Элемент пельтье что это такое и где применяется
Элемент пельтье (Peltier)
Сегодняшняя статья пойдёт об элементе Пельтье — сердце ПЦР-амплификатора (автомобильного холодильника) от 12 V. Странная особенность этих холодильников в том, что они не придерживаются выставленной температуры, а уменьшают температуру внутри на определённое количество градусов, относительно температуры окружающей среды. А все потому, что автохолодильники вместо использования фреона и традиционной циркуляции его по трубкам работает на основе элемента «Пельтье». В основном, эта разница температур в пределах от 15 до 25 градусов цельсия. Поэтому при уличной температуре в 30 °С, в автохолодильнике максимальный минимум можно выжать в 5 — 10 °С выше нуля.
Элемент Пельтье. Что это такое.
Элемент Пельтье или модуль Пельтье это термоэлектрический преобразователь, который при пропускании через него тока, создает разность температур на стенках.
Своими словами: Это, пластина с двумя выводами, толщиной около 4 мм. Если подать ток на выводы (контакты) элемента, то одна его сторона нагревается, а другая охлаждается. Если сменить полярность, то и температуры, на стенках, так же поменяются на противоположные.
Как это работает
Из описания элемента (термоэлектрический преобразователь) понятно, что элементы Пельтье преобразовывают электричество в изменение температуры и наоборот, воздействие на стенки элемента разности температур преобразовывают в электричество, поэтому его ещё называют «термоэлектрический генератор». В основном, каждый из элементов состоит из 127ми полупроводников, соединённых последовательно. Из-за этого стоит помнить, что при выходе из строя одного из них, весь элемент придет в негодность.
При прохождении тока через «внутренности» элемента Пельтье, одна его стенка нагревается а обратная — охлаждается. Такой же принцип работает и в обратном порядке: если принудительно одну стенку элемента нагревать, и вторую охлаждать, то на контактах образуется постоянный ток. Полярность у которого будет зависеть от того, какую именно сторону будут нагревать.
Важно помнить о граничной температуре. Полупроводники, внутри элемента крепятся на припое с температурой плавления, около 140 °C. Это значит, что если температура нагрева приблизится к этому значению, вероятно весь элемент выйдет из строя (расплавится и развалится).
В работе, при охлаждении чего либо с помощью элементов Пельтье, не стоит забывать отводить высокую температуру с обратной стороны элемента. Так как это может привести к разрушению элемента. В автомобильный холодильниках, упоминавшихся ранее, стоит воздухоотвод, который выводит наружу горячий воздух.
Разновидности элементов
Где применяются элементы Пельтье
Элементы Пельтье уже перестали быть экзотическим продуктом из мира фантастики, и стали доступны по цене для всякого рода экспериментаторов, поэтому количество новинок, на его основе заметно возросло.
Из основных применений стоит выделить, все те же:
Но в случае с последним, зачастую элемент не справляется при сильной загрузке компьютера, даже при использовании температурного аккумулятора.
Используя принцип Пельтье в обратном порядке — добывают электричество. Но об этом в следующей статье.
Элемент пельтье и его принцип работы
В электротехнике используется много разных физических эффектов, процессов и свойств материалов. Достаточно вспомнить магнетизм, емкостные характеристики диэлектриков, сопротивление металлов прохождению тока. Определенный интерес представляют конструкции, содержащие связки двух полупроводников p- и n- типа, физические состояния которых, — под действием электрического тока — меняются. Речь идет об элементах Пельтье, названых так по имени первооткрывателя эффекта.
При подаче электроэнергии в устройство названого типа, место соприкосновения пластин разной энергетической проводимости нагревается или охлаждается в зависимости от направления движения тока. Причем разница температур может быть весьма велика и зависит в большей степени только от поступающего напряжения. Доступность конструкции позволяет изготовить самодельный элемент Пельтье даже в домашних условиях силами заинтересованного любителя электроники из вполне доступных материалов.
Самодельный холодильник с использованием элемента Пельтье:
Ниши применения аппарата довольно широки, от создания разогревающих поверхностей, до систем охлаждения процессоров, напитков или даже создания мини-холодильников. Единственный минус элемента — стоимость исходных материалов. Для миниатюрных конструкций еще можно найти необходимое их количество в компонентах электроники. В случае больших и соответственно мощных аппаратов, цена полупроводников будет дороже.
Теперь что касается выработки тока на биметаллических пластинах. Физическое явление ошибочно относят конкретно к элементам Пельтье, что не совсем точно соответствует истине. Изначально эффект открыт был Т. И. Зеебеком от фамилии которого и получил свое название. В проведенных исследованиях было выявлено, что в двух связанных проводниках из различных металлов (не обязательно p- и n- типа), для которых создается разница температур в отношении каждого, методом нагрева одного и охлаждением другого, возникает электрический ток. Правда, КПД процесса выше у полупроводниковой конструкции, больше напоминающей классический элемент Пельтье.
Генератор на основе эффекта Зеебека:
К сожалению, несмотря на видимые преимущества термических генераторов, производящих электричество и работающих на основе эффекта Зеебека, широкого распространения они не получили. Во всем виновата изначальная цена материалов, от которых непосредственно зависит коэффициент полезного действия на каждую единицу площади устройства. Кроме того, не стоит забывать о разнице температур, резкость которой в природе получить достаточно сложно. Есть конечно варианты, когда генератор названого типа работает на принудительном нагреве одной пластины и охлаждении другой. Причем первое действие производится не только за счет сгорания ископаемого топлива, но и к примеру, при распаде радиоактивных элементов или воздействия солнечных лучей. К сожалению, мощность таких устройств относительно мала по сравнению с энергозатратами, нужными для конечного производства тока. Классические виды генераторов в названом случае более эффективны при весьма солидной экономии топлива, необходимого для работы, или же при слабом действии природных факторов.
Еще один генератор, использующий тепло для питания слабого потребителя:
Краткая история открытия и обоснование физики работы
В основе работы элемента Пельтье находится физический принцип прохождения тока через две соприкасающиеся пластины, изготовленные из материалов с различными уровнями энергии тока прохождения, или другими словами — полупроводниками отличающихся типов. В месте их соединения будет наблюдаться нагрев при подаче тока в одну сторону, и понижение температуры при движении его в обратную.
Открыт эффект был еще в 18 веке Жан-Шарлем Пельтье, который получил его случайно, соединив контакты из висмута и сурьмы от источника тока. Капля воды, находящаяся в точке соприкосновения, превратилась в лед, что и вызвало интерес исследователя. Практическое применение открытие не получило по причине слабой распространенности электротехники в указанный период времени. Вспомнили о нем уже позднее, в век развития микроэлектроники, компонентам которой нужно было миниатюрное охлаждение, желательно без жидкостей и подвижных частей (насосов, вентиляторов и прочих).
Продаваемые сборки элементов Пельтье:
Элемент Пельтье можно создать не только из полупроводников. Но, к сожалению, эффект от использования различных проводящих металлов будет ниже, и практически полностью потеряется за счёт нагревания их в месте соприкосновения и общей теплопроводности материала.
Внутреннее устройство элемента Пельтье:
В общем виде конструкция выглядит как набор электродов кубической формы, изготовленных из полупроводников n- и p-типа. Каждый из них соединен с противоположными проводящими контактами, а все указанные пары соединены между собой последовательно. Причем расположение элементов выполняется так, чтобы связующие металлы между сборками полупроводников одного типа, соприкасались с первой стороной устройства в общем, а второго с противоположной. Сами p- и n- кубы зачастую изготавливаются из теллурида висмута и сплава кремния с германием. Соединительные контакты обычно из меди, алюминия или железа. Здесь главное требование — хорошая теплопроводность. Количество же пар в одной конструкции не ограничивается, и чем их больше, тем эффективнее работает элемент Пельтье. При подаче напряжения на сборку одна ее сторона нагревается, вторая охлаждается.
Принципиальная схема соединений в элементе Пельтье:
Годом нахождения обратного эффекта, выражающегося в выработке тока при охлаждении и нагреве соединенных проводников из разных металлов, принято считать 1821. Открытие было сделано Т. И. Зеебеком, который уже на следующий год опубликовал его в статье, предназначенной для Прусской академии наук, с названием «К вопросу о магнитной поляризации некоторых металлов и руд, возникающей в условиях разности температур».
Хотя согласно его работе, система генерации действует не только при использовании полупроводников, с ними ее КПД намного выше.
Элемент Пельтье, предназначенный целям генерации тока:
Где применяется
Миниатюрность настоящих элементов и относительно низкое их энергопотребление, — вкупе с отсутствием движущихся частей или различных жидкостей, применяемых в целях переноса тепла — предоставляет широкий спектр ниш использования. Сюда входят автомобильные кондиционеры, системы охлаждения микросхем и элементов электроники, мини-холодильники, подставки поддерживающие определенную температуру размещенных сверху емкостей. Кроме названых используется оборудование на элементах Пельтье в специфичных сферах, на подобии ПЦР-амплификаторов, нагревающихся систем вспышки фотоаппаратов, телескопах (для снижения теплового шума) и приемниках излучения инфракрасных устройств.
Реже можно заметить настоящий элемент в роли части конструкции генераторов. Хотя на рынках периодически всплывают аппараты аналогичного класса, к примеру, в виде фонариков, работающих от тепла человеческого тела или слабых машин, производящих электрический ток в целях подзарядки аккумуляторов смартфонов или ноутбуков.
Напряжение, получаемое на выходе элементов Пельтье:
Достоинства и недостатки
Как уже говорилось ранее, основным плюсом элементов Пельтье служит их миниатюрность, вкупе с отсутствием движущихся частей и агрегатных сред, используемых для передачи температуры. Соответственно, нет различных вентиляторов и насосов, хотя первые и могут использоваться для создания более быстрой конвекции тепла устройства и внешней среды. Кроме названых можно вспомнить простоту конструкции, которую в принципе может повторить каждый, изготовив элемент Пельтье своими руками.
Есть и минусы, основным из которых можно назвать низкий КПД, требующий повышения силы тока для создания действительно значимой разницы температур между горячей и холодной частью.
Эффект охлаждения достигаемый при использовании элементов Пельтье:
Элементы Пельтье своими руками
Получив теоретические знания о функционировании биметаллического устройства, пора перейти к тому, как сделать элемент Пельтье своими руками. Вот только сначала нужно выбрать нишу его применения. Хотя бы потому, что использовать устройство можно для охлаждения чего-либо, нагрева, или в качестве генератора с целью выработки электроэнергии. Последний вариант предпочтительнее по причине ненужности большого количества исходных материалов, хотя бы потому что многовольтное и высокоамперное устройство изготовить в любом случае сложно, особенно дома, ну а для целей подзарядки чего-либо подойдет и меньший его вариант. Хотя лучше купить готовый элемент Пельтье требуемой мощности с торговых интернет-площадок, чем заниматься его изначальным и достаточно невыгодным изготовлением.
Из диодов и транзисторов
Фактически любой элемент Пельтье представляет собой гирлянду из последовательно соединенных диодов, работающих в режиме пробоя. В сущности, любой электронный компонент, пропускающий ток в одном направлении и препятствующий его прохождению в обратном, построен на принципах соединения полупроводников p-n типа. Что в свою очередь наводит на мысли о схожести системы на искомую конструкцию, аналогичную той, которую имеет модуль Пельтье. Если брать во внимание диоды с пластмассовой оболочкой (включая излучающие свет), мешает доступу к самим контактным пластинам из разных металлов только сам корпус устройства.
Вот они, две пластины полупроводника в прозрачном диоде:
Случай транзисторов аналогичен, конечно учитывая то, что в большинстве из них три контакта, два из полупроводника одного типа и один (меньший) другого. Хотя избавиться от корпуса, если он металлический, проще, что довольно распространено у элементов названого типа — достаточно срезать верхнюю крышку и получить доступ к открытым контактным пластинам.
Металлический транзистор со снятой крышкой:
Саму процедуру избавления от корпуса возложим на читателей, с рекомендацией попробовать нагрев, кислоту или механическое снятие преграды. Что касается соединения контактных площадок, здесь некоторые фанаты, судя по имеющейся информации, использовали меднение их верхушек электрическим методом. Впоследствии к подготовленным участкам осуществлялась пайка проводящих контактов.
После получения требуемых металлов, главное, что нужно помнить при их подключении — направление прохождения тока и последовательное соединение, выглядящее, как p-n-p-n-p-n, учитывая тип полупроводников. Кроме того, чем больше будет использовано элементов в конструкции, вне зависимости от их размера, тем и выше КПД получившегося генератора или устройства создающего тепло вместе с холодом.
В окончании
Статья полностью объясняет, как работает элемент Пельтье и можно ли его повторить своими руками, используя только доступные материалы. Целесообразность самоличной сборки в практических целях оставляем на совести интересующихся вопросом. Хотя устройство, сделанное лично, безусловно более полно удовлетворит внутреннего любителя все делать самостоятельно, в отличие от покупного.
Видео по теме
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:
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:
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:
Недостатками можно назвать такие моменты:
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:
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.