Peltier-elementti - miten se toimii ja kuinka tarkistaa ja liittää

Peltier-elementin toimintaperiaate perustuu Peltier-ilmiöstä, joka koostuu siitä, että kun tasavirta kulkee kahden eri johtimen liitoksen läpi, energia siirtyy siirtymäjohtimesta toiseen, kun taas lämpö vapautuu tai absorboituu liitoksessa.

Tämän prosessin aikana vapautuvan tai absorboituneen lämmön määrä on verrannollinen virtaan, sen virtausaikaan sekä tietyn juotoslankaparin Peltier-kertoimeen. Peltier-kerroin puolestaan ​​on yhtä suuri kuin parin lämpösähköinen kerroin kerrottuna liitoksen absoluuttisella lämpötilalla kulloinkin.

Ja koska Peltier-ilmiö on ilmeisin puolijohteissa, tätä ominaisuutta käytetään suosituissa ja edullisissa puolijohde-Peltier-elementeissä. Peltier-elementin toiselta puolelta lämpö imeytyy, toiselta se vapautuu. Seuraavaksi tarkastelemme tätä ilmiötä tarkemmin.

Peltierin suora fyysinen vaikutus havaittiin vuonna 1834.ranskalainen fyysikko Jean Peltier, ja neljä vuotta myöhemmin tämän ilmiön olemusta tutki venäläinen fyysikko Emilius Lenz, joka osoitti, että jos vismutti- ja antimonisauvat olivat läheisessä kosketuksessa, vettä tippui kosketuskohdassa ja sitten läpi. risteyksen tasavirta tietyllä suunnalla, niin jos virran alkusuunnassa vesi muuttuu jääksi, niin jos virran suunta muuttuu päinvastaiseksi, tämä jää sulaa nopeasti.

Kokeessaan Lenz osoitti selvästi, että Peltier-lämpö imeytyy tai vapautuu liitoskohdan läpi kulkevan virran suunnasta riippuen.

Alla on taulukko Peltier-kertoimista kolmelle suositulle metalliparille. Muuten, Peltier-ilmiön vastaista vaikutusta kutsutaan Seebeck-ilmiöksi (kun suljetun piirin liitoksia lämmitettäessä tai jäähdytettäessä, sähköä).

Joten miksi Peltier-ilmiö syntyy? Syynä on se, että kahden aineen kosketuspisteessä on kosketuspotentiaaliero, joka synnyttää kosketussähkökentän niiden välille.

Jos sähkövirta kulkee nyt koskettimen läpi, tämä kenttä joko auttaa virran kulkemista tai estää sen. Siksi, jos virta on suunnattu kosketuskentän voimavektoria vastaan, käytetyn EMF:n lähteen on tehtävä työ, ja lähteen energia vapautuu kosketuspisteessä, mikä aiheuttaa sen kuumenemisen.

Jos lähdevirta on suunnattu kosketuskenttää pitkin, niin sitä ikään kuin tämä sisäinen sähkökenttä tukee lisäksi, ja nyt kenttä tekee lisätyötä siirtääkseen varauksia. Tämä energia otetaan nyt pois aineesta, mikä itse asiassa aiheuttaa liitoksen jäähtymisen.

Joten, koska tiedämme, että puolijohdepareja käytetään Peltier-elementeissä, mitä prosessia käytetään puolijohteissa?

Se on yksinkertaista, nämä puolijohteet eroavat johtavuuskaistan elektronien energiatasoista. Kun elektroni kulkee näiden materiaalien liitoksen läpi, elektroni saa energiaa, jotta se voi siirtyä toisen puolijohdeparin korkeamman energian johtavuuskaistalle.

Kun elektroni absorboi tätä energiaa, puolijohteen kosketuspiste jäähtyy ja kun virta kulkee vastakkaiseen suuntaan, puolijohteen kosketuspiste lämpenee tavallisen Joule-lämmön lisäksi. Jos Peltier-kennoissa käytettäisiin puolijohteiden sijasta puhtaita metalleja, lämpövaikutus olisi niin pieni, että ohminen kuumennus ylittäisi sen huomattavasti.

Todellisissa Peltier-muuntimessa, kuten TEC1-12706, useita vismuttitelluridin ja kiinteän liuoksen piitä ja germaniumia sisältävää suuntaissärmiötä on asennettu kahden keraamisen substraatin väliin, juotettuina yhteen sarjaan. Nämä n- ja p-tyypin puolijohdeparit on yhdistetty johtavilla hyppyjohtimilla, jotka ovat kosketuksessa keraamisten alustojen kanssa.

Jokainen pienten puolijohteiden suuntaissärmiöiden pari muodostaa koskettimen siirtääkseen virran n-tyypin puolijohteesta p-tyypin puolijohteeseen Peltier-muuntimen toisella puolella ja p-tyypin puolijohteesta n-tyypin puolijohteeseen toisella puolella. muunnin.

Kun virta kulkee kaikkien näiden sarjaan kytkettyjen suuntaissärmiöiden läpi, niin toisaalta kaikki koskettimet vain jäähdytetään ja toisaalta kaikki vain lämmitetään. Jos lähteen napaisuus muuttuu, sivut muuttavat roolit.

Tämän periaatteen mukaan toimii Peltier-elementti tai, kuten sitä kutsutaan myös, Peltier-lämpösähkömuunnin, jossa lämpö otetaan tuotteen toiselta puolelta ja siirretään sen vastakkaiselle puolelle, kun taas lämpötilaero syntyy tuotteen molemmille puolille. elementti.

Peltier-elementin lämmityspuolta voidaan jopa jäähdyttää edelleen tuulettimella varustetulla jäähdytyslevyllä, jolloin kylmän puolen lämpötila on vieläkin alhaisempi. Laajalti saatavilla olevissa Peltier-kennoissa lämpötilaero voi olla noin 69 °C.

Peltier-elementin kunnon tarkistamiseen riittää sormityyppinen paristo. Kennon punainen johto on kytketty virtalähteen positiiviseen napaan, musta johto negatiiviseen. Jos elementti toimii oikein, niin toisella puolella tapahtuu lämmitystä ja toiselta jäähdytystä, sen voi tuntea sormesi. Perinteisen Peltier-elementin resistanssi on muutaman ohmin luokkaa.