikach?

To proste: te półprzewodniki różnią się poziomem energii elektronów w paśmie przewodnictwa. Kiedy elektron przechodzi przez połączenie tych materiałów, zyskuje energię, dzięki czemu może przejść do pasma przewodnictwa o wyższej energii innej pary półprzewodników.

Kiedy elektron pochłania tę energię, punkt styku półprzewodnika ochładza się.Gdy prąd płynie w przeciwnym kierunku, punkt styku półprzewodnika nagrzewa się oprócz zwykłego ciepła Joule'a. Gdyby w ogniwach Peltiera zastosowano czyste metale zamiast półprzewodników, efekt termiczny byłby tak mały, że nagrzewanie omowe znacznie by go przekroczyło.

W prawdziwym konwerterze Peltiera, takim jak TEC1-12706, kilka równoległościanów z tellurku bizmutu oraz stałego krzemu i germanu jest zamontowanych pomiędzy dwoma podłożami ceramicznymi, zlutowanymi razem w obwodzie szeregowym. Te pary półprzewodników typu n i p są połączone zworami przewodzącymi, które stykają się z podłożami ceramicznymi.

Każda para małych równoległościanów półprzewodnikowych tworzy styk w celu przewodzenia prądu z półprzewodnika typu n do półprzewodnika typu p po jednej stronie konwertera Peltiera oraz z półprzewodnika typu p do półprzewodnika typu n po drugiej stronie konwerter.

Kiedy prąd przepływa przez te wszystkie połączone szeregowo równoległościany, to z jednej strony wszystkie styki są tylko chłodzone, az drugiej strony tylko się nagrzewają.Jeśli zmieni się biegunowość źródła, zmienią się boki role.

Zgodnie z tą zasadą działa element Peltiera, czyli inaczej zwany termoelektryczny konwerter Peltiera, w którym ciepło jest pobierane z jednej strony produktu i przekazywane na drugą stronę, podczas gdy różnica temperatur powstaje po obu stronach element.

Możliwe jest nawet dalsze schłodzenie strony grzewczej elementu Peltiera za pomocą radiatora z wentylatorem, wówczas temperatura strony zimnej będzie jeszcze niższa. W powszechnie dostępnych ogniwach Peltiera różnica temperatur może dochodzić do około 69°C.

Aby sprawdzić stan elementu Peltiera, wystarczy bateria palcowa. Czerwony przewód ogniwa podłączony jest do dodatniego bieguna zasilacza, czarny przewód do ujemnego.Jeżeli element działa prawidłowo, to z jednej strony nastąpi grzanie, a z drugiej chłodzenie, można to odczuć Twoje palce. Rezystancja konwencjonalnego elementu Peltiera jest rzędu kilku omów.