Елемент Пельтьє це термоелектричний перетворювач, який створює різницю температур на своїх поверхнях при протіканні електричного струму. Принцип дії заснований на ефекті Пельтьє - виникненні різниці температур в місці контакту провідників під дією електричного струму.
Думаю, що тільки знавці фізики можуть зрозуміти, як насправді працює елемент Пельтьє. Для практиків головне, що існує мінімальна одиниця модуля - термопара, що вдає із себе два з'єднаних провідника p і n типу.
При пропущенні через термопару струму, відбувається поглинання тепла на контакті np і виділення тепла на pn контакті. В результаті, ділянка напівпровідника, що примикає до np переходу, буде охолоджуватися, а протилежний ділянку - нагріватися. Якщо поміняти полярність струму, то на оборот, np ділянку буде нагріватися, а протилежний - охолоджуватися.
Існує і зворотний ефект. При нагріванні однієї зі сторін термопари, виробляється електричний струм.
Для практичного застосування енергії поглинання тепла однієї термопари недостатньо. У термоелектричному модулі використовується багато термопар. Електрично їх з'єднують послідовно. А конструктивно - так, що охолоджуючі і нагрівають переходи розташовані на різних сторонах модуля.
Термопари встановлені між двох керамічних пластин. З'єднуються вони мідними шинами. Кількість термопар може доходити до декількох сотень. Від їх кількості залежить потужність модуля.
Різниця температур між гарячою і холодною стороною модуля Пельтьє може досягати 70 ° C.
Треба розуміти, що термоелектричний модуль Пельтьє знижує температуру одного боку, щодо іншої. Тобто щоб холодна сторона мала низьку температуру, необхідно відводити тепло від гарячої поверхні, знижуючи її температуру.
Для збільшення перепаду температур, можливо послідовне (каскадне) з'єднання модулів.
Застосування.
Термоелектричні модулі Пельтьє застосовуються:
- в невеликих побутових і автомобільних холодильниках;
- в охолоджувачах води;
- в системах охолодження електронних приладів;
- в термоелектричних генераторах.
Я, використовуючи елемент Пельтьє, зробив холодильник для вина .
Переваги та недоліки модулів Пельтьє.
Якось неправильно порівнювати елементи Пельтьє з компресорними охолоджуючими установками. Зовсім різні пристрої - велика механічна система з компресором, газом, рідиною і маленький напівпровідниковий компонент. А більше порівнювати ні з чим. Тому переваги і недоліки модулів Пельтьє вельми умовне поняття. Є області, в яких вони не замінні, а в інших випадках їх застосування абсолютно недоцільно.
До гідності елементів Пельтьє можна віднести:
- відсутність механічно рухомих частин, газів, рідин;
- безшумна робота;
- невеликі розміри;
- можливість забезпечувати як охолодження, так і нагрівання;
- можливість плавного регулювання потужності охолодження.
недоліки:
- низький ККД;
- необхідність в джерелі живлення;
- обмежене число старт-стопів;
- висока вартість потужних модулів.
Параметри елементів Пельтьє.
- Qmax (Вт) - холодопродуктивність, при максимально-допустимому струмі і різниці температур між гарячою і холодною сторонами рівною 0. Вважається, що вся теплова енергія надходить на холодну поверхню, миттєво, без втрат передається на гарячу.
- Delta Tmax (град) - максимальна різниця температур між поверхнями модуля при ідеальних умовах: температура гарячої сторони - 27 ° C і холодна сторона з нульовою віддачею тепла.
- Imax (А) - струм, що забезпечує перепад температур delta Tmax.
- Umax (В) - напруга, при струмі Imax і різниці температур delta Tmax.
- Resistance (Ом) - опір модуля постійного струму.
- COP (Сoefficient Of Рerformance) - коефіцієнт, відношення потужності охолодження до електричної потужності, споживаної модулем. Тобто подобу ккд. Зазвичай 0.3-0.5.
Експлуатаційні вимоги до елементів Пельтьє.
Модулі Пельтьє - примхливі пристрою. Їх застосування пов'язане з рядом вимог, невиконання яких призводить: до деградації модуля або виходу з ладу, зниження ефективності системи.
- Модулі виділяють значну кількість тепла. Для відводу тепла повинен бути встановлений відповідний радіатор. інакше:
- Неможливо досягти потрібної температури холодної сторони, тому що елемент Пельтьє знижує температуру щодо гарячої поверхні.
- Допустимий нагрів гарячої сторони як правило +80 ° C (у високотемпературних до 150 ° C). Тобто модуль може просто вийти з ладу.
- При високих температурах кристали модуля деградують, тобто знижується ефективність і термін служби модуля.
- Важливий надійний тепловий контакт модуля з радіатором охолодження.
- Джерело живлення для модуля повинен забезпечувати струм з пульсаціями не більше 5%. При більш високому рівні пульсацій ефективність модуля знизиться, за деякими даними на 30-40%.
- Не припустимо, для управління елементом Пельтьє, використовувати релейні регулятори. Це призведе до швидкої деградації модуля. Кожне включення - вимикання викликає деградацію напівпровідникових термопар. Через різких змін температури між пластинами модуля виникають механічні напруги в місцях спайки з напівпровідниками. Виробники елементів Пельтьє нормують кількість циклів старт-стопів модуля. Для побутових модулів це близько 5000 циклів. Релейний регулятор виведе з ладу модуль Пельтьє за 1-2 місяці.
- До того ж елемент Пельтьє має високу теплопровідність між поверхнями. При виключенні, тепло радіатора гарячої сторони, через модуль буде передаватися на холодну сторону.
- Неприпустимо, для регулювання потужності на елементі Пельтьє, використовувати ШІМ модуляцію.
- Чим треба живити елемент Пельтьє джерелом струму або напруги? Зазвичай використовують джерело напруги. Він простіше в реалізації. Але вольт-амперна характеристика модуля Пельтьє нелінійна і крута. Тобто при невеликій зміні напруги струм змінюється значно. До того ж, характеристика змінюється при зміні температури поверхонь модуля. Треба стабілізувати потужність, тобто твір струму через модуль на напругу на ньому. Охолоджуюча здатність елемента Пельтьє безпосередньо пов'язана з електричною потужністю. Звичайно, для цього необхідний досить складний регулятор.
- Напруга модуля залежить від кількості термопар в ньому. Найчастіше це 127 термопар, що відповідає напрузі 16 В. Розробники елементів рекомендують подавати до 12 В, або 75% Umax. При такій напрузі забезпечується оптимальна ефективність модулів.
- Модулі мають герметичне виконання, їх можна використовувати навіть у воді.
- Полярність модуля відзначена квітами проводів - чорний і червоний. Як правило, червоний (позитивний) провід розташований праворуч, щодо холодної сторони.
Мною був розроблений контролер елемента Пельтьє для холодильника, що задовольняє всім цим вимогам. він:
- Виробляє харчування для елемента Пельтьє з пульсаціями не більше 2%.
- Стабілізує на модулі електричну потужність, тобто твір струму на напругу.
- Забезпечує плавне включення модуля.
- Регулювання температури відбувається за принципом аналогового регулювання, тобто плавної зміни потужності на елементі Пельтьє.
- Контролер розроблений для холодильника, тому математика регуляторів враховує інерційність охолодження повітря в камері.
- Забезпечує контроль температури гарячої сторони модуля і управління вентилятором.
- Має високий ККД, широкі функціональні можливості.
Термоелектричний модуль Пельтьє TEC1-12706.
Це найпоширеніший тип елемента Пельтьє. Використовується в багатьох побутових приладах. Не дорогий, з непоганими параметрами. Хороший варіант для виготовлення малопотужних холодильників, охолоджувачів води і т.п.
Характеристики модуля TEC1-12706 привожу в перекладі на російську з документації TEC1-12706.pdf компанії виробника - HB Corporation.
Технічні параметри TEC1-12706.
Позначення Параметр Значення, при температурі гарячої сторони 25 ° C 50 ° C Qmax Охолодження 50 Вт 57 Вт Delta Tmax Різниця температур 66 ° C 75 ° C Imax Максимальний струм 6.4 А 6.4 А Umax Максимальна напруга 14.4 В 16.4 В Resistance Опір 1.98 Ом 2.3 Ом
Графічні характеристики.
Габаритний креслення модуля TEC1-12706.
Позначення Розмір A 40 мм B 40 мм C 3.8 мм
Рекомендації по експлуатації.
- Максимально - допустима температура 138 ° C.
- Не припустимо перевищення значення параметрів Imax і Umax.
- Термін служби 200 000 годин.
- Параметр частота відмов заснований на тривалих випробуваннях з вибіркою 0.2%.
- Виробник - HB Corporation.
Приклад розробки на елементі Пельтьє - холодильник для вина .
Автор публікації
Коментарі: 1311 Публікації: 147 Реєстрація: 13-12-2015
Чим треба живити елемент Пельтьє джерелом струму або напруги?
