Элемент Пельтье(генератор Зеебека) принцип действия, обозначение и применение

Привет, Вы узнаете о том , что такое элемент пельтье, Разберем основные их виды и особенности использования. Еще будет много подробных примеров и описаний. Для того чтобы лучше понимать что такое элемент пельтье, генератор зеебека , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Электроника, Микроэлектроника , Элементная база.

элемент пельтье — это термоэлектрический преобразователь, принцип действия которого базируется на эффекте Пельтье — возникновении разности температур при протекании электрического тока. В англоязычной литературе элементы Пельтье обозначаются TEC (от англ. Thermoelectric Cooler — термоэлектрический охладитель).

Эффект, обратный эффекту Пельтье, называется эффектом Зеебека.

Конструкция

Структурный пример элемента Пельтье. Металлические электроды и полупроводники p-типа и n-типа попеременно соединены в π-форме между верхней и нижней пластинами теплового излучения.

Схематический рисунок элемента Пельтье

Принцип действия

Внешний вид элемента Пельтье. При пропускании тока тепло переносится с одной стороны на другую.

Вид сбоку на элемент Пельтье. Электрический ток протекает через полупроводники в форме куба между верхней и нижней частью.

Вскрытый элемент

В основе работы элементов Пельтье лежит контакт двух полупроводниковых материалов с разными уровнями энергии электронов в зоне проводимости. При протекании тока через контакт таких материалов электрон должен приобрести энергию, чтобы перейти в более высокоэнергетическую зону проводимости другого полупроводника. При поглощении этой энергии происходит охлаждение места контакта полупроводников. При протекании тока в обратном направлении происходит нагревание места контакта полупроводников, дополнительно к обычному тепловому эффекту.

При контакте металлов эффект Пельтье настолько мал, что незаметен на фоне омического нагрева и явлений теплопроводности. Поэтому при практическом применении используется контакт двух полупроводников.

Элемент Пельтье состоит из одной или более пар небольших полупроводниковых параллелепипедов — одного n-типа и одного p-типа в паре (обычно теллурида висмута Bi2Te3 и твердого раствора SiGe), которые попарно соединены при помощи металлических перемычек. Металлические перемычки одновременно служат термическими контактами и изолированы непроводящей пленкой или керамической пластинкой. Пары параллелепипедов соединяются таким образом, что образуется последовательное соединение многих пар полупроводников с разным типом проводимости, так чтобы вверху были одни последовательности соединений (n->p), а снизу - противоположные (p->n). Электрический ток протекает последовательно через все параллелепипеды. В зависимости от направления тока верхние контакты охлаждаются, а нижние нагреваются — или наоборот. Таким образом электрический ток переносит тепло с одной стороны элемента Пельтье на противоположную и создает разность температур.

Если охлаждать нагревающуюся сторону элемента Пельтье, например при помощи радиатора и вентилятора, то температура холодной стороны становится еще ниже. В одноступенчатых элементах, в зависимости от типа элемента и величины тока, разность температур может достигать приблизительно 70 °C.

Достоинства и недостатки

Достоинством элемента Пельтье являются небольшие размеры, отсутствие каких-либо движущихся частей, а также газов и жидкостей. При обращении направления тока возможно как охлаждение, так и нагревание — это дает возможность термостатирования при температуре окружающей среды как выше, так и ниже температуры термостатирования. Также достоинством является отсутствие шума.

Недостатком элемента Пельтье является более низкий коэффициент полезного действия, чем у компрессорных холодильных установок на фреоне, что ведет к большой потребляемой мощности для достижения заметной разности температур. Несмотря на это, ведутся разработки по повышению теплового КПД, а элементы Пельтье нашли широкое применение в технике, так как без каких-либо дополнительных устройств можно реализовать температуры ниже 0 °C.

Основной проблемой в построении элементов Пельтье с высоким КПД является то, что свободные электроны в веществе являются одновременно переносчиками и электрического тока, и тепла. Материал для элемента Пельтье же должен одновременно обладать двумя взаимоисключающими свойствами — хорошо проводить электрический ток, но плохо проводить тепло.

В батареях элементов Пельтье возможно достижение большей разницы температур, но мощность охлаждения будет ниже. Для стабилизации температуры лучше использовать импульсный источник питания, так как это позволит повысить эффективность системы. При этом желательно сглаживать пульсации тока – это увеличит эффективность работы Пельтье и, возможно, продлит срок его службы. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Также, работа элемента Пельтье будет неэффективной, если пытаться стабилизировать температуру с использованием широтно-импульсной модуляции тока.

Эксплуатационные требования к элементам Пельтье.

Модули Пельтье – капризные устройства. Их применение сопряжено с рядом требований, не выполнение которых приводит: к деградации модуля или выходу из строя, снижению эффективности системы.

• Модули выделяют значительное количество тепла. Для отвода тепла должен быть установлен соответствующий радиатор. Иначе:
  • Невозможно достичь нужной температуры холодной стороны, т.к. элемент Пельтье снижает температуру относительно горячей поверхности.
  • Допустимый нагрев горячей стороны как правило + 80 °C ( в высокотемпературных до 150 °C). Т.е. модуль может просто выйти из строя.
  • При высоких температурах кристаллы модуля деградируют, т.е. снижается эффективность и срок службы модуля.
• Важен надежный тепловой контакт модуля с радиатором охлаждения.
• Источник питания для модуля должен обеспечивать ток с пульсациями не более 5%. При более высоком уровне пульсаций эффективность модуля снизится, по некоторым данным на 30-40%.
• Не допустимо, для управления элементом Пельтье, использовать релейные регуляторы. Это приведет к быстрой деградации модуля. Каждое включение – выключение вызывает деградацию полупроводниковых термопар. Из-за резких изменений температуры между пластинами модуля возникают механические напряжения в местах спайки с полупроводниками. Производители элементов Пельтье нормируют количество циклов старт-стопов модуля. Для бытовых модулей это порядка 5000 циклов. Релейный регулятор выведет из строя модуль Пельтье за 1-2 месяца.
• К тому же элемент Пельтье обладает высокой теплопроводностью между поверхностями. При выключении, тепло радиатора горячей стороны, через модуль будет передаваться на холодную сторону.
• Недопустимо, для регулирования мощности на элементе Пельтье, использовать ШИМ модуляцию.
• Чем надо питать элемент Пельтье источником тока или напряжения? Обычно используют источник напряжения. Он проще в реализации. Но вольт-амперная характеристика модуля Пельтье нелинейная и крутая. Т.е. при небольшом изменении напряжения ток меняется значительно. И вдобавок, характеристика меняется при изменении температуры поверхностей модуля. Надо стабилизировать мощность, т.е. произведение тока через модуль на напряжение на нем. Охлаждающая способность элемента Пельтье напрямую связана с электрической мощностью. Конечно, для этого необходим достаточно сложный регулятор.
• Напряжение модуля зависит от количества термопар в нем. Чаще всего это 127 термопар, что соответствует напряжению 16 В. Разработчики элементов рекомендуют подавать до 12 В, или 75% Umax. При таком напряжении обеспечивается оптимальная эффективность модулей.
• Модули имеют герметичное исполнение, их можно использовать даже в воде.
• Полярность модуля отмечена цветами проводов – черный и красный. Как правило, красный (положительный) провод расположен справа, относительно холодной стороны.

Многокаскадные термоэлектрические модули

Многокаскадные модули применяются в системах глубокого охлаждения, холодильниках с большим перепадом температур, системах охлаждения научных, исследовательских и специальных приборов. Также используются для охлаждения ИК фотоприемников, детекторов рентгеновского излучения и других датчиков.

Основные области применения:

• охлаждение ПЗС матриц и ИК фотоприемников
• камеры холода и замораживатели
• термостаты
• научные лабораторные приборы
• термокалибраторы
• ступенчатые охладители
• охладители и термостабилизаторы датчиков различного назначения
• приборы ночного видения

Технологические особенности

Для верхних каскадов многокаскадных модулей мы используем оптимизированный термоэлектрический материал, который позволяет получать большую величину ?Т при меньшем количестве каскадов. Это позволяет производить многокаскадные модули с оптимальными весо-габаритными характеристиками и низким энергопотреблением.

Мы также предлагаем нашим заказчикам термоэлектрические модули установленные или непосредственно интегрированные в стандартные - ТО (ТО3, ТО8 и др.), HHL, DIL, butterfly или специальные корпуса.

Таблица используемых сокращений

Примеры схем с элементами Пельтье и обозначение

Рис.1. Схемы подключения нагревательных элементов к микроконтроллеру:

а) охлаждение объектов модулем Пельтье EK1 фирмы «Криотерм» (размеры 40x40x3.4 мм). Светодиод HL1 индицирует состояние «Заморозить/Разморозить». Транзистор K77 подключается к MK напрямую, без резисторов, поскольку элемент EK1 весьма инерционный и помехи, которые теоретически могут открыть транзистор VT1 при рестарте MK, на него мало влияют;

б) подключение к MK низковольтного элемента Пельтье фирмы Melcor. Параметры EK1: мощность 5.3 Вт, рабочий ток 2.5 А при напряжении 3.75 В, максимальная разность температур между «холодной» и «горячей» поверхностями 67°С, габаритные размеры 15x15x4 мм.

Применение

Элементы Пельтье можно использовать везде, где требуется охлаждение с небольшой разницей температур или без экономических требований. Термоэлектрические элементы используются, например, в холодных ящиках , в которых использование холодильной машины запрещены по соображениям пространства или не было бы выгодно , так как требуемая мощность охлаждения невелика. Разница температур внутри и снаружи просто возникает неконтролируемым образом. КПД низкий. Элементы Пельтье применяются в ситуациях, когда необходимо охлаждение с небольшой разницей температур или энергетическая эффективность охладителя не важна. Например, элементы Пельтье применяются в ПЦР-амплификаторах, малогабаритных автомобильных холодильниках, охлаждаемых банкетных тележках, применяемых в общественном питании, так как применение компрессорной холодильной установки в этом случае невозможно или нецелесообразно из-за габаритных ограничений, и, кроме того, требуемая мощность охлаждения невелика.

Кроме того, элементы Пельтье применяются для охлаждения устройств с зарядовой связью в цифровых фотокамерах. За счет этого достигается заметное уменьшение теплового шума при длительных экспозициях (например в астрофотографии). Многоступенчатые элементы Пельтье применяются для охлаждения приемников излучения в инфракрасных сенсорах.

Также элементы Пельтье часто применяются для охлаждения и термостатирования диодных лазеров с тем, чтобы стабилизировать длину волны излучения.

В приборах, при низкой мощности охлаждения, элементы Пельтье часто используются как вторая или третья ступень охлаждения. Это позволяет достичь температур на 30—40 градусов ниже, чем с помощью обычных компрессионных охладителей (до −80 °C для одностадийных холодильников и до −120 °C для двухстадийных).

Некоторые энтузиасты используют модуль Пельтье для охлаждения процессоров при необходимости экстремального охлаждения без азота. До азотного охлаждения использовали именно такой способ.

«Электрогенератор Пельтье» (более корректно было бы « генератор зеебека », но неточное название устоялось) — модуль для генерации электричества, термоэлектрический генераторный модуль, аббревиатура GM, ТGM. Данный термогенератор состоит из двух основных частей:

1. непосредственно преобразователь разницы температур в электричество на модуле Пельтье,
2. источник тепловой энергии для нагрева преобразователя (например, газовая или бензиновая горелка, твердотопливная печь и т. д.)

Элементы Пельтье используются для охлаждения особо длинноволновых или чувствительных ПЗС-датчиков . Это значительно снижает шум изображения при длительной выдержке (например, в астрофотографии ) . Многоступенчатые элементы Пельтье используются для охлаждения приемников излучения в инфракрасных датчиках.

Элементы Пельтье также все чаще используются в лабораторных измерительных приборах, для которых температура является важным параметром, таких как устройства измерения плотности , вискозиметры , реометры или рефрактометры .

В гигрометрах с охлаждаемыми зеркалами один или несколько элементов Пельтье, соединенных последовательно, обычно охлаждают зеркало до -100 ° C. Здесь используется то обстоятельство, что охлаждающая способность элементов Пельтье может быстро регулироваться электрически.

Диодные лазеры часто охлаждаются и термостатируются с помощью элементов Пельтье , чтобы сохранить постоянную длину волны излучения и / или эффективность. Последующие оптические элементы диодных и других лазеров часто термостатируются элементами Пельтье.

Элементы Пельтье можно использовать как для охлаждения, так и - при изменении направления тока - для нагрева.

Элементы Пельтье иногда используются в составе кулеров ЦП . Элемент Пельтье позволяет процессору остыть до температур ниже температуры внутри корпуса, что либо позволяет разгонять процессор без ущерба для стабильности, либо увеличивает срок службы процессора. Элемент устанавливается на дне радиатора с вентилятором и питается от блока питания необходимой мощностью. Однако до настоящего времени такие решения не принесли успеха из-за их дополнительного потребления энергии, используемая электрическая энергия выделяется внутрь корпуса в виде отработанного тепла.

Фотодиоды , например B. для считывающих сцинтилляторов , из-за их небольшой площади могут охлаждаться элементами Пельтье и, таким образом, уменьшать шум и темновой ток.

Элементы Пельтье используются в камерах диффузионного тумана для поддержания разницы температур между дном и крышкой.

В термоциклерах , которые сегодня являются частью основного оборудования в молекулярной биологии , используются элементы Пельтье для быстрого нагрева и охлаждения образцов, что необходимо, например, в полимеразной цепной реакции .

Элементы Пельтье иногда используются в небольших осушителях воздуха . Здесь влажный воздух проходит через охлаждающий элемент, а содержащаяся в нем вода конденсируется по мере охлаждения и затем собирается в сборный контейнер.

Исследование, описанное в статье про элемент пельтье, подчеркивает ее значимость в современном мире. Надеюсь, что теперь ты понял что такое элемент пельтье, генератор зеебека и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Электроника, Микроэлектроника , Элементная база