Στοιχείο Peltier - πώς λειτουργεί και πώς γίνεται έλεγχος και σύνδεση

Η αρχή λειτουργίας του στοιχείου Peltier βασίζεται για το φαινόμενο Peltier, που συνίσταται στο γεγονός ότι όταν ένα συνεχές ηλεκτρικό ρεύμα διέρχεται από μια ένωση δύο διαφορετικών αγωγών, η ενέργεια μεταφέρεται από τον ένα αγωγό μετάβασης στον άλλο, ενώ η θερμότητα απελευθερώνεται ή απορροφάται στη διασταύρωση.

Η ποσότητα θερμότητας που απελευθερώνεται ή απορροφάται κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας θα είναι ανάλογη του ρεύματος, του χρόνου ροής του, καθώς και του συντελεστή Peltier που είναι χαρακτηριστικό ενός δεδομένου ζεύγους συγκολλημένων συρμάτων. Ο συντελεστής Peltier, με τη σειρά του, είναι ίσος με τον θερμοηλεκτρικό συντελεστή του ζεύγους πολλαπλασιασμένο με την απόλυτη θερμοκρασία της διασταύρωσης την τρέχουσα στιγμή.

Και αφού το εφέ Peltier είναι το πιο εκφραστικό σε ημιαγωγούς, τότε αυτή η ιδιότητα χρησιμοποιείται σε δημοφιλή και οικονομικά στοιχεία Peltier ημιαγωγών. Από τη μία πλευρά του στοιχείου Peltier απορροφάται θερμότητα, από την άλλη απελευθερώνεται. Στη συνέχεια, θα ρίξουμε μια πιο προσεκτική ματιά σε αυτό το φαινόμενο.

Η άμεση φυσική επίδραση του Peltier ανακαλύφθηκε το 1834.από τον Γάλλο φυσικό Jean Peltier, και τέσσερα χρόνια αργότερα η ουσία αυτού του φαινομένου διερευνήθηκε από τον Ρώσο φυσικό Emilius Lenz, ο οποίος έδειξε ότι εάν οι ράβδοι βισμούθιου και αντιμονίου ήταν σε στενή επαφή, το νερό έσταζε στο σημείο επαφής και στη συνέχεια μέσω το συνεχές ρεύμα διασταύρωσης με μια ορισμένη κατεύθυνση, τότε εάν στην αρχική κατεύθυνση του ρεύματος το νερό μετατραπεί σε πάγο, τότε εάν η κατεύθυνση του ρεύματος αλλάξει προς το αντίθετο, τότε αυτός ο πάγος θα λιώσει γρήγορα.

Στο πείραμά του, ο Lenz έδειξε ξεκάθαρα ότι η θερμότητα Peltier απορροφάται ή απελευθερώνεται ανάλογα με την κατεύθυνση του ρεύματος μέσω της διασταύρωσης.

Παρακάτω είναι ένας πίνακας συντελεστών Peltier για τρία δημοφιλή ζεύγη μετάλλων. Παρεμπιπτόντως, το αποτέλεσμα αντίθετο από το φαινόμενο Peltier ονομάζεται φαινόμενο Seebeck (όταν κατά τη θέρμανση ή την ψύξη των συνδέσεων ενός κλειστού κυκλώματος, ηλεκτρική ενέργεια).

Γιατί λοιπόν εμφανίζεται το φαινόμενο Peltier; Ο λόγος είναι ότι στο σημείο επαφής δύο ουσιών υπάρχει μια διαφορά δυναμικού επαφής που δημιουργεί ένα ηλεκτρικό πεδίο επαφής μεταξύ τους.

Εάν τώρα ρέει ηλεκτρικό ρεύμα μέσω της επαφής, αυτό το πεδίο είτε θα βοηθήσει τη ροή του ρεύματος είτε θα το αποτρέψει. Επομένως, εάν το ρεύμα κατευθύνεται ενάντια στο διάνυσμα δύναμης πεδίου επαφής, τότε η πηγή του εφαρμοζόμενου EMF πρέπει να κάνει τη δουλειά και η ενέργεια της πηγής απελευθερώνεται στο σημείο επαφής, αυτό θα προκαλέσει τη θέρμανση της.

Εάν το ρεύμα της πηγής κατευθύνεται κατά μήκος του πεδίου επαφής, τότε, όπως ήταν, υποστηρίζεται επιπλέον από αυτό το εσωτερικό ηλεκτρικό πεδίο και τώρα το πεδίο θα κάνει πρόσθετη εργασία για να μετακινήσει τα φορτία. Αυτή η ενέργεια αφαιρείται τώρα από την ουσία, η οποία στην πραγματικότητα προκαλεί την ψύξη της διασταύρωσης.

Έτσι, αφού γνωρίζουμε ότι τα ζεύγη ημιαγωγών χρησιμοποιούνται στα στοιχεία Peltier, ποια διαδικασία χρησιμοποιείται στους ημιαγωγούς;

Είναι απλό.Αυτοί οι ημιαγωγοί διαφέρουν ως προς τα ενεργειακά επίπεδα των ηλεκτρονίων στη ζώνη αγωγιμότητας. Όταν ένα ηλεκτρόνιο διέρχεται από τη διασταύρωση αυτών των υλικών, το ηλεκτρόνιο αποκτά ενέργεια έτσι ώστε να μπορεί να μετακινηθεί σε μια ζώνη υψηλότερης αγωγιμότητας ενέργειας ενός άλλου ζεύγους ημιαγωγών.

Όταν το ηλεκτρόνιο απορροφά αυτή την ενέργεια, το σημείο επαφής του ημιαγωγού ψύχεται.Όταν το ρεύμα ρέει προς την αντίθετη κατεύθυνση, το σημείο επαφής του ημιαγωγού θερμαίνεται, επιπλέον της συνηθισμένης θερμότητας Joule. Εάν χρησιμοποιούσαν καθαρά μέταλλα αντί για ημιαγωγούς στις κυψέλες Peltier, το θερμικό αποτέλεσμα θα ήταν τόσο μικρό που η ωμική θέρμανση θα το ξεπερνούσε πολύ.

Σε έναν πραγματικό μετατροπέα Peltier, όπως ο TEC1-12706, πολλά παραλληλεπίπεδα τελλουριδίου βισμούθιου και στερεού διαλύματος πυριτίου και γερμανίου είναι τοποθετημένα ανάμεσα σε δύο κεραμικά υποστρώματα, συγκολλημένα μεταξύ τους σε ένα σειριακό κύκλωμα. Αυτά τα ζεύγη ημιαγωγών τύπου n και p συνδέονται με αγώγιμους βραχυκυκλωτήρες που έρχονται σε επαφή με τα κεραμικά υποστρώματα.

Κάθε ζεύγος μικρών παραλληλεπίπεδων ημιαγωγών σχηματίζει μια επαφή για να περάσει ρεύμα από έναν ημιαγωγό τύπου n σε έναν ημιαγωγό τύπου p στη μία πλευρά του μετατροπέα Peltier και από έναν ημιαγωγό τύπου p σε έναν ημιαγωγό τύπου n στην άλλη πλευρά του ο μετατροπέας.

Όταν το ρεύμα ρέει μέσα από όλα αυτά τα σειριακά συνδεδεμένα παραλληλεπίπεδα, τότε, αφενός, όλες οι επαφές ψύχονται μόνο και αφετέρου, όλες θερμαίνονται μόνο. ​​Εάν αλλάξει η πολικότητα της πηγής, οι πλευρές θα αλλάξουν ρόλους.

Σύμφωνα με αυτή την αρχή, λειτουργεί το στοιχείο Peltier ή, όπως ονομάζεται επίσης, ο θερμοηλεκτρικός μετατροπέας Peltier, όπου η θερμότητα λαμβάνεται από τη μία πλευρά του προϊόντος και μεταφέρεται στην αντίθετη πλευρά του, ενώ δημιουργείται διαφορά θερμοκρασίας και στις δύο πλευρές του το στοιχείο.

Είναι ακόμη δυνατή η περαιτέρω ψύξη της πλευράς θέρμανσης του στοιχείου Peltier χρησιμοποιώντας μια ψύκτρα με ανεμιστήρα, τότε η θερμοκρασία της ψυχρής πλευράς θα είναι ακόμη χαμηλότερη. Σε ευρέως διαθέσιμα κύτταρα Peltier, η διαφορά θερμοκρασίας μπορεί να φτάσει περίπου τους 69 °C.

Για να ελέγξετε την υγεία του στοιχείου Peltier, αρκεί μια μπαταρία τύπου δακτύλου. Το κόκκινο καλώδιο της κυψέλης συνδέεται στον θετικό ακροδέκτη του τροφοδοτικού, το μαύρο καλώδιο στον αρνητικό. Εάν το στοιχείο λειτουργεί σωστά, τότε θα γίνει θέρμανση από τη μία πλευρά και ψύξη από την άλλη, μπορείτε να το νιώσετε με τα δάχτυλά σου. Η αντίσταση ενός συμβατικού στοιχείου Peltier είναι στην περιοχή λίγων ohms.