Peltier termoelektrik modül - cihaz, çalışma prensibi, özellikler

Termo-EMF'nin ortaya çıkması olgusu, Alman fizikçi Thomas Johann Seebeck tarafından 1821'de keşfedildi. Ve bu fenomen, temaslarının farklı sıcaklıklarda olması şartıyla, seri olarak bağlanan heterojen iletkenlerden oluşan kapalı bir elektrik devresinde bir EMF meydana gelmesi gerçeğinden oluşur.

Keşfeden Seebeck efektinin adını taşıyan bu etkiye artık basitçe termoelektrik etki.

Devre sadece bir çift farklı iletkenden oluşuyorsa, böyle bir devre denir ısıl çift. İlk yaklaşımda, termo-emf'nin büyüklüğünün sadece iletkenlerin malzemesine ve soğuk ve sıcak kontakların sıcaklıklarına bağlı olduğu söylenebilir. Bu nedenle, küçük bir sıcaklık aralığında, termo-EMF, soğuk ve sıcak kontaklar arasındaki sıcaklık farkı ile orantılıdır ve formüldeki oransallık katsayısına termo-EMF katsayısı denir.

Böylece, örneğin, 100 ° C sıcaklık farkında, 0 ° C'lik soğuk temas sıcaklığında, bir çift bakır-konstantan 4.25 mV'lik bir termo-EMF'ye sahiptir.

Bu arada, Termoelektrik etki üç bileşene dayanır:

İlk faktör, ortalama elektron enerjisinin sıcaklığa bağlı olarak farklı maddelerdeki farktır. Sonuç olarak, bir uçtaki iletkenin sıcaklığı daha yüksekse, elektronlar, iletkenin soğuk ucundaki elektronlardan daha yüksek hızlar elde eder.

Bu arada, iletken elektronların konsantrasyonu ısıtmalı yarı iletkenlerde de artar. Elektronlar yüksek hızda soğuk uca koşar ve orada negatif bir yük birikir ve sıcak uçta telafi edilmeyen bir pozitif yük elde edilir. Yani hacimsel EMF adı verilen termo-EMF'nin bir bileşeni var.

İkinci faktör, farklı maddeler için temas potansiyeli farkının sıcaklığa farklı şekilde bağlı olmasıdır. Bunun nedeni, temas eden her bir iletkenin Fermi enerjisindeki farktan kaynaklanmaktadır. Bu durumda ortaya çıkan temas potansiyeli farkı, Fermi enerji farkı ile orantılıdır.

İnce bir temas tabakasında bir elektrik alanı elde edilir ve her bir taraftaki potansiyel temas (temasa getirilen iletkenlerin her biri için) aynı olacaktır ve devre kapalı bir devrede daire içine alındığında, ortaya çıkan elektrik alanı sıfır olacaktır.

Ancak, iletkenlerden birinin sıcaklığı diğerinin sıcaklığından farklıysa, Fermi enerjisinin sıcaklığa bağımlı olması nedeniyle potansiyel fark da değişecektir. Sonuç olarak, termo-EMF'nin ikinci bileşeni olan temas EMF'si olacaktır.

Üçüncü faktör EMF'deki fonon artışıdır. Katıda bir sıcaklık gradyanı olması koşuluyla, sıcak uçtan soğuğa doğru hareket eden fononların sayısı (fonon - kristal atomlarının titreşim hareketi kuantumu) geçerli olacaktır, bunun sonucunda fononlarla birlikte çok sayıda elektron soğuk uca doğru taşınacaktır. ve işlem dengeye gelene kadar orada negatif bir yük birikecektir.

Bu, düşük sıcaklıklarda yukarıda belirtilen iki bileşenden yüz kat daha yüksek olabilen termo-EMF'nin üçüncü bileşenini verir.

1834'te Fransız fizikçi Jean Charles Peltier tam tersi etkiyi keşfetti. Bir elektrik akımı iki farklı iletkenin birleşiminden geçtiğinde ısının serbest bırakıldığını veya emildiğini buldu.

Emilen veya salınan ısı miktarı lehimlenmiş maddelerin tipi ile ve birleşme noktasından akan elektrik akımının yönü ve büyüklüğü ile ilişkilidir.Formüldeki Peltier katsayısı, sayısal olarak termo-EMF katsayısının mutlak sıcaklık ile çarpımına eşittir. Bu fenomen şimdi olarak biliniyor peltier etkisi.

1838'de Rus fizikçi Emiliy Khristianovich Lenz, Peltier etkisinin özünü anladı. Antimon ve bizmut örneklerinin birleşim yerine bir damla su koyarak Peltier etkisini deneysel olarak test etti. Lenz devreden bir elektrik akımı geçtiğinde, su buza dönüştü, ancak bilim adamı akımın yönünü tersine çevirdiğinde, buz hızla eridi.

Bilim adamı, akım aktığında, sadece Joule ısısı değil, aynı zamanda ek ısının emilmesi veya salınmasının meydana geleceği şekilde kurdu. Bu ilave ısıya Peltier ısısı adı verildi.

Peltier etkisinin fiziksel temeli aşağıdaki gibidir. Temas potansiyeli farkı tarafından oluşturulan iki maddenin birleştiği yerdeki temas alanı, akımın devreden geçişini önler veya buna katkıda bulunur.

Akım alana karşı geçirilirse, temas alanının üstesinden gelmek için enerji harcaması gereken bir kaynak çalışması gerekir, bunun sonucunda birleşme noktası ısıtılır. Akım, temas alanı tarafından desteklenecek şekilde yönlendirilirse, temas alanı işi yapar ve enerji, akım kaynağı tarafından tüketilmeyen maddenin kendisinden uzaklaştırılır. Sonuç olarak, kavşaktaki madde soğutulur.

Yarıiletkenlerde Peltier modüllerinin veya termoelektrik dönüştürücüler.

Kalbinde Peltier elemanı birbirleriyle temas eden iki yarı iletken. Bu yarı iletkenler, iletim bandındaki elektronların enerjisi ile ayırt edilir, bu nedenle bir temas temas noktasından aktığında, elektronlar başka bir iletim bandına transfer edebilmek için enerji elde etmek zorunda kalırlar.

Böylece, başka bir yarı iletkenin daha yüksek enerjili bir iletim bandına geçerken, elektronlar enerjiyi emer ve geçiş bölgesini soğutur. Akımın ters yönünde, elektronlar enerji verir ve Joule ısısına ek olarak ısıtma meydana gelir.

Peltier yarı iletken modülü birkaç çiftten oluşur p ve n tipi yarı iletkenlerküçük paralel kanatlar şeklinde. Genellikle, bizmut tellürid ve katı bir silikon ve germanyum çözeltisi yarı iletkenler olarak kullanılır. Yarı iletken paralel boruları çiftler halinde bakır jumperlar ile birbirine bağlanır. Bu jumperlar seramik plakalarla ısı alışverişi için kontak görevi görür.

Atlama telleri, modülün bir tarafında yalnızca n-p geçişi sağlayan atlama telleri ve diğer yandan yalnızca p-n geçişi sağlayan atlama telleri olacak şekilde yerleştirilmiştir. Sonuç olarak, bir akım uygulandığında, modülün bir tarafı ısınır, diğer tarafı soğur ve kaynağın polaritesi tersine çevrilirse, ısıtma ve soğutma tarafları buna göre yerleri değiştirir. Böylece, akımın geçişiyle, modülün bir tarafından diğer tarafına ısı aktarılır ve bir sıcaklık farkı oluşur.

Şimdi Peltier modülünün bir tarafı ısıtılır ve diğeri soğutulursa, devrede termo-emf görünecektir, yani Seebeck etkisi gerçekleşecektir. Açıkçası, Seebeck etkisi (termoelektrik etki) ve Peltier etkisi aynı madalyonun iki yüzüdür.

Bugün Peltier modüllerini nispeten uygun bir fiyata kolayca satın alabilirsiniz. En popüler Perrier modülleri, 127 termokupl içeren ve 12 volt besleme için tasarlanmış TEC1-12706 tipidir.

Maksimum 6 amper tüketimi ile 60 ° C sıcaklık farkı elde edilirken, üretici tarafından beyan edilen güvenli çalışma sıcaklığı aralığı -30 ° C ila + 70 ° C arasındadır. Modülün boyutu 40mm x 40mm x 4mm'dir. Modül hem soğutma-ısıtma modunda hem de üretim modu.

Daha güçlü Peltier modülleri, örneğin 165 watt değerinde TEC1-12715 vardır. 0 ila 15 amperlik bir akım gücü ile 0 ila 15.2 volt arasında bir voltajla çalıştırıldığında, bu modül 70 derecelik bir sıcaklık farkı geliştirebilir.Modülün boyutu da 40mm x 40mm x 4mm'dir, ancak güvenli çalışma sıcaklıkları aralığı daha geniştir - -40 ° C ila + 90 ° C.

Aşağıdaki tablo, bugün piyasada yaygın olarak bulunan Peltier modülleri hakkındaki verileri göstermektedir:

Post Modülleri Üzerine Veriler