Элемент пельтье это: Элемент Пельтье : описание, подключение, схема, характеристики

Элементы Пельтье. Работа и применение. Обратный эффект

Элементы Пельтье называются специальные термоэлектрические преобразователи, работающие по принципу Пельтье. (образования разности температур при подключении электрического тока, другими словами, термоэлектрический охладитель).

Что такое элемент Пельтье

Ни для кого не секрет, что электронные устройства при работе греются. Нагрев отрицательно влияет на процесс работы, поэтому, чтобы как-то охладить приборы, в корпус устройств встраивают специальные элементы, называющиеся по имени изобретателя из Франции – Пельтье. Это малогабаритный элемент, который может охлаждать радиодетали на платах устройств. При его установке собственными силами никаких проблем не возникнет, монтаж в схему производится обычным паяльником.

1 — Изолятор керамический
2 — Проводник n — типа
3 — Проводник p — типа
4 — Проводник медный

В ранние времена вопросы охлаждения никого не интересовали, поэтому это изобретение осталось без применения. Два века спустя, при использовании электронных устройств в быту и промышленности, стали применять миниатюрные элементы Пельтье, вспомнив об эффекте французского изобретателя.

Принцип действия

Чтобы понять, как работает элемент на основе изобретения Пельтье, необходимо разобраться в физических процессах. Эффект заключается в соединении двух материалов с токопроводящими свойствами, обладающими различной энергией электронов в районе проводимости. При подключении электрического тока к зоне связи, электроны получают высокую энергию, для перехода в зону с более высокой проводимости второго полупроводника. Во время поглощения энергии проводники охлаждаются. При течении тока в обратную сторону происходит обычный эффект нагревания контакта.

Вся работа осуществляется на уровне решетки атома материала. Чтобы лучше понять работу, представим газ из частиц – фононов. Температура газа имеет зависимость от параметров:

• Свойства металла.
• Температуры среды.

Предполагаем, что металл состоит из смеси электронного и фононного газа, находящегося в термодинамическом равновесии. Во время касания двух металлов с различной температурой, холодный электронный газ перемещается в теплый металл. Создается разность потенциалов.

На стыке контакта электроны поглощают энергию фононов и отдают ее на другой металл фононам. При смене полюсов источника тока, весь процесс будет обратного действия. Разность температур будет возрастать до того момента, пока имеются в наличии свободные электроны с большим потенциалом. При их отсутствии наступит уравновешивание температур в металлах.

Если на одну сторону пластины Пельтье установить качественный теплоотвод в виде радиатора, то вторая сторона пластины создаст более низкую температуру. Она будет ниже на несколько десятков градусов, чем окружающий воздух. Чем больше значение тока, тем сильнее будет охлаждение. При обратной полярности тока холодная и теплая сторона поменяются друг с другом.

При соединении элемента Пельтье с металлом, эффект становится незначительным, поэтому практически устанавливают два элемента. Их количество может быть любым, это зависит от потребности в мощности охлаждения.

Эффективность действия эффекта Пельтье зависит от того, насколько точно выбраны свойства металлов, силы тока, протекающей по прибору, скорости отвода тепла.

Сфера использования

Чтобы применить практически элемент Пельтье, ученые произвели несколько опытов, показавших, что повышение отвода тепла достигается увеличением числа соединений 2-х материалов. Чем больше число спаев материалов, тем выше эффект. Чаще в нашей жизни такой элемент служит для охлаждения электронных устройств, уменьшения температуры в микросхемах.

Вот их некоторые области использования:

• Устройства ночного видения.
• Цифровые камеры, приборы связи, микросхемы, нуждающиеся в качественном охлаждении, для лучшего эффекта картинки.
• Телескопы с охлаждением.
• Кондиционеры.
• Точные часовые системы охлаждения кварцевых электрических генераторов.
• Холодильники.
• Кулеры для воды.
• Автомобильные холодильники.
• Видеокарты.

Элементы Пельтье часто используются в системах охлаждения, кондиционирования. Есть возможность достижения довольно низких температур, что открывает возможность применения для охлаждения оборудования с повышенным нагревом.

В настоящее время специалисты используют элементы Пельтье в акустических системах, выполняющих роль кулера. Элементы Пельтье не создают никаких звуков, поэтому бесшумность является одним из их достоинств. Такая технология стала популярной из-за мощной отдачи тепла. Элементы, изготовленные по современной технологии, имеют компактные размеры, радиаторы охлаждения поддерживают определенную температуру долгое время.

Достоинством элементов является длительный срок службы, потому что они сделаны в виде монолитного корпуса, неисправности маловероятны. Простая конструкция обычного широко применяемого вида простая, состоит из двух медных проводов с клеммами и проводами, изоляции из керамики.

Это небольшой перечень мест применения. Он расширяется за счет устройств бытового назначения, компьютеров, автомобилей. Можно отметить использование элементов Пельтье в охлаждении микропроцессоров с высокой производительностью. Ранее в них устанавливались только вентиляторы. Теперь, при монтаже модуля с элементами Пельтье значительно снизился шум в работе устройств.

Будут ли меняться схемы охлаждения в обычных холодильниках на схемы с использованием эффекта Пельтье? Сегодня вряд ли это возможно, так как элементы имеют низкий КПД. Стоимость их также не позволит применить их в холодильниках, так как она достаточно высока. Будущее покажет, насколько будет развиваться это направление. Сегодня проводятся эксперименты с твердотельными растворами, аналогичными по строению и свойствам. При их использовании цена модуля охлаждения может уменьшиться.

Обратный эффект элементов Пельтье

Технология подобного вида имеет особенность с интересными фактами. Это заключается в эффекте образования электрического тока путем охлаждения и нагревания пластины модуля Пельтье. Другими словами, он служит генератором электрической энергии, при обратном эффекте.

Такие генераторы электричества существуют пока чисто теоретически, но можно надеяться на будущее развитие этого направления. В свое время французский изобретатель не нашел применения своему открытию.

Сегодня этот термоэлектрический эффект широко используется в электронике. Границы применения постоянно расширяются, что подтверждается докладами и опытами исследователей и ученых. В будущем бытовая и электронная техника станет обладать совершенными инновационными возможностями. Холодильники станут бесшумными, так же, как и компьютеры. А пока модули Пельтье монтируют в разные схемы для охлаждения радиодеталей.

Преимущества и недостатки

Достоинствами элементов Пельтье можно назвать следующие факты:

• Компактный корпус элементов, позволяет монтировать его на плату с радиодеталями.
• Нет движущихся и трущихся частей, что повышает его срок службы.
• Позволяет соединение множества элементов в один каскад, по схеме, позволяющей уменьшать температуру очень горячих деталей.
• При смене полярности питающего напряжения элемент станет работать в обратном порядке, то есть, стороны охлаждения и нагрева поменяются местами.

Недостатками можно назвать такие моменты:

• Недостаточный коэффициент действия, влияющий на увеличение подводимого тока, для достижения необходимого перепада температур.
• Довольно сложная система отведения тепла от поверхности охлаждения.

Как изготовить элементы Пельтье для холодильника

Изготовить такие элементы Пельтье можно самому быстро и просто. Для начала нужно определиться с материалом пластин. Нужно взять пластины элементов из прочной керамики, приготовить проводники в количестве больше 20 штук, для того, чтобы обеспечить наибольший перепад температур. При достаточном числе элементов КПД произойдет значительное увеличение производительности холодильника.

Большую роль играет мощность применяемого холодильника. Если он действует на жидком фреоне, то с производительностью проблем не возникнет. Пластины элементов монтируются возле испарителя, смонтированного вместе с двигателем. Для такого монтажа понадобится некоторый набор прокладок и инструмента. Таким образом, обеспечится быстрое охлаждение нижней части холодильника.

Необходима тщательная изоляция проводников, только после этого их подключают к компрессору. После окончания монтажа нужно проверить напряжение мультиметром. При нарушении работы элементов (например, короткое замыкание), сработает терморегулятор.

Другие применения термоэлектрических модулей

Эффект модуля Пельтье применяется сегодня, благодаря законам физики. Избыточная энергия элементов всегда пригодится там, где необходима бесшумный и быстрый обмен теплом.

Основные места использования модулей:

• Охлаждение микропроцессоров.
• Двигатели внутреннего сгорания выпускают отработанные газы, которые ученые стали применять для образования вспомогательной энергии с помощью термоэлектрических модулей. Полученная таким способом энергия подается снова в мотор, в виде электричества. Это создает экономию топлива.
• В бытовых устройствах, действующих на нагревание или охлаждение.

Охлаждающий кулер может превратиться в нагреватель, а холодильник может выполнять функцию теплового шкафа, если изменить полярность постоянного тока. Это называется обратимым эффектом.

Такой принцип применяют в рекуператорах. Он состоит из бокса из двух камер. Они между собой сообщаются вентилятором. Элементы Пельтье нагревают холодный воздух, поступающий снаружи, с помощью энергии, которая извлечена из теплого воздуха в помещении. Такое устройство экономит расходы на отопление помещений.

Похожие темы:

Элемент Пельтье | Практическая электроника

Все вы знаете, что с помощью электрического тока можно нагревать какие-либо предметы. Это может быть паяльник, электрочайник, утюг, фен, различного рода обогревашки и тд. Но слышали ли вы, что с помощью электрического тока можно охлаждать? “Ну а как же, например, бытовой холодильник” – скажите вы. И будете не правы. В бытовом холодильнике электрический ток  оказывает только вспомогательную функцию: гоняет фреон по кругу.

Что такое элемент Пельтье

Но существуют ли такие радиоэлементы, которые при подаче на них электрического тока вырабатывают холод? Оказывается существуют ;-). В 1834 году французский физик Жан Пельтье обнаружил поглощение тепла при прохождении электрического тока через контакт двух разнородных проводников. Или, иными словами,  в этом месте наблюдалась пониженная температура. Ну и как положено в физике, чтобы не придумывать новое название этому эффекту, его называют в честь того, кто его открыл. Открыл что-то новое? Отвечай за базар)). С тех пор зовется такой эффект

эффектом Пельтье.

Ну и как тоже ни странно, элемент, который вырабатывает холодок, называют элементом Пельтье. Элемент Пельтье — это термоэлектрический преобразователь, принцип действия которого основан на эффекте Пельтье — возникновении разности температур при протекании электрического тока. В англоязычной литературе элементы Пельтье обозначаются TEC (от англ. ThermoElectric Cooler — термоэлектрический охладитель).

Практический опыт с элементом Пельтье

Выглядеть он может по-разному, но основной его вид – это прямоугольная или квадратная площадка с двумя выводами.  Сразу же отметил сторону “А” и сторону “Б” для дальнейших экспериментов

Почему я пометил стороны?

Вы думаете, если мы просто тупо подадим напряжение на этот элемент, он у нас будет полностью охлаждаться? Не хочу вас разочаровывать, но это не так… Еще раз внимательно читаем определение про элемент Пельтье. Видите там словосочетание “разности температур”? То то и оно. Значит, у нас какая-то сторона будет греться, а какая-то охлаждаться. Нет в нашем мире ничего идеального.

Для того, чтобы определить температуру каждой стороны элемента Пельтье, я буду использовать мультиметр, который шел в комплекте с термопарой

Сейчас он показывает комнатную температуру. Да, у меня тепло ;-).

Для того, чтобы определить, какая сторона элемента Пельтье греется, а какая охлаждается, для этого цепляем красный вывод на плюс, черный – на минус и подаем чуток напряжения, вольта два-три. Я узнал, что у меня сторона “А” охлаждается, а сторона “Б” греется, пощупав их рукой. Если перепутать полярность, ничего страшного не случится. Просто сторона А будет нагреваться, а сторона Б охлаждаться, то есть они поменяются ролями.

Итак, номинальное (нормальное) напряжение для работы элемента Пельтье – это 12 Вольт. Так как  я подключил на красный  – плюс, а на черный – минус, то у меня сторона Б греется. Давайте замеряем ее температуру.  Подаем напряжение 12 Вольт и смотрим на показания мультиметра:

77 градусов по Цельсию – это не шутки. Эта сторона нагрелась так, что когда ее трогаешь, она обжигает пальцы.

[quads id=1]

Поэтому главной фишкой использования элемента Пельтье в своих электронных устройствах является большой радиатор. Желательно, чтобы радиатор обдувался вентилятором. Я пока что взял радиатор от усилителя, который  дали в ремонт. Намазал термопасту КПТ-8 и прикрепил элемент Пельтье к радиатору.

Подаем 12 Вольт и замеряем температуру стороны А:

7 градусов по Цельсию). Когда трогаешь, пальцы замерзают.

Но также есть и обратный эффект, при котором можно вырабатывать электроэнергию с помощью элемента Пельтье, если одну сторону охлаждать, а другую нагревать. Очень показательный пример – это фонарик, работающий от тепла руки

Потребляемая мощность элемента Пельтье

Элемент Пельтье сам по себе считается очень энергозатратным. Регулировка температуры его сторон достигается напряжением. Чем больше напряжение, тем большую силу тока он потребляет. А чем больше силы тока он потребляет, тем быстрее набирает температуру. Поэтому, можно регулировать холодок, тупо меняя значение напряжения).

Вот некоторые  значения по потреблению электрического тока элементом Пельтье:

При напряжении в 1 Вольт он кушает 0,3 Ампера. Неплохо)

Повышаю напряжение до 3 Вольт

Кушает уже почти 1 Ампер.

Повышаю до 5 Вольт

Чуть больше полтора Ампера.

Даю 12 Вольт, то есть его рабочее напряжение:

Жрет уже почти 4 Ампера! Грабеж).

Давайте грубо посчитаем его мощность. 4х12=48 Ватт. Это даже больше, чем 40 Ваттная лампочка, которая висит у вас в кладовке). Если элемент Пельтье такой прожорливый, целесообразно ли из него делать бытовые холодильники и холодильные камеры? Конечно же нет! Такой холодильник у вас будет жрать Киловатт 10 не меньше! Но зато есть один маленький плюс – он будет абсолютно бесшумен :-). Но если нет никакой возможности, то делают холодильники даже из элементов Пельтье. Это в основном  мини холодильники для автомобилей.

Также элемент Пельтье некоторые используют для охлаждения процессора на ПК. Получается  очень эффективно, но по энергозатратам лучше все-таки ставить старый добрый вентилятор.

Где купить элемент Пельтье

На Али можно найти даже мини-кондиционер из элемента Пельтье вот по этой ссылке.

На Али этих элементов Пельтье можете выбрать сколь душе угодно!

Вот ссылка на них

Элемент Пельтье — это… Что такое Элемент Пельтье?

Элемент Пельтье — это термоэлектрический преобразователь, принцип действия которого базируется на эффекте Пельтье — возникновении разности температур при протекании электрического тока. В англоязычной литературе элементы Пельтье обозначаются TEC (от англ. Thermoelectric Cooler — термоэлектрический охладитель).

Эффект, обратный эффекту Пельтье, называется эффектом Зеебека.

Принцип действия

В основе работы элементов Пельтье лежит контакт двух токопроводящих материалов с разными уровнями энергии электронов в зоне проводимости.

При протекании тока через контакт таких материалов, электрон должен приобрести энергию, чтобы перейти в более высокоэнергетическую зону проводимости другого полупроводника. При поглощении этой энергии происходит охлаждение места контакта полупроводников. При протекании тока в обратном направлении происходит нагревание места контакта полупроводников, дополнительно к обычному тепловому эффекту.

При контакте металлов эффект Пельтье настолько мал, что незаметен на фоне омического нагрева и явлений теплопроводности. Поэтому при практическом применении используются контакт двух полупроводников.

Внешний вид элемента Пельтье. При пропускании тока тепло переносится с одной стороны на другую.

Элемент Пельтье состоит из одной или более пар небольших полупроводниковых параллелепипедов — одного n-типа и одного p-типа в паре (обычно теллурида висмута, Bi

2Te₃ и германида кремния), которые попарно соединены при помощи металлических перемычек. Металлические перемычки одновременно служат термическими контактами и изолированы непроводящей плёнкой или керамической пластинкой. Пары параллелепипедов соединяются таким образом, что образуется последовательное соединение многих пар полупроводников с разным типом проводимости, так чтобы вверху были одни последовательности соединений (n->p), а снизу противоположные (p->n). Электрический ток протекает последовательно через все параллелепипеды. В зависимости от направления тока верхние контакты охлаждаются, а нижние нагреваются — или наоборот. Таким образом электрический ток переносит тепло с одной стороны элемента Пельтье на противоположную и создаёт разность температур.

Если охлаждать нагревающуюся сторону элемента Пельтье, например при помощи радиатора и вентилятора, то температура холодной стороны становится ещё ниже. В одноступенчатых элементах, в зависимости от типа элемента и величины тока, разность температур может достигать приблизительно 70 К.

Достоинства и недостатки

Достоинством элемента Пельтье является небольшие размеры, отсутствие каких-либо движущихся частей, а также газов и жидкостей. При обращении направления тока возможно как охлаждение, так и нагревание — это даёт возможность термостатирования при температуре окружающей среды как выше, так и ниже температуры термостатирования.

Недостатком элемента Пельтье является очень низкий коэффициент полезного действия, что ведёт к большой потребляемой мощности для достижения заметной разности температур. Несмотря на это, элементы Пельтье нашли широкое применение, так как без каких-либо дополнительных устройств можно реализовать температуры ниже 0 °C.

В батареях элементов Пельтье

[1] возможно достижение теоретически очень большой разницы температур, в связи с этим лучше использовать импульсный метод регулирования температуры, благодаря которому можно снизить также потребление энергии.

Применение

Элементы Пельтье применяются в ситуациях, когда необходимо охлаждение с небольшой разницей температур, или энергетическая эффективность охладителя не важна. Например, элементы Пельтье применяются в ПЦР-амплификаторах, маленьких автомобильных холодильниках, так как применение компрессора в этом случае невозможно из-за ограниченных размеров, и, кроме того, необходимая мощность охлаждения невелика.

Кроме того, элементы Пельтье применяются для охлаждения устройств с зарядовой связью в цифровых фотокамерах. За счёт этого достигается заметное уменьшение теплового шума при длительных экспозициях (например в астрофотографии). Многоступенчатые элементы Пельтье применяются для охлаждения приёмников излучения в инфракрасных сенсорах.

Также элементы Пельтье часто применяются для охлаждения и термостатирования диодных лазеров с тем, чтобы стабилизировать длину волны излучения.

В приборах, при низкой мощности охлаждения, элементы Пельтье часто используются как вторая или третья ступень охлаждения. Это позволяет достичь температур на 30—40 К ниже, чем с помощью обычных компрессионных охладителей (до −80 для одностадийних холодильников и до −120 для двухстадийных).

Элементы Пельтье применяются также в качестве источника электрической энергии. Это возможно в случае, когда доступен источник тепловой энергии (геотермальный источник, печь, костер) или просто два близко расположенных объекта с разной температурой (трубопроводы горячей и холодной воды, нагретая на солнце металлическая пластина и сосуд со снегом или водой). Такой источник электрической энергии может быть применен для питания измерительной и сигнальной аппаратуры, а также для заряда аккумуляторов различных электронных устройств. http://poselenie.ucoz.ru/publ/6-1-0-45 http://overland-botsman.narod.ru/termogen.htm

Ссылки

Примечания

Элемент Пельтье(генератор Зеебека) принцип действия, обозначение и…

Привет, Вы узнаете про элемент пельтье, Разберем основные ее виды и особенности использования. Еще будет много подробных примеров и описаний. Для того чтобы лучше понимать что такое элемент пельтье,генератор зеебека , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Электроника, Микроэлектроника , Элементная база

элемент пельтье — это термоэлектрический преобразователь, принцип действия которого базируется на эффекте Пельтье — возникновении разности температур при протекании электрического тока. В англоязычной литературе элементы Пельтье обозначаются TEC (от англ. Thermoelectric Cooler — термоэлектрический охладитель).

Эффект, обратный эффекту Пельтье, называется эффектом Зеебека.

Конструкция

Структурный пример элемента Пельтье. Металлические электроды и полупроводники p-типа и n-типа попеременно соединены в π-форме между верхней и нижней пластинами теплового излучения.

Схематический рисунок элемента Пельтье

Принцип действия

Внешний вид элемента Пельтье. При пропускании тока тепло переносится с одной стороны на другую.

Вид сбоку на элемент Пельтье. Электрический ток протекает через полупроводники в форме куба между верхней и нижней частью.

Вскрытый элемент

В основе работы элементов Пельтье лежит контакт двух полупроводниковых материалов с разными уровнями энергии электронов в зоне проводимости. При протекании тока через контакт таких материалов электрон должен приобрести энергию, чтобы перейти в более высокоэнергетическую зону проводимости другого полупроводника. При поглощении этой энергии происходит охлаждение места контакта полупроводников. При протекании тока в обратном направлении происходит нагревание места контакта полупроводников, дополнительно к обычному тепловому эффекту.

При контакте металлов эффект Пельтье настолько мал, что незаметен на фоне омического нагрева и явлений теплопроводности. Поэтому при практическом применении используется контакт двух полупроводников.

Элемент Пельтье состоит из одной или более пар небольших полупроводниковых параллелепипедов — одного n-типа и одного p-типа в паре (обычно теллурида висмута Bi2Te3 и твердого раствора SiGe), которые попарно соединены при помощи металлических перемычек. Металлические перемычки одновременно служат термическими контактами и изолированы непроводящей пленкой или керамической пластинкой. Пары параллелепипедов соединяются таким образом, что образуется последовательное соединение многих пар полупроводников с разным типом проводимости, так чтобы вверху были одни последовательности соединений (n->p), а снизу — противоположные (p->n). Электрический ток протекает последовательно через все параллелепипеды. В зависимости от направления тока верхние контакты охлаждаются, а нижние нагреваются — или наоборот. Таким образом электрический ток переносит тепло с одной стороны элемента Пельтье на противоположную и создает разность температур.

Если охлаждать нагревающуюся сторону элемента Пельтье, например при помощи радиатора и вентилятора, то температура холодной стороны становится еще ниже. В одноступенчатых элементах, в зависимости от типа элемента и величины тока, разность температур может достигать приблизительно 70 °C.

Достоинства и недостатки

Достоинством элемента Пельтье являются небольшие размеры, отсутствие каких-либо движущихся частей, а также газов и жидкостей. При обращении направления тока возможно как охлаждение, так и нагревание — это дает возможность термостатирования при температуре окружающей среды как выше, так и ниже температуры термостатирования. Также достоинством является отсутствие шума.

Недостатком элемента Пельтье является более низкий коэффициент полезного действия, чем у компрессорных холодильных установок на фреоне, что ведет к большой потребляемой мощности для достижения заметной разности температур. Несмотря на это, ведутся разработки по повышению теплового КПД, а элементы Пельтье нашли широкое применение в технике, так как без каких-либо дополнительных устройств можно реализовать температуры ниже 0 °C.

Основной проблемой в построении элементов Пельтье с высоким КПД является то, что свободные электроны в веществе являются одновременно переносчиками и электрического тока, и тепла. Материал для элемента Пельтье же должен одновременно обладать двумя взаимоисключающими свойствами — хорошо проводить электрический ток, но плохо проводить тепло.

В батареях элементов Пельтье возможно достижение большей разницы температур, но мощность охлаждения будет ниже. Для стабилизации температуры лучше использовать импульсный источник питания, так как это позволит повысить эффективность системы . Об этом говорит сайт https://intellect.icu . При этом желательно сглаживать пульсации тока – это увеличит эффективность работы Пельтье и, возможно, продлит срок его службы. Также, работа элемента Пельтье будет неэффективной, если пытаться стабилизировать температуру с использованием широтно-импульсной модуляции тока.

Эксплуатационные требования к элементам Пельтье.

Модули Пельтье – капризные устройства. Их применение сопряжено с рядом требований, не выполнение которых приводит: к деградации модуля или выходу из строя, снижению эффективности системы.

• Модули выделяют значительное количество тепла. Для отвода тепла должен быть установлен соответствующий радиатор. Иначе:
  • Невозможно достичь нужной температуры холодной стороны, т.к. элемент Пельтье снижает температуру относительно горячей поверхности.
  • Допустимый нагрев горячей стороны как правило + 80 °C ( в высокотемпературных до 150 °C). Т.е. модуль может просто выйти из строя.
  • При высоких температурах кристаллы модуля деградируют, т.е. снижается эффективность и срок службы модуля.
• Важен надежный тепловой контакт модуля с радиатором охлаждения.
• Источник питания для модуля должен обеспечивать ток с пульсациями не более 5%. При более высоком уровне пульсаций эффективность модуля снизится, по некоторым данным на 30-40%.
• Не допустимо, для управления элементом Пельтье, использовать релейные регуляторы. Это приведет к быстрой деградации модуля. Каждое включение – выключение вызывает деградацию полупроводниковых термопар. Из-за резких изменений температуры между пластинами модуля возникают механические напряжения в местах спайки с полупроводниками. Производители элементов Пельтье нормируют количество циклов старт-стопов модуля. Для бытовых модулей это порядка 5000 циклов. Релейный регулятор выведет из строя модуль Пельтье за 1-2 месяца.
• К тому же элемент Пельтье обладает высокой теплопроводностью между поверхностями. При выключении, тепло радиатора горячей стороны, через модуль будет передаваться на холодную сторону.
• Недопустимо, для регулирования мощности на элементе Пельтье, использовать ШИМ модуляцию.
• Чем надо питать элемент Пельтье источником тока или напряжения? Обычно используют источник напряжения. Он проще в реализации. Но вольт-амперная характеристика модуля Пельтье нелинейная и крутая. Т.е. при небольшом изменении напряжения ток меняется значительно. И вдобавок, характеристика меняется при изменении температуры поверхностей модуля. Надо стабилизировать мощность, т.е. произведение тока через модуль на напряжение на нем. Охлаждающая способность элемента Пельтье напрямую связана с электрической мощностью. Конечно, для этого необходим достаточно сложный регулятор.
• Напряжение модуля зависит от количества термопар в нем. Чаще всего это 127 термопар, что соответствует напряжению 16 В. Разработчики элементов рекомендуют подавать до 12 В, или 75% Umax. При таком напряжении обеспечивается оптимальная эффективность модулей.
• Модули имеют герметичное исполнение, их можно использовать даже в воде.
• Полярность модуля отмечена цветами проводов – черный и красный. Как правило, красный (положительный) провод расположен справа, относительно холодной стороны.

Многокаскадные термоэлектрические модули

Многокаскадные модули применяются в системах глубокого охлаждения, холодильниках с большим перепадом температур, системах охлаждения научных, исследовательских и специальных приборов. Также используются для охлаждения ИК фотоприемников, детекторов рентгеновского излучения и других датчиков.

Основные области применения:

• охлаждение ПЗС матриц и ИК фотоприемников
• камеры холода и замораживатели
• термостаты
• научные лабораторные приборы
• термокалибраторы
• ступенчатые охладители
• охладители и термостабилизаторы датчиков различного назначения
• приборы ночного видения

Технологические особенности

Для верхних каскадов многокаскадных модулей мы используем оптимизированный термоэлектрический материал, который позволяет получать большую величину ?Т при меньшем количестве каскадов. Это позволяет производить многокаскадные модули с оптимальными весо-габаритными характеристиками и низким энергопотреблением.

Мы также предлагаем нашим заказчикам термоэлектрические модули установленные или непосредственно интегрированные в стандартные — ТО (ТО3, ТО8 и др.), HHL, DIL, butterfly или специальные корпуса.

Таблица используемых сокращений

ТЭМ	термоэлектрический модуль
ТГМ	термоэлектрический генераторный модуль
DTmax	максимально достижимая разница температур между сторонами термоэлектрического модуля
Imax	максимальный электрический ток через термоэлектрический модуль, соответствующий режиму максимальной разницы температур
Umax	максимальное электрическое напряжение на контактах термоэлектрического модуля, соответствующее режиму максимальной разницы температур
Qmax	максимальная холодопроизводительность (холодильная мощность) термоэлектрического модуля. Определяется при максимальном токе через термоэлектрический модуль и нулевой разности температур между его сторонами
Rac	электрическое сопротивление термоэлектрического модуля, измеренное на переменном токе с частотой 1 кГц

Примеры схем с элементами Пельтье и обозначение

Рис.1. Схемы подключения нагревательных элементов к микроконтроллеру:

а) охлаждение объектов модулем Пельтье EK1 фирмы «Криотерм» (размеры 40x40x3.4 мм). Светодиод HL1 индицирует состояние «Заморозить/Разморозить». Транзистор K77 подключается к MK напрямую, без резисторов, поскольку элемент EK1 весьма инерционный и помехи , которые теоретически могут открыть транзистор VT1 при рестарте MK, на него мало влияют;

б) подключение к MK низковольтного элемента Пельтье фирмы Melcor. Параметры EK1: мощность 5.3 Вт, рабочий ток 2.5 А при напряжении 3.75 В, максимальная разность температур между «холодной» и «горячей» поверхностями 67°С, габаритные размеры 15x15x4 мм.

Применение

Элементы Пельтье можно использовать везде, где требуется охлаждение с небольшой разницей температур или без экономических требований. Термоэлектрические элементы используются, например, в холодных ящиках , в которых использование холодильной машины запрещены по соображениям пространства или не было бы выгодно , так как требуемая мощность охлаждения невелика. Разница температур внутри и снаружи просто возникает неконтролируемым образом. КПД низкий. Элементы Пельтье применяются в ситуациях, когда необходимо охлаждение с небольшой разницей температур или энергетическая эффективность охладителя не важна. Например, элементы Пельтье применяются в ПЦР-амплификаторах, малогабаритных автомобильных холодильниках, охлаждаемых банкетных тележках, применяемых в общественном питании, так как применение компрессорной холодильной установки в этом случае невозможно или нецелесообразно из-за габаритных ограничений, и, кроме того, требуемая мощность охлаждения невелика.

Кроме того, элементы Пельтье применяются для охлаждения устройств с зарядовой связью в цифровых фотокамерах. За счет этого достигается заметное уменьшение теплового шума при длительных экспозициях (например в астрофотографии). Многоступенчатые элементы Пельтье применяются для охлаждения приемников излучения в инфракрасных сенсорах.

Также элементы Пельтье часто применяются для охлаждения и термостатирования диодных лазеров с тем, чтобы стабилизировать длину волны излучения.

В приборах, при низкой мощности охлаждения, элементы Пельтье часто используются как вторая или третья ступень охлаждения. Это позволяет достичь температур на 30—40 градусов ниже, чем с помощью обычных компрессионных охладителей (до −80 °C для одностадийных холодильников и до −120 °C для двухстадийных).

Некоторые энтузиасты используют модуль Пельтье для охлаждения процессоров при необходимости экстремального охлаждения без азота. До азотного охлаждения использовали именно такой способ.

«Электрогенератор Пельтье» (более корректно было бы « генератор зеебека », но неточное название устоялось) — модуль для генерации электричества, термоэлектрический генераторный модуль, аббревиатура GM, ТGM. Данный термогенератор состоит из двух основных частей:

1. непосредственно преобразователь разницы температур в электричество на модуле Пельтье,
2. источник тепловой энергии для нагрева преобразователя (например, газовая или бензиновая горелка, твердотопливная печь и т. д.)

Элементы Пельтье используются для охлаждения особо длинноволновых или чувствительных ПЗС-датчиков . Это значительно снижает шум изображения при длительной выдержке (например, в астрофотографии ) . Многоступенчатые элементы Пельтье используются для охлаждения приемников излучения в инфракрасных датчиках.

Элементы Пельтье также все чаще используются в лабораторных измерительных приборах, для которых температура является важным параметром, таких как устройства измерения плотности , вискозиметры , реометры или рефрактометры .

В гигрометрах с охлаждаемыми зеркалами один или несколько элементов Пельтье, соединенных последовательно, обычно охлаждают зеркало до -100 ° C. Здесь используется то обстоятельство, что охлаждающая способность элементов Пельтье может быстро регулироваться электрически.

Диодные лазеры часто охлаждаются и термостатируются с помощью элементов Пельтье , чтобы сохранить постоянную длину волны излучения и / или эффективность. Последующие оптические элементы диодных и других лазеров часто термостатируются элементами Пельтье.

Элементы Пельтье можно использовать как для охлаждения, так и — при изменении направления тока — для нагрева.

Элементы Пельтье иногда используются в составе кулеров ЦП . Элемент Пельтье позволяет процессору остыть до температур ниже температуры внутри корпуса, что либо позволяет разгонять процессор без ущерба для стабильности, либо увеличивает срок службы процессора. Элемент устанавливается на дне радиатора с вентилятором и питается от блока питания необходимой мощностью. Однако до настоящего времени такие решения не принесли успеха из-за их дополнительного потребления энергии, используемая электрическая энергия выделяется внутрь корпуса в виде отработанного тепла.

Фотодиоды , например B. для считывающих сцинтилляторов , из-за их небольшой площади могут охлаждаться элементами Пельтье и, таким образом, уменьшать шум и темновой ток.

Элементы Пельтье используются в камерах диффузионного тумана для поддержания разницы температур между дном и крышкой.

В термоциклерах , которые сегодня являются частью основного оборудования в молекулярной биологии , используются элементы Пельтье для быстрого нагрева и охлаждения образцов, что необходимо, например, в полимеразной цепной реакции .

Элементы Пельтье иногда используются в небольших осушителях воздуха . Здесь влажный воздух проходит через охлаждающий элемент, а содержащаяся в нем вода конденсируется по мере охлаждения и затем собирается в сборный контейнер.

На этом все! Теперь вы знаете все про элемент пельтье, Помните, что это теперь будет проще использовать на практике. Надеюсь, что теперь ты понял что такое элемент пельтье,генератор зеебека и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то нестесняся пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Электроника, Микроэлектроника , Элементная база

Что такое элемент пельтье и как его сделать своими руками?

Главная > Дополнительно > Что такое элемент пельтье, его устройство, принцип работы и практическое применение

Элемент пельтье своими руками

Изготовить устройство в домашних условиях практически невозможно, тем более это не имеет особого смысла, учитывая его невысокую рыночную стоимость.

Но большинство умельцев все же предпочитает мастерить элемент пельтье своими руками, ссылаясь на ряд его достоинств:

1. Компактность, удобство установки на самодельное электронное плато.
2. Отсутствие движущихся деталей, что увеличивает сроки его эксплуатации.
3. Возможность соединения нескольких элементов в каскадной схеме для снижения очень больших температур.

Тем не менее, пельтье своими руками имеет определенные недостатки: низкий коэффициент полезного действия (КПД), необходимость подачи высокого тока для получения заметного перепада температуры, сложность отведения тепловой энергии от охлаждаемой поверхности.

Рассмотрим на примере схем, как сделать пельтье своими руками:

• Задействовать его в качестве детали термоэлектрического генератора, согласно рисунку подключения.
• Собрать простой преобразователь на микросхеме ИМС L6920 (рисунок 1).

Рисунок 1. Элемент пельтье своими руками: универсальная схема

Далее стоит следовать простой инструкции, как сделать пельтье своими руками:

1. Подать на вход получившегося преобразователя напряжение диапазоном 0.8-5.5В, чтобы иметь на выходе стабильные 5В.
2. При использовании устройства обычного типа — поставить лимит температуры нагреваемой стороны в 150 градусов.
3. Для калибровки — в качестве источника тепла использовать емкость с кипящей водой, которая точно не нагреется свыше 100 градусов.

Описание технологии и принцип действия

Способ работы термоэлектрического охладителя достаточно прост. Эффект пельтье своими руками основывается на контакте двух проводников тока, обладающих разным уровнем энергии электронов в зоне своей проводимости.

Рисунок 2. Принцип действия элемента

При подаче электротока через такую связь, электрон приобретает высокую энергию, позволяющую ему перейти в более высокоэнергетическую зону проводимости второго полупроводника. Когда эта энергия поглощается, происходит остуживание места охлаждения проводников (рисунок 2).

При протекании процесса в обратном направлении — реакция приводит к нагреванию контактного места и обычному тепловому эффекту.

Посмотрев пельтье своими руками видео, можно сделать определенные выводы о принципе его действия:

1. Величина подаваемого тока будет пропорциональной степени охлаждения — если с одной стороны модуля сделать хороший теплоотвод, при использовании радиаторных схем, его холодная сторона обеспечит максимально низкую температуру.
2. При смене полярности тока — нагревающая и охлаждающая плоскости меняются метами.
3. При контакте объекта с металлической поверхностью, он становится настолько мал, что его нельзя увидеть на фоне омического нагрева, других эффектов теплопроводности, поэтому на практике применяют два полупроводника.
4. Благодаря разнообразному количеству термопар — от 1 до 100, можно добиться практически любого показателя холодильных мощностей.

Технические характеристики элемента пельтье

Компонент получил широкое применение в различных холодильных схемах.

Что неудивительно, так как пельтье своими руками имеет следующие технические характеристики:

1. Способен достигнуть низких температур, что служит отличным решением для охлаждения электрических приборов и тех оборудования, подвергающегося нагреву.
2. Прекрасно выполняет работу обычного куллера, что делает возможным его установку в современные звуковые и акустические системы.
3. Абсолютно бесшумен — в процессе работы не издает никаких посторонних и интенсивных звуков.
4. Обладает мощной теплоотдачей при сохранении нужной температуры на радиаторе достаточно продолжительное время.

Эффект Томсона

На основании данных о коэффициентах Зеебека и Пельтье лорд Кельвин (Томсон) предсказал в 1856 году новый эффект: нагретый в центре проводник при пропускании электрического тока охлаждается с одной стороны и становится горячее с другой. Теоретические данные подтверждены опытным путём, открыв дорогу для создания климатической техники и прочего.

Коэффициент пропорциональности в формуле носит имя Томсона и связан с коэффициентами термоэлектричества и Пельтье. Выше авторы привели объяснения согласно кинетической (микроскопической) теории, оперирующей уровнями энергетических состояний носителей заряда

Лорд Кельвин придерживался термодинамической (макроскопической) концепции, где во внимание принимаются глобальные потоки и силы. Это различие применимо ко множеству отраслей физики

К примеру, закон Ома для участка цепи возможно рассматривать как вариант термодинамического взгляда на вещи.

Называют и общие черты. В термодинамической концепции массово применяются константы: речь о коэффициенте теплопроводности (закон Фурье) и изотермической проводимости (закон Ома).

TEC контроллеры / драйверы

Иногда вам нужен специальный контроллер / драйвер TEC. Конечно, для продвинутых приложений доступно множество устройств. На eBay вы можете найти несколько устройств, которые будут выполнять эту работу. На рис. 4 показано такое многофункциональное устройство, которое неожиданно имеет один канал обратной связи для приема входных сигналов от термистора NTC для стабилизации температуры.

Рис. 4: контроллер Пельтье sPLC-10

Контроллер TEC регулирует ток, подаваемый на микросхему Пельтье, в соответствии с требуемой температурой объекта и фактической измеренной температурой объекта. Чтобы иметь возможность контролировать температуру объекта, вы должны разместить датчик на объекте. Обратите внимание, что важно размещать датчик как можно ближе к критической точке на объекте, где необходимо поддерживать желаемую температуру. Поскольку охлаждение вентилятора радиатора снижает тепловое сопротивление от радиатора к окружающему воздуху, большинство высококачественных контроллеров TEC имеют выделенные выходы управления вентиляторами, поддерживаемые методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Поэтому вентилятор увеличивает тепловые характеристики и уменьшает разницу температур (dT), позволяя использовать радиаторы меньшего размера

Поскольку охлаждение вентилятора радиатора снижает тепловое сопротивление от радиатора к окружающему воздуху, большинство высококачественных контроллеров TEC имеют выделенные выходы управления вентиляторами, поддерживаемые методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Поэтому вентилятор увеличивает тепловые характеристики и уменьшает разницу температур (dT), позволяя использовать радиаторы меньшего размера.

Самый популярный модуль Пельтье TEC1-12706

Самым популярным среди практиков, увлеченных идеями свободной природной энергии и производителей технических устройств является элемент размером 40 на 40 миллиметров с маркировкой TEC1-12706.  Это означает, что он состоит из 127 пар малюсеньких термоэлементов – полупроводников разного типа, которые попарно соединены при помощи медных перемычек в последовательную цепь и рассчитаны на постоянный ток до 5 А при напряжении 12 вольт.

Схема Элемента Пельтье

Некоторые думают что модули Peltier, это что-то типа солнечных панелей – ведь они такие же плоские, торчат проводки, и те и другие могут генерировать электрический ток. Увы, это не совсем так на самом деле. Чтобы понять, как функционируют загадочные пластинки, посмотрите видео И. Белецкого, описание в текстовом формате ниже.

Как изготовить генератор на основе элемента Пельтье?

Генераторы на основе элемента Пельтье особенно интересуют людей, которые ввиду достаточно продолжительной отрезанности от цивилизации нуждаются в простом и доступном источнике энергии. Также они широко применяются при критическом перегреве деталей персонального компьютера.

Рис.2: Генератор на основе элемента Пельтье.

Элементы Пельтье имеют достаточно интересный принцип действия, но помимо этого обладают одной любопытной особенностью: если к ним прилагается разность температур, то они продуцируют электричество. Один из вариантов генератора на базе этого устройства предполагает следующую конструкцию:

По  двум трубкам (одна для входа, другая для выхода) движется пар, который направляется в полость теплообменника, сконструированный из пластины (материал: алюминий), имеющей толщину 1 см.

К каждому отверстию теплообменника подведено соединение с одним каналом. Габариты теплообменника точно дублируют габариты элементов Пельтье.  Два элемента фиксируются на двух сторонах теплообменника с помощью четырёх винтов (по 2 на каждую сторону). В результате, благодаря отверстиям и канальцам теплообменника формируется полноценная система сообщающихся отделов, через которые проходит пар. Двигаясь вперёд, пар входит в камеру по одной трубке и выходит через другую, двигаясь к следующей камере. Транслируемое паром тепло достаётся элементам Пельтье, когда пар непосредственно соприкасается с их поверхностью , а также с материалом теплообменника.

Чтобы вплотную прижать элементы к корпусу теплообменника , а также для организации отвода тепловой энергии на «холодную» сторону применяются пластины из алюминия на 0,5 см в толщину. На последнем этапе вся конструкция герметизируется силиконовыми  герметиками.

После этого через трубки пускают пар, а конструкция погружается в холодную воду. Вся система целиком начинает работать.  Электрический ток будет образовываться до тех пор, пока разница между температурой «горячей» и «холодной»  сторон не сократится до минимума.

Есть и более элементарный метод.

Элемент Пельтье выводами подсоединённый к зарядному телефонному кабелю закрепляется на алюминиевом радиаторе (который будет контактировать с «холодной» стороной) с помощь герметика. Сверху на устройство ставится любой горячий предмет, например, кружка с горячим чаем. Через пару секунд телефон можно ставить на зарядку. Зарядка будет продолжаться, пока чай не остынет.

Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните накарту сайта, буду рад если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное.

Устройство и принцип работы элемента Пельтье

Для того, чтобы получить максимальный эффект понижения температуры, применяется соединение термоэлементов в виде каскадов. Благодаря подобному устройству, на выходе стало возможным получить максимально низкую температуру и значительно увеличить саму эффективность охлаждения.

Для того, чтобы повысить холодопроводность не прибегая к значительному увеличению I, все элементы Пельтье соединяются последовательно в устройство, получившее название батареи.

Таким образом, нынешний модуль состоит из двух пластин, выполненных из керамики и играющих роль изоляторов, между которыми расположены термопары, соединенные последовательным образом.

При этом, расположение элементов в подобной батарее осуществляется следующим образом:

• Нижняя, горячая сторона.
• Верхняя, холодная сторона.
• Полупроводники, функционирующие на основе n-перехода.
• Полупроводники, функционирующие на основе p-перехода.
• Проводники из меди.
• Клеммы (контакты), служащие для присоединения к ИП (источнику питания).

Здесь p-n переходом (positive-negative) принято считать электронно-дырочный переход в месте соединения полупроводников n (носители зарядов – электроны) и p типа (дырки с положительным зарядом, возникающие в процессе отрыва электрона от атома).

При p-n возникает переход от одного вида проводимости к другому.

В зависимости от расположения, каждая из сторон (горячая или холодная) имеет контакт только с переходом p-n либо n-p. При этом осуществляются следующие функции:

• p-n – нагрев.
• n-p – охлаждение.

Благодаря переносу Q с одной стороны батареи на другую, между ними возникает дельта температур (DT). Как уже было сказано выше, если изменить полярность, то горячая и холодная поверхности просто поменяются местами.

На данном рисунке холодная сторона батареи обозначена как B (синим цветом), горячая – как А (красным цветом соответственно).

Технические характеристики элементов Пельтье

Всем термоэлектрическим модулям с элементом Пельтье присущи следующие характеристики:

• Qmax (холодопроизводительность) – представляет собой максимально допустимый I и разницу T двух сторон батареи. Единица измерения – Ватты. Принято считать, что количество тепловой Q, поступающей на холодную стороны, передается на горячую мгновенно, с нулевыми потерями.
• DTmax – максимум перепада температур между пластинами, измеряется в градусах. При этом, данный параметр учитывается при идеальных условиях работы: горячая сторона — 27C, холодная – отдача тепла равна нулю.
• Imax – максимальный I, необходимый для обеспечения DTmax, измеряется в Амперах.
• Umax – величина напряжения, которая будет иметь место при Imax и DTmax (измеряется в Вольтах).
• Resistance – внутреннее R модуля по постоянному току DC, измеряется в Омах.
• COP (Сoefficient Of Рerformance) – коэффициент, представляющий собой отношение Q охлаждения к Q, которое потребляет весь элемент и представляет собой не что иное, как КПД, при этом его величина колеблется от 0,3 до 0,5.

Каким образом маркируются элементы Пельтье

При маркировке подобных термоэлементов всегда используют стандартные обозначения, а именно:

• Две первые буквы означают непосредственно тип элемента, а именно – ТЕ – термоэлемент.
• Третья буква относится к размеру модуля и может быть выполнена в двух вариантах:
  • С – classic, стандартный размер термоэлемента.
  • S – small, маленький размер.
• Далее следует числовое значение, отражающее количество каскадов в ТЕ. Как правило, большинство из них относятся к однокаскадным.
• После тире следует число, означающее количество термопар внутри ТЕ.
• Последняя цифра – номинальное значение I (Амперы).

Иногда в маркировку после всех цифр добавляется значение, относящееся к размерам модуля.

Пример маркировки: ТЕС1-12706-40 (40х40 мм).

Охлаждение процессора

Основные компоненты компьютеров постоянно совершенствуются, что приводит к росту тепловыделения. Вместе с ними развиваются системы охлаждения с применением новаторских технологий, с современными средствами контроля. Модуль Пельтье применение в данной сфере нашел прежде всего в охлаждении микросхем и других радиодеталей. С форсированными режимами разгона микропроцессоров традиционные кулеры уже не справляются. А увеличение частоты работы процессоров дает возможность повысить их быстродействие.

Увеличение скорости вращения вентилятора приводит к значительному шуму. Его устраняют за счет использования модуля Пельтье в комбинированной системе охлаждения. Таким путем передовые фирмы быстро освоили производство эффективных охлаждающих систем, которые стали пользоваться большим спросом.

С процессоров тепло обычно отводится кулерами. Воздушный поток может засасываться снаружи или поступать изнутри системного блока. Главная проблема состоит в том, что температура воздуха порой оказывается недостаточной для теплоотвода. Поэтому ТЭМ стали использовать для охлаждения потока воздуха, поступающего в системный блок, тем самым повышая эффективность теплообмена. Таким образом, встроенный воздушный кондиционер является помощником традиционной системы охлаждения компьютера.

С обеих сторон модуля крепятся алюминиевые радиаторы. Со стороны холодной пластины нагнетается воздух на охлаждение к процессору. После того как он заберет тепло, его выдувает другой вентилятор через радиатор горячей пластины модуля.

Современный ТЭМ управляется электронным устройством с датчиком температуры, где степень охлаждения пропорциональна разогреву процессора.

Активизация охлаждения процессоров создает также некоторые проблемы.

1. Простые охлаждающие модули Пельтье предназначены для непрерывной работы. При пониженном энергопотреблении также уменьшается тепловыделение, что может вызвать переохлаждение кристалла и последующее зависание процессора.
2. Если работа кулера и холодильника не будет должным образом согласована, последний может перейти в режим нагрева вместо охлаждения. Источник дополнительного тепла вызовет перегрев процессора.

Таким образом, для современных процессоров нужны передовые технологии охлаждения с контролем работы самих модулей. Подобные изменения режимов работы не происходят с видеокартами, которые также требуют интенсивного охлаждения. Поэтому для них ТЭМ подходит идеально.

Что такое принцип Пельтье

Данный принцип был открыт почти 200 лет назад французом Жаном Пельтье, который обнаружил, что при протекании I по разнородным проводам происходит процесс выделения тепла, а при смене полярности – охлаждения, при этом наибольшее проявление подобного эффекта наблюдалось у полупроводниковых материалов. Причем тогда же была замечена обратимость процесса, при которой при возможности поддержании разных температур на проводах в месте контакта, в них фиксировалось появление электрического тока. Данный эффект также был очень важен и получил название эффекта Зеебека.

Чтобы попытаться объяснить данный эффект с точки зрения физики процесса, необходимо обратиться к классической теории электротехники и движению электротока в зависимости от разности потенциалов. При прикосновении двух разнородных проводов неизбежно возникает разность потенциалов U, создающая определенное поле. Таким образом, если по проводу пропустить I, то созданное разностью U поле будет или способствовать протеканию тока, или являться препятствием к этому.

Если полярность поля и тока противоположны, то необходимо найти дополнительную энергию, способствующую протеканию I, за счет чего контакт будет греться. Если поле и I однонаправлены, то ток поддерживается самим полем. Для этого требуется энергия, забираемая у вещества, что и вызывает охлаждение контакта. Таким образом, то количество тепла, которое выделяется или забирается при прохождении I, будет прямо пропорционально величине заряда, проходящего через место соединения проводников и рассчитывается как произведение I на время его прохождения.

Данное произведение называется коэффициентом Пельтье, величина которого зависит от материала и температур проводников, соприкасающихся между собой.

Если ранее эффект Пельтье не нашел себе широкого применения за неимением необходимых материалов, то на сегодняшний день, с учетом развития новых технологий, найдены типы проводников, которые способны обеспечить максимальный термоэлектрический эффект.

Эффект с позиций термодинамики

Эффект Пельтье описывается формулой, показывающей, какая энергия переносится при определённой величине электрического тока. Выражая её во временных единицах, находят мощность устройства, исходя из которой определяют потребности холодильника. Сегодня популярны бесшумные элементы Пельтье для кулеров процессоров. Небольшая пластина охлаждает кристалл и охлаждается радиатором кулера. Элемент Пельтье служит тепловым насосом, гарантированно отводящим тепло от центрального процессора, не давая перегреваться.

В формуле на рисунке через альфа обозначены коэффициенты термо-ЭДС половинок (составных частей) элемента. Т – рабочая температура в градусах Кельвина. В каждом элементе, как правило, присутствует побочный эффект Томсона: если по проводнику течёт ток, и вдоль линии имеется градиент (направленная разница) температур, станет, помимо джоулевой, выделяться и иная теплота. Последняя носит имя Томсона. В отдельных участках цепи энергия станет поглощаться. Значит, эффект Томсона оказывает сильное влияние на работу нагревателей и холодильников. Но является, как уже сказано, побочным, неучтённым фактором.

Теплота, переносимая эффектом Томсона, прямо пропорциональна разнице температур на концах проводника и зависит от величины протекающего тока. Явление проявляется лишь в веществах с ярко выраженной зависимостью коэффициента термо-ЭДС от температуры. В некоторых расчётах эффект Томсона считается нулевым, это близко к истине. В термодинамической теории процесс отдачи и отбора тепла рассматривается с точки зрения двух тепловых потоков:

Поток тепла, забираемый охлаждающимся спаем, сопровождается двумя параллельно идущими процессами:

1. Паразитное выделение тепла по закону Джоуля-Ленца. В термодинамике берётся как половина произведения квадрата тока на сопротивление. Вторая половина падает на горячем спае.
2. Поток нагрева теплом, идущим от тёплой части. Равен разнице температур, перемноженной с полной теплопроводностью ветвей термоэлемента.

На горячем спае идут обратные процессы по второму пункту (тепло уносится к охлаждаемой части) и аналогичные по первому – выделяется джоулева теплота.

Из формулировок следует, что действенным решением добиться максимального КПД станет теплоизоляция между спаями. В паре используются полупроводники, способные генерировать термо-ЭДС, электрическому току приходится преодолевать её сопротивление. Затрачиваемая энергия пропорциональна разнице температур и разнице коэффициентов термо-ЭДС веществ и зависит от протекающего тока. Графики зависимости представляют кривые, и дифференцируя их с целью найти экстремумы, возможно получить условия достижения максимальной разницы температур (между комнатой и холодильником).

На рисунках показаны результаты операции взятия производной, где вычислены оптимальные токи для сопротивления R термопары и предельного увеличения холодильного эффекта. Из указанных формул следует, что идеальная машина получится, если:

• Электропроводность материалов термопары одинакова.
• Теплопроводность материалов термопары одинакова.
• Коэффициенты термо-ЭДС одинаковы, но противоположны по знаку.
• Сечения и длины ветвей термопары одинаковы.

Реализовать эти условия на практике сложно. В этом случае предельный холодильный коэффициент равен отношению температуры холодного спая, к разнице температур. Напомним, это характеристика идеальной машины, в реальности пока недостижимая.

Изготовление автомобильного холодильника.

Охлаждать воздух в холодильнике мы будем с помощью элемента Пельтье.

По сути это термоэлектрический преобразователь в форме небольшой пластины, при подключении его к электрическому току в пластине возникает разность температур, одна сторона пластины нагревается, вторая наоборот остывает. Эту особенность мы и будем использовать для работы холодильника.

Материалы для изготовления:

• Пенополистирол (автор использовал лист размером 1200х600х50 мм).
• Элемент Пельтье (можно приобрести в радиомагазинах).
• Два радиатора с кулерами от старых компьютеров.
• Термопаста.
• Регулятор температуры с датчиком (продаются в радиомагазинах).
• Кусок провода и штекер для подключения в прикуриватель авто.
• Пена монтажная.

Инструменты:

• Нож канцелярский.
• Линейка, карандаш.
• Паяльник с паяльными принадлежностями.

Приступаем к изготовлению, первым делом из листов пенополистирола сделаем корпус будущего мини холодильника.

Пенополистирол очень хороший теплоизолятор, даже после отключения холодильника от электричества, он будет удерживать холод внутри контейнера продолжительное время.

На рисунке показаны размеры корпуса, но вы можете сделать короб по своим размерам в зависимости от требуемого объёма холодильника.

Лист пенополистирола легко разрезается канцелярским ножом, все части коробки склеиваются монтажной пеной, после нанесения пены, детали нужно прижать на 5 минут пока пена схватится.

Теперь в холодильник установим охлаждающий элемент.

Для охлаждения будем использовать элемент Пельтье, при подключении его в сеть 12 V, одна сторона его становится очень холодной, она и будет охлаждать воздух внутри холодильника. Вторая сторона элемента будет сильно нагреваться, чтобы устройство не перегорело, нужно отводить тепло, сделать это можно с помощью радиатора и кулера от компьютера.

Схема охлаждающего устройства для автомобильного холодильника.

Но если с внутренней стороны на элемент Пельтье просто поставить радиатор, то он начнёт обмерзать, оптимально установить кулер для равномерного отвода холода от радиатора.

Для хорошей теплоотдачи, между радиаторами и элементом Пельтье наносим слой термопасты. Радиаторы соединяем между собой стандартными скобами, которые используются для крепления к системной плате компьютера.

Тестируем работоспособность устройства, подключаем его к аккумулятору на 12 V.

По сути устройство представляет собой пластину, по бокам которой с обеих сторон закреплены радиаторы с кулерами, работающими на выдув.

Устанавливаем прибор в отверстие коробки, охлаждающей стороной во внутрь, щели между отверстием корпуса и прибора замазываются герметиком.

Наружный блок, радиатор с кулером для отвода горячего воздуха.

Для регулировки температуры установим регулятор температуры с датчиком, сам провод с датчиком нужно протянуть через отверстие в контейнер. Холодильник готов, включаем его в гнездо прикуривателя авто или напрямую к аккумулятору на 12 V и пользуемся.

Один элемент Пельтье охлаждает холодильник до температуры – 3 °С, при температуре окружающего воздуха +25 °С.

При +30°С на улице, в холодильнике стабильно поддерживается температура +6 °С как и в обычном холодильнике.

Автор самоделки Виктор Борисов.

Материалы для создания термопар

Очевидно, обычные металлы для создания мощных систем не годятся. Требуются пары с мощностью от 100 мкВ на 1 градус. В последнем случае достигается высокий КПД. Материалами становятся сплавы висмута, сурьмы, теллурия, кремния, селена. К недостаткам компонентов относятся хрупкость и сравнительно малая температура работы. Низкий КПД добавляет ограничений, но с внедрением нанотехнологий появляется надежда, что привычные рамки окажутся преодолены. Учёные среди перспективных направлений называют разработку принципиально новой полупроводниковой базы с поистине уникальными свойствами, включая точное значение энергетических уровней материалов.

Генератор пельтье своими руками

Самостоятельно собрать подобный прибор не так и сложно. Генератор пельтье своими руками имеет свои особенности: производительность собранного устройства поднимается на 10% за счет большего охлаждения мотора, но нагревать основные комплектующие до показателя свыше 200 градусов не рекомендуется. Прибор выдерживает максимальную нагрузку в 30А, а его сопротивление способно составлять 4Ом благодаря большему количеству проводников (рисунок 5).

Стоит помнить, что генератор на элементах пельтье своими руками:

1. Имеет температурное отклонение в системе, примерно равное 13 градусам.
2. В большинстве случаев сборки и разборки конструкции, статор им не мешает.
3. Модуль крепится непосредственно к ротору, для чего нужно отсоединять центральный вал.
4. Во избежание нагрева роторной обмотки от индуктора, следует использовать керамические пластины.

Рисунок 5. Элемент пельтье поможет создать походный генератор

Теплогенератор на пельтье своими руками собирается из двух пластин 10*10см, толщиной в 1мм, закрепленных термопастой, которые закрывают собой четыре искомых модуля. Поверх них ставится консервная банка или любая другая емкость для розжига огня, которая обеспечит 170-180 градусов. К нижней части одной из пластин прикрепляется при помощи винтов медный или алюминиевый радиатор. К нему присоединяется еще одна пластинка 20*12см, к которой крепится еще одна такая деталь. На нее устанавливается заводской кожух от аккумулятора, к которому припаивается разъем для зарядки смартфона.

Оцените статью:

Элементы Пельтье или мой путь к криогенным температурам / Хабр

Многие слышали про «магические» элементы Пельтье — при прохождении тока через них одна сторона охлаждается, а другая — нагревается. Это работает и в обратную сторону — если одну сторону нагревать, а другую охлаждать — вырабатывается электричество. Эффект Пельтье известен с 1834 года, но и по сей день нас не перестают радовать

инновационные продукты на его основе

(нужно только помнить, что при генерации электричества, как и у солнечных батарей — есть точка максимальной мощности, и если работать далеко от неё — КПД генерации сильно снижается).

В последнее время китайцы поднажали, и заполонили интернеты своими относительно дешевыми модулями, так что эксперименты с ними уже не отнимают слишком много денег. Китайцы обещают максимальную разницу температуры между горячей и холодной стороной в 60-67 градусов. Хммм… А что если мы возьмем 5 элементов, подключим последовательно, тогда у нас должно получиться 20С-67*5 = -315 градусов! Но что-то мне подсказывает, что все не так просто…

Классические «китайские» элементы Пельтье — это 127 элементов, включенных последовательно, и припаянных к керамической «печатной плате» из Al2O3. Соответственно, если рабочее напряжение 12В — то на каждый элемент приходится всего по 94мВ. Бывают элементы и с другим количеством последовательных элементов, и соответственно другим напряжением (например 5В).

Нужно помнить, что элемент Пельтье — это не резистор, его сопротивление нелинейно, так что если мы прикладываем 12В — у нас может не получится 6 ампер (для 6-и амперного элемента) — ток может изменятся в зависимости от температуры (но не слишком сильно). Также при 5В (т.е. меньше номинала) ток будет не 2.5А, а меньше.

Количество перенесенного тепла пропорционально току. Но помимо этого есть паразитный нагрев от протекания тока, и паразитная теплопроводность — все это делает элемент Пельтье хоть сколько-то эффективным в очень узких условиях.

Кроме того, количество перенесенного тепла сильно зависит от разницы температуры между поверхностями. При разнице 60-67С — перенос тепла стремится к 0, а при нулевой разнице — 51 Ватт для 12*6 = 72-х Ваттного элемента. Очевидно, уже это не позволяет так просто соединять элементы в серию — нужно чтобы каждый следующий был по размерам меньше предыдущего, иначе самый холодный элемент будет пытаться отдать больше тепла (72Вт), чем элемент следующей ступени может пропустить через себя при желаемой разнице температур (1-51Вт).

Элементы пельтье собираются легкоплавким припоем с температурой плавления 138С — так что если элемент случайно останется без охлаждения и перегреется — то достаточно будет отпаяться одному из 127*2 контактов чтобы выкинуть элемент на свалку. Ну и элементы очень хрупкие — как керамика, так и сами охлаждающие элементы — я нечаянно разодрал 2 элемента «вдоль» из-за присохшей намертво термопасты:

Итак, маленький элемент — 5В*2А, большой — 12*9А. Кулер на тепловых трубках, температура комнатная. Результат: -19 градусов. Странно… 20-67-67 = -114, а получились жалкие -19…

Идея — вынести все на морозный воздух, но есть проблема — кулер на тепловых трубках хорошо охлаждает только если температура «горячей» и «холодной» стороны кулера лежит по разные стороны фазового перехода газ-жидкость наполнителя трубки. В нашем случае это означает, что кулер в принципе не способен охладить что-либо ниже +20С (т.к. ниже работают только тонкие стенки тепловых трубок). Придется возвращаться к истокам — к цельно-медной системе охлаждения. А чтобы ограниченная производительность кулера не сказывалась на измерениях — добавим килограммовую медную пластину — тепловой аккумулятор.

Результат шокирующий — те же -19 как с одной, так и с двумя стадиями. Температура окружающего воздуха — -10. Т.е. с нулевой нагрузкой мы еле-еле выжали жалкие 9 градусов разницы.

Оказалось, неподалеку от меня хладокомбинат #7, и я решил к ним заглянуть с картонной коробкой. Вернулся с 5-ю килограммами сухого льда (температура сублимации -78С). Опускаем медную конструкцию туда — подключаем ток — на 12В температура моментально начинает расти, при 5В — падает на 1 градус на секунду, и дальше быстро растет. Все надежды разбиты…

Эффективность обычных китайских элементов Пельтье быстро падает при температуре ниже нуля. И если охладить банку колы еще можно с видимой эффективностью, то температуры ниже -20 добиться не удается. И проблема не в конкретных элементах — я пробовал элементы разных моделей от 3-х разных продавцов — поведение одно и то же. Похоже на криогенные стадии нужны элементы из других материалов (и возможно для каждой стадии нужен свой материал элемента).

Ну а с оставшимся сухим льдом можно поступить следующим образом:

PS. А если смешать сухой лед с изопропиловым спиртом — получится жидкий азот для «бедных» — в нем так же весело замораживаются и разбиваются цветы и проч. Вот только из-за того что спирт не кипит при контакте с кожей — получить обморожение существенно легче.

Энергетическое образование

4. Термоэлектрический холодильник

Принцип действия термоэлектрического холодильника. Термоэлектрический холодильник строится на элементах Пельтье, бесшумен, но большого распространения не получил из-за дороговизны охлаждающих термоэлектрических элементов. Тем не менее, сумки-холодильники, небольшие автомобильные холодильники и кулеры питевой воды часто делаются с охлаждением от элементов Пельтье. Элемент Пельтье — это термоэлектрический преобразователь, принцип действия которого базируется на эффекте Пельтье — возникновении разности температур при протекании электрического тока.

Принцип действия. В основе работы элементов Пельтье лежит контакт двух токопроводящих материалов с разными уровнями энергии электронов в зоне проводимости. При протекании тока через контакт таких материалов, электрон должен приобрести энергию, чтобы перейти в более высокоэнергетическую зону проводимости другого полупроводника. При поглощении этой энергии происходит охлаждение места контакта полупроводников. При протекании тока в обратном направлении происходит нагревание места контакта полупроводников, дополнительно к обычному тепловому эффекту. При контакте металлов эффект Пельтье настолько мал, что незаметен на фоне омического нагрева и явлений теплопроводности. Поэтому при практическом применении используются контакт двух полупроводников. Элемент Пельтье состоит из одной или более пар небольших полупроводниковых параллелепипедов — одного n-типа и одного p-типа в паре (обычно теллурида висмута, Bi2Te3 и германида кремния), которые попарно соединены при помощи металлических перемычек. Металлические перемычки одновременно служат термическими контактами и изолированы непроводящей плёнкой или керамической пластинкой. Пары параллелепипедов соединяются таким образом, что образуется последовательное соединение многих пар полупроводников с разным типом проводимости, так чтобы вверху были одни последовательности соединений (n->p), а снизу противоположные (p->n). Протекающий электрический ток протекает последовательно через все параллелепипеды. В зависимости от направления тока верхние контакты охлаждаются, а нижние нагреваются — или наоборот. Таким образом электрический ток переносит тепло с одной стороны элемента Пельтье на противоположную и создаёт разность температур. Если охлаждать нагревающуюся сторону элемента Пельтье, например при помощи радиатора и вентилятора, то температура холодной стороны становится ещё ниже. В одноступенчатых элементах, в зависимости от типа элемента и величины тока, разность температур может достигать приблизительно 70 К. Достоинством элемента Пельтье является небольшие размеры, отсутствие каких-либо движущихся частей, а также газов и жидкостей. При обращении направления тока возможно как охлаждение, так и нагревание — это даёт возможность термостатирования при температуре окружающей среды как выше, так и ниже температуры термостатирования. Недостатком элемента Пельтье является очень низкий коэффициент полезного действия, что ведёт к большой потребляемой мощности для достижения заметной разности температур. Кроме того элементы Пельтье с размерами более 60 мм x 60 мм практически не встречаются. Несмотря на это, элементы Пельтье нашли широкое применение, так как без каких-либо дополнительных устройств можно реализовать температуры ниже 0 °C.

Использование и функции элемента Пельтье

Элемент Пельтье — это устройство, которое преобразует электричество непосредственно в разность температур на плоской пластине, делая одну сторону горячей, а другую — холодной. Это тоже работает в обоих направлениях. То есть, если вы поместите один между горячим утюгом и глыбой льда, он действительно произведет электричество!

Одна только мысль об этом вызывает воспоминания о малоизвестном потерянном фильме Харрисона Форда 80-х годов под названием «Берег москитов», где этот сумасшедший изобретатель устремляется в джунгли и строит машину для производства льда из огня.Дайте мне любой фильм со словом «сумасшедший изобретатель» в описании, и я зацеплюсь. Я отвлекся…

Элементы Пельтье выглядят как плоские, обычно квадратные, пластины, от которых отходят два провода. Между этими двумя поверхностями расположен массив полупроводников, последовательно чередующихся между n-типом и p-типом (n-тип имеет «n» для «отрицательных» или много дополнительных электронов; p-тип имеет «p» для «положительных» или нехватка электронов). Они физически устроены так, что, когда через систему пропускается электрический ток, свободные электроны и промежутки, которые нуждаются в свободных электронах, перемещаются в общем направлении по отношению к двум поверхностям пластин.Это передает тепловую энергию с одной стороны на другую. Направление теплового потока зависит от направления тока.

При применении одна сторона обычно прикрепляется к алюминиевому радиатору, который по существу связывает эту сторону с температурой окружающей среды. Другая сторона покрыта керамикой и станет теплее или холоднее окружающей среды.

Подавляющее большинство из них используется для систем охлаждения, например, для микропроцессоров внутри вашего компьютера или в твердотельных мини-холодильниках.Некоторые из них также используются как для обогрева, так и для охлаждения, например, подстаканники в вашем модном новом автомобиле. Просто поменяйте полярность источника питания с горячего на холодное.

С точки зрения дизайна элементы Пельтье отличаются простотой и компактностью. Они крошечные и не имеют движущихся частей, поэтому служат вечно. С другой стороны, они не так энергоэффективны, как циклы сжатия газа, используемые в системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха и других системах охлаждения (всего 10-15% против 40-60%). Также выше стоимость единицы тепловой энергии.

Элементы Пельтье по-прежнему используются для локального нагрева и охлаждения, где требуются частые быстрые изменения и где важна долговременная надежность. Если у вас есть такая проблема в дизайне вашего продукта, вы можете подумать об этих маленьких гаджетах.

Элементы Пельтье

Элементы Пельтье / термоэлектрические охладители (ТЭО) — это тепловые насосы, которые передают тепло от одной стороны к другой в зависимости от направления электрического тока. Контроллеры TEC используются для управления элементами Пельтье.
В этой статье объясняется, как работают элементы Пельтье / термоэлектрические охладители, описываются особенности и упоминаются производители элементов Пельтье.

TEC Controller Обзор продукта

Содержание

Основы элемента Пельтье

Элемент Пельтье может переносить тепло с помощью эффекта Пельтье. Внутри элемента Пельтье эффект Пельтье создает разницу температур между двумя сторонами при протекании тока.

В зависимости от направления протекания постоянного тока возможно охлаждение и нагрев с помощью элементов Пельтье без изменения разъемов или механической настройки. Дополнительные преимущества заключаются в том, что можно реализовать небольшие конструкции и нет движущихся частей. Ток, подаваемый на элемент Пельтье, контролируется контроллером TEC.

Левая сторона: Стандартный элемент Пельтье Правая сторона: Специальные типы элементов Пельтье

Обычно идентификация производителя печатается на холодной стороне элемента Пельтье.Это холодная сторона, если положительное напряжение питания подключено к красному кабелю элемента Пельтье

.

Поскольку кабели обладают теплоемкостью, они подключаются к горячей стороне элемента Пельтье, чтобы не снизить охлаждающую способность элемента.

Как вы можете видеть на правом рисунке, существуют разные типы элементов Пельтье, они различаются по размеру и форме, мощности и температурному диапазону.

Диапазон размеров: от 1 мм x 1 мм до 60 мм x 60 мм
Формы: квадратные, кольцевые, многоступенчатые, одноступенчатые, герметичные или негерметичные, нестандартные формы
Диапазон температур: разница температур dT _макс до 130 ° C (многоступенчатый), макс.температура до 200 ° C
Максимальная холодопроизводительность: до 290 Вт

Элемент Пельтье, модель

Элементы Пельтье можно охарактеризовать с помощью модели. Модель

имеет следующие три эффекта.

• Эффект Пельтье Q _p : Перенос тепла от одной стороны к другой. Описанный в этом уравнении Q _p = I * α * T
• Обратный поток тепла Q _Rth : Тепловой поток от горячей стороны к холодной.Описанный в этом уравнении Q _Rth = dT / Rth
• Джоулевое нагревание / потери Q _Rv представляют в сопротивлении R _v : Описано в этом уравнении Q _Rv = I ² * R _v / 2.
  Тепло, выделяемое R _v делится поровну на горячую и холодную стороны. Тепло, выделяемое на горячей стороне, непосредственно рассеивается радиатором и поэтому не учитывается в этом уравнении.

Результирующая перекачиваемая тепловая нагрузка Q _c зависит от трех эффектов: Q _p , Q _Rth и Q _Rv .

В случае охлаждения уравнение для Q _c . Имеет вид: Q _c = Q _p — Q _Rth — Q _Rv .

Параметры элемента Пельтье

Помимо механических свойств, элементы Пельтье характеризуются четырьмя важными параметрами. Которые предоставляет производитель: Q _max , dT _max , U _max , I _max

• Q _max : Максимальная мощность теплового насоса при разнице температур между горячей и холодной стороной 0 ° K
• dT _max : максимальная разница температур на элементе Пельтье, когда тепло не перекачивается
• I _макс. : ток через элемент Пельтье при Q _макс.
• U _max : напряжение через элемент Пельтье при Q _max

Параметры Q _max и dT _max являются теоретическими значениями и используются для описания поведения элементов Пельтье.Однако эти максимальные значения никогда не достигаются в термоэлектрических устройствах. Они предоставляются производителем для характеристики производительности модуля Пельтье.

В термоэлектрических системах всегда существует компромисс между производительностью теплового насоса Q _c и разностью температур dT.

Свойства и поведение элементов Пельтье

Следующие четыре диаграммы характеризуют товар с элементом Пельтье. Они полезны для понимания свойств и поведения элементов Пельтье.Подобные диаграммы когда-то используются производителями, например Ferrotec. Все значения в диаграммах относительны.

Тепловой насос в сравнении с текущим

Эта нормализованная диаграмма описывает взаимосвязь между производительностью теплового насоса по оси Y и током по оси X для различных значений разницы температур между горячей и холодной стороной (dT = T _hot — T _cold ) в случае охлаждения.

Динамика системы. Нормализованная диаграмма Тепловой насос vs.Текущий

Только при относительно небольших перепадах температур dT может передаваться значительное количество тепла. Многоступенчатые элементы Пельтье используются, когда требуется более высокая разница температур.

Перекачиваемое тепло Q _C и разность температур dT обратно пропорциональны друг другу, поскольку тепло подается на холодную сторону, разница температур подавляется.

Обычно сквозной ток для элемента Пельтье должен быть в пределах от 0 до 0,7 от I _max .

Динамика системы

Динамика системы. Нормализованная диаграмма зависимости теплоносителя от тока

Чтобы понять динамику системы, мы можем наблюдать, что происходит при изменении температуры — и, следовательно, dT — или при увеличении тепловой нагрузки.

Если мы эксплуатируем элемент Пельтье с током около 25% от I _max , то можно скомпенсировать повышение dT на 10 Кельвина — точка A — B — чтобы гарантировать, что производительность теплового насоса остается постоянной, ток должен быть увеличенным.Производительность теплового насоса также может быть увеличена без изменения dT, если перейти от A к C.

Если рабочая точка составляет около 60% от I _max , нам нужен больший ток, чем в предыдущем примере, чтобы компенсировать повышение dT на 10 Кельвинов — точка D в E — когда производительность теплового насоса не должна измениться. Производительность теплового насоса все еще можно увеличить без потери разницы температур, если перейти от D к F.

Однако, если элемент Пельтье работает с близким к максимальному току, изменение температуры не может быть компенсировано увеличением тока.Переход от более низкой к более высокой разнице температур приведет к снижению производительности теплового насоса.

Коэффициент полезного действия (COP) (КПД)

Определение COP — это тепло, поглощаемое на холодной стороне Q _C , деленное на входную мощность P _el элемента Пельтье: COP = Q _C / P _el . COP — это, в основном, эффективность элемента Пельтье при охлаждении.

На следующей диаграмме показана зависимость производительности (COP) от отношения тока I / I _max , значения на этой диаграмме являются относительными и нормализованными.

На этой диаграмме показана зависимость производительности (COP) от тока. Используйте его, чтобы найти рабочий ток, обеспечивающий максимальную производительность при соответствующей разнице температур dT.

Слева мы видим, что КПД максимален при минимальном перепаде температур. Следовательно, мы получаем большое количество тепла, перекачиваемого на единицу электроэнергии. Как мы видим, в зависимости от dT соответствующий максимум COP находится на разных уровнях тока — при более высоком dT он смещается вправо.Если мы проследим кривую вправо, мы обнаружим, что мы должны вложить в систему много электроэнергии, чтобы получить лишь небольшое количество тепла, что соответствует низкому значению COP. Мы также можем заметить, что для создания более высоких температурных перепадов необходимы более высокие токи.

Причина, по которой COP не начинается с нуля при dT> 0 K, заключается в том, что сначала необходимо компенсировать обратный поток тепла Q _Rth за счет эффекта Пельтье Q _p , прежде чем элемент Пельтье остынет.

Тепловыделение элемента Пельтье

На следующей диаграмме показана зависимость тепла Q _h , рассеиваемого на теплой стороне элемента Пельтье, от тока при охлаждении.

Нормализованная диаграмма, показывающая тепло, отводимое радиатором, в зависимости от тока для различных температурных перепадов dT.

Значения нормированные и относительные. Как вы можете видеть, Q _h , отклоненное элементом Пельтье, может быть до 2,6 раз больше Q _max . Количество тепла на горячей стороне Q _h может быть настолько большим, потому что тепло от эффекта Пельтье Q _p и тепло сопротивления потерь Q _Rv должны рассеиваться.Q _h = Q _p + Q _{Применяется Rv} .

Зависимость отклоненного тепла от dT

На следующей диаграмме показано соотношение между Q _h и Q _C для различных dT в случае охлаждения. Отношение Q _h / Q _c является фактором того, насколько больше тепла должно рассеиваться на горячей стороне, чем на холодной.

Нормализованная диаграмма, показывающая тепло, отводимое радиатором, на количество перекачиваемого тепла по сравнению сток для разных dT.

Это означает, что при большом dT большое количество тепла рассеивается радиатором, а на холодной стороне элемента Пельтье поглощается сравнительно небольшое количество тепла.
Например, если вы хотите охладить один ватт на холодной стороне Q _C = 1 Вт. Это дает 1,75 Вт тепла на горячей стороне Q _h = 1,75 Вт, если dt = 20 К. При dT = 40 К это около 3,5 Вт на горячей стороне Q _ч = 3,5 Вт

Напряжение vs.Текущий

Эта нормализованная диаграмма описывает соотношение между напряжением на оси y и током на оси x для различных значений разницы температур между горячей и холодной стороной (dT = T _hot — T _cold ) в корпус охлаждения.

Нормализованная диаграмма, показывающая зависимость напряжения от тока для различных dT.

Как видите, кривая линейная. Поведение элемента Пельтье такое же, как у резистора с источником напряжения.Наклон кривой уменьшается с увеличением dT. Смещение по оси ординат связано с эффектом Зеебека.

Многоступенчатые элементы Пельтье

Многоступенчатый элемент Пельтье

Все приведенные выше диаграммы относятся к стандартным элементам Пельтье, но поведение многоступенчатых элементов Пельтье аналогично. Многоступенчатые элементы Пельтье используются, когда требуются более высокие значения dT (до 125 K). Но Q _max ниже, т.е. меньше тепла может рассеиваться.Это недостаток многоступенчатых элементов Пельтье.

Производители

Элементы Пельтье

Элементы Пельтье / термоэлектрические охладители (ТЭО) — это тепловые насосы, которые передают тепло от одной стороны к другой в зависимости от направления электрического тока. Контроллеры TEC используются для управления элементами Пельтье.
В этой статье объясняется, как работают элементы Пельтье / термоэлектрические охладители, описываются особенности и упоминаются производители элементов Пельтье.

TEC Controller Обзор продукта

Содержание

Основы элемента Пельтье

Элемент Пельтье может переносить тепло с помощью эффекта Пельтье. Внутри элемента Пельтье эффект Пельтье создает разницу температур между двумя сторонами при протекании тока.

В зависимости от направления протекания постоянного тока возможно охлаждение и нагрев с помощью элементов Пельтье без изменения разъемов или механической настройки.Дополнительные преимущества заключаются в том, что можно реализовать небольшие конструкции и нет движущихся частей. Ток, подаваемый на элемент Пельтье, контролируется контроллером TEC.

Левая сторона: Стандартный элемент Пельтье Правая сторона: Специальные типы элементов Пельтье

Обычно идентификация производителя печатается на холодной стороне элемента Пельтье. Это холодная сторона, если положительное напряжение питания подключено к красному кабелю элемента Пельтье

.

Поскольку кабели обладают теплоемкостью, они подключаются к горячей стороне элемента Пельтье, чтобы не снизить охлаждающую способность элемента.

Как вы можете видеть на правом рисунке, существуют разные типы элементов Пельтье, они различаются по размеру и форме, мощности и температурному диапазону.

Диапазон размеров: от 1 мм x 1 мм до 60 мм x 60 мм
Формы: квадратные, кольцевые, многоступенчатые, одноступенчатые, герметичные или негерметичные, нестандартные формы
Диапазон температур: разница температур dT _макс до 130 ° C (многоступенчатый), макс. температура до 200 ° C
Максимальная холодопроизводительность: до 290 Вт

Элемент Пельтье, модель

Элементы Пельтье можно охарактеризовать с помощью модели.Модель

имеет следующие три эффекта.

• Эффект Пельтье Q _p : Перенос тепла от одной стороны к другой. Описанный в этом уравнении Q _p = I * α * T
• Обратный поток тепла Q _Rth : Тепловой поток от горячей стороны к холодной. Описанный в этом уравнении Q _Rth = dT / Rth
• Джоулевое нагревание / потери Q _Rv представляют в сопротивлении R _v : Описанное в этом уравнении Q _Rv = I ² * R _v /2.
  Тепло, выделяемое R _v , поровну распределяется между горячей и холодной стороной. Тепло, выделяемое на горячей стороне, непосредственно рассеивается радиатором и поэтому не учитывается в этом уравнении.

Результирующая перекачиваемая тепловая нагрузка Q _c зависит от трех эффектов: Q _p , Q _Rth и Q _Rv .

В случае охлаждения уравнение для Q _c . Имеет вид: Q _c = Q _p — Q _Rth — Q _Rv .

Параметры элемента Пельтье

Помимо механических свойств, элементы Пельтье характеризуются четырьмя важными параметрами. Которые предоставляет производитель: Q _max , dT _max , U _max , I _max

• Q _max : Максимальная мощность теплового насоса при разнице температур между горячей и холодной стороной 0 ° K
• dT _max : максимальная разница температур на элементе Пельтье, когда тепло не перекачивается
• I _макс. : ток через элемент Пельтье при Q _макс.
• U _max : напряжение через элемент Пельтье при Q _max

Параметры Q _max и dT _max являются теоретическими значениями и используются для описания поведения элементов Пельтье.Однако эти максимальные значения никогда не достигаются в термоэлектрических устройствах. Они предоставляются производителем для характеристики производительности модуля Пельтье.

В термоэлектрических системах всегда существует компромисс между производительностью теплового насоса Q _c и разностью температур dT.

Свойства и поведение элементов Пельтье

Следующие четыре диаграммы характеризуют товар с элементом Пельтье. Они полезны для понимания свойств и поведения элементов Пельтье.Подобные диаграммы когда-то используются производителями, например Ferrotec. Все значения в диаграммах относительны.

Тепловой насос в сравнении с текущим

Эта нормализованная диаграмма описывает взаимосвязь между производительностью теплового насоса по оси Y и током по оси X для различных значений разницы температур между горячей и холодной стороной (dT = T _hot — T _cold ) в случае охлаждения.

Динамика системы. Нормализованная диаграмма Тепловой насос vs.Текущий

Только при относительно небольших перепадах температур dT может передаваться значительное количество тепла. Многоступенчатые элементы Пельтье используются, когда требуется более высокая разница температур.

Перекачиваемое тепло Q _C и разность температур dT обратно пропорциональны друг другу, поскольку тепло подается на холодную сторону, разница температур подавляется.

Обычно сквозной ток для элемента Пельтье должен быть в пределах от 0 до 0,7 от I _max .

Динамика системы

Динамика системы. Нормализованная диаграмма зависимости теплоносителя от тока

Чтобы понять динамику системы, мы можем наблюдать, что происходит при изменении температуры — и, следовательно, dT — или при увеличении тепловой нагрузки.

Если мы эксплуатируем элемент Пельтье с током около 25% от I _max , то можно скомпенсировать повышение dT на 10 Кельвина — точка A — B — чтобы гарантировать, что производительность теплового насоса остается постоянной, ток должен быть увеличенным.Производительность теплового насоса также может быть увеличена без изменения dT, если перейти от A к C.

Если рабочая точка составляет около 60% от I _max , нам нужен больший ток, чем в предыдущем примере, чтобы компенсировать повышение dT на 10 Кельвинов — точка D в E — когда производительность теплового насоса не должна измениться. Производительность теплового насоса все еще можно увеличить без потери разницы температур, если перейти от D к F.

Однако, если элемент Пельтье работает с близким к максимальному току, изменение температуры не может быть компенсировано увеличением тока.Переход от более низкой к более высокой разнице температур приведет к снижению производительности теплового насоса.

Коэффициент полезного действия (COP) (КПД)

Определение COP — это тепло, поглощаемое на холодной стороне Q _C , деленное на входную мощность P _el элемента Пельтье: COP = Q _C / P _el . COP — это, в основном, эффективность элемента Пельтье при охлаждении.

На следующей диаграмме показана зависимость производительности (COP) от отношения тока I / I _max , значения на этой диаграмме являются относительными и нормализованными.

На этой диаграмме показана зависимость производительности (COP) от тока. Используйте его, чтобы найти рабочий ток, обеспечивающий максимальную производительность при соответствующей разнице температур dT.

Слева мы видим, что КПД максимален при минимальном перепаде температур. Следовательно, мы получаем большое количество тепла, перекачиваемого на единицу электроэнергии. Как мы видим, в зависимости от dT соответствующий максимум COP находится на разных уровнях тока — при более высоком dT он смещается вправо.Если мы проследим кривую вправо, мы обнаружим, что мы должны вложить в систему много электроэнергии, чтобы получить лишь небольшое количество тепла, что соответствует низкому значению COP. Мы также можем заметить, что для создания более высоких температурных перепадов необходимы более высокие токи.

Причина, по которой COP не начинается с нуля при dT> 0 K, заключается в том, что сначала необходимо компенсировать обратный поток тепла Q _Rth за счет эффекта Пельтье Q _p , прежде чем элемент Пельтье остынет.

Тепловыделение элемента Пельтье

На следующей диаграмме показана зависимость тепла Q _h , рассеиваемого на теплой стороне элемента Пельтье, от тока при охлаждении.

Нормализованная диаграмма, показывающая тепло, отводимое радиатором, в зависимости от тока для различных температурных перепадов dT.

Значения нормированные и относительные. Как вы можете видеть, Q _h , отклоненное элементом Пельтье, может быть до 2,6 раз больше Q _max . Количество тепла на горячей стороне Q _h может быть настолько большим, потому что тепло от эффекта Пельтье Q _p и тепло сопротивления потерь Q _Rv должны рассеиваться.Q _h = Q _p + Q _{Применяется Rv} .

Зависимость отклоненного тепла от dT

На следующей диаграмме показано соотношение между Q _h и Q _C для различных dT в случае охлаждения. Отношение Q _h / Q _c является фактором того, насколько больше тепла должно рассеиваться на горячей стороне, чем на холодной.

Нормализованная диаграмма, показывающая тепло, отводимое радиатором, на количество перекачиваемого тепла по сравнению сток для разных dT.

Это означает, что при большом dT большое количество тепла рассеивается радиатором, а на холодной стороне элемента Пельтье поглощается сравнительно небольшое количество тепла.
Например, если вы хотите охладить один ватт на холодной стороне Q _C = 1 Вт. Это дает 1,75 Вт тепла на горячей стороне Q _h = 1,75 Вт, если dt = 20 К. При dT = 40 К это около 3,5 Вт на горячей стороне Q _ч = 3,5 Вт

Напряжение vs.Текущий

Эта нормализованная диаграмма описывает соотношение между напряжением на оси y и током на оси x для различных значений разницы температур между горячей и холодной стороной (dT = T _hot — T _cold ) в корпус охлаждения.

Нормализованная диаграмма, показывающая зависимость напряжения от тока для различных dT.

Как видите, кривая линейная. Поведение элемента Пельтье такое же, как у резистора с источником напряжения.Наклон кривой уменьшается с увеличением dT. Смещение по оси ординат связано с эффектом Зеебека.

Многоступенчатые элементы Пельтье

Многоступенчатый элемент Пельтье

Все приведенные выше диаграммы относятся к стандартным элементам Пельтье, но поведение многоступенчатых элементов Пельтье аналогично. Многоступенчатые элементы Пельтье используются, когда требуются более высокие значения dT (до 125 K). Но Q _max ниже, т.е. меньше тепла может рассеиваться.Это недостаток многоступенчатых элементов Пельтье.

Производители

Элементы Пельтье

Элементы Пельтье / термоэлектрические охладители (ТЭО) — это тепловые насосы, которые передают тепло от одной стороны к другой в зависимости от направления электрического тока. Контроллеры TEC используются для управления элементами Пельтье.
В этой статье объясняется, как работают элементы Пельтье / термоэлектрические охладители, описываются особенности и упоминаются производители элементов Пельтье.

TEC Controller Обзор продукта

Содержание

Основы элемента Пельтье

Элемент Пельтье может переносить тепло с помощью эффекта Пельтье. Внутри элемента Пельтье эффект Пельтье создает разницу температур между двумя сторонами при протекании тока.

В зависимости от направления протекания постоянного тока возможно охлаждение и нагрев с помощью элементов Пельтье без изменения разъемов или механической настройки.Дополнительные преимущества заключаются в том, что можно реализовать небольшие конструкции и нет движущихся частей. Ток, подаваемый на элемент Пельтье, контролируется контроллером TEC.

Левая сторона: Стандартный элемент Пельтье Правая сторона: Специальные типы элементов Пельтье

Обычно идентификация производителя печатается на холодной стороне элемента Пельтье. Это холодная сторона, если положительное напряжение питания подключено к красному кабелю элемента Пельтье

.

Поскольку кабели обладают теплоемкостью, они подключаются к горячей стороне элемента Пельтье, чтобы не снизить охлаждающую способность элемента.

Как вы можете видеть на правом рисунке, существуют разные типы элементов Пельтье, они различаются по размеру и форме, мощности и температурному диапазону.

Диапазон размеров: от 1 мм x 1 мм до 60 мм x 60 мм
Формы: квадратные, кольцевые, многоступенчатые, одноступенчатые, герметичные или негерметичные, нестандартные формы
Диапазон температур: разница температур dT _макс до 130 ° C (многоступенчатый), макс. температура до 200 ° C
Максимальная холодопроизводительность: до 290 Вт

Элемент Пельтье, модель

Элементы Пельтье можно охарактеризовать с помощью модели.Модель

имеет следующие три эффекта.

• Эффект Пельтье Q _p : Перенос тепла от одной стороны к другой. Описанный в этом уравнении Q _p = I * α * T
• Обратный поток тепла Q _Rth : Тепловой поток от горячей стороны к холодной. Описанный в этом уравнении Q _Rth = dT / Rth
• Джоулевое нагревание / потери Q _Rv представляют в сопротивлении R _v : Описанное в этом уравнении Q _Rv = I ² * R _v /2.
  Тепло, выделяемое R _v , поровну распределяется между горячей и холодной стороной. Тепло, выделяемое на горячей стороне, непосредственно рассеивается радиатором и поэтому не учитывается в этом уравнении.

Результирующая перекачиваемая тепловая нагрузка Q _c зависит от трех эффектов: Q _p , Q _Rth и Q _Rv .

В случае охлаждения уравнение для Q _c . Имеет вид: Q _c = Q _p — Q _Rth — Q _Rv .

Параметры элемента Пельтье

Помимо механических свойств, элементы Пельтье характеризуются четырьмя важными параметрами. Которые предоставляет производитель: Q _max , dT _max , U _max , I _max

• Q _max : Максимальная мощность теплового насоса при разнице температур между горячей и холодной стороной 0 ° K
• dT _max : максимальная разница температур на элементе Пельтье, когда тепло не перекачивается
• I _макс. : ток через элемент Пельтье при Q _макс.
• U _max : напряжение через элемент Пельтье при Q _max

Параметры Q _max и dT _max являются теоретическими значениями и используются для описания поведения элементов Пельтье.Однако эти максимальные значения никогда не достигаются в термоэлектрических устройствах. Они предоставляются производителем для характеристики производительности модуля Пельтье.

В термоэлектрических системах всегда существует компромисс между производительностью теплового насоса Q _c и разностью температур dT.

Свойства и поведение элементов Пельтье

Следующие четыре диаграммы характеризуют товар с элементом Пельтье. Они полезны для понимания свойств и поведения элементов Пельтье.Подобные диаграммы когда-то используются производителями, например Ferrotec. Все значения в диаграммах относительны.

Тепловой насос в сравнении с текущим

Эта нормализованная диаграмма описывает взаимосвязь между производительностью теплового насоса по оси Y и током по оси X для различных значений разницы температур между горячей и холодной стороной (dT = T _hot — T _cold ) в случае охлаждения.

Динамика системы. Нормализованная диаграмма Тепловой насос vs.Текущий

Только при относительно небольших перепадах температур dT может передаваться значительное количество тепла. Многоступенчатые элементы Пельтье используются, когда требуется более высокая разница температур.

Перекачиваемое тепло Q _C и разность температур dT обратно пропорциональны друг другу, поскольку тепло подается на холодную сторону, разница температур подавляется.

Обычно сквозной ток для элемента Пельтье должен быть в пределах от 0 до 0,7 от I _max .

Динамика системы

Динамика системы. Нормализованная диаграмма зависимости теплоносителя от тока

Чтобы понять динамику системы, мы можем наблюдать, что происходит при изменении температуры — и, следовательно, dT — или при увеличении тепловой нагрузки.

Если мы эксплуатируем элемент Пельтье с током около 25% от I _max , то можно скомпенсировать повышение dT на 10 Кельвина — точка A — B — чтобы гарантировать, что производительность теплового насоса остается постоянной, ток должен быть увеличенным.Производительность теплового насоса также может быть увеличена без изменения dT, если перейти от A к C.

Если рабочая точка составляет около 60% от I _max , нам нужен больший ток, чем в предыдущем примере, чтобы компенсировать повышение dT на 10 Кельвинов — точка D в E — когда производительность теплового насоса не должна измениться. Производительность теплового насоса все еще можно увеличить без потери разницы температур, если перейти от D к F.

Однако, если элемент Пельтье работает с близким к максимальному току, изменение температуры не может быть компенсировано увеличением тока.Переход от более низкой к более высокой разнице температур приведет к снижению производительности теплового насоса.

Коэффициент полезного действия (COP) (КПД)

Определение COP — это тепло, поглощаемое на холодной стороне Q _C , деленное на входную мощность P _el элемента Пельтье: COP = Q _C / P _el . COP — это, в основном, эффективность элемента Пельтье при охлаждении.

На следующей диаграмме показана зависимость производительности (COP) от отношения тока I / I _max , значения на этой диаграмме являются относительными и нормализованными.

На этой диаграмме показана зависимость производительности (COP) от тока. Используйте его, чтобы найти рабочий ток, обеспечивающий максимальную производительность при соответствующей разнице температур dT.

Слева мы видим, что КПД максимален при минимальном перепаде температур. Следовательно, мы получаем большое количество тепла, перекачиваемого на единицу электроэнергии. Как мы видим, в зависимости от dT соответствующий максимум COP находится на разных уровнях тока — при более высоком dT он смещается вправо.Если мы проследим кривую вправо, мы обнаружим, что мы должны вложить в систему много электроэнергии, чтобы получить лишь небольшое количество тепла, что соответствует низкому значению COP. Мы также можем заметить, что для создания более высоких температурных перепадов необходимы более высокие токи.

Причина, по которой COP не начинается с нуля при dT> 0 K, заключается в том, что сначала необходимо компенсировать обратный поток тепла Q _Rth за счет эффекта Пельтье Q _p , прежде чем элемент Пельтье остынет.

Тепловыделение элемента Пельтье

На следующей диаграмме показана зависимость тепла Q _h , рассеиваемого на теплой стороне элемента Пельтье, от тока при охлаждении.

Нормализованная диаграмма, показывающая тепло, отводимое радиатором, в зависимости от тока для различных температурных перепадов dT.

Значения нормированные и относительные. Как вы можете видеть, Q _h , отклоненное элементом Пельтье, может быть до 2,6 раз больше Q _max . Количество тепла на горячей стороне Q _h может быть настолько большим, потому что тепло от эффекта Пельтье Q _p и тепло сопротивления потерь Q _Rv должны рассеиваться.Q _h = Q _p + Q _{Применяется Rv} .

Зависимость отклоненного тепла от dT

На следующей диаграмме показано соотношение между Q _h и Q _C для различных dT в случае охлаждения. Отношение Q _h / Q _c является фактором того, насколько больше тепла должно рассеиваться на горячей стороне, чем на холодной.

Нормализованная диаграмма, показывающая тепло, отводимое радиатором, на количество перекачиваемого тепла по сравнению сток для разных dT.

Это означает, что при большом dT большое количество тепла рассеивается радиатором, а на холодной стороне элемента Пельтье поглощается сравнительно небольшое количество тепла.
Например, если вы хотите охладить один ватт на холодной стороне Q _C = 1 Вт. Это дает 1,75 Вт тепла на горячей стороне Q _h = 1,75 Вт, если dt = 20 К. При dT = 40 К это около 3,5 Вт на горячей стороне Q _ч = 3,5 Вт

Напряжение vs.Текущий

Эта нормализованная диаграмма описывает соотношение между напряжением на оси y и током на оси x для различных значений разницы температур между горячей и холодной стороной (dT = T _hot — T _cold ) в корпус охлаждения.

Нормализованная диаграмма, показывающая зависимость напряжения от тока для различных dT.

Как видите, кривая линейная. Поведение элемента Пельтье такое же, как у резистора с источником напряжения.Наклон кривой уменьшается с увеличением dT. Смещение по оси ординат связано с эффектом Зеебека.

Многоступенчатые элементы Пельтье

Многоступенчатый элемент Пельтье

Все приведенные выше диаграммы относятся к стандартным элементам Пельтье, но поведение многоступенчатых элементов Пельтье аналогично. Многоступенчатые элементы Пельтье используются, когда требуются более высокие значения dT (до 125 K). Но Q _max ниже, т.е. меньше тепла может рассеиваться.Это недостаток многоступенчатых элементов Пельтье.

Производители

Элементы Пельтье

Элементы Пельтье / термоэлектрические охладители (ТЭО) — это тепловые насосы, которые передают тепло от одной стороны к другой в зависимости от направления электрического тока. Контроллеры TEC используются для управления элементами Пельтье.
В этой статье объясняется, как работают элементы Пельтье / термоэлектрические охладители, описываются особенности и упоминаются производители элементов Пельтье.

TEC Controller Обзор продукта

Содержание

Основы элемента Пельтье

Элемент Пельтье может переносить тепло с помощью эффекта Пельтье. Внутри элемента Пельтье эффект Пельтье создает разницу температур между двумя сторонами при протекании тока.

В зависимости от направления протекания постоянного тока возможно охлаждение и нагрев с помощью элементов Пельтье без изменения разъемов или механической настройки.Дополнительные преимущества заключаются в том, что можно реализовать небольшие конструкции и нет движущихся частей. Ток, подаваемый на элемент Пельтье, контролируется контроллером TEC.

Левая сторона: Стандартный элемент Пельтье Правая сторона: Специальные типы элементов Пельтье

Обычно идентификация производителя печатается на холодной стороне элемента Пельтье. Это холодная сторона, если положительное напряжение питания подключено к красному кабелю элемента Пельтье

.

Поскольку кабели обладают теплоемкостью, они подключаются к горячей стороне элемента Пельтье, чтобы не снизить охлаждающую способность элемента.

Как вы можете видеть на правом рисунке, существуют разные типы элементов Пельтье, они различаются по размеру и форме, мощности и температурному диапазону.

Диапазон размеров: от 1 мм x 1 мм до 60 мм x 60 мм
Формы: квадратные, кольцевые, многоступенчатые, одноступенчатые, герметичные или негерметичные, нестандартные формы
Диапазон температур: разница температур dT _макс до 130 ° C (многоступенчатый), макс. температура до 200 ° C
Максимальная холодопроизводительность: до 290 Вт

Элемент Пельтье, модель

Элементы Пельтье можно охарактеризовать с помощью модели.Модель

имеет следующие три эффекта.

• Эффект Пельтье Q _p : Перенос тепла от одной стороны к другой. Описанный в этом уравнении Q _p = I * α * T
• Обратный поток тепла Q _Rth : Тепловой поток от горячей стороны к холодной. Описанный в этом уравнении Q _Rth = dT / Rth
• Джоулевое нагревание / потери Q _Rv представляют в сопротивлении R _v : Описанное в этом уравнении Q _Rv = I ² * R _v /2.
  Тепло, выделяемое R _v , поровну распределяется между горячей и холодной стороной. Тепло, выделяемое на горячей стороне, непосредственно рассеивается радиатором и поэтому не учитывается в этом уравнении.

Результирующая перекачиваемая тепловая нагрузка Q _c зависит от трех эффектов: Q _p , Q _Rth и Q _Rv .

В случае охлаждения уравнение для Q _c . Имеет вид: Q _c = Q _p — Q _Rth — Q _Rv .

Параметры элемента Пельтье

Помимо механических свойств, элементы Пельтье характеризуются четырьмя важными параметрами. Которые предоставляет производитель: Q _max , dT _max , U _max , I _max

• Q _max : Максимальная мощность теплового насоса при разнице температур между горячей и холодной стороной 0 ° K
• dT _max : максимальная разница температур на элементе Пельтье, когда тепло не перекачивается
• I _макс. : ток через элемент Пельтье при Q _макс.
• U _max : напряжение через элемент Пельтье при Q _max

Параметры Q _max и dT _max являются теоретическими значениями и используются для описания поведения элементов Пельтье.Однако эти максимальные значения никогда не достигаются в термоэлектрических устройствах. Они предоставляются производителем для характеристики производительности модуля Пельтье.

В термоэлектрических системах всегда существует компромисс между производительностью теплового насоса Q _c и разностью температур dT.

Свойства и поведение элементов Пельтье

Следующие четыре диаграммы характеризуют товар с элементом Пельтье. Они полезны для понимания свойств и поведения элементов Пельтье.Подобные диаграммы когда-то используются производителями, например Ferrotec. Все значения в диаграммах относительны.

Тепловой насос в сравнении с текущим

Эта нормализованная диаграмма описывает взаимосвязь между производительностью теплового насоса по оси Y и током по оси X для различных значений разницы температур между горячей и холодной стороной (dT = T _hot — T _cold ) в случае охлаждения.

Динамика системы. Нормализованная диаграмма Тепловой насос vs.Текущий

Только при относительно небольших перепадах температур dT может передаваться значительное количество тепла. Многоступенчатые элементы Пельтье используются, когда требуется более высокая разница температур.

Перекачиваемое тепло Q _C и разность температур dT обратно пропорциональны друг другу, поскольку тепло подается на холодную сторону, разница температур подавляется.

Обычно сквозной ток для элемента Пельтье должен быть в пределах от 0 до 0,7 от I _max .

Динамика системы

Динамика системы. Нормализованная диаграмма зависимости теплоносителя от тока

Чтобы понять динамику системы, мы можем наблюдать, что происходит при изменении температуры — и, следовательно, dT — или при увеличении тепловой нагрузки.

Если мы эксплуатируем элемент Пельтье с током около 25% от I _max , то можно скомпенсировать повышение dT на 10 Кельвина — точка A — B — чтобы гарантировать, что производительность теплового насоса остается постоянной, ток должен быть увеличенным.Производительность теплового насоса также может быть увеличена без изменения dT, если перейти от A к C.

Если рабочая точка составляет около 60% от I _max , нам нужен больший ток, чем в предыдущем примере, чтобы компенсировать повышение dT на 10 Кельвинов — точка D в E — когда производительность теплового насоса не должна измениться. Производительность теплового насоса все еще можно увеличить без потери разницы температур, если перейти от D к F.

Однако, если элемент Пельтье работает с близким к максимальному току, изменение температуры не может быть компенсировано увеличением тока.Переход от более низкой к более высокой разнице температур приведет к снижению производительности теплового насоса.

Коэффициент полезного действия (COP) (КПД)

Определение COP — это тепло, поглощаемое на холодной стороне Q _C , деленное на входную мощность P _el элемента Пельтье: COP = Q _C / P _el . COP — это, в основном, эффективность элемента Пельтье при охлаждении.

На следующей диаграмме показана зависимость производительности (COP) от отношения тока I / I _max , значения на этой диаграмме являются относительными и нормализованными.

На этой диаграмме показана зависимость производительности (COP) от тока. Используйте его, чтобы найти рабочий ток, обеспечивающий максимальную производительность при соответствующей разнице температур dT.

Слева мы видим, что КПД максимален при минимальном перепаде температур. Следовательно, мы получаем большое количество тепла, перекачиваемого на единицу электроэнергии. Как мы видим, в зависимости от dT соответствующий максимум COP находится на разных уровнях тока — при более высоком dT он смещается вправо.Если мы проследим кривую вправо, мы обнаружим, что мы должны вложить в систему много электроэнергии, чтобы получить лишь небольшое количество тепла, что соответствует низкому значению COP. Мы также можем заметить, что для создания более высоких температурных перепадов необходимы более высокие токи.

Причина, по которой COP не начинается с нуля при dT> 0 K, заключается в том, что сначала необходимо компенсировать обратный поток тепла Q _Rth за счет эффекта Пельтье Q _p , прежде чем элемент Пельтье остынет.

Тепловыделение элемента Пельтье

На следующей диаграмме показана зависимость тепла Q _h , рассеиваемого на теплой стороне элемента Пельтье, от тока при охлаждении.

Нормализованная диаграмма, показывающая тепло, отводимое радиатором, в зависимости от тока для различных температурных перепадов dT.

Значения нормированные и относительные. Как вы можете видеть, Q _h , отклоненное элементом Пельтье, может быть до 2,6 раз больше Q _max . Количество тепла на горячей стороне Q _h может быть настолько большим, потому что тепло от эффекта Пельтье Q _p и тепло сопротивления потерь Q _Rv должны рассеиваться.Q _h = Q _p + Q _{Применяется Rv} .

Зависимость отклоненного тепла от dT

На следующей диаграмме показано соотношение между Q _h и Q _C для различных dT в случае охлаждения. Отношение Q _h / Q _c является фактором того, насколько больше тепла должно рассеиваться на горячей стороне, чем на холодной.

Нормализованная диаграмма, показывающая тепло, отводимое радиатором, на количество перекачиваемого тепла по сравнению сток для разных dT.

Это означает, что при большом dT большое количество тепла рассеивается радиатором, а на холодной стороне элемента Пельтье поглощается сравнительно небольшое количество тепла.
Например, если вы хотите охладить один ватт на холодной стороне Q _C = 1 Вт. Это дает 1,75 Вт тепла на горячей стороне Q _h = 1,75 Вт, если dt = 20 К. При dT = 40 К это около 3,5 Вт на горячей стороне Q _ч = 3,5 Вт

Напряжение vs.Текущий

Эта нормализованная диаграмма описывает соотношение между напряжением на оси y и током на оси x для различных значений разницы температур между горячей и холодной стороной (dT = T _hot — T _cold ) в корпус охлаждения.

Нормализованная диаграмма, показывающая зависимость напряжения от тока для различных dT.

Как видите, кривая линейная. Поведение элемента Пельтье такое же, как у резистора с источником напряжения.Наклон кривой уменьшается с увеличением dT. Смещение по оси ординат связано с эффектом Зеебека.

Многоступенчатые элементы Пельтье

Многоступенчатый элемент Пельтье

Все приведенные выше диаграммы относятся к стандартным элементам Пельтье, но поведение многоступенчатых элементов Пельтье аналогично. Многоступенчатые элементы Пельтье используются, когда требуются более высокие значения dT (до 125 K). Но Q _max ниже, т.е. меньше тепла может рассеиваться.Это недостаток многоступенчатых элементов Пельтье.

Производители

Руководство по проектированию элементов ТЕС / Пельтье

Контроллеры TEC используются для термоэлектрического охлаждения и нагрева в сочетании с элементами Пельтье или резистивными нагревателями. Элементы Пельтье — это тепловые насосы, которые передают тепло от одной стороны к другой в зависимости от направления электрического тока. Контроллеры TEC используются для управления элементами Пельтье.
Это руководство по проектированию системы предоставляет информацию о том, как разработать простую систему термоэлектрического охлаждения с использованием контроллеров ТЕС и элементов Пельтье.При разработке термоэлектрического устройства охлаждение является критически важной частью. Итак, мы возьмем случай охлаждения объекта в качестве примера для руководства по дизайну.

TEC Controller Обзор продукта

Содержание

Проектирование полной термоэлектрической системы может быть большой сложной задачей. Однако для более простой системы не следует теряться в деталях. Это руководство является отправной точкой для оценки проектных параметров с некоторыми упрощениями для нового приложения термоэлектрического охлаждения.
Шаг за шагом мы проходим все необходимые этапы проектирования, выделяем важные моменты и, наконец, рассчитываем пример приложения. Мы обрабатываем систему с помощью одноступенчатого элемента Пельтье. Многоступенчатые элементы Пельтье достигают более низких температур, но их сложнее проектировать.

Консультации по сложным тепловым расчетам

Мы сотрудничаем с Elinter AG, поставщиком полных, более сложных решений в области теплового проектирования. Elinter может помочь вам в разработке вашего термоэлектрического приложения.Это включает моделирование, проектирование, механическое строительство, а также выбор подходящей электроники, радиаторов и тепловых трубок.

Видео о термоэлектрическом охлаждении

Это видео объясняет основы термоэлектрического охлаждения. Мы приводим примеры важных шагов проектирования для успешного проектирования термоэлектрического приложения с использованием контроллеров TEC и элементов Пельтье.

Справочная информация

Термоэлектрическое охлаждение и обогрев используется для различных целей, даже при активном охлаждении ниже температуры окружающей среды или высокой точности температуры (стабильность <0.01 ° C). Контроллер TEC - источник тока для элемента Пельтье - в сочетании с элементом Пельтье активно регулирует температуру данного объекта. Это делается без акустических и электрических шумов, вибраций и механических движущихся частей. Переход от охлаждения к нагреву возможен путем изменения направления тока без внесения каких-либо механических изменений.

При работе с элементами Пельтье существуют температурные ограничения. Они доступны с максимальной рабочей температурой 200 ° C, где этот предел определяется температурой оплавления припоя и уплотнения.Другой предел — максимальная температура между горячей и холодной сторонами элемента Пельтье. В обычных приложениях разница примерно в 50 К может быть реализована с помощью одноступенчатого элемента.
При использовании элемента Пельтье в качестве термоэлектрического охладителя существует предел, при котором температура снова будет повышаться при увеличении подачи тока. Это происходит из-за рассеяния мощности (I ² R) внутри элемента Пельтье при потреблении большего тока, чем I _max .

Типовая термоэлектрическая система

Основными частями термоэлектрической системы охлаждения, которые имеют отношение к нашему процессу проектирования, являются следующие:

• Контроллер ТЕС
• Элемент Пельтье
• Радиатор

Другая важная деталь, напарник радиатора, не видна напрямую.Это окружающий воздух с его температурой, где рассеивается тепло.
Помимо вышеупомянутых частей, для всего приложения важны другие компоненты. Это, например, датчики температуры, программное обеспечение для настройки и контроля контроллера ТЕС, вентилятор и, конечно же, источник питания.

Пожалуйста, посмотрите следующее видео, чтобы получить обзор контроллеров семейства TEC и их функций.

Тепловая схема

На этой схеме простой термоэлектрической системы показаны объекты, участвующие в пути теплового потока от объекта к окружающему воздуху.Это упрощенная схема, в которой мы предполагаем идеальную теплоизоляцию объектов, например на температуру объектов не влияет конвекция. (Q — теплоемкость каждой детали.)

Упрощенная схема системы охлаждения

Следующая — еще более упрощенная схема — представляет систему охлаждения и соответствующую температурную диаграмму справа. В этом случае объект охлаждается до -5 ° C холодной стороной элемента Пельтье.Горячая сторона элемента Пельтье имеет температуру 35 ° C. Радиатор отводит тепло в окружающий воздух, имеющий температуру 25 ° C.

Более упрощенная схема процесса проектирования и соответствующая температурная диаграмма

Процесс проектирования

При проектировании термоэлектрического охлаждающего устройства необходимо выполнить следующие шаги:

1. Оценить тепловую нагрузку охлаждаемого объекта
2. Определить рабочий диапазон температуры объекта и радиатора
3. Выберите элемент Пельтье, соответствующий требованиям
4. Выберите контроллер ТЕС с подходящим диапазоном мощности
5. Выбрать радиатор для элемента Пельтье
6. Выберите вентилятор для вентиляции радиатора (дополнительно)
7. Выберите датчик температуры объекта и дополнительный датчик раковины
8. Выбрать блок питания для контроллера ТЕС

Это итеративный процесс.Протестируйте свою экспериментальную установку, улучшите ее, повторите вышеуказанные шаги.

1. Оценка тепловых нагрузок

Важным параметром является количество тепла, которое должно быть поглощено объектом холодной поверхностью ПЭМ или элемента Пельтье. (Q _C [Вт])
В зависимости от области применения необходимо учитывать различные типы тепловой нагрузки:

• Рассеиваемая мощность
• Радиация
• Конвектив
• Проводящий
• динамический (dQ / dT)

Эти нагрузки суммированы в тепловой нагрузке Q _C , которая передается с холодной стороны на горячую, где расположен радиатор.

2. Определить температуры

Обычно задача состоит в том, чтобы охладить объект до заданной температуры. Если охлаждаемый объект находится в контакте с холодной поверхностью термоэлектрического модуля, температуру объекта можно считать равной температуре холодной стороны элемента Пельтье через определенное время.

При описании применения термоэлектрического охлаждения важны два конструктивных параметра.

• T _O Температура объекта (температура холодной стороны) [° C]
• T _HS Температура радиатора (температура горячей стороны) [° C] = T _окр. + ΔT _HS
  См. Раздел 5.Радиатор для получения дополнительной информации.

Разница между T _O и T _HS известна как dT (ΔT или deltaT) [K]:
dT = T _HS — T _O = T _amb + ΔT _HS — Т _О

3. Выбор элемента Пельтье / ТЕМ-модуля

Элемент Пельтье создает разницу температур между его сторонами из-за протекания тока. Этот раздел основан на справочной информации со следующих страниц:

Одним из важных критериев при выборе элемента Пельтье является коэффициент полезного действия (COP).Определение COP — это тепло, поглощенное на холодной стороне, деленное на входную мощность элемента Пельтье: COP = Q _C / P _el
Результатом максимального COP является минимальная входная мощность Пельтье, таким образом, минимальная общая тепло отводится радиатором. (Q _h = Q _C + P _el ) Следовательно, мы пытаемся найти рабочий ток, который в сочетании с определенным dT приводит к оптимальному COP.

Наконец, мы получаем оценку Q _max , которая позволяет нам выбрать элемент Пельтье.

Добавляем расчетную маржу на

• выбор элемента Пельтье с мощностью теплового насоса выше требуемой,
• , разработав систему с рабочим током значительно ниже I _max элемента Пельтье,
• или в качестве третьего варианта, увеличив размер радиатора или добавив к нему вентилятор, чтобы поддерживать низкую температуру горячей стороны.

При применении этих мер изменение температуры окружающей среды или активной тепловой нагрузки не приводит к тепловому разгоне.

Список дистрибьюторов см. На странице Элементы Пельтье.

4. Выбор контроллера ТЕС

Контроллер ТЕС регулирует ток, подаваемый на элемент Пельтье, в соответствии с желаемой температурой объекта и фактической измеренной температурой объекта.

Мы выбираем рабочий ток для достижения оптимального COP. На основе этого тока мы выбираем контроллер TEC, а не на основе I _max .

Пожалуйста, обратитесь к странице продукта контроллера TEC для обзора наших устройств.

5. Радиатор

Радиатор поглощает тепловую нагрузку с горячей стороны элемента Пельтье и отводит ее в окружающий воздух.

При подборе радиатора необходимо добавить некоторый запас, чтобы его температура не стала слишком высокой. На следующей диаграмме показано, что тепло Q _h , отклоненное элементом Пельтье, может быть в 2,6 раза больше, чем Q _max . Это происходит из-за внутреннего тепла в элементе Пельтье во время теплового насоса.Таким образом, общее тепло, которое должно рассеиваться на радиаторе, состоит из тепла объекта и тепла, производимого внутри элемента Пельтье.

На графике ниже показано соотношение между теплотой, отбрасываемой элементом Пельтье, в зависимости от тока для различных dT. Используйте графики, предоставленные производителем элемента Пельтье, чтобы оценить тепло, рассеиваемое радиатором.

Поскольку радиатор должен вписываться в приложение по форме и размерам, эффективность контроллера ТЕС также играет решающую роль, поскольку размер радиатора зависит от него.В зависимости от ваших требований решением может быть изготовленный на заказ радиатор или тепловая трубка.

Тепловое сопротивление рассчитывается по формуле: R _thHS = ΔT _HS / Q _h [K / W]
ΔT _HS = разница температур между радиатором и температурой окружающего воздуха [K]
Q _h = Общая тепловая нагрузка (объект + потеря элемента Пельтье) [Вт]

Чтобы оценить ΔT _HS , примите во внимание максимально возможную температуру окружающей среды, чтобы ваши расчеты в этом случае были верны.

Зависимость отклоненного тепла от dT

На следующем графике показано соотношение между Q _h и Q _C для различных dT. Отношение экспоненциально растет с каждым увеличением dT. Это означает, что при большом dT большое количество тепла рассеивается радиатором, а на холодной стороне элемента Пельтье поглощается сравнительно небольшое количество тепла.

Мы также можем использовать этот график для оценки результирующего теплоотвода на основе количества переносимого тепла Q _C , даже до выбора элемента Пельтье.

Для расчета теплового сопротивления мы принимаем реальное значение для dT _HS . Поскольку мы еще не знаем настоящего Q _h , мы оцениваем его по приведенному выше графику.

Найдите отношение Q _h / Q _C при заданном токе и dT.

Выберите желаемую разницу температур между радиатором и температурой окружающего воздуха ΔT _HS .

Теперь мы можем заменить в приведенной выше формуле для R _thHS Q _h нашим соотношением Q _h / Q _C .

R _thHS = ΔT _HS / (отношение * Q _C )

Конечно, размеры сохраняются только в том случае, если мы позже задействуем элемент Пельтье в выбранной рабочей точке (т. Е. Выбранном токе).

Выбор теплового сопротивления радиатора может влиять на dT = T _amb + ΔT _HS — T _O .
(ΔT _HS = Q _h / R _thHS )

Дистрибьюторы / Производители

6.Вентилятор

Вентиляторное охлаждение радиатора снижает тепловое сопротивление радиатора окружающему воздуху.

Следовательно, вентилятор увеличивает тепловую производительность. Это уменьшает разницу температур dT или позволяет использовать радиаторы меньшего размера.

Контроллеры TEC позволяют управлять максимум двумя вентиляторами, которые поддерживают следующие функции:

• Входной сигнал управления ШИМ для управления скоростью вентилятора. TEC генерирует ШИМ-сигнал 1 кГц или 25 кГц в диапазоне от 0 до 100%.
• Выходной сигнал генератора частоты, представляющий скорость вращения. Выход должен быть выходным сигналом с открытым коллектором.

Рекомендуется использовать вентилятор с таким же напряжением питания, что и напряжение питания контроллера ТЕС.

Рекомендации для поклонников

Для получения подробной информации о функциях вентилятора, предложениях вентилятора и оптимальных настройках, пожалуйста, обратитесь к Руководству пользователя TEC Family, глава 6.3 (PDF).

Подключение вентилятора к контроллеру ТЕС

См. Страницу с примечаниями к контроллеру TEC, чтобы узнать, как подключить вентилятор.

7. Пример расчетов

Рассчитаем для примера расчетные параметры термоэлектрической системы охлаждения.

Для выбора элемента Пельтье необходимы два тепловых параметра .

• Максимальная холодопроизводительность Q _max
• Разница температур dT

Оценка тепловых нагрузок и определение температуры

Мы предполагаем, что объект с тепловой нагрузкой Q _C = 10 Вт должен быть охлажден до нуля градусов Цельсия.(T _O = 0 ° C) Предположим, что температура в помещении составляет 25 ° C, а температура радиатора T _S ожидается на уровне 30 ° C. Таким образом, разница температур между холодной и горячей сторонами элемента Пельтье dT составляет 30 К. Важно помнить, что было бы неправильно рассчитывать dT как разницу между температурой окружающего воздуха и желаемой температурой объекта.

Выбор модуля Пельтье / ТЕМ

Наша цель — найти Q _max , который был бы достаточно большим, чтобы покрыть необходимый Q _C и дать лучший COP.

На графике зависимости производительности от тока мы находим максимум кривой dT = 30 K при токе I / I _max = 0,45 . Как правило, это соотношение не должно быть выше 0,7.

Используя этот коэффициент для тока, мы находим на графике зависимости теплового насоса от тока значение Q _C / Q _max = 0,25 для данной разности температур dT = 30 K и относительного тока 0,45.

Теперь мы можем рассчитать Q _max для элемента Пельтье. Q _макс = Q _C / 0,25 = 10 Вт / 0,25 = 40 Вт

На графике зависимости производительности от тока мы находим COP = 0,6 для нашего ранее считанного I / I _max . Это позволяет нам рассчитать P _el = Q _C / COP = 10 Вт / 0,6 = 16,7 Вт .

Производители элементов Пельтье предлагают широкий ассортимент элементов. В их линейке продуктов мы ищем элемент с Q _max 40 Вт.Поскольку у нас разница температур dT = 30 K, достаточно одноступенчатого элемента Пельтье.

В качестве примера мы выбираем элемент Пельтье с Q _max = 41 Вт, dT _max = 68 K, I _max = 5 A и V _max = 15,4 В.

Рабочий ток и напряжение рассчитываются следующим образом:
I = I _max * (I / I _max ) = 5 A * 0,45 = 2,25 A
V = P _el / I = 16,7 Вт / 3.83A = 7,42 В

Выбор контроллера ТЕС

Исходя из рассчитанных значений, мы выбираем TEC-контроллер TEC-1091 с выходным током 4 А и выходным напряжением 21 В. Хорошо добавить некоторый расчетный запас, выбрав контроллер ТЕС с более высоким, чем требуется, выходным током. Позже, когда производительность системы станет общеизвестной, может быть достаточно другого контроллера с меньшей производительностью.

Радиатор

Чтобы найти радиатор для элемента Пельтье, нам нужно знать необходимое тепловое сопротивление радиатора.На графике отклонения тепла от тока мы находим Q _h / Q _max = 0,6 для выбранного нами тока и dT. Таким образом, Q _h = Q _max * 0,6 = 41 Вт * 0,6 = 24,6 Вт.

Расчет теплового сопротивления радиатора:
R _thHS = ΔT _HS / Q _h = 5 K / 24,6 Вт = 0,2 K / Вт
Нам нужен радиатор с меньшим тепловым сопротивлением чем 0,2 К / Вт.

Приведенные выше расчеты являются первой оценкой параметров термоэлектрической системы охлаждения.Для определения оптимальных параметров системы необходимо тестирование реальной системы и повторение этапов проектирования.

8. Датчики температуры

Датчики температуры используются контроллером ТЕС для измерения температуры объектов и температуры радиатора.

Измерение температуры объекта

Чтобы иметь возможность контролировать температуру объекта, необходимо разместить на объекте температурный зонд (датчик). Обратите внимание, что важно разместить датчик как можно ближе к критической точке на объекте, где вам нужна желаемая температура.

Поскольку измерение температуры объекта требует более высокой точности и большего диапазона, мы предлагаем использовать датчики Pt100. Чтобы иметь возможность измерять температуру намного ниже 0 ° C, необходимы зонды Pt100 / 1000. Это потому, что, если температура становится слишком низкой, датчики NTC не могут использоваться, поскольку значение сопротивления становится слишком большим. Значение сопротивления датчика должно быть меньше эталонного сопротивления в контроллере ТЕС.

При использовании датчиков Pt100 / 1000 температура объекта измеряется с использованием метода измерения с четырьмя контактами (4-проводное измерение) для достижения более высокой точности при низких сопротивлениях.Для измерения NTC используется двухпроводная технология.

Термин «4-проводной» не означает, что необходим датчик с четырьмя контактами. Используются отдельные пары токоведущих и чувствительных электродов. (Подробнее о четырехконтактном считывании)

Диапазон измерения температуры контроллера ТЕС зависит как от датчика температуры, так и от конфигурации оборудования. Пожалуйста, обратитесь к соответствующему листу данных для получения подробной информации.

Подключение датчика температуры

См. Страницу примечаний к контроллеру TEC, чтобы узнать, как подключить датчик температуры.

9. Требования к источникам питания

Блок питания является источником питания для контроллера ТЕС.

В зависимости от выбранного контроллера ТЕС необходимо выбрать источник питания. Убедитесь, что источник питания может обеспечить питание, необходимое для управления контроллером ТЕС с элементом Пельтье. (Как правило, вы можете добавить 10% запаса. Умножьте необходимую выходную мощность ТЕС на 1,1). Информацию о соотношении входного и выходного напряжения см. В таблице данных контроллера.

Рекомендации по источникам питания

10. Проверьте свою настройку

Теперь, когда вы выбрали компоненты системы, вы настраиваете приложение и начинаете тестирование и оптимизацию. Чтобы упростить сборку и первоначальную настройку с использованием нашего сервисного программного обеспечения, пожалуйста, обратитесь к нашему пошаговому руководству по установке контроллера TEC.
Комплексное сервисное программное обеспечение можно загрузить и использовать бесплатно.

11. Узлы термоэлектрического охлаждения

Существуют также универсальные предварительно собранные термоэлектрические охлаждающие узлы, если вы не хотите строить систему с нуля.Эти модули обычно содержат металлическую пластину для крепления объекта, элемент Пельтье, радиатор и вентилятор. Использование таких сборок представляет интерес на этапе создания прототипа для первых экспериментов.

Как выбрать модуль Пельтье

Распространенные решения по управлению температурой, используемые в электронике, предназначены для охлаждения объектов с теплообменниками и потоком жидкости. Теплообменник обычно представляет собой либо сам электронный блок, либо экструдированный или штампованный радиатор, прикрепленный к корпусу.Воздух является наиболее распространенной жидкостью, используемой в тепловых решениях, либо с естественной конвекцией, либо с приводом от вентилятора. В большинстве этих решений температура охлаждаемого объекта остается выше температуры окружающей среды. Модули Пельтье — это электронные устройства, предназначенные для охлаждения объектов до температуры ниже температуры окружающей среды или поддержания объектов при определенной температуре путем контролируемого нагрева или охлаждения. Выбрать или указать модуль Пельтье несложно, но базовое понимание характеристик модуля может быть полезным для обеспечения бесперебойной работы процесса.

Температурная проблема, которую необходимо решить

Многие электронные компоненты обеспечивают улучшенное соотношение сигнал / шум при более низких температурах или подвержены повреждению при работе при температурах, превышающих спецификации. Точно так же некоторые химические реакции должны поддерживаться при определенной температуре или ниже. В этих приложениях модуль Пельтье может использоваться для решения тепловых проблем и охлаждения объектов до температуры ниже температуры окружающей среды, когда обычный радиатор и вентилятор не могут этого сделать.Кроме того, модули Пельтье и соответствующая схема управления позволяют поддерживать объект при определенной температуре даже при быстро меняющихся тепловых нагрузках.

Основы модуля Пельтье

Модули Пельтье содержат две внешние керамические пластины, разделенные полупроводниковыми таблетками. Одна из пластин поглощает тепло (становится холоднее), а другая пластина рассеивает тепло (становится горячее), когда ток проходит через полупроводниковые гранулы. Более подробную информацию о конструкции и работе модулей Пельтье можно найти в этом техническом документе.

Схема базовой структуры модуля Пельтье

При выборе или указании модуля Пельтье следует учитывать следующие ограничения, которые мы рассмотрим в следующих разделах:

Передача тепла через модули Пельтье

Количество тепла, которое должно передаваться через модуль Пельтье от холодной стороны к горячей стороне, обозначается Q и указывается в ваттах. Этим параметром может быть тепло, выделяемое охлаждаемым объектом, или тепло, передаваемое в окружающую среду от охлаждаемого объекта.Следует понимать, что модули Пельтье не обладают способностью поглощать тепловую энергию. Модули Пельтье передают только тепловую энергию, и передаваемая энергия должна рассеиваться на горячей стороне модуля.

Модель, показывающая тепловой поток от холодной к горячей стороне модуля

Разница температур между модулями Пельтье

Разница температур, указанная в таблице данных модуля Пельтье (ΔT), измеряется на внешних поверхностях двух керамических пластин модуля.Необходимо следить за тем, чтобы понять, существует ли разница температур между пластинами модуля Пельтье и интересующими температурами внешней системы. На следующей диаграмме показаны пять потенциально различных температурных областей модульной системы Пельтье.

Диаграмма, показывающая различные температурные области модулей Пельтье

Температура горячей стороны модулей Пельтье

Характеристики модулей Пельтье также меняются в зависимости от рабочей температуры. Некоторые поставщики, например устройства CUI, предоставляют технические характеристики для нескольких рабочих температур.Данные спецификации, вероятно, не будут доступны для конкретных рабочих температур приложения, поэтому следует использовать наиболее близкие доступные данные.

Площадь поверхности модулей Пельтье

Площадь поверхности модулей Пельтье обычно определяется либо площадью охлаждаемого объекта, либо площадью, доступной для отвода тепла. Несоответствие площади доступной площади и площади модуля Пельтье можно компенсировать за счет использования теплораспределителя с низким тепловым сопротивлением.Простой теплораспределитель может быть изготовлен из алюминия или меди.

Схема, показывающая использование модуля Пельтье с теплораспределителем

Требуемый рабочий ток

Модули Пельтье — это токовые устройства, похожие на светодиоды. Желаемые рабочие параметры наиболее удобно достичь, управляя модулем управляемым источником тока и позволяя источнику тока обеспечивать необходимое напряжение нагрузки (соответствие напряжения источника тока). Это аналогично подаче определенного напряжения на устройство, управляемое напряжением, а затем разрешению источнику напряжения обеспечивать требуемый ток (т.е.е. подача напряжения на микропроцессор и обеспечение того, чтобы источник напряжения мог обеспечить требуемый ток нагрузки).

Модули

Пельтье могут приводиться в действие источниками напряжения, но это затруднит точное управление тепловым потоком и разницей температур в модуле.

Требуемое рабочее напряжение

Требуемое соответствие напряжения источника тока будет определено из таблицы данных модуля Пельтье и рабочих ограничений.

Пример определения правильного модуля Пельтье

В следующем примере демонстрируется процесс выбора или указания модуля Пельтье для приложения.В этом примере мы будем использовать модуль Пельтье CP603315H.

Условия

• Теплоотдача через модуль: 20 Вт
• Разница температур в модуле: 20 ° C
• Температура горячей стороны модуля: 30 ° C (использовать графики 27 ° C)
• Площадь объекта: 30 x 30 мм

1. Нарисуйте горизонтальную линию при 20 Вт на нижней вертикальной оси, которая представляет мощность, передаваемую через модуль Пельтье.
2. Нарисуйте вертикальную линию при 20 ° C на нижней горизонтальной оси, которая представляет разницу температур, поддерживаемую в модуле Пельтье.
3. Рабочий ток 2,7 А интерполируется от точки пересечения горизонтальной линии (1) и вертикальной линии (2). Это ток, необходимый для работы модуля Пельтье.
4. В верхней половине графика отметьте место пересечения вертикальной линии (2) 2,7 A.
5. Рабочее напряжение 7,5 В интерполировано из горизонтальной линии от пересечения на шаге 4 до верхней вертикальной оси. Это необходимое соответствие напряжения источника тока.

Сводка примера

• Выбран модуль Пельтье: CP603315H
• Тепло, передаваемое через модуль Пельтье: Q = 20 Вт
• Поддерживаемая температура в модуле Пельтье: ΔT = 20 ° C
• Температура горячей стороны модуля Пельтье: Th = 30 ° C
• Источник тока, необходимый для питания модуля Пельтье: I = 2.7 А
• Требуемое соответствие напряжения источника тока: V = 7,5 В
• Мощность, рассеиваемая в радиаторе в дополнение к мощности, передаваемой через модуль Пельтье: P = 20 Вт
• Общее количество тепла, рассеиваемого радиатором: 40 Вт; 20 Вт тепла плюс 20 Вт электроэнергии

Заключение

Модули Пельтье

могут быть оптимальным решением, когда необходимо охладить объект до температуры ниже температуры окружающей среды или поддерживать объект при определенной температуре.Для обеспечения успешного проектирования важно выбрать поставщика с множеством вариантов модулей Пельтье и соответствующими характеристическими данными. Помимо партнерства с надежным поставщиком, также важно понимать тонкие детали, касающиеся реализации и работы модуля, такие как основы, изложенные в этом посте.

электронная книга

Загрузите бесплатное полное руководство по управлению температурным режимом

Доступ сейчас

Дополнительные ресурсы

---

У вас есть комментарии к этому сообщению или темам, которые вы хотели бы, чтобы мы освещали в будущем?
Отправьте нам письмо по адресу cuiinsights @ cuidevices.ком

.