A cosa servono gli elementi Peltier? Elementi Peltier: principio di funzionamento, caratteristiche, applicazione

Il numero di dispositivi elettronici nel mondo cresce costantemente come una palla di neve. Tutti consumano elettricità e le persone devono portare e portare costantemente le batterie o produrle su dispositivi ingombranti. In qualità fonti attuali Non molto tempo fa, i moduli Peltier hanno iniziato a essere utilizzati - gli elementi che formano una corrente elettrica quando si crea la differenza di temperatura sui loro lati opposti.

Effetti Peltier e Seebeck

Nonostante il fatto che quasi 2 secoli fa sia stato creato il primo elemento Peltier, il principio di funzionamento ha trovato applicazione solo ora, quando sono comparsi materiali adeguati e la necessità di utilizzare. Consiste nella dissipazione del calore al contatto di conduttori dissimili quando scorre attraverso di esso. corrente elettrica. Quando si cambia la polarità del contatto inizia a raffreddarsi. Il processo è reversibile: mantenendo artificialmente la differenza di temperatura ai contatti dei conduttori nel loro circuito, scorre corrente elettrica (effetto Seebeck).

Sulla base di due effetti termoelettrici, hanno creato un modulo Peltier, i cui elementi si trovano tra due piastre di ceramica parallele sotto forma di conduttori dissimili. La corrente che passa attraverso il contatto dei conduttori è la stessa e l'energia scorre in ognuno di essi è diversa. Quando l'energia entra in contatto più di quanto ne esce, ciò significa che gli elettroni rallentano nella regione di transizione, causandone il riscaldamento. Quando la polarità cambia, gli elettroni vengono accelerati, prendendo energia dal reticolo cristallino, che lo fa raffreddare.

L'effetto Peltier è particolarmente attivo ai confini degli elementi a semiconduttore, dove si verificano i più alti processi energetici.

Modulo termoelettrico

Elementi Peltier trovano applicazione nel dispositivo, costituito da un insieme di semiconduttori di tipi di poli. A differenza dei transistor e dei diodi, le regioni di transizione si trovano all'interfaccia tra il metallo e il semiconduttore. Nel modulo Peltier, un grande numero di elementi si trova tra le piastre in ceramica, il che consente di rendere il dispositivo più potente.

Ogni elemento contiene 4 transizioni sul contatto metallo-semiconduttore. Quando il circuito elettrico è chiuso, gli elettroni si spostano dal meno della batteria al valore positivo, passando attraverso tutte le transizioni.

Alla prima transizione del modulo termoelettrico (TEM) tra il bus di rame e il semiconduttore p in quest'ultimo il calore viene rilasciato, poiché il flusso di cariche scende nella regione con energia inferiore.

All'altro contatto, l'energia viene assorbita nel semiconduttore, poiché gli elettroni vengono "risucchiati" dal campo elettrico, che coincide con la direzione del loro movimento. C'è un processo di raffreddamento.

Al terzo contatto, l'energia dell'elettrone viene assorbita, poiché un semiconduttore di tipo n ha più energia di un metallo.

Alla quarta transizione, il calore viene rilasciato, poiché gli elettroni sono nuovamente inibiti dal campo elettrico.

Quindi, da un lato, il calore viene rilasciato e l'altro viene raffreddato. Su un elemento, questo fenomeno non sarà evidente, ma il modulo Peltier, i cui elementi si trovano tra due piastre di ceramica, crea una differenza di temperatura significativa.

Il modulo può essere utilizzato come generatore di elettricità, se si mantengono piastre di temperatura diverse. Inoltre, ogni elemento termoelettrico Peltier è collegato in serie all'adiacente tramite ponticelli in rame e le loro correnti vengono sommate.

Punti di forza e debolezza

Vantaggi di TEM:

• piccole dimensioni;
• reversibilità del processo;
• utilizzare come generatore elettrico o frigorifero.

Gli svantaggi di TEM includono costi elevati, bassa efficienza (non più del 3%), costi energetici elevati e la necessità di mantenere la differenza di temperatura.

Frigorifero Peltier

L'elemento Peltier per il raffreddamento del processore è più efficiente degli elementi standard. Allo stesso tempo, rimangono questi ultimi, ma vengono utilizzati solo per rimuovere il calore dallo spazio chiuso del computer.

Quando li si progetta come un dispositivo elettronico significa più freddo, occorre considerare le seguenti caratteristiche.

1. La potenza è direttamente correlata alla dimensione del modulo. I piccoli dispositivi non creeranno il livello di raffreddamento richiesto. Ad esempio, non forniranno il normale Temperatura della CPU. Un modulo troppo potente causa umidità, che è la causa dei cortocircuiti nell'elettronica, poiché le distanze tra gli elementi conduttivi sono circuiti stampati insignificante.
2. I moduli Peltier devono essere raffreddati con l'aiuto di ventole e radiatori, poiché emettono molto calore. Questo è necessario per ridurre la temperatura in uno spazio chiuso del computer e normalizzare le condizioni di lavoro di altri elementi.
3. Il modulo Peltier è un carico aggiuntivo nell'alimentatore.
4. Il frigorifero dopo il guasto è un isolante tra il radiatore e l'elemento raffreddato, il che può portare a un rapido fallimento di quest'ultimo dal surriscaldamento.
5. I moderni processori possono modificare il consumo di energia durante il funzionamento, il che influisce favorevolmente sul bilancio termico, ma non sempre quando si utilizzano i moduli Peltier. I frigoriferi più semplici sono progettati per il funzionamento continuo e non sono consigliati per l'uso con programmi di raffreddamento.

Rilascio di calore

L'effetto di raffreddamento di TEM è piccolo ed emette molto calore. Quando viene utilizzato nell'unità di sistema, la temperatura interna aumenta in modo significativo, influendo sulle prestazioni del resto dell'apparecchiatura. Ulteriori mezzi per la sua riduzione sono i ventilatori e i radiatori che creano lo scarico del calore.

La modalità termica del modulo deve essere calcolata correttamente in modo che non ci sia surriscaldamento e nessuna condensa sulle schede elettroniche. Il dispositivo di raffreddamento Peltier viene selezionato con una potenza ottimale, dove è importante garantire il giusto equilibrio di temperatura all'interno della custodia, l'oggetto del raffreddamento e dell'umidità dell'aria.

Elemento Peltier: caratteristiche

TEM è selezionato dai parametri termoelettrici.

Il calcolo della potenza è il seguente.

1. La tensione massima ammissibile U _max (V) viene selezionata e in base al diagramma U (I), viene trovata la corrente massima I _max (A), che scorre attraverso il modulo Peltier. Qui è importante che il suo valore sia entro i limiti della crescita della dipendenza della differenza di temperatura sulla corrente dT (I) = T _h - T _s .
2. In base al valore impostato I, viene selezionata la caratteristica dT (Q), dove Q è la potenza termica dell'elemento raffreddato.
3. Dai valori noti di dT e T _h è determinato da T _con = T _h - dT.

Le caratteristiche dT (Q) mostrano che con un aumento della potenza termica, la differenza dT diminuisce. Può essere fatto di più aumentando la corrente attraverso il modulo, che a sua volta dovrebbe essere limitato.

Esempio di calcolo

Dati iniziali: U = 12 V, Q _con = 60 W e T _h = 50 ° C.

Ad una tensione di 12 V, secondo la caratteristica di U (I), troviamo una corrente I = 5 A.

Per una corrente di 5 A, la differenza di temperatura è dT ​​= 4 K. Quindi T _с = T _h - dT = 50 - 4 = 46 ° C.

Prendendo un modulo più potente, è possibile aumentare il dT. Per un modulo da 131 W, dove I _max = 8,5 A, U _max = 28,8 V e un oggetto con una potenza di generazione di calore di 60 W, la differenza di temperatura sarà di 40 ° C. Quindi T _con = 50 - 40 = 10 ° C.

Scegliendo il potere di TEM, non dovremmo dimenticare quanto calore distribuirà. Questo flusso di calore deve essere rimosso con idonei refrigeranti. Quando i mezzi tradizionali non possono far fronte alla generazione di calore, viene utilizzato il raffreddamento ad acqua.

Aria condizionata

L'aria condizionata sugli elementi Peltier in termini di efficienza è proporzionale alle sue dimensioni. Il suo principio di funzionamento e vantaggi sono gli stessi di un frigorifero. Il problema è la rimozione del calore all'esterno dello spazio raffreddato.

Il climatizzatore richiede 2 refrigeratori, uno dei quali rimuove l'aria fredda e l'altro caldo. Fonte di energia nell'auto è la batteria, e per la stanza si adatterà al vecchio alimentatore da un personal computer.

Un modulo per il funzionamento del dispositivo sarà piccolo. Di solito, diversi elementi sono incollati insieme con pasta termica.

Frigorifero fai da te

L'effetto Peltier viene utilizzato per creare frigoriferi portatili. Il modulo può essere acquistato per 300-500 rubli e il radiatore con una ventola viene prelevato dal vecchio computer. Come contenitore, è possibile utilizzare qualsiasi contenitore di plastica, compensato o metallo, incollato all'interno e all'esterno con piastre termoisolanti (schiuma, penisola, ecc.) Con strati riflettenti di lamina di alluminio.

Il modulo Peltier è più comodo da inserire nel coperchio, ma è anche possibile nella parete della custodia. Se si trova nella parte superiore del serbatoio, il freddo si sposta verso il basso, fornendo una temperatura uniforme all'interno.

Dall'interno, un termosifone è collegato alla pasta termica sul modulo, che è anche collegato al coperchio. Puoi incollare i due moduli tra loro, ma non confondere la polarità. Il lato caldo dell'elemento inferiore dovrebbe essere in contatto con il tetto freddo. L'efficienza di raffreddamento aumenterà.

All'esterno, un radiatore con una ventola proveniente da un dispositivo di raffreddamento del computer è incollato al modulo e inoltre fissato al coperchio con viti o viti. Gli elementi di fissaggio dai lati caldi e freddi devono essere isolati l'uno dall'altro e i tappi devono essere riempiti con colla a caldo.

È importante! Serrare i dispositivi di fissaggio del radiatore con attenzione per non rompere le piastre in ceramica dei moduli.

All'interno della copertura è installata la guarnizione isolante. Per migliorare l'isolamento termico, gli elementi dalle estremità sono chiusi con una cornice fatta di isolamento termico.

L'elettricista si collega all'alimentazione elettrica.

Generatori elettrici da moduli Peltier

L'elemento Peltier, il cui principio di funzionamento è reversibile, viene utilizzato per creare mini centrali elettriche in assenza di fonti di energia elettrica. Per assemblare un TEG, sono necessari elementi:

1. Modulo Peltier in grado di sopportare temperature da 300 ° C. I modelli TEC-12712 con le dimensioni dei lati delle piastre quadrate 40, 50 e 60 mm sono comuni. Se si sceglie un prodotto di dimensioni massime, un elemento è sufficiente per ricaricare il telefono cellulare. La corrente massima è indicata dalle ultime due cifre del marchio - 12 a.
2. Convertitore boost. Il generatore potrebbe non fornire la tensione desiderata e dovrebbe essere aumentato. Per caricare i gadget, è necessario selezionare un dispositivo con un connettore USB.
3. Riscaldatore e dispositivo di raffreddamento. Per condizioni di campo o cottage, una fonte di riscaldamento antincendio è adatta: una stufa fatta in casa, una lampada, una candela, un fuoco. Una soluzione moderna è un riscaldatore catalitico che ti consente di ricaricare il tuo cellulare mentre sei in giro. Aria o acqua possono essere usate per il raffreddamento.
4. Design. L'elemento Peltier fatto da sé è costituito da un serbatoio in cui è impostato il fuoco, e un modulo è montato sulla pasta termica all'esterno. Attraverso i fili si collega al convertitore di tensione. È importante non surriscaldare il dispositivo. Per fare questo, un radiatore è incollato sul lato freddo del modulo.

conclusione

I moduli Peltier sono elementi ampiamente utilizzati per il raffreddamento di apparecchiature elettroniche moderne. Soprattutto sono necessari per la normalizzazione della modalità termica di potenti processori. Di loro fanno le loro proprie mani piccoli frigoriferi per auto o ville.

Poiché il processo è reversibile, gli elementi sono utilizzati come mini-centrali portatili in luoghi dove non ci sono fonti di energia elettrica.