Mòdul termoelèctric Peltier - dispositiu, principi de funcionament, característiques

El fenomen de l'aparició de la termo-EMF va ser descobert pel físic alemany Thomas Johann Seebeck el 1821. I aquest fenomen consisteix en el fet que en un circuit elèctric tancat format per conductors heterogenis connectats en sèrie, sempre que els seus contactes estiguin a temperatures diferents, es produeixi un EMF.

Aquest efecte, rebut el nom del seu descobridor, l'efecte Seebeck, ara es diu simplement efecte termoelèctric.

Si el circuit només consta d’un parell de conductors diferents, s’anomena aquest circuit termopar. En una primera aproximació, es pot argumentar que la magnitud de la termoemf depèn només del material dels conductors i de les temperatures dels contactes freds i calents. Així, en un interval de temperatures reduït, la termo-EMF és proporcional a la diferència de temperatura entre els contactes freds i calents, i el coeficient de proporcionalitat de la fórmula s'anomena coeficient termo-EMF.

Així, per exemple, a una diferència de temperatura de 100 ° C, a una temperatura de contacte en fred de 0 ° C, un parell de coure-constantan té un termofemor de 4,25 mV.

Mentrestant L’efecte termoelèctric es basa en tres components:

El primer factor és la diferència en la dependència de la temperatura de l’energia mitjana d’electrons de diferents substàncies. Com a resultat, si la temperatura del conductor s’escalfa en un extrem, els electrons adquireixen velocitats més elevades que els electrons a l’extrem fred del conductor.

Per cert, la concentració d’electrons de conducció també augmenta en semiconductors amb calefacció. Els electrons es precipiten fins a l'extrem fred a gran velocitat i s'hi acumula una càrrega negativa i s'obté una càrrega positiva no compensada a l'extrem calent. Així doncs, hi ha un component de termo-EMF, anomenat EMF volumètric.

El segon factor és que per a diferents substàncies, la diferència de potencial de contacte depèn de la temperatura d'una manera diferent. Això es deu a la diferència de l’energia de Fermi de cadascun dels conductors posats en contacte. La diferència de potencial de contacte que es produeix en aquest cas és proporcional a la diferència energètica de Fermi.

S’obté un camp elèctric en una capa de contacte fina i la diferència de potencial per cada costat (per a cada un dels conductors que es posen en contacte) serà la mateixa, i quan el circuit es circumval·li en un circuit tancat, el camp elèctric resultant serà zero.

Però si la temperatura d’un dels conductors difereix de la temperatura de l’altre, a causa de la dependència de l’energia Fermi de la temperatura, la diferència de potencial també canviarà. Com a resultat, hi haurà contacte EMF, el segon component de la termo-EMF.

El tercer factor és l’augment del fonó en l’EMF. Sempre que hi hagi un gradient de temperatura en el sòlid, predominarà el nombre de fonons (fonó - el quantum de moviment vibracional dels àtoms de cristall) que es mouen en la direcció de l’extrem calent al fred, de manera que, juntament amb els fonons, es transportarà un gran nombre d’electrons cap a l’extrem fred. i s’acumularà una càrrega negativa fins que el procés arribi a l’equilibri.

Això dóna el tercer component del termo-EMF, que a temperatures baixes pot ser centenars de vegades superior als dos components esmentats anteriorment.

El 1834, el físic francès Jean Charles Peltier va descobrir l'efecte contrari. Va trobar que quan un corrent elèctric passa per una unió de dos conductors diferents, la calor s’allibera o s’absorbeix.

La quantitat de calor absorbida o alliberada s’associa amb el tipus de substàncies soldades, així com amb la direcció i la magnitud del corrent elèctric que circula per la unió.El coeficient de Peltier de la fórmula és numèricament igual al coeficient de termo-EMF multiplicat per la temperatura absoluta. Ara es coneix aquest fenomen efecte peltier.

El 1838, el físic rus Emiliy Khristianovich Lenz va comprendre l'essència de l'efecte Peltier. Va provar experimentalment l'efecte Peltier col·locant una gota d'aigua a la unió de mostres d'antimoni i bismut. Quan Lenz va passar un corrent elèctric pel circuit, l’aigua es va convertir en gel, però quan el científic va invertir la direcció del corrent, el gel es va fondre ràpidament.

El científic va establir de manera que quan el corrent flueix, no només es va produir calor Joule, sinó que també es va produir l'absorció o alliberació de calor addicional. Aquesta calor addicional es va anomenar calor de Peltier.

La base física de l'efecte Peltier és la següent. El camp de contacte a la unió de dues substàncies, creat per la diferència de potencial de contacte, o bé impedeix el pas del corrent pel circuit, o bé contribueix al mateix.

Si es passa el corrent contra el camp, es requereix el treball de la font, que hauria de gastar energia en superar el camp de contacte, a conseqüència del qual s’escalfa la unió. Si el corrent està dirigit perquè el camp de contacte el suporti, el camp de contacte funciona, i l'energia es treu de la substància en si i no la consumeix la font actual. Com a resultat, la substància a la unió es refreda.

L’efecte Peltier més expressiu en semiconductors, degut al qual els mòduls Peltier o convertidors termoelèctrics.

Al cor de Element peltier dos semiconductors en contacte entre ells. Aquests semiconductors es distingeixen per l’energia dels electrons de la banda de conducció, de manera que quan un corrent flueix pel punt de contacte, els electrons es veuen obligats a adquirir energia per poder transferir a una altra banda de conducció.

Així, quan es mou a una banda de conducció d’energia superior d’un altre semiconductor, els electrons absorbeixen energia, refredant el lloc de transició. En el sentit contrari al corrent, els electrons desprenen energia i es produeix un escalfament a més de la calor de Joule.

El mòdul de semiconductors Peltier consta de diversos parells semiconductors p i tipus namb forma de petits paral·lelípids. Normalment, el tel·lurur de bismut i una solució sòlida de silici i germani s’utilitzen com a semiconductors. Els saltadors de coure estan interconnectats en parells per paral·lelipípedes semiconductors. Aquests saltadors serveixen de contactes per a l'intercanvi de calor amb plaques ceràmiques.

Els jumpers estan situats de manera que a un costat del mòdul només hi ha saltadors que proporcionen la transició n-p, i per l’altra, només els saltadors que proporcionen la transició p-n. Com a resultat, quan s'aplica una corrent, un costat del mòdul s'escalfa, l'altre costat es refreda i, si es reverteix la polaritat de la potència, els costats de calefacció i refrigeració canviaran de lloc en conseqüència. Així, amb el pas del corrent, la calor es transfereix d’un costat del mòdul a l’altre i es produeix una diferència de temperatura.

Si ara un costat del mòdul de Peltier s’escalfa i l’altre es refreda, apareixerà en el circuit una termoemf, és a dir, es realitzarà l’efecte Seebeck. Evidentment, l'efecte Seebeck (efecte termoelèctric) i l'efecte Peltier són dues cares de la mateixa moneda.

Avui podeu comprar mòduls Peltier fàcilment a un preu relativament assequible. Els mòduls Perrier més populars són del tipus TEC1-12706, que contenen 127 termoparells i estan dissenyats per a subministrament de 12 volts.

Amb un consum màxim de 6 amperes, es pot aconseguir una diferència de temperatura de 60 ° C, mentre que el rang de funcionament segur que reclama el fabricant és de -30 ° C a + 70 ° C. La mida del mòdul és de 40mm x 40mm x 4mm. El mòdul pot funcionar tant en mode de calefacció com en refrigeració mode de generació.

Hi ha mòduls Peltier més potents, per exemple TEC1-12715, amb una potència de 165 watts. Quan funciona amb una tensió de 0 a 15,2 volts, amb una potència de 0 a 15 amperes, aquest mòdul és capaç de desenvolupar una diferència de temperatura de 70 graus.La mida del mòdul també és de 40mm x 40mm x 4mm, però, el rang de temperatures de treball segures és més ampli: de -40 ° C a + 90 ° C.

La taula següent mostra les dades sobre els mòduls Peltier que estan àmpliament disponibles avui dia al mercat:

Dades sobre mòduls de pell