Элемент пельтье как работает и что умеет
Принцип действия элемента Пельтье основан на эффекте Пельтье, который заключается в том, что при пропускании постоянного электрического тока через спай двух разнородных проводников, происходит перенос энергии от одного проводника спая — к другому, при этом в месте спая выделяется или поглощается тепло.
Количество выделенного или поглощенного в ходе данного процесса тепла, будет пропорционально току, времени его протекания, а также коэффициенту Пельтье, характерному для данной пары спаянных проводников. Коэффициент Пельтье, в свою очередь, равен коэффициенту термо-эдс пары, умноженному на абсолютную температуру спая в текущий момент.
И поскольку эффект Пельтье наиболее выразителен у полупроводников, то данное их свойство и используется в популярных и доступных полупроводниковых элементах Пельтье. С одной стороны элемента Пельтье тепло поглощается, с другой — выделяется. Далее мы рассмотрим это явление более внимательно.
Непосредственно физический эффект Пельтье был открыт в 1834 году французским физиком Жаном Пельтье, а спустя четыре года суть данного явления исследовал русский физик Эмилий Ленц, показавший, что если стержни из висмута и сурьмы привести в плотный контакт, на место контакта капнуть воды, а затем пропустить через спай постоянный ток определенного направления, то если при первоначальном направлении тока вода превратится в лед, значит если направление тока изменить на противоположное, то этот лед быстро растает.
В своем эксперименте Ленц наглядно продемонстрировал, что тепло Пельтье поглощается или выделяется в зависимости от направления тока через спай.
Ниже приведена таблица коэффициентов Пельтье для трех популярных пар металлов. Кстати, эффект, обратный эффекту Пельтье, называется эффектом Зеебека (когда при нагревании или охлаждении спаев замкнутой цепи, в этой цепи возникает электрический ток).
Так почему же возникает эффект Пельтье? Причина в том, что в месте контакта двух веществ имеется контактная разность потенциалов, которая порождает контактное электрическое поле между ними.
Если теперь через контакт пропустить электрический ток, то это поле будет либо помогать прохождению тока, либо препятствовать ему. Поэтому, если ток направлен против вектора напряженности контактного поля, то источник прикладываемой ЭДС должен совершить работу, и энергия источника как раз выделяется в месте контакта, это приведёт к его нагреву.
Если же ток источника будет направлен по контактному полю, то он как-бы дополнительно поддержится этим внутренним электрическим полем, и теперь поле совершит дополнительную работу по перемещению зарядов. Эта энергия отбирается теперь у вещества, что в действительности и приводит к охлаждению места спая.
Итак, поскольку мы знаем, что в элементах Пельтье используются спаи пар полупроводников, то что за процесс реализован в полупроводниках?
Все просто. Полупроводники эти отличаются уровнями энергий электронов в зоне проводимости. При прохождении электрона через место контакта данных материалов, электрон приобретает энергию, чтобы суметь перейти в более высокоэнергетическую зону проводимости другого полупроводника пары.
При поглощении электроном этой энергии происходит охлаждение места контакта полупроводников. При протекании тока в обратном направлении происходит нагревание места контакта полупроводников, дополнительно к обычному джоулеву теплу. Если бы вместо полупроводников в элементах Пельтье использовались чистые металлы, то тепловой эффект оказался бы настолько мал, что омический нагрев значительно превзошел бы его.
В реальном преобразователе Пельтье, таком например как TEC1-12706, между двумя керамическими подложками установлены несколько параллелепипедов из теллурида висмута и твердого раствора кремния и германия, спаянных между собой в последовательную цепочку. Эти пары полупроводников n- и p-типа соединены проводящими перемычками, которые и контактируют с керамическими подложками.
Каждая пара маленьких полупроводниковых параллелепипедов образует контакт для прохождения тока от полупроводника n-типа – к полупроводнику p-типа — с одной стороны преобразователя Пельтье, и от полупроводника p-типа — к полупроводнику n-типа — с другой стороны преобразователя.
Когда ток проходит через все эти последовательно соединенные параллелепипеды, то с одной стороны все контакты только охлаждаются, а с другой — все только нагреваются. Если полярность источника изменить, то стороны поменяются ролями.
По такому принципу и работает элемент Пельтье или, как его еще называют, термоэлектрический преобразователь Пельтье, где тепло отбирается от одной стороны изделия, и переносится на противоположную его сторону, при этом создается разность температур с двух сторон элемента.
Можно даже дополнительно охлаждать нагревающуюся сторону элемента Пельтье при помощи радиатора с вентилятором, тогда температура холодной стороны станет ещё ниже. В широко доступных элементах Пельтье разность температур может достигать около 69 °C.
Для того, чтобы проверить исправность элемента Пельтье, достаточно пальчиковой батарейки. Красный провод элемента присоединяется к положительной клемме источника питания, черный — к отрицательной. Если элемент исправен, то с одной стороны будет происходить нагрев, с другой — охлаждение, вы сможете почувствовать это пальцами рук. Сопротивление обычного элемента Пельтье находится в районе пары-тройки Ом.
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Элемент Пельтье
Все вы знаете, что с помощью электрического тока можно нагревать какие-либо предметы. Это может быть паяльник, электрочайник, утюг, фен, различного рода обогревашки и тд. Но слышали ли вы, что с помощью электрического тока можно охлаждать? «Ну а как же, например, бытовой холодильник» — скажите вы. И будете не правы. В бытовом холодильнике электрический ток оказывает только вспомогательную функцию: гоняет фреон по кругу.
Что такое элемент Пельтье
Но существуют ли такие радиоэлементы, которые при подаче на них электрического тока вырабатывают холод? Оказывается существуют ;-). В 1834 году французский физик Жан Пельтье обнаружил поглощение тепла при прохождении электрического тока через контакт двух разнородных проводников. Или, иными словами, в этом месте наблюдалась пониженная температура. Ну и как положено в физике, чтобы не придумывать новое название этому эффекту, его называют в честь того, кто его открыл. Открыл что-то новое? Отвечай за базар)). С тех пор зовется такой эффект эффектом Пельтье.
Практический опыт с элементом Пельтье
Выглядеть он может по-разному, но основной его вид — это прямоугольная или квадратная площадка с двумя выводами. Сразу же отметил сторону «А» и сторону «Б» для дальнейших экспериментов
Почему я пометил стороны?
Вы думаете, если мы просто тупо подадим напряжение на этот элемент, он у нас будет полностью охлаждаться? Не хочу вас разочаровывать, но это не так… Еще раз внимательно читаем определение про элемент Пельтье. Видите там словосочетание «разности температур»? То то и оно. Значит, у нас какая-то сторона будет греться, а какая-то охлаждаться. Нет в нашем мире ничего идеального.
Для того, чтобы определить температуру каждой стороны элемента Пельтье, я буду использовать мультиметр, который шел в комплекте с термопарой
Сейчас он показывает комнатную температуру. Да, у меня тепло ;-).
Для того, чтобы определить, какая сторона элемента Пельтье греется, а какая охлаждается, для этого цепляем красный вывод на плюс, черный — на минус и подаем чуток напряжения, вольта два-три. Я узнал, что у меня сторона «А» охлаждается, а сторона «Б» греется, пощупав их рукой. Если перепутать полярность, ничего страшного не случится. Просто сторона А будет нагреваться, а сторона Б охлаждаться, то есть они поменяются ролями.
Итак, номинальное (нормальное) напряжение для работы элемента Пельтье — это 12 Вольт. Так как я подключил на красный — плюс, а на черный — минус, то у меня сторона Б греется. Давайте замеряем ее температуру. Подаем напряжение 12 Вольт и смотрим на показания мультиметра:
77 градусов по Цельсию — это не шутки. Эта сторона нагрелась так, что когда ее трогаешь, она обжигает пальцы.
Поэтому главной фишкой использования элемента Пельтье в своих электронных устройствах является большой радиатор. Желательно, чтобы радиатор обдувался вентилятором. Я пока что взял радиатор от усилителя, который дали в ремонт. Намазал термопасту КПТ-8 и прикрепил элемент Пельтье к радиатору.
Подаем 12 Вольт и замеряем температуру стороны А:
7 градусов по Цельсию). Когда трогаешь, пальцы замерзают.
Но также есть и обратный эффект, при котором можно вырабатывать электроэнергию с помощью элемента Пельтье, если одну сторону охлаждать, а другую нагревать. Очень показательный пример — это фонарик, работающий от тепла руки
Потребляемая мощность элемента Пельтье
Элемент Пельтье сам по себе считается очень энергозатратным. Регулировка температуры его сторон достигается напряжением. Чем больше напряжение, тем большую силу тока он потребляет. А чем больше силы тока он потребляет, тем быстрее набирает температуру. Поэтому, можно регулировать холодок, тупо меняя значение напряжения).
Вот некоторые значения по потреблению электрического тока элементом Пельтье:
При напряжении в 1 Вольт он кушает 0,3 Ампера. Неплохо)
Повышаю напряжение до 3 Вольт
Кушает уже почти 1 Ампер.
Повышаю до 5 Вольт
Чуть больше полтора Ампера.
Даю 12 Вольт, то есть его рабочее напряжение:
Жрет уже почти 4 Ампера! Грабеж).
Давайте грубо посчитаем его мощность. 4х12=48 Ватт. Это даже больше, чем 40 Ваттная лампочка, которая висит у вас в кладовке). Если элемент Пельтье такой прожорливый, целесообразно ли из него делать бытовые холодильники и холодильные камеры? Конечно же нет! Такой холодильник у вас будет жрать Киловатт 10 не меньше! Но зато есть один маленький плюс — он будет абсолютно бесшумен :-). Но если нет никакой возможности, то делают холодильники даже из элементов Пельтье. Это в основном мини холодильники для автомобилей. Также элемент Пельтье некоторые используют для охлаждения процессора на ПК. Получается очень эффективно, но по энергозатратам лучше все-таки ставить старый добрый вентилятор.
Где купить элемент Пельтье
На Али можно найти даже мини-кондиционер из элемента Пельтье вот по этой ссылке.
На Али этих элементов Пельтье можете выбрать сколь душе угодно!
Элементы Пельтье или мой путь к криогенным температурам
Многие слышали про «магические» элементы Пельтье — при прохождении тока через них одна сторона охлаждается, а другая — нагревается. Это работает и в обратную сторону — если одну сторону нагревать, а другую охлаждать — вырабатывается электричество. Эффект Пельтье известен с 1834 года, но и по сей день нас не перестают радовать инновационные продукты на его основе (нужно только помнить, что при генерации электричества, как и у солнечных батарей — есть точка максимальной мощности, и если работать далеко от неё — КПД генерации сильно снижается).
Краткая теория
Классические «китайские» элементы Пельтье — это 127 элементов, включенных последовательно, и припаянных к керамической «печатной плате» из Al2O3. Соответственно, если рабочее напряжение 12В — то на каждый элемент приходится всего по 94мВ. Бывают элементы и с другим количеством последовательных элементов, и соответственно другим напряжением (например 5В).
Нужно помнить, что элемент Пельтье — это не резистор, его сопротивление нелинейно, так что если мы прикладываем 12В — у нас может не получится 6 ампер (для 6-и амперного элемента) — ток может изменятся в зависимости от температуры (но не слишком сильно). Также при 5В (т.е. меньше номинала) ток будет не 2.5А, а меньше.
Количество перенесенного тепла пропорционально току. Но помимо этого есть паразитный нагрев от протекания тока, и паразитная теплопроводность — все это делает элемент Пельтье хоть сколько-то эффективным в очень узких условиях.
Кроме того, количество перенесенного тепла сильно зависит от разницы температуры между поверхностями. При разнице 60-67С — перенос тепла стремится к 0, а при нулевой разнице — 51 Ватт для 12*6 = 72-х Ваттного элемента. Очевидно, уже это не позволяет так просто соединять элементы в серию — нужно чтобы каждый следующий был по размерам меньше предыдущего, иначе самый холодный элемент будет пытаться отдать больше тепла (72Вт), чем элемент следующей ступени может пропустить через себя при желаемой разнице температур (1-51Вт).
Элементы пельтье собираются легкоплавким припоем с температурой плавления 138С — так что если элемент случайно останется без охлаждения и перегреется — то достаточно будет отпаяться одному из 127*2 контактов чтобы выкинуть элемент на свалку. Ну и элементы очень хрупкие — как керамика, так и сами охлаждающие элементы — я нечаянно разодрал 2 элемента «вдоль» из-за присохшей намертво термопасты: 
Пробуем
Идея — вынести все на морозный воздух, но есть проблема — кулер на тепловых трубках хорошо охлаждает только если температура «горячей» и «холодной» стороны кулера лежит по разные стороны фазового перехода газ-жидкость наполнителя трубки. В нашем случае это означает, что кулер в принципе не способен охладить что-либо ниже +20С (т.к. ниже работают только тонкие стенки тепловых трубок). Придется возвращаться к истокам — к цельно-медной системе охлаждения. А чтобы ограниченная производительность кулера не сказывалась на измерениях — добавим килограммовую медную пластину — тепловой аккумулятор.
Выкатываем тяжелую артиллерию
Выводы и видео на сладкое
Ну а с оставшимся сухим льдом можно поступить следующим образом:
PS. А если смешать сухой лед с изопропиловым спиртом — получится жидкий азот для «бедных» — в нем так же весело замораживаются и разбиваются цветы и проч. Вот только из-за того что спирт не кипит при контакте с кожей — получить обморожение существенно легче.
Элемент пельтье и его принцип работы
В электротехнике используется много разных физических эффектов, процессов и свойств материалов. Достаточно вспомнить магнетизм, емкостные характеристики диэлектриков, сопротивление металлов прохождению тока. Определенный интерес представляют конструкции, содержащие связки двух полупроводников p- и n- типа, физические состояния которых, — под действием электрического тока — меняются. Речь идет об элементах Пельтье, названых так по имени первооткрывателя эффекта.
При подаче электроэнергии в устройство названого типа, место соприкосновения пластин разной энергетической проводимости нагревается или охлаждается в зависимости от направления движения тока. Причем разница температур может быть весьма велика и зависит в большей степени только от поступающего напряжения. Доступность конструкции позволяет изготовить самодельный элемент Пельтье даже в домашних условиях силами заинтересованного любителя электроники из вполне доступных материалов.
Самодельный холодильник с использованием элемента Пельтье:
Ниши применения аппарата довольно широки, от создания разогревающих поверхностей, до систем охлаждения процессоров, напитков или даже создания мини-холодильников. Единственный минус элемента — стоимость исходных материалов. Для миниатюрных конструкций еще можно найти необходимое их количество в компонентах электроники. В случае больших и соответственно мощных аппаратов, цена полупроводников будет дороже.
Теперь что касается выработки тока на биметаллических пластинах. Физическое явление ошибочно относят конкретно к элементам Пельтье, что не совсем точно соответствует истине. Изначально эффект открыт был Т. И. Зеебеком от фамилии которого и получил свое название. В проведенных исследованиях было выявлено, что в двух связанных проводниках из различных металлов (не обязательно p- и n- типа), для которых создается разница температур в отношении каждого, методом нагрева одного и охлаждением другого, возникает электрический ток. Правда, КПД процесса выше у полупроводниковой конструкции, больше напоминающей классический элемент Пельтье.
Генератор на основе эффекта Зеебека:
К сожалению, несмотря на видимые преимущества термических генераторов, производящих электричество и работающих на основе эффекта Зеебека, широкого распространения они не получили. Во всем виновата изначальная цена материалов, от которых непосредственно зависит коэффициент полезного действия на каждую единицу площади устройства. Кроме того, не стоит забывать о разнице температур, резкость которой в природе получить достаточно сложно. Есть конечно варианты, когда генератор названого типа работает на принудительном нагреве одной пластины и охлаждении другой. Причем первое действие производится не только за счет сгорания ископаемого топлива, но и к примеру, при распаде радиоактивных элементов или воздействия солнечных лучей. К сожалению, мощность таких устройств относительно мала по сравнению с энергозатратами, нужными для конечного производства тока. Классические виды генераторов в названом случае более эффективны при весьма солидной экономии топлива, необходимого для работы, или же при слабом действии природных факторов.
Еще один генератор, использующий тепло для питания слабого потребителя:
Краткая история открытия и обоснование физики работы
В основе работы элемента Пельтье находится физический принцип прохождения тока через две соприкасающиеся пластины, изготовленные из материалов с различными уровнями энергии тока прохождения, или другими словами — полупроводниками отличающихся типов. В месте их соединения будет наблюдаться нагрев при подаче тока в одну сторону, и понижение температуры при движении его в обратную.
Открыт эффект был еще в 18 веке Жан-Шарлем Пельтье, который получил его случайно, соединив контакты из висмута и сурьмы от источника тока. Капля воды, находящаяся в точке соприкосновения, превратилась в лед, что и вызвало интерес исследователя. Практическое применение открытие не получило по причине слабой распространенности электротехники в указанный период времени. Вспомнили о нем уже позднее, в век развития микроэлектроники, компонентам которой нужно было миниатюрное охлаждение, желательно без жидкостей и подвижных частей (насосов, вентиляторов и прочих).
Продаваемые сборки элементов Пельтье:
Элемент Пельтье можно создать не только из полупроводников. Но, к сожалению, эффект от использования различных проводящих металлов будет ниже, и практически полностью потеряется за счёт нагревания их в месте соприкосновения и общей теплопроводности материала.
Внутреннее устройство элемента Пельтье:
В общем виде конструкция выглядит как набор электродов кубической формы, изготовленных из полупроводников n- и p-типа. Каждый из них соединен с противоположными проводящими контактами, а все указанные пары соединены между собой последовательно. Причем расположение элементов выполняется так, чтобы связующие металлы между сборками полупроводников одного типа, соприкасались с первой стороной устройства в общем, а второго с противоположной. Сами p- и n- кубы зачастую изготавливаются из теллурида висмута и сплава кремния с германием. Соединительные контакты обычно из меди, алюминия или железа. Здесь главное требование — хорошая теплопроводность. Количество же пар в одной конструкции не ограничивается, и чем их больше, тем эффективнее работает элемент Пельтье. При подаче напряжения на сборку одна ее сторона нагревается, вторая охлаждается.
Принципиальная схема соединений в элементе Пельтье:
Годом нахождения обратного эффекта, выражающегося в выработке тока при охлаждении и нагреве соединенных проводников из разных металлов, принято считать 1821. Открытие было сделано Т. И. Зеебеком, который уже на следующий год опубликовал его в статье, предназначенной для Прусской академии наук, с названием «К вопросу о магнитной поляризации некоторых металлов и руд, возникающей в условиях разности температур».
Хотя согласно его работе, система генерации действует не только при использовании полупроводников, с ними ее КПД намного выше.
Элемент Пельтье, предназначенный целям генерации тока:
Где применяется
Миниатюрность настоящих элементов и относительно низкое их энергопотребление, — вкупе с отсутствием движущихся частей или различных жидкостей, применяемых в целях переноса тепла — предоставляет широкий спектр ниш использования. Сюда входят автомобильные кондиционеры, системы охлаждения микросхем и элементов электроники, мини-холодильники, подставки поддерживающие определенную температуру размещенных сверху емкостей. Кроме названых используется оборудование на элементах Пельтье в специфичных сферах, на подобии ПЦР-амплификаторов, нагревающихся систем вспышки фотоаппаратов, телескопах (для снижения теплового шума) и приемниках излучения инфракрасных устройств.
Реже можно заметить настоящий элемент в роли части конструкции генераторов. Хотя на рынках периодически всплывают аппараты аналогичного класса, к примеру, в виде фонариков, работающих от тепла человеческого тела или слабых машин, производящих электрический ток в целях подзарядки аккумуляторов смартфонов или ноутбуков.
Напряжение, получаемое на выходе элементов Пельтье:
Достоинства и недостатки
Как уже говорилось ранее, основным плюсом элементов Пельтье служит их миниатюрность, вкупе с отсутствием движущихся частей и агрегатных сред, используемых для передачи температуры. Соответственно, нет различных вентиляторов и насосов, хотя первые и могут использоваться для создания более быстрой конвекции тепла устройства и внешней среды. Кроме названых можно вспомнить простоту конструкции, которую в принципе может повторить каждый, изготовив элемент Пельтье своими руками.
Есть и минусы, основным из которых можно назвать низкий КПД, требующий повышения силы тока для создания действительно значимой разницы температур между горячей и холодной частью.
Эффект охлаждения достигаемый при использовании элементов Пельтье:
Элементы Пельтье своими руками
Получив теоретические знания о функционировании биметаллического устройства, пора перейти к тому, как сделать элемент Пельтье своими руками. Вот только сначала нужно выбрать нишу его применения. Хотя бы потому, что использовать устройство можно для охлаждения чего-либо, нагрева, или в качестве генератора с целью выработки электроэнергии. Последний вариант предпочтительнее по причине ненужности большого количества исходных материалов, хотя бы потому что многовольтное и высокоамперное устройство изготовить в любом случае сложно, особенно дома, ну а для целей подзарядки чего-либо подойдет и меньший его вариант. Хотя лучше купить готовый элемент Пельтье требуемой мощности с торговых интернет-площадок, чем заниматься его изначальным и достаточно невыгодным изготовлением.
Из диодов и транзисторов
Фактически любой элемент Пельтье представляет собой гирлянду из последовательно соединенных диодов, работающих в режиме пробоя. В сущности, любой электронный компонент, пропускающий ток в одном направлении и препятствующий его прохождению в обратном, построен на принципах соединения полупроводников p-n типа. Что в свою очередь наводит на мысли о схожести системы на искомую конструкцию, аналогичную той, которую имеет модуль Пельтье. Если брать во внимание диоды с пластмассовой оболочкой (включая излучающие свет), мешает доступу к самим контактным пластинам из разных металлов только сам корпус устройства.
Вот они, две пластины полупроводника в прозрачном диоде:
Случай транзисторов аналогичен, конечно учитывая то, что в большинстве из них три контакта, два из полупроводника одного типа и один (меньший) другого. Хотя избавиться от корпуса, если он металлический, проще, что довольно распространено у элементов названого типа — достаточно срезать верхнюю крышку и получить доступ к открытым контактным пластинам.
Металлический транзистор со снятой крышкой:
Саму процедуру избавления от корпуса возложим на читателей, с рекомендацией попробовать нагрев, кислоту или механическое снятие преграды. Что касается соединения контактных площадок, здесь некоторые фанаты, судя по имеющейся информации, использовали меднение их верхушек электрическим методом. Впоследствии к подготовленным участкам осуществлялась пайка проводящих контактов.
После получения требуемых металлов, главное, что нужно помнить при их подключении — направление прохождения тока и последовательное соединение, выглядящее, как p-n-p-n-p-n, учитывая тип полупроводников. Кроме того, чем больше будет использовано элементов в конструкции, вне зависимости от их размера, тем и выше КПД получившегося генератора или устройства создающего тепло вместе с холодом.
В окончании
Статья полностью объясняет, как работает элемент Пельтье и можно ли его повторить своими руками, используя только доступные материалы. Целесообразность самоличной сборки в практических целях оставляем на совести интересующихся вопросом. Хотя устройство, сделанное лично, безусловно более полно удовлетворит внутреннего любителя все делать самостоятельно, в отличие от покупного.
