Principio di funzionamento di Peltier. Elemento Peltier, noto anche come modulo termoelettrico

Un elemento Peltier è solitamente chiamato convertitore in grado di funzionare con una differenza di temperatura. Ciò avviene facendo fluire la corrente elettrica attraverso i conduttori attraverso i contatti. A tale scopo negli elementi sono previste piastre speciali. Il calore passa da una parte all'altra.

Oggi questa tecnologia è richiesta principalmente per il suo significativo potere di trasferimento del calore. Inoltre, i dispositivi possono vantare compattezza. I radiatori installati su molti modelli sono deboli. Ciò è dovuto al fatto che il flusso di calore si raffredda abbastanza rapidamente. Di conseguenza, la temperatura desiderata viene mantenuta costantemente.

Questo elemento non ha parti mobili. I dispositivi funzionano in modo assolutamente silenzioso e questo è un chiaro vantaggio. Va anche detto che possono essere utilizzati per un tempo molto lungo e che i guasti si verificano estremamente raramente. Il tipo più semplice è costituito da conduttori in rame con contatti e fili di collegamento. Inoltre, sul lato raffreddamento è presente un isolante. Di solito è realizzato in ceramica o

Perché sono necessari gli elementi Peltier?

Gli elementi Peltier vengono spesso utilizzati per realizzare frigoriferi. Di solito parliamo di modelli compatti che possono essere utilizzati, ad esempio, dagli automobilisti in viaggio. Tuttavia, questa non è la fine della gamma di applicazioni dei dispositivi. Recentemente, gli elementi Peltier sono stati installati attivamente nelle apparecchiature audio e acustiche. Lì sono in grado di svolgere le funzioni di un dispositivo di raffreddamento.

Di conseguenza, l'amplificatore del dispositivo viene raffreddato senza alcun rumore. Per i compressori portatili gli elementi Peltier sono indispensabili. Se parliamo dell'industria scientifica, gli scienziati utilizzano questi dispositivi per raffreddare il laser. In questo caso, è possibile ottenere una stabilizzazione significativa dell'onda di studio dei LED.

Svantaggi dei modelli Peltier

Sembrerebbe che un dispositivo così semplice ed efficace non abbia inconvenienti, ma ce ne sono alcuni. Innanzitutto gli esperti hanno subito notato la scarsa capacità di penetrazione del modulo. Ciò suggerisce che una persona avrà alcuni problemi se desidera raffreddare un dispositivo che funziona da una rete con una tensione di 400 V. In questo caso, una speciale pasta dielettrica aiuterà parzialmente a risolvere questo problema. Tuttavia, il guasto attuale sarà ancora elevato e l'avvolgimento dell'elemento Peltier potrebbe non sopportarlo.

Inoltre, questi modelli non sono consigliati per l'uso nell'elettronica di precisione. Poiché la struttura dell'elemento contiene piastre metalliche, la sensibilità dei transistor potrebbe essere compromessa. L'ultimo svantaggio dell'elemento Peltier è la bassa efficienza. Questi dispositivi non sono in grado di raggiungere una differenza di temperatura significativa.

Modulo per regolatore

Realizzare un elemento Peltier per un regolatore con le tue mani è abbastanza semplice. Per fare ciò, è necessario preparare in anticipo due piastre metalliche, nonché il cablaggio con i contatti. Innanzitutto vengono preparati i conduttori per l'installazione, che sarà posizionata alla base. Di solito vengono acquistati con la marcatura "PP".

Inoltre, per il normale controllo della temperatura, dovrebbero essere forniti semiconduttori in uscita. Sono necessari per trasferire rapidamente il calore alla piastra superiore. Per installare tutti gli elementi, dovresti usare un saldatore. Per completare l'elemento Peltier con le tue mani, collega infine due fili. Il primo è montato alla base inferiore e fissato al conduttore più esterno. Evitare il contatto con la piastra.

Successivamente, collega il secondo filo nella parte superiore. Il fissaggio viene effettuato anche sull'elemento più esterno. Per verificare la funzionalità del dispositivo, viene utilizzato un tester. Per fare ciò, è necessario collegare due fili al dispositivo. Di conseguenza, la deviazione di tensione dovrebbe essere di circa 23 V. In questa situazione, molto dipende dalla potenza del regolatore.

Frigoriferi con termistore

Come realizzare un elemento Peltier con le tue mani per un frigorifero con termistore? Rispondendo a questa domanda, è importante notare che i piatti sono selezionati esclusivamente dalla ceramica. In questo caso vengono utilizzati circa 20 conduttori. Ciò è necessario affinché la differenza di temperatura sia maggiore. Puoi aumentarlo fino al 70%. In questo caso è importante calcolare

Questo può essere fatto in base alla potenza dell'apparecchiatura. In questo caso l'ideale è un frigorifero che utilizzi freon liquido. L'elemento Peltier stesso è installato vicino all'evaporatore, che si trova accanto al motore. Per installarlo, avrai bisogno di un set standard di strumenti e guarnizioni. Sono necessari per proteggere il modello dal relè di avviamento. Pertanto, il raffreddamento della parte inferiore del dispositivo avverrà molto più velocemente.

Per ottenere una differenza di temperatura (effetto Peltier) con le tue mani, potrebbero essere necessari almeno 16 conduttori. La cosa principale è isolare in modo affidabile i cavi che verranno collegati al compressore. Per fare tutto correttamente, devi prima scollegare l'asciugatrice del frigorifero. Solo dopo è possibile connettere tutti i contatti. Una volta completata l'installazione, il limite di tensione deve essere controllato utilizzando un tester. Se l'elemento non funziona correttamente, il termostato è il primo a soffrirne. In alcuni casi si verifica

Modello per frigorifero 15 V

Puoi realizzare un frigorifero Peltier con le tue mani piccoli moduli... I moduli sono fissati principalmente vicino ai radiatori. Per fissarli in modo sicuro, gli esperti utilizzano gli angoli. L'elemento non dovrebbe appoggiarsi al filtro e questo dovrebbe essere tenuto in considerazione.

Per completare un modulo termoelettrico Peltier con le proprie mani, la piastra inferiore viene scelta principalmente in acciaio inossidabile. I conduttori, di regola, vengono utilizzati con la marcatura "PR20". Possono sopportare un carico massimo di 3 A. La deviazione massima della temperatura può raggiungere i 10 gradi. In questo caso, l'efficienza può essere del 75%.

Elementi Peltier nei frigoriferi a 24 V

Utilizzando un elemento Peltier, puoi realizzare un frigorifero con le tue mani solo da conduttori con una buona tenuta. Allo stesso tempo, devono essere impilati su tre file per il raffreddamento. La corrente operativa nel sistema deve essere mantenuta a 4 A. È possibile verificarla utilizzando un tester convenzionale.

Se si utilizzano piastre in ceramica per l'elemento, la deviazione massima della temperatura può essere raggiunta a 15 gradi. I fili del condensatore vengono installati solo dopo aver posizionato la guarnizione. Puoi fissarlo alla parete del dispositivo in diversi modi. La cosa principale in questa situazione è non usare la colla, che è sensibile a temperature superiori a 30 gradi.

Elemento Peltier per refrigeratore per auto

Per realizzare un frigorifero automatico di alta qualità con le proprie mani, viene selezionato un modulo Peltier (modulo) con una piastra il cui spessore non è superiore a 1,1 mm. È preferibile utilizzare cavi non modulari. Per il funzionamento saranno necessari anche conduttori in rame. La loro capacità deve essere almeno di 4A.

Pertanto, la deviazione massima della temperatura raggiungerà i 10 gradi, questo è considerato normale. I conduttori vengono spesso utilizzati con la marcatura "PR20". Recentemente si sono dimostrati più stabili. Sono adatti anche per vari contatti. Per collegare il dispositivo al condensatore viene utilizzato un saldatore. Un'installazione di alta qualità è possibile solo sulla guarnizione del blocco relè. Le differenze in questo caso saranno minime.

Come realizzare un elemento per un refrigeratore d'acqua potabile?

Per risolverli, puoi usare i normali dadi. La comparsa di rumore eccessivo durante il funzionamento indica che il dispositivo non funziona correttamente. In questo caso è necessario verificare l'integrità del cablaggio. È inoltre necessario ispezionare i conduttori.

Elemento Peltier per condizionatore d'aria

Per realizzare un elemento Peltier di alta qualità con le proprie mani per un condizionatore d'aria, vengono utilizzate piastre doppie. Il loro spessore minimo dovrebbe essere di almeno 1 mm. In questo caso, puoi sperare in una deviazione della temperatura di 15 gradi. Dopo aver equipaggiato i moduli, la prestazione dei condizionatori aumenta in media del 20%. Molto in questa situazione dipende dalla temperatura ambiente. Dovrebbe essere presa in considerazione anche la stabilità della tensione di rete. Con interferenze minime, il dispositivo può sopportare un carico di circa 4 A.

Quando si saldano i conduttori, non devono essere posizionati troppo vicini l'uno all'altro. Per completare correttamente i moduli Peltier con le proprie mani, i contatti di ingresso e uscita devono essere installati solo su una delle due piastre. In questo caso, il dispositivo sarà più compatto. Un grave errore in questa situazione sarebbe collegare il modulo direttamente all'unità. Ciò porterà a inevitabili danni all'elemento.

Installazione del modulo su un condensatore

Per installare un modulo Peltier con le proprie mani, è importante valutare la potenza del condensatore. Se non supera i 20 V, l'elemento deve essere montato con conduttori contrassegnati con "PR30" o "PR26". Per fissare il modulo Peltier (elemento) sul condensatore con le proprie mani, utilizzare piccoli angoli di metallo.

È meglio installarli quattro su ciascun lato. In termini di prestazioni, il condensatore alla fine può aggiungere più del 10%. Se parliamo di perdite di calore, saranno insignificanti. L'efficienza del dispositivo è in media dell'80%. I moduli non sono progettati per condensatori ad alta tensione. In questo caso, anche un gran numero di conduttori non aiuterà.

L'elemento Peltier è un convertitore termoelettrico che crea una differenza di temperatura sulle sue superfici quando scorre corrente elettrica. Il principio di funzionamento si basa sull'effetto Peltier: il verificarsi di una differenza di temperatura nel punto di contatto dei conduttori sotto l'influenza della corrente elettrica.

Il design e il principio di funzionamento dell'elemento Peltier.

Penso che solo gli esperti di fisica possano capire come funziona effettivamente l'elemento Peltier. Per i professionisti, la cosa principale è che esiste un'unità minima del modulo: una termocoppia, composta da due conduttori di tipo p e n collegati.

Quando la corrente passa attraverso una termocoppia, il calore viene assorbito dal contatto n-p e il calore viene rilasciato dal contatto p-n. Di conseguenza, la sezione del semiconduttore adiacente alla giunzione n-p si raffredderà e la sezione opposta si riscalderà. Se inverti la polarità della corrente, viceversa, la sezione n-p si riscalderà e la sezione opposta si raffredderà.

C'è anche l'effetto opposto. Quando un lato della termocoppia viene riscaldato, viene generata una corrente elettrica.

Per l'applicazione pratica dell'energia di assorbimento del calore, una termocoppia non è sufficiente. Un modulo termoelettrico utilizza molte termocoppie. Elettricamente sono collegati in serie. Inoltre, il design è tale che le transizioni di raffreddamento e riscaldamento si trovano su lati diversi del modulo.

Le termocoppie sono installate tra due piastre ceramiche. Sono collegati da sbarre di rame. Il numero di termocoppie può raggiungere diverse centinaia. La potenza del modulo dipende dal loro numero.

La differenza di temperatura tra il lato caldo e quello freddo del modulo Peltier può raggiungere i 70 °C.

È necessario comprendere che il modulo termoelettrico Peltier riduce la temperatura di un lato rispetto all'altro. Quelli. Affinché il lato freddo abbia una temperatura bassa, è necessario sottrarre calore alla superficie calda, riducendone la temperatura.

Per aumentare la differenza di temperatura è possibile il collegamento in serie (in cascata) dei moduli.

Applicazione.

I moduli termoelettrici Peltier vengono utilizzati:

• nei piccoli frigoriferi domestici e per auto;
• nei refrigeratori d'acqua;
• nei sistemi di raffreddamento di dispositivi elettronici;
• nei generatori termoelettrici.

L'ho realizzato utilizzando l'elemento Peltier.

Vantaggi e svantaggi dei moduli Peltier.

È in qualche modo sbagliato confrontare gli elementi Peltier con le unità di raffreddamento a compressore. Dispositivi completamente diversi: un grande sistema meccanico con compressore, gas, liquido e un piccolo componente semiconduttore. E non c'è nient'altro con cui confrontare. Pertanto, i vantaggi e gli svantaggi dei moduli Peltier sono un concetto molto relativo. Ci sono ambiti in cui non sono sostituibili e in altri casi il loro utilizzo è del tutto impraticabile.

I vantaggi degli elementi Peltier includono:

• assenza di parti meccaniche in movimento, gas, liquidi;
• funzionamento silenzioso;
• piccole dimensioni;
• la capacità di fornire sia il raffreddamento che il riscaldamento;
• Possibilità di regolare regolazione della potenza di raffreddamento.

Screpolatura:

• bassa efficienza;
• necessità di una fonte di energia;
• numero limitato di start-stop;
• costo elevato di moduli potenti.

Parametri degli elementi Peltier.

• Qmax(W) – capacità di raffreddamento, con la corrente massima consentita e la differenza di temperatura tra il lato caldo e quello freddo pari a 0. Si ritiene che tutta l'energia termica fornita alla superficie fredda venga immediatamente trasferita alla superficie calda senza perdite.
• Delta Tmax(gradi) - la differenza di temperatura massima tra le superfici del modulo in condizioni ideali: la temperatura del lato caldo è 27 °C e quella del lato freddo con trasferimento di calore pari a zero.
• Imax(A) – corrente che fornisce la differenza di temperatura delta Tmax.
• Umax(V) – tensione, alla corrente Imax e differenza di temperatura delta Tmax.
• Resistenza(Ohm) – resistenza del modulo alla corrente continua.
• POLIZIOTTO(Coefficient Of Performance) – coefficiente, il rapporto tra la potenza di raffreddamento e la potenza elettrica consumata dal modulo. Quelli. parvenza di efficienza. Di solito 0,3-0,5.

Requisiti operativi per gli elementi Peltier.

I moduli Peltier sono dispositivi capricciosi. Il loro utilizzo è associato a una serie di requisiti, il cui mancato rispetto porta al degrado o al guasto del modulo e ad una diminuzione dell'efficienza del sistema.

• I moduli generano una notevole quantità di calore. Per dissipare il calore è necessario installare un radiatore adatto. Altrimenti:
  • Non è possibile raggiungere la temperatura del lato freddo desiderata perché... L'elemento Peltier riduce la temperatura di una superficie relativamente calda.
  • Il riscaldamento consentito del lato caldo è normalmente di + 80 °C (in applicazioni ad alta temperatura fino a 150 °C). Quelli. il modulo potrebbe semplicemente fallire.
  • A temperature elevate i cristalli del modulo si degradano, ad es. l'efficienza e la durata del modulo si riducono.
• Importante contatto termico affidabile del modulo con radiatore di raffreddamento.
• L'alimentazione per il modulo deve fornire corrente con ondulazione non superiore al 5%. A un livello di pulsazione più elevato, l'efficienza del modulo diminuirà, secondo alcuni dati, del 30-40%.
• Non è consentito utilizzare regolatori relè per controllare l'elemento Peltier. Ciò porterà a un rapido degrado del modulo. Ogni accensione e spegnimento provoca il degrado delle termocoppie a semiconduttore. A causa degli sbalzi di temperatura tra le piastre dei moduli, nelle giunzioni con i semiconduttori si verificano sollecitazioni meccaniche. I produttori di elementi Peltier standardizzano il numero di cicli di avvio-arresto del modulo. Per i moduli domestici si tratta di circa 5000 cicli. Il regolatore relè disabiliterà il modulo Peltier in 1-2 mesi.
• Inoltre, l'elemento Peltier ha un'elevata conduttività termica tra le superfici. Quando è spento, il calore proveniente dal radiatore del lato caldo verrà trasferito attraverso il modulo al lato freddo.
• Inaccettabile, per la regolazione della potenza sull'elemento Peltier, utilizzare la modulazione PWM.
• Come dovrebbe essere alimentato l'elemento Peltier da una sorgente di corrente o tensione? Tipicamente viene utilizzata una sorgente di tensione. È più facile da implementare. Ma la caratteristica corrente-tensione del modulo Peltier è non lineare e ripida. Quelli. Con una piccola variazione di tensione, la corrente cambia in modo significativo. Inoltre la caratteristica cambia al variare della temperatura delle superfici del modulo. Dobbiamo stabilizzare il potere, cioè. il prodotto della corrente che attraversa il modulo e della tensione ai suoi capi. La capacità di raffreddamento di un elemento Peltier è direttamente correlata alla potenza elettrica. Naturalmente, ciò richiede un regolatore abbastanza complesso.
• La tensione del modulo dipende dal numero di termocoppie al suo interno. Molto spesso si tratta di 127 termocoppie, che corrisponde a una tensione di 16 V. Sviluppatori di elementi Si consiglia di fornire fino a 12 V, o 75% Umax. Questa tensione garantisce un'efficienza ottimale del modulo.
• I moduli sono sigillati ermeticamente e possono essere utilizzati anche in acqua.
• La polarità del modulo è indicata dai colori dei fili: nero e rosso. In genere, il filo rosso (positivo) si trova sul lato destro, rispetto al lato freddo.

Ho sviluppato un frigorifero che soddisfa tutti questi requisiti. Lui:

• Produce energia per l'elemento Peltier con increspature non superiori al 2%.
• Stabilizza l'alimentazione elettrica sul modulo, ad es. prodotto di corrente e tensione.
• Garantisce un'attivazione regolare del modulo.
• Il controllo della temperatura avviene secondo il principio del controllo analogico, cioè variazione graduale della potenza sull'elemento Peltier.
• Il controller è progettato per un frigorifero, quindi la matematica dei controller tiene conto dell'inerzia del raffreddamento dell'aria nella camera.
• Fornisce il controllo della temperatura del lato caldo del modulo e il controllo della ventola.
• Ha alta efficienza e ampia funzionalità.

Modulo Peltier termoelettrico TEC1-12706.

Questo è il tipo più comune di elemento Peltier. Utilizzato in molti elettrodomestici. Non costoso, con buoni parametri. Una buona opzione per realizzare frigoriferi a basso consumo, refrigeratori d'acqua, ecc.

Presento le caratteristiche del modulo TEC1-12706 tradotte in russo dalla documentazione del produttore - HB Corporation.

Parametri tecnici di TEC1-12706.

Caratteristiche grafiche.

Il fenomeno dei termo-EMF fu scoperto dal fisico tedesco Thomas Johann Seebeck nel 1821. E questo fenomeno sta nel fatto che in un circuito elettrico chiuso costituito da conduttori diversi collegati in serie, a condizione che i loro contatti siano a temperature diverse, si verifica una fem.

Questo effetto, chiamato dal nome del suo scopritore effetto Seebeck, ora viene chiamato semplicemente effetto termoelettrico.

Se un circuito è costituito solo da una coppia di conduttori diversi, viene chiamato tale circuito. In prima approssimazione si può sostenere che il valore della termo-EMF dipende solo dal materiale dei conduttori e dalle temperature dei contatti freddi e caldi. Pertanto, in un intervallo di temperature ristretto, la termo-EMF è proporzionale alla differenza di temperatura tra i contatti freddi e caldi e il coefficiente di proporzionalità nella formula è chiamato coefficiente termo-EMF.

Ad esempio, con una differenza di temperatura di 100°C, ad una temperatura di contatto freddo di 0°C, una coppia rame-costantana ha una fem termica di 4,25 mV.

Nel frattempo, L’effetto termoelettrico si basa su tre componenti:

Il primo fattore è la differenza nella dipendenza dell'energia media degli elettroni dalla temperatura per diverse sostanze. Di conseguenza, se, quando un conduttore viene riscaldato, la temperatura su un'estremità è più alta, allora gli elettroni acquisiscono velocità più elevate rispetto agli elettroni sull'estremità fredda del conduttore.

A proposito, la concentrazione di elettroni di conduzione nei semiconduttori aumenta con il riscaldamento. Gli elettroni corrono ad alta velocità verso l'estremità fredda e lì si accumula una carica negativa e all'estremità calda si ottiene una carica positiva non compensata. È così che nasce un componente del termo-EMF, chiamato EMF volumetrico.

Il secondo fattore è che per sostanze diverse la differenza di potenziale di contatto dipende in modo diverso dalla temperatura. Ciò è dovuto alla differenza di energia di Fermi per ciascuno dei conduttori messi in contatto. La differenza di potenziale di contatto che si crea in questo caso risulta essere proporzionale alla differenza di energia di Fermi.

Il risultato è un campo elettrico in un sottile strato di quasi contatto e la differenza di potenziale su ciascun lato (per ciascuno dei conduttori messi in contatto) sarà la stessa e, girando attorno al circuito in un circuito chiuso, la risultante elettrica il campo sarà zero.

Ma se la temperatura di uno dei conduttori differisce dalla temperatura dell'altro, a causa della dipendenza dell'energia di Fermi dalla temperatura, cambierà anche la differenza di potenziale. Di conseguenza, sorgerà il contatto EMF, il secondo componente del termo-EMF.

Il terzo fattore è l’aumento dei fononi nella fem. A condizione che vi sia un gradiente di temperatura in un solido, prevarrà il numero di fononi (un fonone è un quanto del movimento vibrazionale degli atomi di cristallo) che si muovono nella direzione dall'estremità calda all'estremità fredda, di conseguenza, insieme ai fononi, un gran numero di elettroni verrà trascinato verso l'estremità fredda, e lì si accumulerà una carica negativa finché il processo non raggiunge l'equilibrio.

Ciò dà il terzo componente del termo-EMF, che a basse temperature può essere centinaia di volte maggiore dei due componenti sopra menzionati.

Nel 1834, il fisico francese Jean Charles Peltier scoprì l'effetto opposto. Scoprì che quando una corrente elettrica passa attraverso un contatto (giunzione) di due conduttori diversi, viene generato o assorbito calore.

La quantità di calore assorbito o rilasciato è correlata al tipo di materiali saldati insieme, nonché alla direzione e all'intensità della corrente elettrica che scorre attraverso la giunzione. Il coefficiente di Peltier nella formula è numericamente uguale al coefficiente termo-EMF moltiplicato per la temperatura assoluta. Questo fenomeno è ora noto come .

L'essenza dell'effetto Peltier fu compresa nel 1838 dal fisico russo Emilius Christianovich Lenz. Ha testato sperimentalmente l'effetto Peltier posizionando una goccia d'acqua alla giunzione dei campioni di antimonio e bismuto. Quando Lenz fece passare una corrente elettrica attraverso il circuito, l'acqua si trasformò in ghiaccio, ma quando lo scienziato invertì la direzione della corrente, il ghiaccio si sciolse rapidamente.

Lo scienziato ha scoperto che quando scorreva la corrente, non veniva rilasciato solo calore Joule, ma veniva anche assorbito o rilasciato ulteriore calore. Questo calore aggiuntivo è chiamato “calore di Peltier”.

La base fisica dell'effetto Peltier è la seguente. Il campo di contatto alla giunzione di due sostanze, creato dalla differenza di potenziale di contatto, impedisce il passaggio della corrente che passa attraverso il circuito o lo facilita.

Se la corrente viene trasmessa contro il campo, è necessario il lavoro della sorgente, che deve consumare energia per superare il campo di contatto, a seguito del quale l'area di giunzione viene riscaldata. Se la corrente è diretta in modo tale che il campo di contatto la supporti, allora il lavoro viene svolto dal campo di contatto e l'energia viene sottratta alla sostanza stessa e non viene consumata dalla fonte di corrente. Di conseguenza, la sostanza alla giunzione viene raffreddata.

L'effetto Peltier è più pronunciato nei semiconduttori, che producono moduli Peltier o convertitori termoelettrici.

Al centro Elemento Peltier due semiconduttori in contatto tra loro. Questi semiconduttori differiscono per l'energia degli elettroni nella banda di conduzione, pertanto, quando la corrente scorre attraverso il punto di contatto, gli elettroni sono costretti ad acquisire energia per potersi spostare in un'altra banda di conduzione.

Pertanto, quando si spostano su una banda di conduzione energetica più alta di un altro semiconduttore, gli elettroni assorbono energia, raffreddando il sito di transizione. Quando la corrente è diretta nella direzione opposta, gli elettroni cedono energia e oltre al calore Joule si verifica il riscaldamento.

Il modulo a semiconduttore Peltier è costituito da diverse coppie a forma di piccoli parallelepipedi. Tipicamente, come semiconduttori vengono utilizzati il ​​tellururo di bismuto e una soluzione solida di silicio e germanio. I parallelepipedi semiconduttori sono collegati tra loro a coppie tramite ponticelli in rame. Questi ponticelli fungono da contatti per lo scambio termico con piastre ceramiche.

I ponticelli sono disposti in modo tale che su un lato del modulo si trovano solo i ponticelli che forniscono una transizione n-p e sull'altro lato ci sono solo i ponticelli che forniscono una transizione p-n. Di conseguenza, quando viene applicata la corrente, un lato del modulo si riscalda, l'altro si raffredda e, se la polarità dell'alimentazione viene invertita, i lati di riscaldamento e raffreddamento si scambieranno di conseguenza. Pertanto, quando passa la corrente, il calore si trasferisce da un lato all'altro del modulo e si verifica una differenza di temperatura.

Se ora un lato del modulo Peltier viene riscaldato e l'altro viene raffreddato, nel circuito si verificherà una termo-EMF, ovvero si realizzerà l'effetto Seebeck. Ovviamente l'effetto Seebeck (effetto termoelettrico) e l'effetto Peltier sono due facce della stessa medaglia.

Oggi puoi acquistare facilmente i moduli Peltier a un prezzo relativamente conveniente. I più popolari sono i moduli Pertier del tipo TEC1-12706, contenenti 127 termocoppie e progettati per un'alimentazione a 12 volt.

Con un consumo massimo di 6 A è raggiungibile una differenza di temperatura di 60°C, mentre l'intervallo di temperatura di funzionamento sicuro dichiarato dal produttore va da -30°C a +70°C. Dimensioni del modulo 40 mm x 40 mm x 4 mm. Il modulo può funzionare sia in raffreddamento-riscaldamento che in modalità .

Esistono anche moduli Peltier più potenti, ad esempio TEC1-12715, da 165 W. Questo modulo, alimentato da 0 a 15,2 volt, con una corrente da 0 a 15 ampere, è in grado di sviluppare una differenza di temperatura di 70 gradi. Anche le dimensioni del modulo sono 40 mm x 40 mm x 4 mm, ma la gamma di temperature operative sicure è più ampia: da -40°C a +90°C.

La tabella seguente riassume i moduli Peltier ampiamente disponibili oggi sul mercato:

Andrej Povny

Gli elementi Peltier sono speciali convertitori termoelettrici che funzionano secondo il principio Peltier. (formazione di una differenza di temperatura quando si collega la corrente elettrica, in altre parole, un frigorifero termoelettrico).

Non è un segreto che i dispositivi elettronici si surriscaldino durante il funzionamento. Il riscaldamento influisce negativamente sul processo di lavoro, quindi, per raffreddare in qualche modo i dispositivi, nel corpo del dispositivo vengono integrati elementi speciali, dal nome dell'inventore francese - Peltier. Questo è un elemento di piccole dimensioni in grado di raffreddare i componenti radio sulle schede dei dispositivi. L'installazione da soli non causerà alcun problema; l'installazione nel circuito viene eseguita con un normale saldatore.

1 — Isolante ceramico
2 - conduttore di tipo n
3 - conduttore di tipo p
4 - Conduttore in rame

All'inizio nessuno era interessato ai problemi di raffreddamento, quindi questa invenzione rimase inutilizzata. Due secoli dopo, quando si utilizzarono dispositivi elettronici nella vita quotidiana e nell'industria, iniziarono ad essere utilizzati elementi Peltier in miniatura, che ricordavano l'effetto dell'inventore francese.

Principio operativo

Per capire come funziona un elemento basato sull'invenzione di Peltier è necessario comprenderne i processi fisici. L'effetto è quello di combinare due materiali con proprietà conduttive che hanno diverse energie elettroniche nella regione di conduzione. Quando una corrente elettrica è collegata alla zona di accoppiamento, gli elettroni ricevono un'elevata energia per spostarsi nella zona di conduttività più elevata del secondo semiconduttore. Man mano che l'energia viene assorbita, i conduttori si raffreddano. Quando la corrente scorre nella direzione opposta, si verifica il consueto effetto di riscaldamento del contatto.

Tutto il lavoro viene eseguito a livello del reticolo atomico del materiale. Per comprendere meglio il lavoro, immaginiamo un gas costituito da particelle – fononi. La temperatura del gas dipende dai parametri:

• Proprietà del metallo.
• Temperature ambientali.

Supponiamo che il metallo sia costituito da una miscela di gas di elettroni e fononi in equilibrio termodinamico. Quando due metalli a temperature diverse si toccano, il gas freddo degli elettroni si sposta nel metallo caldo. Si crea una potenziale differenza.

Alla giunzione del contatto, gli elettroni assorbono l'energia dei fononi e la trasferiscono all'altro metallo ai fononi. Quando si cambiano i poli della sorgente di corrente, l'intero processo verrà invertito. La differenza di temperatura aumenterà finché non saranno disponibili elettroni liberi con un potenziale elevato. In loro assenza, le temperature nei metalli si equalizzeranno.

Se installi un dissipatore di calore di alta qualità sotto forma di radiatore su un lato della piastra Peltier, il secondo lato della piastra creerà una temperatura più bassa. La temperatura sarà di diverse decine di gradi inferiore a quella dell'aria circostante. Più alto è il valore corrente, più forte sarà il raffreddamento. Quando la polarità della corrente viene invertita, il lato freddo e quello caldo si scambieranno tra loro.

Quando si collega un elemento Peltier al metallo, l'effetto diventa insignificante, quindi praticamente vengono installati due elementi. Il loro numero può essere qualsiasi, dipende dalla necessità di potenza frigorifera.

L'efficacia dell'effetto Peltier dipende dalla precisione con cui vengono selezionate le proprietà dei metalli, dall'intensità della corrente che scorre attraverso il dispositivo e dalla velocità di rimozione del calore.

Ambito di utilizzo

Per applicare praticamente l'elemento Peltier, gli scienziati hanno effettuato diversi esperimenti che hanno dimostrato che un aumento della rimozione del calore si ottiene aumentando il numero di connessioni di due materiali. Maggiore è il numero di giunzioni di materiali, maggiore è l'effetto. Più spesso nella nostra vita, un tale elemento viene utilizzato per raffreddare i dispositivi elettronici e ridurre la temperatura nei microcircuiti.

Ecco alcuni dei loro usi:

• Dispositivi per la visione notturna.
• Fotocamere digitali, dispositivi di comunicazione, microcircuiti che richiedono un raffreddamento di alta qualità per un migliore effetto dell'immagine.
• Telescopi raffreddati.
• Condizionatori.
• Sistemi di raffreddamento precisi dell'orologio per oscillatori elettrici al quarzo.
• Frigoriferi.
• Raffreddatori d'acqua.
• Frigoriferi per auto.
• Schede video.

Gli elementi Peltier sono spesso utilizzati nei sistemi di refrigerazione e condizionamento dell'aria. È possibile raggiungere temperature abbastanza basse, il che apre la possibilità di essere utilizzato per raffreddare apparecchiature con riscaldamento maggiore.

Attualmente gli esperti utilizzano elementi Peltier nei sistemi acustici che fungono da refrigeratore. Gli elementi Peltier non creano alcun suono, quindi la silenziosità è uno dei loro vantaggi. Questa tecnologia è diventata popolare grazie al suo potente trasferimento di calore. Gli elementi realizzati con la tecnologia moderna sono di dimensioni compatte e i radiatori di raffreddamento mantengono una certa temperatura per lungo tempo.

Il vantaggio degli elementi è la loro lunga durata, poiché sono realizzati sotto forma di un corpo monolitico, sono improbabili malfunzionamenti. Il design semplice del solito tipo ampiamente utilizzato è semplice, costituito da due fili di rame con terminali e fili, isolamento ceramico.

Questo è un piccolo elenco di luoghi di applicazione. Si sta espandendo fino a includere elettrodomestici, computer e automobili. Si può notare l'uso degli elementi Peltier nel raffreddamento dei microprocessori ad alte prestazioni. In precedenza, erano installati solo i fan. Ora, quando si installa un modulo con elementi Peltier, il rumore durante il funzionamento dei dispositivi è notevolmente diminuito.

I circuiti di raffreddamento dei frigoriferi convenzionali passeranno a circuiti che utilizzano l'effetto Peltier? Oggi questo è difficilmente possibile, poiché gli elementi hanno una bassa efficienza. Inoltre, il loro costo non ne consente l'utilizzo nei frigoriferi, poiché è piuttosto elevato. Il futuro mostrerà come si svilupperà questa direzione. Oggi vengono condotti esperimenti con soluzioni solide simili per struttura e proprietà. Quando li si utilizza, il prezzo del modulo di raffreddamento potrebbe diminuire.

Effetto inverso degli elementi Peltier

La tecnologia di questo tipo ha una caratteristica con fatti interessanti. Questo è l'effetto della generazione di corrente elettrica raffreddando e riscaldando la piastra del modulo Peltier. In altre parole, funge da generatore di energia elettrica, con l'effetto opposto.

Tali generatori di elettricità esistono ancora in via puramente teorica, ma possiamo sperare nello sviluppo futuro di questa direzione. Un tempo, l'inventore francese non trovò alcuna applicazione per la sua scoperta.

Oggi questo effetto termoelettrico è ampiamente utilizzato in elettronica. Il campo di applicazione è in continua espansione, il che è confermato da rapporti ed esperienze di ricercatori e scienziati. In futuro, gli elettrodomestici e gli apparecchi elettronici avranno capacità innovative avanzate. I frigoriferi diventeranno silenziosi, proprio come i computer. Nel frattempo, i moduli Peltier vengono montati in diversi circuiti per raffreddare i componenti radio.

Vantaggi e svantaggi

I vantaggi degli elementi Peltier includono i seguenti fatti:

• L'alloggiamento compatto degli elementi ne consente il montaggio su una scheda con componenti radio.
• Non ci sono parti in movimento o sfregamento, il che ne aumenta la durata.
• Permette il collegamento di più elementi in un'unica cascata, secondo uno schema che permette di ridurre la temperatura delle parti molto calde.
• Quando la polarità della tensione di alimentazione viene modificata, l'elemento funzionerà nell'ordine inverso, ovvero i lati di raffreddamento e riscaldamento cambieranno di posizione.

Gli svantaggi includono quanto segue:

• Coefficiente d'azione insufficiente che influenza l'aumento della corrente fornita per ottenere la differenza di temperatura richiesta.
• Un sistema piuttosto complesso per rimuovere il calore dalla superficie di raffreddamento.

Come realizzare elementi Peltier per un frigorifero

Puoi realizzare tu stesso tali elementi Peltier in modo rapido e semplice. Per prima cosa devi decidere il materiale delle piastre. È necessario prendere piastre di elementi in ceramica resistente, preparare conduttori in quantità superiori a 20 pezzi, al fine di garantire la massima differenza di temperatura. Con un numero sufficiente di elementi di efficienza, si otterrà un aumento significativo delle prestazioni del frigorifero.

La potenza del frigorifero utilizzato gioca un ruolo importante. Se funziona con freon liquido, non ci saranno problemi con le prestazioni. Le piastre degli elementi sono montate vicino all'evaporatore, montate insieme al motore. Per tale installazione sarà necessario un determinato set di guarnizioni e strumenti. Ciò garantirà che il fondo del frigorifero si raffreddi rapidamente.

È necessario un attento isolamento dei conduttori, solo dopo averli collegati al compressore. Dopo aver completato l'installazione, è necessario controllare la tensione con un multimetro. Se gli elementi non funzionano correttamente (ad esempio, un cortocircuito), il termostato entrerà in funzione.

Altre applicazioni dei moduli termoelettrici

L'effetto modulo di Peltier viene utilizzato oggi, grazie alle leggi della fisica. L'energia in eccesso degli elementi è sempre utile laddove è richiesto uno scambio termico silenzioso e rapido.

I luoghi principali in cui vengono utilizzati i moduli:

• Raffreddamento di microprocessori.
• I motori a combustione interna producono gas di scarico, che gli scienziati hanno iniziato a utilizzare per generare energia ausiliaria utilizzando moduli termoelettrici. L'energia così ottenuta viene nuovamente fornita al motore sotto forma di energia elettrica. Ciò crea un risparmio di carburante.
• Nei dispositivi domestici che agiscono sul riscaldamento o sul raffreddamento.

Un dispositivo di raffreddamento può diventare un riscaldatore e un frigorifero può fungere da armadio riscaldante se la polarità CC viene invertita. Questo è chiamato effetto reversibile.

Questo principio viene utilizzato nei recuperatori. Consiste in una scatola di due camere. Sono collegati tra loro da un ventilatore. Gli elementi Peltier riscaldano l'aria fredda proveniente dall'esterno utilizzando l'energia estratta dall'aria calda all'interno della stanza. Questo dispositivo consente di risparmiare sui costi di riscaldamento degli ambienti.

Un elemento Peltier è una termocoppia, in altre parole un dispositivo che cambia temperatura e funziona secondo l'omonimo principio Peltier, cioè dimostra la differenza di temperatura che si verifica dal momento in cui viene fornita l'elettricità. Nelle fonti in lingua inglese appare come un dispositivo di raffreddamento termoelettrico. L’opposto di questo effetto è chiamato effetto Seebeck.

Come funziona il dispositivo

L'elemento Peltier funziona grazie all'interazione di un materiale conduttivo con un altro, diverso nel livello energetico degli elettroni nella regione conduttiva. Il passaggio attraverso tale canale di comunicazione conferisce all'elettrone una grande riserva di energia, che gli consente quindi di spostarsi in una regione conduttrice con un livello energetico più elevato. L'assorbimento di questa energia porta ad una diminuzione della temperatura nel punto di connessione dei conduttori. Quando si verifica il movimento inverso della corrente, il contatto si riscalda, il che si esprime sotto forma di un effetto termico standard.

A condizione che su un lato sia collegato un dissipatore di calore, durante il funzionamento del sistema di radiatori il secondo lato fornisce un forte raffreddamento (fino a decine di gradi al di sotto della temperatura ambiente). Esiste una relazione diretta tra l'entità della corrente e il grado di raffreddamento. Quando si cambia la polarità, cambiano anche le posizioni dei lati di riscaldamento e raffreddamento.

Quando l'elemento Peltier interagisce con parti metalliche, l'effetto che fornisce si riduce molte volte e il contrasto di temperatura diventa meno evidente sotto l'influenza di vari fenomeni associati alla conduttività termica del circuito. Per questo motivo l'applicazione pratica prevede l'utilizzo di due semiconduttori contemporaneamente.

Le termocoppie possono essere combinate in qualsiasi quantità entro un centinaio, il che rende possibile creare un elemento Peltier di qualsiasi capacità di refrigerazione.

Modulo termoelettrico

L'effetto Peltier può essere osservato in modo particolarmente chiaro quando si utilizzano semiconduttori p e n. Secondo la direzione della corrente elettrica, quando passa attraverso le connessioni p-n, l'energia viene assorbita o rilasciata.

Questo è il design utilizzato nel TEM (modulo termoelettrico). Un singolo elemento di un modulo termoelettrico è un'unità la cui struttura è una combinazione di conduttori p e n. Se diversi elementi simili sono collegati in serie, l'assorbimento di calore avverrà sul contatto n-p e il rilascio di calore sul contatto p-n. Di conseguenza, si verifica la situazione precedentemente descritta con la differenza di temperatura. Secondo il principio generalmente accettato, il lato caldo è quello a cui sono collegati i fili e nello schema si trova sempre in basso.

Fig.1: Modulo termoelettrico Peltier

In un TEM, le termocoppie sono fissate tra una coppia di piastre realizzate in materiali ceramici. Ciascuno dei rami è saldato a cuscinetti conduttivi in ​​rame (sbarre collettrici), che a loro volta sono legati a un materiale conduttore di calore, ad esempio l'ossido di alluminio.

Il livello di tensione operativa del modulo deve essere determinato in base al numero di componenti. L'opzione più comune sono i design modulari a 127 coppie con il livello di tensione più alto di 16 Volt. Ma il 75% di questo valore è solitamente sufficiente per farli funzionare. Inoltre, questa cifra è la più adatta, poiché soddisfa i requisiti delle condizioni di lavoro ed è abbastanza economica. All'aumentare della tensione, la potenza difficilmente aumenterà, ma il consumo di energia aumenterà in modo significativo.

Applicazione nella pratica

Oggi, l'uso dell'elemento Pelte è particolarmente rilevante nei seguenti tipi di dispositivi:

• Frigoriferi;
• Condizionatori;
• Raffreddatori automobilistici;
• Raffreddatori d'acqua;
• Schede video per personal computer.

In generale, possiamo dire che l'elemento Peltier è diventato parte integrante di una varietà di sistemi di refrigerazione e condizionamento dell'aria. L'utilizzo di questo dispositivo è un ottimo approccio per risolvere il problema del surriscaldamento delle apparecchiature. Oggigiorno l'elemento Peltier può essere utilizzato anche per il raffreddamento di impianti acustici e sonori, poiché il suo funzionamento è completamente silenzioso e ideale per tali scopi.

Esistono diverse qualità dell'elemento Peltier che sono molto richieste:

• Forniscono una dissipazione del calore abbastanza potente;
• Hanno dimensioni molto modeste, che ne consentono l'utilizzo in quasi tutti i dispositivi;
• Capace di mantenere lo stesso regime di temperatura per un lungo periodo di tempo (grazie ai radiatori);
• Sono estremamente durevoli perché sono costituiti da una serie di componenti solidi e non mobili.

Il componente più semplice dell'elemento si presenta come una coppia di conduttori di rame a cui sono collegati contatti e fili di collegamento, dotati di un elemento isolante (per la sua fabbricazione viene utilizzato acciaio inossidabile o ceramica).

Come creare il tuo elemento Peltier

La semplicità del design di questo dispositivo ti incoraggia a realizzarlo da solo. Inoltre, la portata della sua applicazione pratica è praticamente illimitata: frigoriferi, condizionatori e altre apparecchiature.

Dovresti prima preparare un paio di piastre metalliche e avrai anche bisogno di cablaggio con contatti. Prima di tutto, fai scorta di conduttori che verranno installati vicino alla base del dispositivo. I conduttori in PP sono i più adatti a questi scopi.

Successivamente, non dimenticare che all'uscita devono essere installati semiconduttori che forniranno calore alla piastra superiore. Per installare l'elemento avrai bisogno di un saldatore. Nella fase finale dovrai collegare un paio di fili. Uno è localizzato vicino alla base e fissato saldamente accanto al conduttore più esterno. È importante che non ci sia contatto con la piastra.

Il punto di attacco per il secondo conduttore si trova vicino alla parte superiore e viene fissato allo stesso modo sul conduttore più esterno.

Per verificare la funzionalità dell'elemento, dovrai utilizzare un tester. Il dispositivo è collegato ai fili e la tensione viene misurata. La deviazione standard della tensione raggiunge circa 23 Volt.

La potenza di un elemento Pelte dipende direttamente dalle sue dimensioni; questo dovrebbe essere preso in considerazione quando lo si assembla o si installa da soli. L'installazione di un elemento non sufficientemente potente non impedirà il guasto dell'apparecchiatura, ma lo ritarderà solo. Allo stesso tempo, l'eccesso di potenza fa sì che il livello di temperatura scenda a un livello critico, quando l'umidità nell'aria può iniziare a condensarsi e depositarsi sulla superficie dei dispositivi, il che è particolarmente pericoloso per i dispositivi elettronici.

Inoltre, l'altro lato del modulo genera molto calore, quindi per garantirne il funzionamento sicuro è necessaria una ventola abbastanza potente.

Come realizzare un generatore basato su un elemento Peltier?

I generatori basati sull'elemento Peltier sono di particolare interesse per le persone che, essendo state tagliate fuori dalla civiltà per un periodo piuttosto lungo, necessitano di una fonte di energia semplice ed economica. Sono inoltre ampiamente utilizzati in caso di surriscaldamento critico di parti del personal computer.

Fig. 2: Generatore basato su un elemento Peltier.

Gli elementi Peltier hanno un principio di funzionamento piuttosto interessante, ma in più hanno una caratteristica curiosa: se viene applicata loro una differenza di temperatura, producono elettricità. Una delle opzioni del generatore basata su questo dispositivo prevede il seguente design:

Il vapore si muove attraverso due tubi (uno di ingresso, l'altro di uscita), che viene convogliato nella cavità dello scambiatore di calore, costituito da una piastra (materiale: alluminio) dello spessore di 1 cm.

Ogni foro nello scambiatore di calore è collegato a un canale. Le dimensioni dello scambiatore di calore duplicano esattamente le dimensioni degli elementi Peltier. I due elementi sono fissati su entrambi i lati dello scambiatore di calore mediante quattro viti (2 per lato). In questo modo, grazie ai fori e ai canali dello scambiatore di calore, si forma un sistema completo di sezioni comunicanti attraverso le quali passa il vapore. Andando avanti, il vapore entra nella camera attraverso un tubo ed esce attraverso un altro, spostandosi nella camera successiva. Il calore trasmesso dal vapore viene trasferito agli elementi Peltier quando il vapore è a diretto contatto con la loro superficie, nonché con il materiale dello scambiatore di calore.

Per premere gli elementi strettamente al corpo dello scambiatore di calore, nonché per organizzare la rimozione dell'energia termica verso il lato “freddo”, vengono utilizzate piastre di alluminio di 0,5 cm di spessore. Nell'ultima fase, l'intera struttura viene sigillata con sigillanti siliconici.

Successivamente, il vapore viene rilasciato attraverso i tubi e la struttura viene immersa in acqua fredda. L'intero sistema inizia a funzionare. Verrà generata corrente elettrica fino a ridurre al minimo la differenza di temperatura tra il lato “caldo” e quello “freddo”.

Esiste anche un metodo più elementare.

L'elemento Peltier con i cavetti collegati al cavo telefonico di ricarica viene fissato al radiatore in alluminio (che andrà a contatto con il lato “freddo”) mediante sigillante. Qualsiasi oggetto caldo, ad esempio una tazza di tè caldo, viene posizionato sopra il dispositivo. Dopo un paio di secondi, il telefono può essere caricato. La ricarica continuerà finché il tè non si sarà raffreddato.

Scrivi commenti, aggiunte all'articolo, forse mi sono perso qualcosa. Dai un'occhiata, sarò felice se trovi qualcos'altro di utile sul mio.