Peltier element - hur det fungerar och hur man kontrollerar och ansluter

Funktionsprincipen för Peltier-elementet är baserad på på Peltier-effekten, som består i det faktum att när en elektrisk likström passerar genom en korsning av två olika ledare, överförs energi från en övergångsledare till en annan, medan värme frigörs eller absorberas i korsningen.

Mängden värme som frigörs eller absorberas under denna process kommer att vara proportionell mot strömmen, tiden för dess flöde, såväl som Peltier-koefficienten som är karakteristisk för ett givet par lödtrådar. Peltier-koefficienten är i sin tur lika med den termoelektriska koefficienten för paret multiplicerat med den absoluta temperaturen för korsningen vid den aktuella tiden.

Och eftersom Peltier-effekten är den mest uttrycksfulla i halvledare, då används den här egenskapen i populära och prisvärda Peltier-halvledarelement. På ena sidan av Peltier-elementet absorberas värme, på den andra släpps det ut. Därefter ska vi titta närmare på detta fenomen.

Den direkta fysiska effekten av Peltier upptäcktes 1834.av den franske fysikern Jean Peltier, och fyra år senare undersöktes essensen av detta fenomen av den ryske fysikern Emilius Lenz, som visade att om stavar av vismut och antimon var i nära kontakt, droppade vatten vid kontaktpunkten, och sedan genom korsningen likström med en viss riktning, om vattnet i strömmens initiala riktning förvandlas till is, då om strömriktningen ändras till motsatt, kommer denna is snabbt att smälta.

I sitt experiment visade Lenz tydligt att Peltier-värme absorberas eller frigörs beroende på strömriktningen genom korsningen.

Nedan finns en tabell med Peltier-koefficienter för tre populära metallpar. Förresten, effekten som är motsatt Peltier-effekten kallas Seebeck-effekten (när man värmer eller kyler korsningarna i en sluten krets, elektricitet).

Så varför uppstår Peltier-effekten? Anledningen är att det vid kontaktpunkten för två ämnen finns en kontaktpotentialskillnad som genererar ett elektriskt kontaktfält mellan dem.

Om en elektrisk ström nu flyter genom kontakten kommer detta fält antingen att hjälpa strömmen att flyta eller förhindra det. Därför, om strömmen riktas mot kontaktfältets kraftvektor, måste källan till den applicerade EMF göra jobbet, och källans energi frigörs vid kontaktpunkten, vilket kommer att få den att värmas upp.

Om källströmmen riktas längs kontaktfältet, så stöds den, så att säga, dessutom av detta interna elektriska fält, och nu kommer fältet att göra ytterligare arbete för att flytta laddningarna. Denna energi tas nu bort från ämnet, vilket faktiskt gör att korsningen svalnar.

Så eftersom vi vet att halvledarpar används i Peltier-element, vilken process används i halvledare?

Det är enkelt. Dessa halvledare skiljer sig i energinivåerna för elektronerna i ledningsbandet. När en elektron passerar genom förbindelsen mellan dessa material, får elektronen energi så att den kan flytta till ett högre energiledningsband av ett annat halvledarpar.

När elektronen absorberar denna energi svalnar halvledarkontaktpunkten.När ström flyter i motsatt riktning värms halvledarkontaktpunkten upp, förutom den vanliga Joule-värmen. Om rena metaller användes istället för halvledare i Peltier-celler skulle den termiska effekten vara så liten att den ohmska uppvärmningen kraftigt skulle överstiga den.

I en äkta Peltier-omvandlare, såsom TEC1-12706, är flera parallellepipeder av vismuttellurid och fast lösning av kisel och germanium monterade mellan två keramiska substrat, sammanlödda i en seriekrets. Dessa par av halvledare av n- och p-typ är förbundna med ledande byglar som är i kontakt med de keramiska substraten.

Varje par av små halvledarparallellepipeder bildar en kontakt för att överföra ström från en halvledare av n-typ till en halvledare av p-typ på ena sidan av Peltier-omvandlaren, och från en halvledare av p-typ till en halvledare av n-typ på den andra sidan av omvandlaren.

När strömmen flyter genom alla dessa seriekopplade parallellepipederna, så kyls å ena sidan alla kontakter bara, och å andra sidan värms alla bara upp. Om källans polaritet ändras kommer sidorna att ändra sina roller.

Enligt denna princip fungerar Peltier-elementet, eller, som det också kallas, Peltier termoelektriska omvandlare, där värme tas från ena sidan av produkten och överförs till dess motsatta sida, samtidigt som en temperaturskillnad skapas på båda sidor av produkten. elementet.

Det är till och med möjligt att ytterligare kyla Peltier-elementets värmesida med hjälp av en kylfläns med fläkt, då blir temperaturen på den kalla sidan ännu lägre. I allmänt tillgängliga Peltier-celler kan temperaturskillnaden nå cirka 69 °C.

För att kontrollera Peltier-elementets hälsa räcker ett batteri av fingertyp. Den röda ledningen i cellen är ansluten till den positiva polen på strömförsörjningen, den svarta ledningen till den negativa. Om elementet fungerar korrekt, kommer uppvärmning att ske på ena sidan och kylning på den andra, du kan känna det med dina fingrar. Motståndet hos ett konventionellt Peltier-element ligger i området några få ohm.