Peltier thermo-elektrische module - apparaat, werkingsprincipe, kenmerken

Het fenomeen van de opkomst van thermo-EMF werd ontdekt door de Duitse natuurkundige Thomas Johann Seebeck in 1821. En dit fenomeen bestaat uit het feit dat in een gesloten elektrisch circuit bestaande uit heterogene geleiders in serie geschakeld, op voorwaarde dat hun contacten op verschillende temperaturen zijn, een EMV optreedt.

Dit effect, genoemd naar zijn ontdekker, het Seebeck-effect, wordt nu eenvoudigweg genoemd thermo-elektrisch effect.

Als het circuit uit slechts een paar ongelijke geleiders bestaat, wordt een dergelijk circuit genoemd thermoelement. In een eerste benadering kan worden betoogd dat de grootte van de thermo-emf alleen afhankelijk is van het materiaal van de geleiders en van de temperaturen van de koude en warme contacten. Dus in een klein temperatuurbereik is thermo-EMF evenredig met het temperatuurverschil tussen koude en warme contacten, en de evenredigheidscoëfficiënt in de formule wordt de thermo-EMF-coëfficiënt genoemd.

Dus, bijvoorbeeld, bij een temperatuurverschil van 100 ° C, bij een koude contacttemperatuur van 0 ° C, heeft een paar koperconstante een thermo-EMF van 4,25 mV.

Ondertussen, Het thermo-elektrische effect is gebaseerd op drie componenten:

De eerste factor is het verschil in verschillende stoffen in de afhankelijkheid van de gemiddelde elektronenergie van temperatuur. Dientengevolge, als de temperatuur van de geleider aan het ene uiteinde hoger is, dan verwerven de elektronen daar hogere snelheden dan de elektronen aan het koude uiteinde van de geleider.

Overigens neemt de concentratie van geleidingselektronen ook toe in halfgeleiders met verwarming. Elektronen snellen naar het koude einde met een hoge snelheid en een negatieve lading hoopt zich daar op en een niet-gecompenseerde positieve lading wordt verkregen aan het hete einde. Er is dus een component van thermo-EMF, genaamd volumetrische EMF.

De tweede factor is dat voor verschillende stoffen het contactpotentiaalverschil anders afhankelijk is van de temperatuur. Dit komt door het verschil in de Fermi-energie van elk van de geleiders die in contact zijn gebracht. Het contactpotentiaalverschil dat in dit geval ontstaat, is evenredig met het Fermi-energieverschil.

Een elektrisch veld wordt verkregen in een dunne contactlaag en het potentiaalverschil aan elke zijde (voor elk van de geleiders die in contact worden gebracht) zal hetzelfde zijn, en wanneer het circuit in een gesloten circuit wordt omcirkeld, zal het resulterende elektrische veld nul zijn.

Maar als de temperatuur van een van de geleiders verschilt van de temperatuur van de andere, dan zal vanwege de afhankelijkheid van de Fermi-energie van temperatuur ook het potentiaalverschil veranderen. Als gevolg hiervan zal er contact EMF zijn - het tweede onderdeel van thermo-EMF.

De derde factor is de toename van fononen in EMV. Op voorwaarde dat er in de vaste stof een temperatuurgradiënt is, prevaleert het aantal fononen (phonon - het kwantum van de trillingsbeweging van kristalatomen) die zich in de richting van het warme uiteinde naar de koude verplaatsen, waardoor samen met fononen een groot aantal elektronen naar het koude uiteinde wordt weggevoerd en een negatieve lading zal zich daar ophopen totdat het proces in evenwicht komt.

Dit geeft de derde component van thermo-EMF, die bij lage temperaturen honderden keren hoger kan zijn dan de twee hierboven genoemde componenten.

In 1834 ontdekte de Franse natuurkundige Jean Charles Peltier het tegenovergestelde effect. Hij ontdekte dat wanneer een elektrische stroom door een knooppunt van twee ongelijke geleiders stroomt, warmte vrijkomt of wordt geabsorbeerd.

De hoeveelheid geabsorbeerde of afgegeven warmte hangt samen met het type gesoldeerde stoffen, evenals met de richting en de grootte van de elektrische stroom die door de kruising stroomt.De Peltier-coëfficiënt in de formule is numeriek gelijk aan de coëfficiënt van thermo-EMF vermenigvuldigd met de absolute temperatuur. Dit fenomeen staat nu bekend als peltier effect.

In 1838 begreep de Russische natuurkundige Emiliy Khristianovich Lenz de essentie van het Peltier-effect. Hij testte experimenteel het Peltier-effect door een druppel water in de kruising van antimoon- en bismutmonsters te plaatsen. Toen Lenz een elektrische stroom door het circuit passeerde, veranderde het water in ijs, maar toen de wetenschapper de richting van de stroom omkeerde, smolt het ijs snel.

De wetenschapper stelde zich zodanig vast dat wanneer de stroom vloeide, niet alleen Joule-warmte vrijkwam, maar ook de absorptie of afgifte van extra warmte plaatsvond. Deze extra warmte werd Peltier-warmte genoemd.

De fysieke basis van het Peltier-effect is als volgt. Het contactveld op de kruising van twee stoffen, gecreëerd door het contactpotentiaalverschil, verhindert ofwel de doorgang van stroom door het circuit, of draagt ​​hieraan bij.

Als de stroom tegen het veld wordt geleid, is het werk van de bron vereist, die energie moet verbruiken om het contactveld te overwinnen, waardoor de kruising wordt verwarmd. Als de stroom zodanig wordt gericht dat het contactveld dit ondersteunt, doet het contactveld het werk en wordt de energie van de stof zelf weggenomen en niet door de huidige bron verbruikt. Hierdoor wordt de substantie in de kruising afgekoeld.

Het meest uitgesproken Peltier-effect in halfgeleiders, waardoor Peltier-modules of thermo-elektrische converters.

In het hart van Peltier-element twee halfgeleiders in contact met elkaar. Deze halfgeleiders onderscheiden zich door de energie van elektronen in de geleidingsband, dus wanneer een stroom door het contactpunt vloeit, worden de elektronen gedwongen energie op te nemen om naar een andere geleidingsband te kunnen worden overgedragen.

Dus, wanneer ze naar een hogere energie geleidende band van een andere halfgeleider gaan, absorberen de elektronen energie, waardoor de overgangsplaats wordt gekoeld. In de tegengestelde richting van de stroom geven de elektronen energie af en vindt verwarming plaats naast de joule-warmte.

Peltier halfgeleidermodule bestaat uit verschillende paren halfgeleiders p en n-typein de vorm van kleine parallellepipedum. Gewoonlijk worden bismuttelluride en een vaste oplossing van silicium en germanium als halfgeleiders gebruikt. Halfgeleider parallellepipedumverbindingen zijn paarsgewijs met elkaar verbonden door koperen jumpers. Deze jumpers dienen als contacten voor warmtewisseling met keramische platen.

Jumpers zijn zo geplaatst dat er aan de ene kant van de module alleen jumpers zijn die de n-p-overgang bieden, en aan de andere kant alleen jumpers die de p-n-overgang bieden. Als gevolg hiervan wordt, wanneer een stroom wordt aangelegd, de ene kant van de module warm, koelt de andere kant en als de polariteit van het vermogen wordt omgekeerd, veranderen de verwarmings- en koelingszijden dienovereenkomstig. Aldus wordt bij het doorlaten van stroom warmte overgedragen van de ene zijde van de module naar de andere en treedt een temperatuurverschil op.

Als nu één kant van de Peltier-module wordt verwarmd en de andere wordt afgekoeld, verschijnt thermo-emf in het circuit, dat wil zeggen dat het Seebeck-effect wordt gerealiseerd. Het is duidelijk dat het Seebeck-effect (thermo-elektrisch effect) en het Peltier-effect twee kanten van dezelfde medaille zijn.

Tegenwoordig kunt u eenvoudig Peltier-modules kopen tegen een relatief betaalbare prijs. De meest populaire Perrier-modules zijn van het type TEC1-12706, met 127 thermokoppels en ontworpen voor 12 volt voeding.

Met een maximaal verbruik van 6 ampère is een temperatuurverschil van 60 ° C haalbaar, terwijl het door de fabrikant geclaimde veilige werkbereik van -30 ° C tot + 70 ° C is. De grootte van de module is 40 mm x 40 mm x 4 mm. De module kan zowel in koel-verwarmingsmodus als in werken generatiemodus.

Er zijn krachtigere Peltier-modules, bijvoorbeeld TEC1-12715, met een vermogen van 165 watt. Wanneer gevoed door een spanning van 0 tot 15,2 volt, met een stroomsterkte van 0 tot 15 ampère, kan deze module een temperatuurverschil van 70 graden ontwikkelen.De grootte van de module is ook 40 mm x 40 mm x 4 mm, maar het bereik van veilige werktemperaturen is breder - van -40 ° C tot + 90 ° C.

De onderstaande tabel toont de gegevens over Peltier-modules die tegenwoordig op de markt beschikbaar zijn:

Gegevens over peltmodules