Для чего нужны элементы Пельтье? Элементы Пельтье: принцип работы, характеристики, применение

Количество электронных устройств в мире постоянно растет как снежный ком. Все они потребляют электроэнергию, и людям приходится постоянно возить и носить с собой аккумуляторы или вырабатывать ее на громоздких устройствах. В качестве источников тока не так давно стали применяться модули Пельтье - элементы, образующие электрический ток при создании разности температур на их противоположных сторонах.

Эффекты Пельтье и Зеебека

Несмотря на то что почти 2 века назад был создан первый элемент Пельтье, принцип работы нашел применение только сейчас, когда появились подходящие материалы и необходимость в использовании. Он заключается в тепловыделении на контакте разнородных проводников, когда по ним протекает электрический ток. При изменении полярности место контакта начинает охлаждаться. Процесс обратимый: при искусственном поддерживании разности температуры на контактах проводников в их цепи протекает электрический ток (эффект Зеебека).

На базе двух термоэлектрических эффектов создали модуль Пельтье, элементы которого располагаются между двумя параллельными керамическими пластинами в виде разнородных проводников. Проходящий ток через контакт проводников одинаков, а энергетические потоки в каждом из них различаются. Когда энергии в контакт поступает больше, чем вытекает из него, это значит, что электроны затормаживаются в переходной области, вызывая ее разогрев. При изменении полярности электроны ускоряются, забирая энергию у кристаллической решетки, что вызывает ее охлаждение.

Особенно активно эффект Пельтье проявляется на границах полупроводниковых элементов, где наиболее высокие энергетические процессы.

Термоэлектрический модуль

Элементы Пельтье применение нашли в устройстве, состоящем из множества полупроводников p и n типов. В отличие от транзисторов и диодов, переходные области находятся на границе металла с полупроводником. В модуле Пельтье элементы в большом количестве располагаются между керамическими пластинами, что позволяет сделать устройство мощней.

Каждый элемент содержит 4 перехода на контакте полупроводник-металл. Когда электрическая цепь замкнута, электроны перемещаются от минуса батареи питания к плюсу, проходя через все переходы.

На первом переходе термоэлектрического модуля (ТЭМ) между медной шиной и р-полупроводником в последнем выделяется тепло, так как поток зарядов попадает в область с меньшей энергией.

На другом контакте в полупроводнике поглощается энергия, поскольку электроны "высасываются" электрическим полем, совпадающим с направлением их движения. Там происходит процесс охлаждения.

На третьем контакте энергия электронов поглощается, поскольку полупроводник типа n имеет энергию больше, чем металл.

На четвертом переходе выделяется тепло, так как электроны снова тормозятся электрическим полем.

Таким образом, на одной стороне выделяется тепло, а другая - охлаждается. На одном элементе это явление будет незаметно, но модуль Пельтье, элементы которого располагаются между двумя керамическими пластинами, создает значительный температурный перепад.

Модуль можно применять как генератор электроэнергии, если поддерживать разную температуру пластин. При этом каждый термоэлектрический элемент Пельтье последовательно подключается к соседнему через медные перемычки, и токи их суммируются.

Достоинства и недостатки

Преимущества ТЭМ:

• небольшие размеры;
• обратимость процесса;
• применение как электрогенератора или холодильника.

К недостаткам ТЭМ относят высокую стоимость, низкий КПД (не более 3 %), высокие энергозатраты и необходимость поддерживания разности температур.

Холодильник из модуля Пельтье

Элемент Пельтье для охлаждения процессора эффективнее стандартных элементов. При этом последние остаются, но применяются только для вывода тепла из замкнутого пространства компьютера.

При их конструировании в качестве охладителя электронных средств нужно учитывать следующие особенности.

1. Мощность напрямую связана с размерами модуля. Небольшие устройства не создадут требуемый уровень охлаждения. Например, они не обеспечат нормальный температурный режим процессора. Слишком мощный модуль вызывает появление влаги, являющейся причиной коротких замыканий в электронике, поскольку расстояния между токопроводящими элементами на печатных платах незначительны.
2. Модули Пельтье сами нуждаются в охлаждении с помощью вентиляторов и радиаторов, поскольку они выделяют много тепла. Это необходимо для снижения температуры в замкнутом пространстве компьютера и нормализации условий работы других элементов.
3. Модуль Пельтье является дополнительной нагрузкой в блоке питания.
4. Холодильник после выхода из строя является изолятором между радиатором и охлаждаемым элементом, что может привести к быстрому выходу последнего из строя от перегрева.
5. Современные процессоры могут изменять потребление энергии при работе, что благоприятно влияет на тепловой баланс, но не всегда при применении модулей Пельтье. Простейшие холодильники рассчитаны на непрерывную работу, и их не рекомендуется использовать вместе с программами охлаждения.

Выделение тепла

Холодильный эффект у ТЭМ небольшой, а тепла он выделяет много. Когда его применяют в системном блоке, внутри значительно повышается температура, влияющая на работу остального оборудования. Дополнительными средствами для ее снижения служат вентиляторы и радиаторы, создающие тепловой выхлоп.

Тепловой режим модуля нужно правильно рассчитать, чтобы не было перегрева и не образовывался конденсат на электронных платах. Кулер Пельтье выбирается с оптимальной мощностью, где важно обеспечить правильное соотношение температуры внутри корпуса, объекта охлаждения и влажностью воздуха.

Элемент Пельтье: характеристики

ТЭМ выбирается по термоэлектрическим параметрам.

Расчет мощности состоит в следующем.

1. Выбирается максимально допустимое напряжение U_max(V) и по графику зависимости U(I) находят максимальную силу тока I_max(A), который протекает через модуль Пельтье. Здесь важно, чтобы его значение находилось в пределах роста зависимости температурного перепада от тока dT(I) = T_h- T_с.
2. По установленной величине I выбирается характеристика dT(Q), где Q - тепловая мощность охлаждаемого элемента.
3. По известным значениям dT и T_h определяется T_с = T_h- dT.

Характеристики dT(Q) показывают, что с ростом выделяемой тепловой мощности снижается разность dT. Ее можно сделать больше, если увеличить силу тока через модуль, которая, в свою очередь, должна быть ограничена.

Пример расчета

Исходные данные: U = 12 В, Q_с = 60 Вт и T_h = 50 °C.

При напряжении 12 В по характеристике U(I) находим ток I = 5 А.

Для силы тока 5 А разница температур dT = 4 К. Тогда T_с = T_h - dT = 50 - 4 = 46 °C.

Взяв более мощный модуль, можно увеличить dT. Для модуля на 131 Вт, где I_max = 8,5 А, U_max = 28,8 В и объекта с мощностью теплообразования 60 Вт разность температур составит 40 °C. Тогда T_с = 50 - 40 = 10 °C.

Выбирая по мощности ТЭМ, не следует забывать о том, сколько тепла он будет выделять. Этот тепловой поток следует удалять подходящими охлаждающими средствами. Когда традиционные средства не справляются с тепловыделением, применяют водяное охлаждение.

Кондиционер

Кондиционер на элементах Пельтье по эффективности пропорционален своим размерам. Его принцип действия и преимущества те же самые, что и у холодильника. Проблемой является отвод тепла за пределы охлаждаемого пространства.

Для кондиционера требуются 2 кулера, где один из них отводит холодный воздух, а другой - горячий. Источником питания в автомобиле служит аккумулятор, а для комнаты подойдет старый БП от персонального компьютера.

Одного модуля для работы устройства будет мало. Обычно применяются несколько элементов, склеенных между собой термопастой.

Холодильник своими руками

Эффект Пельтье применяется при создании портативных холодильников. Модуль можно купить за 300-500 руб., а радиатор с вентилятором берется от старого компьютера. В качестве контейнера можно использовать любую пластиковую, фанерную или металлическую емкости, оклеенные снаружи и изнутри теплоизолирующими пластинами (пенопласт, пеноплекс и т. п.) с отражающими слоями из алюминиевой фольги.

Модуль Пельтье удобней встраивать в крышку, но можно и в стенку корпуса. Если он располагается в верхней части емкости, холод перемещается вниз, обеспечивая равномерную температуру внутри.

Изнутри к модулю приклеивается на термопасту радиатор, который также крепится к крышке. Можно приклеить два модуля друг к другу, но при этом нельзя путать полярность. Горячая сторона нижнего элемента должна контактировать с холодной верхнего. Эффективность охлаждения при этом увеличится.

Снаружи к модулю приклеивается радиатор с вентилятором от кулера компьютера, а также дополнительно крепится к крышке саморезами или винтами. Крепеж с горячей и холодной сторон должен быть друг от друга изолирован, а шляпки залиты термоклеем.

Важно! Затяжку крепежа радиаторов нужно делать аккуратно, чтобы не треснули керамические пластины модулей.

Изнутри на крышку устанавливается теплоизолирующая прокладка. Чтобы улучшить теплоизоляцию, элементы с торцов закрываются рамкой из теплоизола.

Электрика подключается к блоку питания.

Электрогенераторы из модулей Пельтье

Элемент Пельтье, принцип работы которого обратим, применяется для создания миниэлектростанций в условиях отсутствия источников электроэнергии. Для сборки ТЭГ нужны элементы:

1. Модуль Пельтье, способный выдержать температуру от 300 °C. Распространены модели ТЕС-12712 с размерами сторон квадратных пластин 40, 50 и 60 мм. Если выбрать изделие максимального размера, достаточно одного элемента для подзарядки мобильного телефона. Максимальный ток показывают две последние цифры маркировки - 12 а.
2. Повышающий преобразователь. Генератор может не обеспечить нужное напряжение, и его следует увеличить. Чтобы заряжать гаджеты, следует подобрать устройство с разъемом USB.
3. Нагреватель и охладитель. Для походных условий или дачи подходит источник огневого подогрева: самодельная печка, лампа, свеча, костер. Современным решением является каталитический нагреватель, что позволяет производить подзарядку мобильника на ходу. Для охлаждения можно использовать воздух или воду.
4. Конструкция. Самодельный элемент Пельтье состоит из емкости, в которой разводится огонь, а снаружи на термопасту крепится модуль. Через провода он подключается к преобразователю напряжения. Здесь важно не перегреть устройство. Для этого на холодную сторону модуля приклеивается радиатор.

Заключение

Модули Пельтье - элементы, которые широко применяются для охлаждения современной электронной техники. Особенно они необходимы для нормализации теплового режима мощных процессоров. Из них изготавливают своими руками небольшие холодильники для авто или дачи.

Поскольку процесс обратимый, элементы применяют в качестве портативных мини-электростанций в местах, где нет источников электроэнергии.