Peltier termoelektrisk modul - enhed, driftsprincip, egenskaber

Fænomenet med fremkomsten af ​​termo-EMF blev opdaget af den tyske fysiker Thomas Johann Seebeck tilbage i 1821. Og dette fænomen består i det faktum, at i et lukket elektrisk kredsløb bestående af heterogene ledere forbundet i serie, forudsat at deres kontakter er ved forskellige temperaturer, opstår der en EMF.

Denne effekt, opkaldt efter dens opdager, Seebeck-effekten, kaldes nu simpelthen termoelektrisk effekt.

Hvis kredsløbet kun består af et par forskellige ledere, kaldes et sådant kredsløb termoelement. I en første tilnærmelse kan det hævdes, at størrelsen af ​​termo-emfen kun afhænger af materialet i lederne og temperaturen på de kolde og varme kontakter. I et lille temperaturområde er termo-EMF således proportional med temperaturforskellen mellem kolde og varme kontakter, og proportionalitetskoefficienten i formlen kaldes termo-EMF-koefficienten.

Så for eksempel ved et temperaturforskel på 100 ° C, ved en kold kontakttemperatur på 0 ° C, har et par kobber-konstantan en termo-EMF på 4,25 mV.

I mellemtiden, Den termoelektriske effekt er baseret på tre komponenter:

Den første faktor er forskellen i forskellige stoffer i afhængighed af den gennemsnitlige elektronenergi af temperaturen. Som et resultat, hvis temperaturen på lederen opvarmes i den ene ende, opnår elektronerne højere hastigheder der end elektronerne i den kolde ende af lederen.

For øvrig øges koncentrationen af ​​ledningselektroner også i halvledere med opvarmning. Elektroner skynder sig til den kolde ende med en høj hastighed, og der akkumuleres en negativ ladning der, og en ukompenseret positiv ladning opnås ved den varme ende. Så der er en komponent i termo-EMF, kaldet volumetrisk EMF.

Den anden faktor - for forskellige stoffer afhænger forskellen i kontaktpotentiale forskelligt af temperaturen. Dette skyldes forskellen i Fermi-energien for hver af de ledere, der bringes i kontakt. Forskellen i kontaktpotentiale, der opstår i dette tilfælde, er proportional med Fermi-energiforskellen.

Et elektrisk felt opnås i et tyndt kontaktlag, og potentialeforskellen på hver side (for hver af de ledere, der bringes i kontakt), vil være den samme, og når kredsløbet cirkuleres i et lukket kredsløb, vil det resulterende elektriske felt være nul.

Men hvis temperaturen på den ene af lederne adskiller sig fra temperaturen på den anden, vil på grund af Fermi-energiens afhængighed af temperaturen også ændre potentialeforskellen. Som et resultat vil der være kontakt EMF - den anden komponent i termo-EMF.

Den tredje faktor er phonon-stigningen i EMF. Forudsat at der i det faste stof er en temperaturgradient, vil antallet af fononer (fonon - kvantiteten af ​​vibrationsbevægelse af krystalkatomer), der bevæger sig i retningen fra den varme ende til kulden, sejre, hvilket resulterer i, at et stort antal elektroner sammen med fononer føres væk mod den kolde ende , og en negativ ladning akkumuleres der, indtil processen kommer i ligevægt.

Dette giver den tredje komponent af termo-EMF, der ved lave temperaturer kan være hundreder af gange højere end de to komponenter, der er nævnt ovenfor.

I 1834 opdagede den franske fysiker Jean Charles Peltier den modsatte virkning. Han fandt, at når en elektrisk strøm passerer gennem et kryds mellem to forskellige ledere, frigøres eller absorberes varme.

Mængden af ​​absorberet eller frigivet varme er forbundet med typen af ​​lodede stoffer samt med retningen og størrelsen af ​​den elektriske strøm, der strømmer gennem krydset.Peltier-koefficienten i formlen er numerisk lig med termo-EMF-koefficienten gange den absolutte temperatur. Dette fænomen er nu kendt som peltier effekt.

I 1838 forstod den russiske fysiker Emiliy Khristianovich Lenz essensen af ​​Peltier-effekten. Han testede eksperimentelt Peltier-effekten ved at placere en dråbe vand i krydset mellem antimon- og vismutprøver. Da Lenz ledte en elektrisk strøm gennem kredsløbet, blev vandet om til is, men da forskeren vendte strømens retning, smeltede isen hurtigt.

Forskeren etablerede sig på en sådan måde, at når strømmen strømmer, blev ikke kun Joule-varme frigivet, men yderligere varme blev også absorberet eller frigivet. Denne yderligere varme blev kaldt Peltier-varme.

Det fysiske grundlag for Peltier-effekten er som følger. Kontaktfeltet i krydset mellem to stoffer, skabt af kontaktpotentialeforskellen, forhindrer enten passage af strøm gennem kredsløbet eller bidrager til det.

Hvis strømmen ledes mod marken, kræves kildens arbejde, som skal bruge energi på at overvinde kontaktfeltet, som et resultat, hvor krydset opvarmes. Hvis strømmen er rettet, så kontaktfeltet understøtter det, udfører kontaktfeltet arbejdet, og energien tages væk fra selve stoffet og forbruges ikke af den aktuelle kilde. Som et resultat afkøles stoffet i krydset.

Den mest udtalt Peltier-effekt i halvledere, på grund af hvilken Peltier-moduler eller termoelektriske konvertere.

I hjertet af Peltier-element to halvledere i kontakt med hinanden. Disse halvledere er kendetegnet ved energien fra elektroner i ledningsbåndet, så når en strøm flyder gennem kontaktpunktet, tvinges elektronerne til at tilegne sig energi for at være i stand til at overføre til et andet ledningsbånd.

Så når de bevæger sig til et ledende bånd med højere energi fra en anden halvleder, absorberer elektronerne energi og afkøler overgangsstedet. I den modsatte retning af strømmen afgiver elektronerne energi, og der opstår opvarmning ud over Joule-varmen.

Peltier halvledermodul består af flere par halvledere p og n-typeformet som små parallelepipeds. Normalt bruges vismuth Tellurid og en fast opløsning af silicium og germanium som halvledere. Halvleder parallelepipeds forbindes parvis af kobber jumpere. Disse jumpere fungerer som kontakter til varmeudveksling med keramiske plader.

Jumpere er placeret således, at på den ene side af modulet er der kun jumpere, der leverer n-p-overgangen, og på den anden side er det kun jumpere, der leverer p-n-overgangen. Som et resultat, når en strøm tilføres, varmes den ene side af modulet op, den anden side afkøles, og hvis polariteten i strømmen vendes, skifter varme- og kølesiderne sted i overensstemmelse hermed. Med strømmen overføres således varme fra den ene side af modulet til den anden, og der opstår en temperaturforskel.

Hvis nu den ene side af Peltier-modulet opvarmes, og den anden afkøles, vises termo-emf i kredsløbet, det vil sige Seebeck-effekten. Det er klart, at Seebeck-effekten (termoelektrisk effekt) og Peltier-effekten er to sider af den samme mønt.

I dag kan du nemt købe Peltier-moduler til en relativt overkommelig pris. De mest populære Perrier-moduler er typen TEC1-12706, der indeholder 127 termoelementer og er designet til 12 volt forsyning.

Med et maksimalt forbrug på 6 ampere opnås en temperaturforskel på 60 ° C, mens det sikre driftsområde, som fabrikanten hævder, er fra -30 ° C til + 70 ° C. Størrelsen på modulet er 40 mm x 40 mm x 4 mm. Modulet kan arbejde både i køleopvarmningstilstand og i genereringstilstand.

Der er mere kraftfulde Peltier-moduler, for eksempel TEC1-12715, vurderet til 165 watt. Når det drives af en spænding fra 0 til 15,2 volt med en strømstyrke på 0 til 15 ampere, er dette modul i stand til at udvikle en temperaturforskel på 70 grader.Størrelsen på modulet er også 40 mm x 40 mm x 4 mm, men området med sikre arbejdstemperaturer er bredere - fra -40 ° C til + 90 ° C.

Tabellen herunder viser data om Peltier-moduler, der er bredt tilgængelige på markedet i dag:

Data om Pelt-moduler